По данным Международного энергетического агентства, химическая промышленность является крупнейшим в мире промышленным потребителем энергии и третьим по величине источником промышленных выбросов. В 2019 году на промышленный сектор в целом приходилось 24% мировых выбросов парниковых газов. И все же, поскольку мир спешит найти пути к обезуглероживанию, химическая промышленность практически не затронута. «Когда дело доходит до действий по борьбе с изменением климата и борьбы с выбросами в химическом секторе, медленные темпы прогресса отчасти носят технический характер, а отчасти вызваны нерешительностью политиков в отношении чрезмерного воздействия на экономическую конкурентоспособность сектора», — говорит Дхарик. Маллапрагада, главный научный сотрудник MIT Energy Initiative. Поскольку многие предметы, с которыми мы взаимодействуем в повседневной жизни, — от мыла до пищевой соды и удобрений — производятся из продуктов химической промышленности, этот сектор стал основным источником экономической активности и занятости для многих стран, включая Соединенные Штаты. и Китай. Но поскольку глобальный спрос на химическую продукцию продолжает расти, растут и выбросы в отрасли.

Необходимо разработать и внедрить новые устойчивые методы химического производства и пересмотреть существующие технологии химического производства с интенсивными выбросами, призывают авторы новой статьи, опубликованной в журнале Joule. Исследователи DC-MUSE, многопрофильной исследовательской инициативы, утверждают, что электрификацию на основе источников с низким содержанием углерода следует рассматривать в более широком смысле как жизнеспособный путь обезуглероживания для химической промышленности. В этой статье они проливают свет на различные потенциальные методы, чтобы сделать именно это. «В целом считается, что электрификация может сыграть роль в этом секторе — в очень узком смысле — поскольку она может заменить сжигание ископаемого топлива , обеспечивая тепло, которое дает сжигание», — говорит Маллапрагада, член DC-MUSE. . «Мы утверждаем, что электрификация может быть гораздо больше». Исследователи выделяют четыре технологических пути — от более зрелых, краткосрочных вариантов до менее технологически зрелых вариантов, требующих инвестиций в исследования, — и представляют возможности и проблемы, связанные с каждым из них. Первые два пути напрямую заменяют тепло, производимое ископаемым топливом (которое способствует реакциям, присущим химическому производству), электричеством или электрохимически генерируемым водородом. Исследователи предполагают, что оба варианта могут быть развернуты уже сейчас и потенциально могут быть использованы для модернизации существующих объектов. Электролитический водород также рассматривается как возможность заменить водород, произведенный из ископаемого топлива (процесс, при котором выделяется двуокись углерода) в качестве критического химического сырья. В 2020 году водород на основе ископаемого топлива удовлетворял почти все потребности в водороде (90 мегатонн) в химической и нефтеперерабатывающей промышленности — крупнейших потребителях водорода. Исследователи отмечают, что увеличение роли электроэнергии в обезуглероживании химической промышленности напрямую повлияет на обезуглероживание энергосистемы . Они подчеркивают, что для успешного внедрения этих технологий их работа должна взаимовыгодно координироваться с энергосистемой, чтобы не перегружать ее. «Если мы собираемся серьезно заняться обезуглероживанием сектора и полагаться на электричество для этого, мы должны творчески подходить к тому, как мы его используем», — говорит Маллапрагада. «В противном случае мы рискуем решить одну проблему, создав при этом огромную проблему для сети». Электрифицированные процессы потенциально могут быть гораздо более гибкими, чем обычные процессы, работающие на ископаемом топливе. Это может снизить стоимость химического производства, позволяя производителям сместить потребление электроэнергии на периоды, когда стоимость электроэнергии низкая. «Гибкость процесса особенно важна в условиях напряженной работы электросети и может помочь лучше использовать ресурсы возобновляемой генерации, которые являются непостоянными и часто плохо коррелируют с ежедневными циклами электросети», — говорит Юрий Дворкин, доцент-исследователь Университета Джона Хопкинса Ralph O’. Институт устойчивой энергетики Коннора. «Это выгодно для потенциальных пользователей, потому что может помочь им избежать потребления электроэнергии в периоды высоких цен». Дворкин добавляет, что некоторые промежуточные энергоносители, такие как водород, потенциально могут использоваться в качестве высокоэффективных накопителей энергии для повседневных операций и в качестве долговременных накопителей энергии. Это помогло бы поддерживать энергосистему во время экстремальных явлений, когда традиционные и возобновляемые генераторы могут быть недоступны. «Применение долговременного хранения представляет особый интерес, поскольку это ключевой фактор общества с низким уровнем выбросов, но он не получил широкого распространения за пределами насосных гидроагрегатов», — говорит он. «Однако, поскольку мы предполагаем электрифицированное химическое производство, важно обеспечить, чтобы поставляемая электроэнергия поступала от генераторов с низким уровнем выбросов, чтобы предотвратить утечку выбросов из химического сектора в энергетический сектор». Следующие два предложенных пути — с использованием электрохимии и плазмы — менее технологически зрелы, но потенциально могут заменить энерго- и углеродоемкие термохимические процессы, используемые в настоящее время в промышленности. Применяя вместо этого электрохимические процессы или плазменные реакции, химические превращения могут происходить при более низких температурах и давлениях, что потенциально повышает эффективность. «У этих путей реакции также есть потенциал для создания более гибких, чувствительных к сети заводов и развертывания модульных производственных предприятий, которые используют распределенное химическое сырье, такое как отходы биомассы, что еще больше повышает устойчивость химического производства», — говорит Мигель Модестино, директор Инициатива по устойчивому развитию инженерной школы Тандон Нью-Йоркского университета. Серьезным препятствием для глубокой декарбонизации химического производства является его сложный многопродуктовый характер. Но, по мнению исследователей, каждый из этих путей, основанных на электричестве, поддерживает декарбонизацию химической промышленности для различных вариантов выбора сырья и решений по утилизации в конце срока службы. Каждая из них должна быть оценена в комплексных технико-экономических и экологических оценках жизненного цикла, чтобы взвесить компромиссы и установить подходящие показатели стоимости и производительности. Независимо от выбранного пути исследователи подчеркивают необходимость активных исследований, разработок и внедрения этих технологий. Они также подчеркивают важность обучения и развития рабочей силы параллельно с развитием технологий. Как объясняет Андре Тейлор, директор DC-MUSE, «в отрасли существует здоровый скептицизм в отношении электрификации и внедрения этих технологий, поскольку это связано с новым способом обработки химикатов». Рабочие на разных уровнях отрасли не обязательно знакомятся с идеями, связанными с сеткой, электрохимией или плазмой. Исследователи говорят, что обучение персонала на всех уровнях поможет укрепить доверие к этим различным решениям и будет способствовать их внедрению в отрасли с учетом потребностей клиентов. «Не существует серебряной пули, которая является своего рода стандартной линейкой для всех решений в области изменения климата», — говорит Маллапрагада. «У каждого варианта есть плюсы и минусы, а также уникальные преимущества. Но знание портфеля вариантов, в которых вы можете использовать электричество, позволяет нам иметь больше шансов на успех и сокращение выбросов — и делать это таким образом, чтобы поддерживать обезуглероживание сети».