Większość dyskusji o emisjach przemysłowych zakłada, że problemem jest energia. Dla najtrudniejszych sektorów to nieprawda.
Emisje procesowe to chemia, nie paliwo
Rozróżnienie, które porządkuje wszystko w tym kierunku.
Produkcja cementu podgrzewa wapień, by wytworzyć klinkier. Reakcja chemiczna, kalcynacja, uwalnia dwutlenek węgla z samej skały. Ta emisja nie jest skutkiem sposobu ogrzewania pieca. Jest samą reakcją. Znaczna część emisji cementu pochodzi z tej drogi i utrzymuje się, nawet jeśli piec zasilany jest w pełni czystą energią.
Pierwotna produkcja stali redukuje rudę żelaza za pomocą węgla, zwykle koksu w wielkim piecu. Węgiel odbiera rudzie tlen i opuszcza proces jako dwutlenek węgla. To znów chemia robiąca dokładnie to, do czego jest tam użyta.
Amoniak, wapno i kilka innych procesów chemicznych mają tę samą strukturę.
Nie da się zdekarbonizować reakcji chemicznej, zmieniając jej źródło zasilania.
Opcje są naprawdę ograniczone i każda z nich jest poważnym przedsięwzięciem. Zmienić chemię, tak jak robi to bezpośrednia redukcja wodorem w stali. Zmienić materiał, tak jak próbują alternatywne receptury cementu i materiały cementopodobne. Wychwycić dwutlenek węgla i trwale go składować. Albo zużywać mniej materiału dzięki projektowaniu, ponownemu wykorzystaniu i efektywności – co jest niedocenianym i często najtańszym dostępnym rozwiązaniem na tonę.
Każda z tych dróg to inny program techniczny, wymagający innych ludzi, a traktowanie dekarbonizacji przemysłu jako jednego tematu to sposób, w jaki organizacje kończą, szkoląc kadry pod niewłaściwy program.
Co obejmuje ten kierunek
Zakres: wychwyt i składowanie dwutlenku węgla, wykorzystanie węgla, bezpośredni wychwyt z powietrza, przemysłowe emisje procesowe i sektory trudne do dekarbonizacji.
Cztery obszary.
Emisje procesowe. Skąd się biorą, sektor po sektorze, i jakie drogi istnieją, by je ograniczyć.
Ciepło procesowe. Elektryfikacja, wodór, biomasa i progi temperatury decydujące między nimi.
Wychwyt, transport i składowanie. Technologie, koszty, infrastruktura i monitoring.
Systemy i ekonomia. Cena za emisje, korekta graniczna, rynki wiodące i to, co naprawdę czyni projekt opłacalnym.
Ciepło to druga trudna połowa
Przemysł potrzebuje ciepła o bardzo różnych temperaturach, a trudność rośnie gwałtownie wraz z tą liczbą.
Ciepło niskotemperaturowe, poniżej mniej więcej 150 stopni, obejmuje dużą część zastosowań w branży spożywczej, napojowej, tekstylnej i lekkiej produkcji. Przemysłowe pompy ciepła rozwiązują dziś większość tych potrzeb, a rachunek ekonomiczny często wychodzi na plus bez dotacji.
Ciepło średniotemperaturowe, do kilkuset stopni, można dostarczyć poprzez ogrzewanie rezystancyjne, systemy parowe i pompy ciepła wyższej temperatury, przy czym koszt mocno zależy od relacji cen energii elektrycznej i gazu.
Ciepło wysokotemperaturowe, powyżej mniej więcej tysiąca stopni, dla cementu, szkła, ceramiki i metali, to miejsce, w którym robi się naprawdę trudno. Opcje elektryczne istnieją, ale nie są dojrzałe w skali i obciążeniu, jakich wymagają te procesy, piece to ogromne aktywa kapitałowe o długim okresie życia, a sam proces często jest wrażliwy na to, jak ciepło jest dostarczane, nie tylko na to, ile go jest.
To tu wodór ma swój najbardziej obronny argument, a biomasa i skoncentrowane ciepło słoneczne pojawiają się w konkretnych zastosowaniach.
Praktyczny punkt dla kadr jest taki, że elektryfikacja ciepła to zwykle projekt inżynierski wewnątrz działającej instalacji, obejmujący integrację ciepła, przeprojektowanie procesu i infrastrukturę elektryczną, a ludzie potrafiący to zrobić to inżynierowie procesowi z rozumieniem elektryki. Taka kombinacja jest rzadka.
Miejsce tego kierunku w domenie
Zarządzanie węglem i dekarbonizacja przemysłu to ósmy z dziewięciu kierunków w domenie energetyki, klimatu i energii jądrowej Astra Trainer. Zależy od nauki o klimacie i technologii klimatycznej w zakresie wiarygodnego pomiaru, od technologii wodoru i ogniw paliwowych w zakresie dróg wysokotemperaturowych i redukcji chemicznej oraz od systemów energetycznych i sieci elektroenergetycznych w zakresie energii elektrycznej, której wymaga każda droga elektryfikacji.
