Роль биоэнергетики в декарбонизации тяжелой промышленности

Глобальный императив по сокращению выбросов парниковых газов подверг интенсивным проверкам тяжелые отрасли промышленности. Такие сектора, как сталелитейное, цементное и химическое производство, являются одними из самых трудных для декарбонизации, поскольку они требуют чрезвычайно высоких температур, выбросов в процессе производства и полагаются на ископаемое топливо как для энергии, так и в качестве химического сырья. Биоэнергетика, полученная из органических материалов, стала универсальным и все более жизнеспособным решением, которое помогает этим отраслям снизить свой углеродный след, не жертвуя производственными мощностями. Заменяя биомассу для угля, природного газа или нефти, тяжелые отрасли могут достичь значительного сокращения выбросов при сохранении энергоемкости своих процессов.

Понимание биоэнергетики

Биоэнергетика относится к энергии, используемой из органических материалов, коллективно известных как биомасса. Эта категория включает целевые энергетические культуры (такие как мискантус и коротковращающийся коппис), сельскохозяйственные остатки (солома, кукурузный погребок, шелуха), побочные продукты лесного хозяйства (древесные чипсы, опилки, кора) и органические фракции твердых бытовых отходов. Биомасса может быть преобразована в полезную энергию через несколько путей:

Сжигание: Прямое сжигание биомассы для производства тепла или пара для производства электроэнергии или промышленных процессов.
Газификация: Частичное окисление биомассы при высокой температуре для получения сингаза (смесь окиси углерода и водорода), который может быть сожжен или модернизирован в синтетическое топливо.
Пиролиз: Тепловое разложение биомассы при отсутствии кислорода для получения биомассы, биоуголь и горючих газов.
Анаэробное пищеварение: Микробиологическое расщепление органического вещества в условиях, свободных от кислорода, для производства биогаза (в первую очередь метана), который может использоваться для отопления, питания или в качестве возобновляемого заменителя природного газа.

Каждый маршрут преобразования предлагает различные преимущества в зависимости от промышленного применения, наличия сырья и желаемого конечного продукта.Выбор технологии должен соответствовать конкретным тепловым и химическим требованиям промышленного процесса.

Роль биоэнергетики в тяжелой промышленности

Тяжелые отрасли промышленности являются в основном энергоемкими. Производство стали, цемента и химических веществ составляет примерно 20% глобальных выбросов CO_]2, и большая часть этих выбросов происходит от сжигания ископаемого топлива для тепла и от химических реакций в самом процессе. Биоэнергетика может решать оба источника: она может заменить ископаемое топливо в качестве источника тепла и, в некоторых случаях, служить возобновляемым сырьем, которое уменьшает выбросы, связанные с процессом. Ниже мы рассмотрим наиболее перспективные применения в каждом секторе.

Производство стали

Производство стали, в первую очередь через доменную печь - основную кислородную печь (BF-BOF) маршрут, в значительной степени зависит от металлургического угля (кокса) как в качестве топлива и в качестве восстановителя для преобразования железной руды в расплавленное железо.

Биококс и биоуголь: Биомасса может быть разрежена или пиролизована для получения материала со свойствами, аналогичными углю, который может заменить часть коксового заряда в доменных печах. Исследования показали, что замена до 20-30% кокса биококом может уменьшить выбросы CO₂ без ущерба для качества железа.
Впрыск в доменные печи: Пульверизованная биомасса (например, древесина древесного угля или торрефидная древесина) может быть введена через туйеры в качестве частичной замены пылесодержащего угля (PCI). Этот подход был протестирован в промышленном масштабе и может снизить интенсивность углерода на 30-50% на тонну стали в сочетании с устойчивым источником биомассы.
Прямое сокращение (DRI) с биосингазом: В процессах прямого восстановления природный газ или сингаз, полученный из угля, используется для уменьшения железной руды до губчатого железа. Газификация биомассы может производить возобновляемый сингаз, который может заменить восстановительные агенты на основе ископаемых, открывая путь к почти углеродно-нейтральной стали.

Крупные сталелитейные компании, такие как SSAB, ArcelorMittal и thyssenkrupp, активно тестируют и масштабируют решения на основе биоэнергетики в рамках своих дорожных карт декарбонизации. Международное энергетическое агентство (МЭА) отмечает, что биоэнергетика может обеспечить до 10% энергии, необходимой в сталелитейном секторе к 2050 году в рамках амбициозных климатических сценариев.

Производство цемента

Цементная промышленность уникальна, потому что приблизительно 60% ее выбросов CO _]2 происходят от кальцинирования известняка (CaCO ₃ → CaO + CO ₂), присущей химической реакции. Оставшиеся 40% приходят от сжигания ископаемого топлива для нагрева цементной печи до примерно 1450 ° C. Биоэнергия может адресовать связанную с топливом часть и, в сочетании с улавливанием углерода (BECCS), может даже компенсировать выбросы процесса.

