Sinh khối cho nhiệt công nghiệp
Vào thứ Năm, ngày 17 tháng 3 lúc 12:30 CET, bảng báo cáo mới nhất về Energy Post của chúng tôi, “Khai phá tiềm năng của năng lượng sinh học” tự hào có đại diện từ hai lĩnh vực thách thức nhất đối với quá trình khử cacbon: ngành công nghiệp xi măng và hàng không. Tham gia có Winston Beck, Trưởng phòng Các vấn đề Chính phủ tại HeidelbergCement và Laurent Donceel, Giám đốc Chính sách Cấp cao của Hãng hàng không Châu Âu. Họ sẽ có sự tham gia của Thomas Meth, Giám đốc Thương mại tại Enviva (nhà tài trợ sự kiện) và IRENA, đơn vị có Triển vọng Chuyển đổi Năng lượng Thế giới sẽ ra mắt vào cuối tháng này. IRENA sẽ được đại diện bởi Tiến sĩ Ricardo Gorini, một chuyên gia về kịch bản Chuyển đổi, người sẽ trình bày sơ lược về chương năng lượng sinh học chưa được xuất bản. Bạn có thể đăng ký tham gia sự kiện tại đây. Và trong báo cáo Biomass for Industrial Heat do IEA Bioenergy xuất bản vào tháng 12, chuyên gia năng lượng sinh học Olle Olsson, trưởng nhóm tại Viện Môi trường Thụy Điển và các đồng tác giả của ông đã tập trung vào ba nhóm công nghệ: CCS (thu giữ và hấp thụ carbon), điện khí hóa và hydro, điều đó cần được hiểu rõ trước khi đi đến cụ thể vai trò của sinh khối. Đây là tổng quan của báo cáo…
Giới thiệu
Hầu hết nhiệt quá trình công nghiệp hiện được cung cấp bởi năng lượng hóa thạch, đặc biệt đối với nhiệt độ cao hơn trên 500 ° C, nơi nhiên liệu hóa thạch chiếm ưu thế hoàn toàn. Khi nền kinh tế và nhu cầu phát triển, nó ngày càng trở thành rào cản tiềm năng để đạt được mức phát thải ròng bằng không vào năm 2050. Những năm gần đây đã chứng kiến một loạt các nghiên cứu xuất hiện về các lựa chọn khác nhau - cho dù có sẵn hay đang phát triển - có thể cho phép chuyển sang hóa thạch -Quy trình nhiệt công nghiệp miễn phí. Vì vậy, khi xem xét vai trò mà sinh khối có thể đóng, cuộc thảo luận nên được đặt trong bối cảnh bằng cách thừa nhận và xem xét bức tranh lớn hơn cho thấy tất cả các lựa chọn thay thế.
Quá trình nhiệt dựa trên sinh khối trong các lĩnh vực công nghiệp
Cũng như trường hợp của nhiệt quá trình dựa trên điện, nhiệt của quá trình dựa trên sinh khối có thể có nhiều dạng. Không chỉ có sự không đồng nhất lớn khi nói đến các dạng nguyên liệu sinh khối khác nhau, tùy thuộc vào quá trình sơ chế, sinh khối có thể được biến thành nhiều loại nhiên liệu khác nhau có thể ở thể rắn, lỏng hoặc khí. Chúng có thể thay đổi đáng kể về mật độ năng lượng, đặc tính đốt cháy và đặc điểm hậu cần. Ví dụ, dăm gỗ có thể được đốt trực tiếp hoặc sau khi trải qua quá trình nung chảy. Ngoài ra, dăm gỗ có thể đã được khí hóa để tạo ra hydro, được xử lý thêm thành mêtan sinh học hoặc được sử dụng để sản xuất dầu nhiệt phân (Friedmann et al. 2019; Rehfeldt et al. 2020).