Łączy się też z zaawansowaną produkcją, gdzie wdraża się zmiany procesowe, oraz z zaawansowanymi materiałami, gdzie leżą alternatywne cementy i niskoemisyjne zamienniki materiałowe. Zobacz dziewięć kierunków tutaj.
Wychwyt węgla na swoim rzeczywistym miejscu
Technologia budząca silne opinie w obu kierunkach, a dokładny obraz jest mniej satysfakcjonujący niż każda z nich.
Działa. Wychwyt dwutlenku węgla ze skoncentrowanego strumienia przemysłowego to ugruntowana inżynieria chemiczna, a składowanie geologiczne opiera się na dekadach praktyki prac podpowierzchniowych.
Jest drogi, a koszt zmienia się ogromnie w zależności od stężenia źródła. Wychwyt z wysoko czystego strumienia, jak w produkcji amoniaku, jest znacznie tańszy niż wychwyt z rozcieńczonych spalin, co z kolei jest znacznie tańsze niż wychwyt z powietrza otoczenia.
Historia wdrożeń jest znacznie krótsza niż historia zapowiedzi. Znaczna liczba projektów została anulowana, a kilka działających instalacji zgłosiło skuteczność wychwytu poniżej wartości projektowych. To fakt o historii realizacji tego sektora i należy do każdej uczciwej oceny.
Bezpośredni wychwyt z powietrza jest na bardzo wczesnym etapie. Fizyka jest bezlitosna: dwutlenek węgla to śladowy składnik powietrza, więc energia potrzebna na tonę jest wysoka, a koszty obecnie znacznie przewyższają wychwyt u źródła. Może mieć rolę dla emisji naprawdę nieuniknionych. Nie jest bliskim w czasie rozwiązaniem przemysłowym.
Wykorzystanie wychwyconego dwutlenku węgla to nie to samo co jego składowanie. Większość dróg wykorzystania uwalnia go z powrotem, czasem szybko. Tylko trwała mineralizacja i stałe składowanie geologiczne utrzymują go poza atmosferą, a mylenie tych dwóch rzeczy to jedno z częstszych zniekształceń w tej dziedzinie.
Praktycznym ograniczeniem jest infrastruktura. Wychwyt bez transportu i składowania jest bezużyteczny. Rurociągi i miejsca składowania wymagają pozwoleń, monitoringu i długoterminowych rozwiązań w zakresie odpowiedzialności, które w większości miejsc nie istnieją jeszcze na odpowiednią skalę.
Rozsądne stanowisko jest takie, że wychwyt jest prawdopodobnie konieczny dla emisji procesowych, wobec których nie ma alternatywy chemicznej, nie zastępuje redukcji tam, gdzie alternatywy istnieją, i powinien być oceniany projekt po projekcie, a nie zatwierdzany czy odrzucany jako kategoria.
Dlaczego cykl wymiany decyduje o harmonogramie
Ograniczenie, które otrzymuje najmniej uwagi, a tłumaczy większość tempa zmian.
Piec cementowy, wielki piec hutniczy czy piec krakingowy to aktywo kapitałowe o życiu liczonym w dekadach. Przebudowuje się je lub gruntownie relinuje w odstępach, i to właśnie w tych momentach fundamentalna zmiana technologii staje się opłacalna. Pomiędzy nimi rachunek ekonomiczny za porzucenie działającej instalacji jest bardzo trudny.
Trzy konsekwencje.
Moment bije dostępność. Instalacja stojąca przed decyzją o przebudowie w najbliższych latach to miejsce, gdzie zmiana technologii może się naprawdę wydarzyć. Instalacja, którą właśnie relinowano, jest zamknięta na długi okres niezależnie od otoczenia politycznego.
Decyzje są w praktyce jednokierunkowe na całe pokolenie. Wybór konwencjonalnej przebudowy zobowiązuje do emisji na całe życie aktywa, dlatego takie decyzje przyciągają uwagę regulatorów i inwestorów.
Planowanie kadr podąża za kalendarzem aktywów. Potrzebne umiejętności są znane z wieloletnim wyprzedzeniem, bo harmonogram przebudów jest znany. To jeden z niewielu obszarów tej domeny, w którym popyt na kadry da się prognozować z realną pewnością, a rzadko się to robi.
Role po imieniu
Inżynierowie procesowi dla projektów dekarbonizacji przemysłu.
Inżynierowie wychwytu węgla. Wychwyt, sprężanie i kondycjonowanie.
Specjaliści od składowania węgla i prac podpowierzchniowych, mocno pokrywający się z pracą podpowierzchniową w ropie i gazie.
Inżynierowie ciepła przemysłowego i efektywności energetycznej.
Inżynierowie elektryfikacji, rzadka kombinacja procesu i elektryki.
Specjaliści materiałowi od alternatywnych cementów i niskoemisyjnych materiałów.
