09/12/2021

Зеленые технологии для России

Рост населения планеты, увеличение благосостояния и активная хозяйственная деятельность являются ключевыми факторами изменения климата и загрязнения окружающей среды.

Для радикального сокращения выбросов CO2 и других парниковых газов необходимо реализовать ряд известных мероприятий — повышение энергоэффективности предприятий, увеличение доли использования возобновляемых источников энергии, улавливание углерода и его утилизация.

Далее, для перехода к зеленой экономике одни страны разрабатывают программы стимулирования компаний, другие вводят налоги на выбросы CO2. В частности, Европа создает систему налогообложения CO2, которая будет применяться в том числе к импортируемым товарам.

ЕС опубликовал сообщение о Европейской «Зеленой сделке» в декабре 2019 года, затем были опубликованы стратегия и план действий для достижения цели — «стать первым климатически нейтральным континентом» к 2050 году.

Рынки и технологии

Законодательство ведущих экономик мира меняется, и введение налога на углерод может стать переломным моментом, в частности, на рынке синтез-газа и продуктов, производимых из него.

Однако есть и другие факторы, подталкивающие нас к использованию решений Power-to-X (PtX, преобразование энергии в ценные продукты).

Капитальные затраты на системы ветровой и солнечной энергетики, а также на системы электролиза воды, снижаются на протяжении многих лет. Кроме того, доступность электроэнергии на основе возобновляемых источников постоянно растет, а стоимость электроэнергии постоянно снижается. Эти факторы делают возобновляемую энергию интересной для применения в решениях Power-to-X.

Россия и водородная энергетика

Россия, следуя принятым на себя международным обязательствам, разработала и распоряжением Правительства РФ № 2162-р от 5 августа 2021 года утвердила «Концепцию развития водородной энергетики».

В концепции присутствует довольно много неясностей относительно способов производства водорода, однако Российская Федерация подтвердила готовность принимать активное участие в реализации международных программ «Зеленой сделки», и это главный вывод из принятого документа. Концепция определяет цели, стратегию и мероприятия по созданию и развитию водородной отрасли.

После реализации пилотных проектов и успешного применения водородных энергоносителей на внутреннем рынке Россия должна стать одним из крупнейших поставщиков водорода и водородных технологий в Европе. Потенциальный объем поставок может составить 200 тысяч тонн к 2024 году, 2–12 миллионов тонн — к 2035-му, 15– 50 миллионов — к 2050 году.

Каждый из создаваемых кластеров будет иметь собственные направления работы. Северо-Западный будет работать на экспорт в страны Европы, Восточный кластер — на экспорт в Азию, Арктический — на создание низкоуглеродных систем энергоснабжения арктических территорий и экспорта водорода.

Правительство Сахалинской области изучает возможности создания на острове целого водородного кластера с возможностью экспорта этого вида топлива на рынки азиатских стран. Сердцем кластера должен стать научнотехнологический центр компетенции по водородной энергетике.

Дорогая российская энергия

Стоимость электроэнергии для промышленных потребителей в России по итогам 2020 года была выше аналогичного показателя в США, а также в ряде стран Европейского союза. Об этом говорится в материалах, опубликованных «Сообществом потребителей энергии», которое объединяет более 30 крупнейших промышленны хпредприятий из различных отраслей экономики. По данным ассоциации, цена на электроэнергию для российской промышленности в 2020 году находилась на уровне 0,073 $ за кВтч при подключении к региональным распределительным сетям и 0,045 $ для магистральной сети (для сравнения, в США цена равняется 0,067 $).

В краткосрочной перспективе высокая внутрироссийская стоимость электроэнергии ставит под вопрос рентабельность зеленых производств, основной смысл которых — замена углеродных источников энергии на электрические.

Технологии thyssenkrupp

Uhde Устойчивое развитие и энергоэффективность являются ключевыми факторами стратегии компании thyssenkrupp Uhde.

thyssenkrupp Uhde хорошо известна на рынке синтез-газа как ведущийпоставщик процесса производства аммиака Uhde. Однако не менее известным является совместное предприятие thyssenkrupp и Industrie De Nora thyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers (tk-UCE), работающее в сфере электролиза. Более 600 электролизных установок с суммарной установленной мощностью более 10 ГВт подчеркивают опыт tk-UCE в этом секторе.

Учитывая технологические возможности компании, а также осознавая ответственность за дальнейшее развитие процессов повышения устойчивости, thyssenkrupp Uhde и tk-UCE (совместно называемые thyssenkrupp) разработали целостные процессы для энергетики, транспорта, химической промышленности и сельского хозяйства. В основе — технология щелочного электролиза воды (AWE), которая обеспечивает водородом последующие процессы.