Điều này có nghĩa là các lựa chọn dựa trên sinh khối về nguyên tắc có thể đáp ứng nhu cầu nhiệt của quy trình trong hầu hết các trường hợp sử dụng công nghiệp (Malico và cộng sự 2019), nhưng bản chất cụ thể của quy trình và ngành được đề cập sẽ xác định loại quy trình dựa trên sinh khối là gì áp dụng. Ví dụ, các lĩnh vực thủy tinh và gốm sứ yêu cầu nhiệt độ trên 500 ° C và nhiên liệu dạng khí để đốt cháy sạch, có nghĩa là đối với trường hợp cụ thể này, dăm gỗ thô sẽ không khả thi, nhưng mêtan sinh học được sản xuất từ cùng một dăm gỗ là một lựa chọn đầy hứa hẹn ít nhất là từ góc độ công nghệ (Lenz et al. 2020). Ngoài một loạt các ứng dụng quy trình trong đó sinh khối có thể hữu ích, một lợi thế bổ sung so với các dạng nhiệt quá trình tái tạo khác bao gồm khả năng lưu trữ nhiên liệu trong thời gian dài, mặc dù cần lưu ý rằng việc bảo quản có thể khá khắt khe trong điều kiện của không gian tùy thuộc vào nhiên liệu. Một ưu điểm khác của sinh khối là khi kết hợp với CCS thành CCS sinh học hoặc BECCS, nó cho phép tạo ra loại bỏ carbon dioxide (CDR) khỏi khí quyển, còn được gọi là phát thải âm (Olsson et al. 2020).
Mặc dù có khả năng sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực và nhiệt độ khác nhau, sinh khối hiện chủ yếu được sử dụng để cung cấp nhiệt cho quá trình ở nhiệt độ xung quanh hoặc dưới 200 ° C (xem Hình 3 ở trên). Sản lượng lớn nhất tập trung ở một số ngành chọn lọc, đặc biệt là ngành lâm nghiệp dưới hình thức xưởng cưa, nhà máy giấy và bột giấy. Như có thể thấy trong Hình 4, gần 90% sinh khối được sử dụng cho nhiệt quá trình công nghiệp ở EU-28 vào năm 2017 được tiêu thụ trong các ngành công nghiệp rừng.
Lý do tại sao việc sử dụng sinh khối cho quá trình xử lý nhiệt rất phổ biến trong các ngành công nghiệp lâm nghiệp là do một lượng lớn sinh khối có sẵn tại chỗ như một phần của chính các quá trình công nghiệp chính. Vỏ cây và mùn cưa được tạo ra với một lượng lớn dưới dạng bã tại các xưởng cưa và có thể được đốt cháy để tạo ra nhiệt dùng để sấy gỗ. Tương tự, tại các nhà máy giấy và bột giấy, các chất cặn bã ở dạng vỏ cây và rượu thải (trong các nhà máy Kraft) được đốt để tạo ra hơi quá trình cũng như tạo ra điện (ARENA 2019; Malico et al. 2019; Philibert 2017). Bằng cách sử dụng dư lượng của quá trình sinh khối, việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch thường có thể tránh được. Nếu các chất cặn bã sẵn có trong các lĩnh vực này không được sử dụng, sẽ phát sinh thêm vấn đề xử lý chất thải.
Hinh 4; Sử dụng sinh khối cho nhiệt quá trình công nghiệp trên các lĩnh vực khác nhau ở EU-28 vào năm 2017. Hình từ Malico và cộng sự (2019).
Lĩnh vực "khoáng sản phi kim loại" được đề cập trong Hình 4 chủ yếu được tạo thành bởi lĩnh vực xi măng, trong nhiều thập kỷ đã sử dụng các dạng vật liệu chất thải rắn khác nhau, một phần trong số đó có nguồn gốc sinh học, để thay thế nhiên liệu hóa thạch ở dạng chẳng hạn như than đá và than cốc (Lenz và cộng sự 2020).
