Пути к декарбонизированному пару

Почему пар настолько широко распространен в промышленности, давно понятно. Причина в физике, а точнее в термодинамике. Способность пара переносить тепловую энергию туда, где она нужна, остается непревзойденной. А относительная простота, с которой он может преодолевать расстояния, даже в километры внутри крупного предприятия, делает его также очень эффективной рабочей средой. Промышленность не принимает решения легкомысленно; если она использует пар, значит, лучшей альтернативы для этих задач пока не найдено.

На самом деле декарбонизировать нужно не сам пар. Как мы давно подчеркиваем, пар это естественная технология, работающая наилучшим образом. Проблема в том, каким образом мы изначально его генерируем. Это важное различие, потому что пар часто объединяют в одно целое с ископаемыми видами топлива, которые традиционно использовались для его выработки: газом, нефтью и углем. Теперь мы знаем, что именно эти источники энергии наносят вред планете, повышая концентрацию парниковых газов до опасного уровня. Сам пар этого не делает; он не является источником энергии, он является средой ее переноса. Для бесчисленных отраслей, которым пар нужен для поддержания привычного уровня производительности и эффективности, это хорошая новость. Нам нужно лишь пройти путь декарбонизации производства пара.

Вернитесь мысленно на несколько лет назад и подумайте, сколько электромобилей вы видели в обычный день. Очень мало, потому что двигатель внутреннего сгорания на бензине или дизеле тогда полностью доминировал. Затем в 2003 году на сцене появилась Tesla и начала настойчиво продвигать идею электромобилей. Развитие аккумуляторных технологий и, в конечном итоге, более доступные модели ускорили принятие декарбонизированных решений. Сегодня продажи электромобилей растут экспоненциально, хотя и с низкой стартовой базы.

Но одно не изменилось: автомобили все так же ездят на колесах. Физика оси и колеса за последние 6 000 лет почти не изменилась, изменился лишь способ привода. И точно так же, как с колесом, все преимущества пара можно сохранить, если изменить способ его производства.

Универсальность применения пара в промышленности означает, что каждая отрасль будет выбирать собственный маршрут декарбонизации. Причем это не обязательно будет линейный путь от A до Z; скорее всего, для достижения конечной цели будет использоваться сочетание нескольких мер.

Но если пар по-прежнему рассматривается как жизненно важная часть производственного процесса, то в какой-то момент критически важно найти способ использовать его без углеродных выбросов или хотя бы с их значительным сокращением. На данный момент есть пять основных претендентов на решение этой задачи.

Использование электроэнергии, произведенной из возобновляемых источников или на атомной генерации, так называемой beneficial electricity, является одним из главных вариантов. Причин для этого несколько. Во-первых, это уже проверенная технология: электрические котлы способны преобразовывать электроэнергию в тепло почти со 100% эффективностью, при минимальных потерях на излучение с поверхности котла. Дополнительно привлекательным может быть и капитальный бюджет: по данным одного исследования, электрические котлы почти на 40% дешевле эквивалентных котлов на природном газе.¹

Еще один плюс состоит в том, что изменения требуются в основном только в котельной, а не в самих конечных процессах. Существуют и варианты электрификации других участков промышленных процессов, но они часто требуют серьезных изменений в существующей технологии производства. Главный барьер для более широкого внедрения этого варианта в том, что электроэнергия пока остается сравнительно дороже ископаемого топлива. Даже когда эта разница начнет снижаться, что весьма вероятно по мере роста доли ВИЭ, сети придется расширять, чтобы обеспечить всплеск спроса. Именно поэтому ожидается, что выбросы CO2 могут временно возрасти, пока отрасли генерации и распределения электроэнергии будут догонять этот переход.

Если производить ее устойчиво, биомасса выглядит перспективной заменой ископаемому топливу в ряде отраслей, хотя при ее сжигании углерод все же может выделяться, пусть и в меньшем объеме, чем у ископаемого топлива. Например, в Дании одна энергетическая компания уже полностью декарбонизировала производство тепла, включая подачу пара для промышленности, заменив уголь на биомассу в комбинированных теплоэлектроцентралях.

Водород все еще находится на ранней стадии развития и пока остается сравнительно дорогим, однако рассматривается как реальная замена ископаемому топливу для высокотемпературных процессов и способен генерировать пар при любой необходимой температуре. При этом остаются вопросы, связанные с необходимостью улавливать часть выбросов при его производстве и использовании, а также с более сложным управлением горелками.

Это быстро развивающееся cleantech-направление выглядит очень многообещающе, особенно если учесть прерывистый характер части возобновляемой генерации. Возможность накапливать избыток или дешевую "зеленую" электроэнергию, нагревая среду накопления до температур до 400°C, сегодня уже существенно превосходит уровни, достижимые с помощью тепловых насосов. Также ведется работа над краткосрочным накоплением самого пара, что особенно полезно там, где процесс не требует его непрерывной подачи.

Некоторым отраслям из-за энергоемкости их процессов, вероятно, еще долго придется хотя бы частично сохранять использование ископаемого топлива. Иногда это необходимо как мостовой вариант в периоды, когда производство нельзя останавливать, а углеродно-нейтральные или низкоуглеродные альтернативы пока недоступны.

Пар не стал доминирующим и незаменимым источником промышленного тепла за одну ночь. И это не означает, что теперь мы должны отказаться от его многочисленных преимуществ. Новая глава декарбонизированного пара уже открывается. Это не столько отказ от того, что десятилетиями работало отлично, сколько переосмысление этого для будущего. При достаточной приверженности и инновациях отрасли смогут и дальше использовать мощь пара, но уже в форме, соответствующей глобальной цели устойчивого будущего. Перспективы выглядят обнадеживающе, и при совместных усилиях декарбонизированное будущее будет не просто возможностью, а вполне достижимой реальностью.