Зеленый водород

Основой электролизных технологий компании tk-UCE являются запатентованные большие электрохимические ячейки, которые демонстрируют высокую эффективность в промышленных масштабах производства водорода.

Основная конструкция хорошо зарекомендовала себя в более чем 600 электролизных установках, включающих 300 тыс. электрических элементов. В результате AWE компании tk-UCE может обеспечить работоспособность на уровне 98 % в течение срока службы более 30 лет. Кроме того, КПД электролизёра составляет более 82 %. Для обеспечения простоты монтажа компания thyssenkrupp разработала высокомодульную сборную конструкцию, состоящую из блоков мощностью 20 МВт каждый.

Сырьем для AWE при получении H2 являются, в основном, электроэнергия и пресная вода. Электроэнергия может быть напрямую направлена через выпрямитель на электролиз, в то время как вода должна быть очищена в установке деминерализации, чтобы соответствовать требуемой чистоте. При производстве водорода в AWE в качестве побочного продукта образуется кислород. И водород, и кислород очищаются, кислород в дальнейшем не требуется для самого процесса, но может быть использован для последующих процессов. Водород, который производится с чистотой 99,95 %, охлаждается и сушится; возможно, деоксигенируется и сжимается.

Возобновляемая энергия, как правило, недоступна постоянно, что приводит к колебаниям энергоснабжения, и технология AWE справляется с этими предпосылками. Запуск AWE может бытьосуществлен в течение нескольких минут, а условия нагрузки могут быть изменены в течение нескольких секунд. Таким образом, AWE обеспечивает гибкость, которая требуется от возобновляемых источников энергии для адаптации к колебаниям мощности, а также для быстрого реагирования на рынках электроэнергии с целью повышения экономичности процесса.

Энергия, получаемая из возобновляемых источников, может быть аккумулирована с помощью AWE и последующих PtX-процессов компании thyssenkrupp для получения зеленых аммиака, метанола и синтетического природного газа (SNG).

Зеленый аммиак

При соединении зеленого водорода с азотом из установки воздухоразделения аммиак может быть получен без использования ископаемого сырья или топлива. Этот аммиак может служить основой для дальнейшей переработки или молекулой-носителем для зеленого водорода. В последнем случае на этапе использования энергии аммиак либо сжигается напрямую, например, в адаптированных газовых турбинах, либо снова разделяется на водород для использования в качестве топлива и азот.

В установке зеленого аммиака азот производится путем разделения воздуха и смешивается с зеленым водородом для получения синтез-газа. Установка синтеза аммиака мало чем отличается от установки на ископаемом топливе, использующей процесс Хабера-Боша. Различия в деталях.

На традиционном производстве пар используется для привода компрессора синтез-газа, и часть его производится из отходящего тепла синтеза. На зеленом аммиачном заводе компрессор должен приводиться в действие зеленой электроэнергией (так же, как и воздухоразделительная установка). Это позволит избежать выбросов CO2 от котла и связанных с ним капитальных затрат и инфраструктуры газоснабжения.

На небольшой зеленой аммиачнойустановке можно выбрать простой процесс с низкими капзатратами и вообще не производить пар из отходящего тепла, а только использовать его часть для привода абсорбционной холодильной машины, необходимой для конденсации аммиака.

На более крупной установке можно пойти по пути более эффективного использования энергии и производить пар из отходящего тепла, направляя его на турбину генератора. Электроэнергия турбины, в сочетании с импортом из возобновляемого источника, приводит в действие компрессор.

Общее потребление электроэнергии на таком заводе составляет менее 10 МВт-ч/т аммиака, из которых на сжатие, синтез и разделение воздуха приходится около одной десятой части затрат, а на электролиз — оставшаяся часть.

Еще одно различие между обычными и зелеными аммиачными заводами заключается в управлении нагрузкой. В то время как обычная аммиачная установка большую часть времени работает на максимальной мощности, производство на основе возобновляемых источников энергии должно в основном следовать за подъемами и спадами доступной электроэнергии или ее стоимости.

Для электролизного агрегата такие изменения нагрузки не представляют особой сложности. Однако аммиачная установка должна быть спроектирована таким образом, чтобы обеспечить быстрые изменения нагрузки, например, с помощью мер по поддержанию температуры катализатора при реакции и в периоды низкой доступности электроэнергии, чтобы иметь возможность быстро нарастить производство, как только снова появится энергия.

Хранилище водорода, необходимое для смягчения быстрых изменений и предотвращения прерывистой работы, должно быть таким же небольшим, поскольку это дорогостоящий элемент с вероятным высоким временем простоя. Основы зеленого процесса производства аммиака могут быть применены в качестве модернизации существующих традиционных установок путем частичной замены водорода парового риформинга на водород, получаемый при электролизе. Это приводит к изменению существующей установки на более низкое соотношение H2/N2 перед точкой смешения.