Việc sử dụng sinh khối trong sản xuất xi măng là một ví dụ thực tế về một ngoại lệ đối với mô hình thống trị khác là sinh khối được sử dụng cho nhiệt độ tương đối thấp và trong các ngành công nghiệp lâm nghiệp. Một số người cho rằng có phần nào cơ hội bị mất ở đây, trong đó thay vì được sử dụng để sản xuất nhiệt ở nhiệt độ mà các lựa chọn dựa trên điện như máy bơm nhiệt có thể hoạt động, sinh khối nên được sử dụng cho các mục đích mà các lựa chọn khác khan hiếm (Lenz et al. . 2020; Kinh tế vật chất 2021). Bỏ qua việc liệu tham vọng này có nên được hỗ trợ hay không, một câu hỏi quan trọng vẫn là liệu có thể sử dụng nhiệt của quá trình sinh khối như thế nào trong các lĩnh vực khác. Một thách thức là rất khó để đưa ra các tuyên bố chung vì giá sinh khối có thể rất khác nhau giữa các địa điểm khác nhau. Kinh tế vật liệu (2021) lưu ý rằng ở những nơi có thể sản xuất sinh khối với chi phí 2-4 € / GJ, nó có thể khá cạnh tranh. Tuy nhiên, chi phí thực tế cho khối lượng lớn hơn thường có thể cao hơn theo thứ tự 6-8 € / GJ, điều này tạo ra một rào cản khá lớn đối với khả năng cạnh tranh. Ngoài ra, Malico và cộng sự (2019) xác định chi phí đầu tư cao, nguồn nguyên liệu sẵn có và an ninh nguồn cung là những trở ngại chính đối với việc hấp thụ nhiệt chế biến dựa trên sinh khối trong các ngành ngoài rừng.
Thu giữ và kiểm tra trình tự carbon
Như đã đề cập, vai trò của sinh khối cần được xem xét cùng với tất cả các công nghệ giảm thiểu phát thải hiện có. Một trong những cách có vẻ đơn giản nhất để cho phép cắt giảm sâu lượng khí thải là duy trì các quy trình và nhiên liệu công nghiệp hiện có nhưng thu giữ lượng khí thải CO2 và cô lập chúng trong các thành tạo địa chất. Việc thu giữ và phun CO2 trong các thành tạo địa chất không phải là hiện tượng mới, vì chúng đã được triển khai thương mại trong nhiều thập kỷ, ví dụ như lĩnh vực dầu khí, nhưng các đặc thù của việc triển khai rất khác nhau về cơ bản giữa các lĩnh vực. Điều này liên quan đến cả khía cạnh công nghệ của việc thu giữ, vận chuyển và lưu trữ CO2, cũng như bối cảnh thị trường và chính sách đang được đề cập.
Đối với việc thu giữ CO2 thực tế, một số yếu tố đặc biệt quan trọng khi xác định tính khả thi và khả năng kinh tế kỹ thuật. Một vấn đề quan trọng là thành phần của dòng khí chứa CO2, trong đó nồng độ CO2 là thông số trung tâm - nồng độ CO2 cao hơn thường có nghĩa là cần ít năng lượng hơn để tách CO2 ra có thể dẫn đến chi phí thu giữ thấp hơn. Vấn đề quan trọng thứ hai là liệu lượng phát thải CO2 tại khu vực này có tập trung ở một nguồn điểm lớn hay phân bổ qua nhiều nguồn điểm nhỏ hơn.
Hình 3. Các chất mang năng lượng được sử dụng cho nhiệt công nghiệp ở EU-28, được phân loại theo các mức nhiệt độ. Hình từ Malico et al. (2019).