Альтернативная замена топлива: Цементные печи очень адаптируемы и могут сжигать широкий спектр твердого, жидкого и газообразного топлива. Биомасса, такая как древесная щепа, сельскохозяйственные остатки и топливо, полученное из отходов (включая органическую фракцию), может заменить уголь и петкокс. Многие цементные заводы уже достигают коэффициента теплового замещения 30-50% с использованием биомассы, полученной из отходов.
Препаратор и предкальцинерный обжиг:] Биомассу можно подавать непосредственно в предкальцинер, где происходит низкотемпературное кальцинирование, уменьшая потребность в ископаемом топливе на этой стадии. Такой подход позволяет повысить коэффициенты замещения, не влияя на качество клинкера.
Биоэнергия с улавливанием и хранением углерода (BECCS): Когда биомасса сжигается в печи и полученный CO₂ захватывается и постоянно хранится, процесс может достигать отрицательных выбросов — удаление CO₂ из атмосферы при производстве цемента. Пилотные проекты в Европе и Северной Америке изучают этот путь.

Глобальная ассоциация цемента и бетона (GCCA) поставила амбициозные цели по снижению интенсивности CO_]2, а биоэнергия признана ключевым рычагом наряду с заменой клинкера и улавливанием углерода. Однако устойчивый источник биомассы по-прежнему имеет решающее значение для предотвращения конкуренции с производством продуктов питания и биоразнообразием.

Химическое производство

Химическая промышленность полагается на сырье на основе ископаемых - в первую очередь нафту, природный газ и уголь - для производства основных химических веществ, таких как метанол, этилен, пропилен и аммиак. Биоэнергетика может служить как возобновляемым сырьем, так и источником энергии.

Биометанол: Биометанол, полученный из газификации биомассы и конверсии синхронного газа, биометанол может использоваться непосредственно в качестве топлива или в качестве строительного блока для формальдегида, уксусной кислоты и олефинов. Он химически идентичен ископаемому метанолу, что позволяет интегрироваться в существующую инфраструктуру.
Биоэтилен из этанола: Биоэтилен из этанола: Этанол, полученный из биомассы (например, сахарного тростника, кукурузы, целлюлозных остатков), может быть обезвожен до биоэтилена, ключевого мономера для пластмасс. Этот путь уже является коммерческим и составляет небольшую, но растущую долю мирового производства этилена.
Производство аммиака: Зеленый аммиак обычно производится с использованием электролитического водорода, но газификация биомассы с разделением водорода также может дать возобновляемый водород для синтеза аммиака. Кроме того, сжигание биомассы может обеспечить высокотемпературный пар, необходимый для процессов реформирования.
Тепло для химических процессов: Многие химические реакции требуют значительной тепловой энергии. Котельные или газификаторы на биомассе могут поставлять технологическое тепло или комбинированное тепло и энергию (ТЭЦ), вытесняя потребление природного газа.

Химический сектор сталкивается с особой проблемой, поскольку его выбросы связаны с энергетикой и сырьем. Одна только биоэнергетика не может полностью декарбонизировать отрасль - углерод, встроенный в молекулу, также должен поступать из возобновляемых источников. Однако биосырье предлагает краткосрочный мост, в то время как круговые подходы к углероду (например, химическая переработка) созревают.

Преимущества и сопутствующие выгоды биоэнергетики для тяжелой промышленности

Использование биоэнергетики в тяжелых промышленных процессах дает множество преимуществ, помимо прямого сокращения выбросов:

Потенциал нейтральности углерода: Биомасса считается углеродно-нейтральной по своему жизненному циклу, потому что CO₂, высвобождаемый во время сгорания, примерно эквивалентен CO₂, поглощаемому во время роста растения.Когда биомасса поступает устойчиво (т.е. из остатков или выделенных плантаций, которые восстанавливаются), чистый вклад в атмосферный CO₂ близок к нулю.
Повышение энергетической безопасности:] Биомасса местного производства снижает зависимость от импортного ископаемого топлива, изолируя отрасли от волатильности цен и геополитических сбоев. Многие страны имеют обильные сельскохозяйственные или лесные остатки, которые могут быть мобилизованы.
Сельское и экономическое развитие: Сельскохозяйственная и перерабатывающая цепочки поставок биомассы — от сбора урожая до транспортировки и переработки — создают рабочие места в сельских районах, поддерживают диверсификацию сельского хозяйства и могут оживить местную экономику. Хорошо управляемая индустрия биомассы также может обеспечить дополнительные потоки доходов для фермеров и лесовладельцев.
Управление отходами и круговая экономика: Использование сельскохозяйственных остатков, истончение лесного хозяйства и органических коммунальных отходов в качестве топлива снижает захоронение отходов и связанные с этим выбросы метана. Это согласуется с принципами круговой экономики путем преобразования потоков отходов в ценную энергию.
Дополнительность с улавливанием углерода: Когда биоэнергия сочетается с улавливанием и хранением углерода (BECCS), процесс может достигать отрицательных выбросов — критически важный инструмент для компенсации трудноизмеримых остаточных выбросов в таких секторах, как цемент и химические вещества.