В некоторых аспектах аммиак становится промежуточным этапом производства, поскольку он является высокоплотным энергоносителем. Кроме того, инфраструктура международных перевозок аммиака хорошо развита и более безопасна по сравнению с водородом. Основными факторами становятся самодостаточность, независимость, замена угля или природного газа на более дешевые источники электроэнергии.

Необходимо также избежать высоких логистических затрат, например, из-за соображений безопасности или худшей доступности, и других затрат, таких как сборы, таможенные пошлины, налоги на импорт или налоги на CO2. Следовательно, может оказаться, что локализованное производство небольшой мощности в непосредственной близости от потребителя будет экономически предпочтительным вариантом, несмотря на более высокие инвестиционные затраты.

Зеленый метанол

Одним из способов получения зеленого метанола является прямое гидрирование углекислого газа зеленым водородом, полученным при электролизе воды (power-to-methanol). Как и при производстве обычного метанола, процесс можно разделить на три основные части: производство сингаза, синтез метанола и дистилляция метанола.

По сравнению с производством обычного метанола (на основе смеси CO/CO2), производство сингаза для зеленого метанола проще и надежнее. Электролиз воды — хорошо известный и простой метод получения водорода. При этом существуют различные возможные источники углекислого газа: возобновляемые, такие как биогаз, биоэтанол или прямое улавливание воздуха, но также и ископаемого происхождения, применения которых, как, например, при производстве цемента, вряд ли удастся избежать. Принципиальная концепция синтеза метанола на основе углекислого газа имеет некоторые отличия от обычного синтеза метанола, которые необходимо учитывать.

Образованию метанола из диоксида углерода способствуют низкая температура и высокое давление. Одним из преимуществ зеленого метанола является меньшее образование побочных продуктов, таких как высшие спирты или кетоны. Однако больший объем получаемой воды приводит к несколько большей деактивации катализатора. Коммерчески доступные катализаторы на основе меди в принципе работают очень хорошо. Однако, поскольку эти катализаторы оптимизированы для конверсии обычного сингаза, предпринимаются определенные усилия по модификации и адаптации катализаторов к новым требованиям.

Поскольку равновесная степень конверсии диоксида углерода ниже, чем монооксида углерода, установки по производству зеленого метанола должны работать с большим рециркуляционным потоком неконвертированного газа и большим количеством катализатора для достижения высокой общей степени конверсии. Кинетика также отличается, и это необходимо учитывать при проектировании установок зеленого метанола. Чтобы избежать высоких температур в слое катализатора из-за экзотермической реакции, обычно используется изотермический тип реактора. Возможным типом реактора является водоохлаждаемый реактор с пучком труб, в котором технологический газ со стороны труб охлаждается за счет испарения воды со стороны оболочки реактора. Такой реактор также используется на обычных метанольных заводах. Для управления нагрузкой установки метанола должны быть рассчитаны на быстрые изменения нагрузки, аналогично установкам аммиака. Синтез метанола может покрыть определенный диапазон изменений нагрузки, однако дистилляция реагирует более чувствительно. При наличии хранилища для сырого метанола дистилляция может медленно подстраиваться под любые изменения. Хранилище водорода необходимо для смягчения быстрых и больших изменений и во избежание прерывистой работы. Важным аспектом производства зеленого метанола является интеграция секторов, например, транспорта и обрабатывающей промышленности, с энергогенерирующей промышленностью.

Метанол может внести важный вклад в объединение секторов и способствует повышению общей эффективности процессов и снижению выбросов парниковых газов.

Производство цемента и метанол

Перспективным и интересным примером является объединение цементной промышленности, одного из крупнейших источников выбросов CO2, с производством возобновляемой энергии и химической промышленностью. Кислород, получаемый при электролизе, может использоваться на цементных заводах для сжигания топлива.

При использовании кислородного сжигания достигается высокое содержание углекислого газа в отходящем газе. Этот углекислый газ можно эффективно улавливать и использовать для производства метанола. Такой возобновляемый метанол можно использовать во многих областях, как в химической промышленности, так и в сфере транспорта.

Использование экологически чистого метанола особенно перспективно в транспортном секторе. Метанол может быть использован в качестве сырья для бензина.

Это означает, что ископаемый бензин может быть заменен топливом из возобновляемых источников. Помимо использования в сфере транспорта, применение зеленого метанола в морском секторе также представляет значительный интерес.

Кроме того, зеленый метанол может быть переработан в зеленый бензин по технологии «метанол в бензин» или даже в зеленый керосин.

Экономическая оценка

Ключевыми факторами жизнеспособности производства зеленого аммиака в основном являются капитальные затраты, доступность и стоимость электроэнергии, ограничения и стоимость транспортировки аммиака, ограничения на выбросы CO2 и налоги на CO2.