Trong trường hợp này, phương pháp đầu tiên là thích hợp hơn và tiết kiệm chi phí hơn, đặc biệt là khi đạt được tỷ lệ thu giữ CO2 cao. Thứ ba, một yếu tố quan trọng là liệu có năng lượng dư thừa tại chỗ có thể được sử dụng trong quá trình đánh bắt hay không. Ở đây, cần lưu ý rằng các quá trình thu giữ CO2 khác nhau có các yêu cầu khác nhau cả về khối lượng cần thiết và liệu nhu cầu năng lượng đến dưới dạng điện hay nhiệt (Olsson và cộng sự 2020).
Tùy thuộc vào bối cảnh địa lý, các giai đoạn vận chuyển và lưu trữ của chuỗi cung ứng CCS có thể được thiết lập theo những cách khác nhau, với đường ống và vận chuyển bằng tàu là những lựa chọn chính cho vận chuyển CO2 đường dài. Các đường ống có xu hướng tiết kiệm chi phí hơn trong khoảng cách 700-1200 km, nhưng vận chuyển bằng tàu cho phép linh hoạt hơn ở chỗ nó cho phép nhiều địa điểm đánh bắt khác nhau tận dụng một địa điểm lưu trữ lớn (Kjärstad và cộng sự 2016), nhưng cũng rằng việc vận chuyển bằng tàu biển tạo ra nhiều thị trường thực tế hơn cho các dịch vụ lưu trữ CO2 vì nó có thể đòi hỏi ít bị khóa hơn so với khi địa điểm bắt giữ được kết nối vật lý với địa điểm lưu trữ thông qua đường ống.
Một nhược điểm của CCS là nó tăng thêm chi phí đáng kể nhưng không phải lúc nào cũng tạo ra doanh thu tương ứng - nghĩa là, trừ khi có một hệ thống cụ thể đặt giá trị vào chức năng thu giữ và cô lập CO2. Nói cách khác, khả năng tồn tại thương mại của một ngành được trang bị CCS phụ thuộc vào sự tồn tại của một mức giá rõ ràng hoặc ngầm định đối với CO2, nếu không có cơ sở có CCS thì không có ý nghĩa kinh tế so với cơ sở không có CCS. Một cách tiếp cận thay thế ngày càng được thảo luận nhiều hơn là thu giữ và sử dụng carbon (CCU), có nghĩa là CO2 thu giữ được sử dụng cho các mục đích sản xuất. Ưu điểm của điều này là điều này sẽ cho phép các cách khác tạo ra doanh thu hơn
han qua một giá carbon. Tuy nhiên, hạn chế là trong nhiều ứng dụng CCU hiện đang được thảo luận - bao gồm sản xuất nhiên liệu hoặc hóa chất từ CO2 bị thu giữ - carbon chỉ bị khóa lại trong sản phẩm trong một thời gian tương đối ngắn trước khi thải ra khí quyển.
Điện hóa nhiệt quá trình công nghiệp
Cho đến khoảng một thập kỷ trước, một câu chuyện phổ biến trong các cuộc thảo luận về các hệ thống năng lượng toàn cầu trong tương lai là điện sạch sẽ rất đắt đỏ trong tương lai gần. Do đó, không chỉ không thể khử cacbon sâu nếu không có giá cacbon cao - điện còn phải được coi như một nguồn tài nguyên quý giá chỉ được sử dụng khi các lựa chọn khác không có sẵn. Tuy nhiên, việc cắt giảm chi phí năng lượng mặt trời và điện gió sau đó đã dẫn đến phần nào sự thay đổi mô hình trong các câu chuyện xung quanh vai trò của điện sạch trong hệ thống năng lượng toàn cầu. Vài năm gần đây đã chứng kiến sự trỗi dậy của một luồng tư duy có thể được tóm tắt là “điện hóa mọi thứ” (Olsson và Bailis 2019; Roberts 2017).