Проблемы и ограничения

Несмотря на свои обещания, биоэнергетика сталкивается с рядом препятствий, которые необходимо устранить для широкого внедрения в тяжелой промышленности:

Доступность и устойчивость запасов: Масштабный спрос на биомассу может конкурировать с производством продовольствия, водными ресурсами и биоразнообразием.Источник должен быть сертифицирован в соответствии со схемами устойчивости, такими как разработанные Круглым столом по устойчивым биоматериалам (RSB) или Программой устойчивой биомассы (SBP). Существует реальный риск выбросов в результате изменения землепользования, если биомасса выращивается на очищенных лесах или торфяниках.
Логистика и предварительная обработка:] Биомасса имеет более низкую плотность энергии, чем ископаемое топливо, что делает транспортировку и хранение более дорогостоящими. Для улучшения обработки и содержания энергии часто необходимы такие этапы предварительной обработки, как торрефракция, пеллетизация или пиролиз, что увеличивает капитальные и эксплуатационные расходы.
Технологическая зрелость и интеграция: В то время как некоторые применения (например, совместное сжигание биомассы в цементных печи) коммерчески доказаны, другие (например, полная газификация биомассы для стальных DRI) все еще находятся на экспериментальной или демонстрационной стадии.
Качество воздуха и коррозия: Сгорание биомассы может привести к более высоким уровням твердых частиц, летучих органических соединений и щелочных металлов, которые вызывают загрязнение и коррозию в котлах и печи. Часто требуются передовые системы контроля выбросов и специальные материалы.
Без цен на углерод или субсидий топливо из биомассы часто дороже, чем ископаемое топливо. Выравнивающая стоимость промышленного тепла на основе биоэнергии сильно зависит от местных цен на сырье, расстояния транспортировки и эффективности преобразования.

Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) подчеркнула, что устойчивая биомасса является ограниченным ресурсом - глобальный потенциал оценивается в пределах от 50 до 250 экзаджоулей в год, но фактическая доступность зависит от выбора землепользования, урожайности и социального признания.

Будущие перспективы и поддержка политики

Масштабирование биоэнергетики в тяжелой промышленности потребует согласованных усилий со стороны правительств, промышленности и исследовательских институтов.

Ценообразование и стимулы в отношении углерода: Надежная цена на углерод (через системы торговли выбросами или налоги на углерод) делает биомассу более конкурентоспособной по отношению к ископаемому топливу. Прямые субсидии на закупки биомассы, капитальные субсидии на оборудование для конверсии и налоговые льготы для низкоуглеродных продуктов могут ускорить принятие.
Инвестиции в исследования и демонстрацию: Необходимы дальнейшие исследования и разработки для повышения эффективности преобразования, разработки новых видов сырья из биомассы (таких как водоросли или галофиты) и уточнения технологий газификации и пиролиза для промышленного использования.
Сертификация и стандарты устойчивости: Надежные, всемирно признанные схемы сертификации должны гарантировать, что источники биомассы не разрушают экосистемы или не конкурируют с продуктами питания. Директива ЕС по возобновляемым источникам энергии (RED II) устанавливает критерии устойчивости, но обеспечение соблюдения и гармонизация остаются проблемами.
Интеграция с улавливанием водорода и углерода:] Биоэнергетика наиболее мощна в сочетании с другими инструментами декарбонизации. Например, газификация биомассы может производить чистый водород для промышленного использования, а BECCS может обеспечивать отрицательные выбросы, которые необходимы для достижения нулевых целей в труднодоступных секторах.
Подходы к круговой биоэкономике: вместо использования биомассы исключительно для энергии, каскадные применения, где сначала извлекаются продукты с более высокой ценностью (химикаты, материалы), а оставшиеся остатки используются для энергии, могут максимизировать чистое сокращение выбросов и эффективность использования ресурсов.

Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA) прогнозирует, что современная биоэнергетика может обеспечить до 20% мирового конечного спроса на энергию в отрасли к 2050 году, по сравнению с примерно 10% сегодня. Для достижения этого потенциала потребуется преодолеть проблемы, изложенные выше, и обеспечить развертывание биомассы там, где она обеспечивает наибольшую пользу для климата.

Заключение

Биоэнергетика предлагает практический, краткосрочный путь для декарбонизации тяжелой промышленности, которую в противном случае трудно электрифицировать. Заменяя биомассу для угля, природного газа и нефти в сталелитейном производстве, производстве цемента и химическом производстве, сегодня достижимо значительное сокращение выбросов - и даже более глубокие сокращения становятся возможными, когда биоэнергия сочетается с улавливанием и хранением углерода. Однако ограничения устойчивости должны соблюдаться, и политические рамки должны быть разработаны для стимулирования наиболее эффективного и ответственного использования ресурсов биомассы. По мере того, как инновации продолжаются и затраты снижаются, биоэнергия, вероятно, станет краеугольным камнем промышленного перехода к чистой нулевой экономике, дополняя технологии электрификации, водорода и управления углеродом.