Specjaliści pomiaru, raportowania i weryfikacji wychwyconych i składowanych wolumenów.
Deweloperzy projektów dekarbonizacji przemysłu, łączący razem kwestie techniczne, polityczne i finansowe.
Analitycy cen emisji i polityki.
Kogo można przekwalifikować
Inżynierowie procesowi i chemicy z przemysłu ciężkiego. Podstawowa grupa. Znają instalację, a potrzebują zestawu opcji dekarbonizacyjnych i ich ekonomiki.
Operatorzy i technicy instalacji w cementowniach, hutach, hutach szkła i zakładach chemicznych, którzy rozumieją, dokąd naprawdę idzie energia i materiał.
Personel podpowierzchniowy z ropy i gazu. W składowanie węgla, bliskie ich obecnej praktyce.
Menedżerowie energii. W integrację ciepła i elektryfikację, mając już obraz zużycia.
Inżynierowie elektrycy. W elektryfikację przemysłową, potrzebują strony procesowej.
Personel środowiskowy i ds. zgodności. W pomiar i weryfikację wychwyconych wolumenów.
Personel finansowania projektów i handlowy. W rozwój projektów, gdzie wiążącym ograniczeniem zwykle jest biznesplan, nie inżynieria.
Zagrożenia przemysłowe i związane z obsługą dwutlenku węgla. Ciężkie instalacje przemysłowe wiążą się z procesami wysokotemperaturowymi, stopionym materiałem, przestrzeniami zamkniętymi i zagrożeniami poważnych awarii regulowanymi przez systemy ustawowe. Dwutlenek węgla w wysokim stężeniu jest gazem duszącym i jest obsługiwany pod wysokim ciśnieniem lub w fazie nadkrytycznej, z konkretnymi zagrożeniami przy transporcie i zatłaczaniu. Miejsca składowania podlegają wymogom dotyczącym pozwoleń, monitoringu i długoterminowej odpowiedzialności ustalanym prawnie i różniącym się w zależności od jurysdykcji. Astra Trainer buduje wiedzę techniczną. Nie zapewnia szkolenia z zagrożeń, upoważnienia ani żadnej zgody na projektowanie, eksploatację czy pracę przy tych systemach.
Co warto z tego zapamiętać
Najtrudniejsze emisje przemysłowe pochodzą z chemii, nie z paliwa, więc czysta energia elektryczna do nich nie dociera.
Drogi to zmiana chemii, zmiana materiału, wychwyt węgla albo zużywanie go mniej, a każda z nich to inny program, wymagający innych ludzi.
Ciepło procesowe wysokiej temperatury to druga trudna połowa, a jego elektryfikacja to projekt inżynierii procesowej wewnątrz działającej instalacji.
Wychwyt węgla działa, kosztuje bardzo dużo, nie dowiózł tego, co zapowiadano, i nie jest zamiennikiem wykorzystania węgla.
A kalendarz przebudów to prawdziwy harmonogram. Popyt na kadry w tym kierunku da się prognozować z wyprzedzeniem lat, na podstawie harmonogramu aktywów – a prawie nikt tego nie robi.
Dlaczego cement i stal nie mogą po prostu korzystać z czystej energii elektrycznej?
Bo znaczna część ich emisji pochodzi z chemii, nie z energii. Kalcynacja uwalnia dwutlenek węgla z wapienia, a pierwotna produkcja stali używa węgla, by odebrać rudzie tlen. Zmiana źródła zasilania nie wpływa na żadne z tych zjawisk.
Jakie są faktyczne opcje dla emisji procesowych?
Zmiana chemii, jak bezpośrednia redukcja żelaza wodorem; zmiana materiału, jak alternatywne receptury cementu; wychwyt i trwałe składowanie dwutlenku węgla; albo zużywanie mniej materiału dzięki projektowaniu i ponownemu wykorzystaniu.
Dlaczego ciepło wysokotemperaturowe trudno zelektryfikować?
Bo opcje elektryczne w skali i obciążeniu pieców cementowych, hut szkła i metalurgii nie są dojrzałe, piece to długowieczne aktywa kapitałowe, a wiele procesów jest wrażliwych na sposób dostarczania ciepła, nie tylko na jego ilość.
Czy wychwyt węgla działa?
Tak, jest drogi i nie dowiózł tego, co zapowiadano, a kilka działających instalacji zgłosiło skuteczność wychwytu poniżej wartości projektowych. Najbardziej broni się dla emisji procesowych bez alternatywy chemicznej i powinien być oceniany projekt po projekcie.
Dlaczego cykl wymiany instalacji ma znaczenie?
Bo główne aktywa przemysłowe przebudowuje się w cyklach wielodekadowych, a te momenty przebudowy to chwile, gdy fundamentalna zmiana technologii jest opłacalna. Harmonogram jest znany z wieloletnim wyprzedzeniem, co czyni popyt na kadry wyjątkowo przewidywalnym.