Có một số cách khác nhau mà điện có thể được sử dụng để tạo ra nhiệt cho quá trình, bao gồm gia nhiệt điện trở, bơm nhiệt, gia nhiệt vi sóng và công nghệ plasma (hydro có thể được coi là một dạng điện khí gián tiếp nếu hydro được tạo ra từ quá trình điện phân, nhưng chúng tôi sẽ giải quyết hydro riêng biệt ở phần sau của bài viết này. Bất kể, ngoài khả năng được hưởng lợi từ việc giảm chi phí năng lượng gió và năng lượng mặt trời, việc sử dụng điện như một phương tiện để sản xuất nhiệt quá trình công nghiệp đi kèm với những lợi thế tiềm năng khác có liên quan đến các đặc điểm công nghệ khá cơ bản So với sưởi bằng đốt, sưởi bằng điện có xu hướng dễ kiểm soát hơn, không gây ô nhiễm không khí cục bộ và có chi phí bảo trì thấp hơn (Bartlett và Krupnick 2020; Rehfeldt và cộng sự 2020).
Về mặt thương mại, quá trình gia nhiệt dựa trên điện hiện đang được triển khai ở hầu hết các nhiệt độ và quy mô, với các lò điện hồ quang được sử dụng trong xử lý kim loại (ví dụ, thép) làm việc ở nhiệt độ gần 2.000 ° C và khoảng 100 MW trở lên. Tuy nhiên, trong các lĩnh vực khác vẫn còn các khía cạnh công nghệ hạn chế việc áp dụng quá trình gia nhiệt dựa trên điện. Những thách thức này đặc biệt liên quan đến quy mô lớn hơn và nhiệt độ rất cao (Rightor et al. 2020). Wiese & Baldini (2018) nhận thấy rằng trong khi có thể thực hiện nhiệt quá trình điện trong hầu hết các ứng dụng dưới 250 ° C, điều này chỉ áp dụng cho khoảng 25% nhu cầu trên 250 ° (xem thêm Rehfeldt và cộng sự 2020). Có những giải pháp cho nhiệt độ cao hơn cuối cùng có thể được áp dụng rộng rãi, chẳng hạn như tạo plasma, nhưng những giải pháp này cho đến nay vẫn bị giới hạn ở quy mô khoảng 5-10 MW (Burman và Engvall 2019).
Khi nói đến nhiệt độ thấp hơn, một công nghệ đặc biệt có giá trị là máy bơm nhiệt. Chúng có thể tận dụng một đơn vị điện năng thành nhiều đơn vị nhiệt có thể sử dụng, được đo bằng cái gọi là hệ số hiệu suất (COP - COP bằng 3 có nghĩa là cứ một đơn vị điện năng cấp vào máy bơm nhiệt, thì 3 đơn vị nhiệt có thể sử dụng là sản xuất) cho phép sử dụng điện hiệu quả hơn. Có sẵn các máy bơm nhiệt công nghiệp có thể cung cấp nhiệt cho quy trình công nghiệp ở nhiệt độ lên đến khoảng 90 ° C và một số nhà sản xuất cũng cung cấp các giải pháp có thể đạt đến nhiệt độ khoảng 150 ° C, với khả năng là 200 ° C trong tầm tay. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là hiệu suất của máy bơm nhiệt phụ thuộc nhiều vào nguồn nhiệt và bộ tản nhiệt, nơi hiệu suất giảm với sự khác biệt lớn hơn giữa nguồn nhiệt và bộ tản nhiệt. Điều này có nghĩa là máy bơm nhiệt đặc biệt hữu ích như một phương tiện để tạo ra nhiệt quá trình bằng cách tăng nhiệt độ của các dòng nhiệt thải tại chỗ (Marina et al. 2021).