С точки зрения капитальных вложений маломасштабные производства зеленого аммиака уже сегодня могут конкурировать с традиционными маломасштабными установками аммиака. Однако традиционный процесс экономичнее при крупнотоннажном производстве. С уменьшением затрат на электролиз ситуация может измениться.

Доступность и стоимость электроэнергии являются вторым ключевым фактором. Операционные расходы в основном обусловлены стоимостьюэлектроэнергии. При затратах на электроэнергию 20 $ на МВтч операционные затраты достигают 200 $ на т, что также может быть достигнуто примерно за 170 $ на м3 для установки на основе природного газа. На диаграмме 1 указаны операционные расходы при использовании разных затрат на сырье. Уже сегодня стоимость электроэнергии достигает 15 $ на МВтч и ниже, что делает производство зеленого аммиака крайне привлекательным.

В отдельных регионах транспортировка аммиака ограничена, кроме того, некоторые потребители аммиака расположены на территориях, не имеющих выхода к морю, что делает транспортировку довольно дорогостоящей. Учитывая высокую стоимость транспортировки, локальное производство аммиака значительно повысит экономическую целесообразность проекта.

Наконец, необходимо рассмотреть вопрос о налогах, а также ограничениях на выбросы CO2. По данным Комиссии в области ценообразования на углерод Всемирного банка, цены на углерод должны быть, по крайней мере, в диапазоне 50–100 $ за т СО2е к 2030 году для соответствия Парижским целевым соглашениям, достигнутым в 2015 году. При уровне выбросов от 1,2 т до 1,6 т CO2e/т NH3такой налог на CO2 является веским аргументом для старта производства зеленого аммиака.

Все эти вопросы должны быть учтены и рассмотрены на самых ранних этапах, при разработке концепции или Технико-экономического обоснования проекта.

Выводы

Поскольку одной из главных проблем возобновляемых источников энергии являются колебания их доступности, поставщики возобновляемых источников энергии уделяют все больше внимания накоплению энергии и энергоносителям. Сегодня технологии для решения этой проблемы уже доступны.

В настоящее время рыночные условия служат ограничителем распространения этих технологий, поскольку ископаемые источники доступны по более низким ценам. Отсутствие ясности в законодательстве и рыночных условиях приводит к неопределенности в отношении разработки возможных проектов и сдерживает инвестиции. Тем не менее, thyssenkrupp готова предложить оптимальные решения и приступить к строительству заводов PtX.

Портфель thyssenkrupp включает основные технологии PtX. От электролиза воды и рекуперации CO2 до производства зеленого аммиака, зеленого метанола и зеленого синтетического природного газа (SNG) – все процессы цепочки создания стоимости могут быть обеспечены из одного источника. thyssenkrupp Uhde, компания со 100-летним опытом разработки технологий и их внедрения в промышленное производство, имеет портфель технологий и решений, которые вписываются в концепцию зеленого производства и обеспечивают не только углеродную нейтральность производств, но и позволяют перейти на полностью безуглеродные технологии. Основой таких процессов является получение зеленого водорода путем электролиза воды.

 

Авторы:

Александр Шевченко, менеджер по развитию бизнеса направления «Удобрения» thyssenkrupp Uhde Россия

Денис Филимонов, ведущий специалист по коммуникациям thyssenkrupp Uhde Россия


Другие новости этого раздела:

20/05/2022

Sulzer был вынужден приостановить работу двух дочерних компаний в Польше из-за санкций

04/05/2022

России придется скорректировать комплексную программу развития водородной энергетики

23/03/2022

«Фосагро» представила технологию использования фосфогипса для строительства дорог

17/03/2022

«Северо-Западная Фосфорная Компания» закупила новую технику в подземный рудник

28/02/2022

Ученые продвигают бионанокомпозиты в качестве удобрений

25/02/2022

Российские ученые синтезировали на основе полимерных наночастиц и палладия стабильный катализатор

15/02/2022

В КузГТУ создали мониторинговый центр для промышленных объектов

14/02/2022

Компания Dexlevo предлагает косметические продукты на основе технологии биоразлагаемых полимеров

07/02/2022

«Акрон» и Haldor Topsoe будут развивать «зеленые» технологии

04/02/2022

ТЕХНОНИКОЛЬ запустит завод в Новоульяновске за 13 млрд рублей

02/02/2022

Yara построит завод по выпуску "зеленого" водорода

19/01/2022

Липецкий государственный технический университет в День студента откроет обновленную химическую лабораторию

17/12/2021

Китайские химики создали новый перспективный катализатор

14/12/2021

Сеть карбоновых полигонов в РФ расширена до 16 регионов

07/12/2021

Московский НПЗ и Lummus Technology заключили контракт на поставку оборудования