Xét về thách thức đối với quá trình điện khí hóa nhiệt rộng hơn, chi phí vận hành vẫn là một, do việc giảm chi phí sản xuất điện gió và điện mặt trời không được phản ánh trực tiếp trong giá điện lưới thực tế của các ngành công nghiệp. Ở nhiều nơi, giá điện công nghiệp tính trên mỗi kWh cao hơn đáng kể so với giá khí đốt tự nhiên tương ứng, có nghĩa là - trừ khi có giải pháp bơm nhiệt - sẽ cần hỗ trợ chính sách để bù đắp chênh lệch trong chi phí hoạt động. Sau đó, điều này cộng với chi phí vốn cần thiết cho quá trình chuyển đổi - các hệ thống sưởi ấm dựa trên điện có xu hướng yêu cầu đầu tư chuyển đổi đáng kể. Vì lý do này, chúng có thể hứa hẹn hơn trong môi trường xanh hơn là trong môi trường nâu (Bartlett và Krupnick 2020; McKinsey & Co 2018).
Quá trình công nghiệp nhiệt từ hydro
Hydro có thể được sản xuất thông qua một số con đường khác nhau, bao gồm khí hóa hydrocacbon hoặc sinh khối, biến đổi khí mê-tan hơi (SMR) của khí tự nhiên, hoặc điện phân, trong đó, quá trình này đòi hỏi việc sử dụng điện để phân tách nước thành hydro và oxy. Phần lớn khối lượng hydro toàn cầu được sử dụng ngày nay
được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch, chủ yếu thông qua SMR. Tuy nhiên, sự gia tăng đáng kể trong những năm gần đây về mối quan tâm về cách hydro có thể giúp giảm phát thải toàn cầu chủ yếu dựa trên dự đoán về chi phí thấp hơn trong tương lai của cái gọi là “hydro xanh”, tức là hydro được sản xuất thông qua quá trình điện phân chạy bằng điện tái tạo (Material Economics 2020 ). Ngoài việc cung cấp nhiệt cho quá trình, hydro cũng có thể đóng một số vai trò khác trong lĩnh vực khử cacbon trong công nghiệp. Điều này bao gồm như một thành phần hóa học trong nhiên liệu và vật liệu hydrocacbon tổng hợp (ví dụ: Palm và cộng sự 2016; Ueckerdt và cộng sự 2021) và như một chất khử trong nguyên về thép phế liệu tái chế) sản xuất thép (Vogl et al. 2018).
Khi sử dụng hydro làm phương tiện cung cấp nhiệt cho quá trình, nó có thể mang lại cơ hội tích hợp tương đối suôn sẻ vào hoặc thay thế các hệ thống nhiệt quá trình dựa trên khí hóa thạch như khí tự nhiên hoặc LPG (khí dầu mỏ lỏng). Hydro cũng là một chất khí và có thể cung cấp nhiệt độ rất cao. Tuy nhiên, việc trang bị thêm các hệ thống sưởi ấm dựa trên khí đốt hiện có để hoạt động với hydro đi kèm với một số lưu ý. Không chỉ việc vận chuyển và lưu trữ hydro khó hơn và tốn kém hơn, đặc tính đốt cháy của nó cũng khác một chút so với khí tự nhiên; chẳng hạn, nó cháy nhanh hơn với ngọn lửa gần như không nhìn thấy được (Friedmann và cộng sự 2019). Hơn nữa, các vật liệu truyền nhiệt cũng có thể phải được trang bị thêm (Bartlett và Krupnick 2020).
Về mặt chi phí, việc sản xuất nhiệt quá trình sử dụng hydro vẫn còn khá nhiều thách thức, đặc biệt là ở những nơi có sẵn khí tự nhiên. Ví dụ, theo IRENA (2020), chi phí hydro xanh hiện đang ở mức từ 3-6 USD / kg (phần lớn phụ thuộc vào chi phí điện). Ngay cả khi chi phí giảm xuống còn khoảng 1 USD / kg, thì giá CO2 60 USD / tấn ở Mỹ sẽ được yêu cầu để nó có thể cạnh tranh như một nguồn nhiệt quá trình trong sản xuất xi măng, mặc dù điều này ở mức độ lớn là hệ quả của chi phí khí đốt tự nhiên thấp ở Bắc Mỹ (Bartlett và Krupnick 2020).
