Ķīmiskā rūpniecība patērē milzīgu daudzumu fosilo resursu, kas ir izejviela neskaitāmiem produktiem, piemēram, plastmasai, un kam ir nepieciešams liels enerģijas apjoms. Kā viena no Eiropas lielākajām rūpniecības nozarēm, tā saskaras ar intensīvu izmaksu samazināšanas spiedienu salīdzinoši augsto enerģijas cenu dēļ, tā ir arī viena no visgrūtāk dekarbonizējamajām nozarēm.
Eiropas ķīmiskā rūpniecība saskaras ar strukturāliem trūkumiem, salīdzinot ar naftu un gāzi bagātiem reģioniem, piemēram, ASV un Tuvajiem Austrumiem.
“Nozare varētu iegūt no mērķtiecīgas politikas, kas rada lielu pieprasījumu pēc zaļajiem materiāliem, un stratēģijām, kas pārtrauc tās atkarību no fosilo resursu piegādes ķēdēm,” teikts Vupertāles institūta ziņojumā. Pētnieki norāda, ka nozare atrodas “kritiskās krustcelēs, saskaroties ar strukturālu spiedienu par augstām enerģijas un izejvielu izmaksām un steidzamām prasībām pārejai uz aprites ekonomiku un klimatneitralitāti”.
Vācijas valsts programma
Vācijas ķīmiskās rūpniecības pārstāvji šā gada sākumā paziņoja, ka nozare saskaras ar “iespējams, smagāko krīzi kopš pēckara perioda”. Valsts ir sākusi programmu Chemicals Agenda 2045, lai palīdzētu grūtībās nonākušajam sektoram, koncentrējoties uz enerģijas cenu pazemināšanu un ietverot arī “oglekļa rīcības plānu” oglekļa uztveršanas un uzglabāšanas vai izmantošanas (CCS/CCU) ieviešanai.
Ziņojumā pētīta nozares konkurētspēja un aprites ekonomikas pasākumi, kas varētu sniegt tik nepieciešamo stimulu. Speciālās ķīmijas transformācija, ar tās aptuveni 75 000 produktu klāstu ir īpaši grūts risinājums. Lai gan speciālā ķīmija joprojām ir Eiropas konkurētspējas priekšrocība, to tehniski ir ļoti grūti pārstrādāt, tās ražošana gandrīz pilnībā atkarīga no integrētām fosilo resursu piegādes ķēdēm. Tāpēc ir nepieciešamas mērķtiecīgas investīcijas pētniecībā un attīstībā, lai nodalītu speciālo ķīmiju no fosilajām izejvielām – tas nodrošinātu ķīmiskās rūpniecības konkurētspēju dekarbonizētā ekonomikā.
Pētnieki norāda, ka Eiropas ķīmiskā rūpniecība vēsturiski ir kompensējusi augsto enerģijas un izejvielu izmaksu trūkumus ar dziļāku integrāciju un rūpniecisko sinerģiju tā dēvētajos Verbund klasteros. Tas ir sadarbības veids, kurā viena uzņēmuma atkritumi kļūst par cita uzņēmuma izejvielu, kas jo īpaši izplatīts Vācijā. Šie klasteri ir kritiski svarīgi speciālajai ķīmijai, kas nodrošina Eiropas konkurētspēju.
Vajadzīgs apjomīgs finansējums
Nepieciešamas jaunas apjomīgas investīcijas, lai vēl vairāk palielinātu produktivitāti, ko pašlaik kavē augsti investīciju riski un ģeopolitiskā nenoteiktība. Vupertāles institūta ziņojumā valdības tiek aicinātas īstenot politiku, kuras mērķis ir piesaistīt nepieciešamo kapitālu, nodrošinot “tirgu veidojošus instrumentus, kas rada prognozējamu, liela mēroga pieprasījumu pēc zaļajiem materiāliem”.
Šāda politika ļautu tirgiem “novērtēt gan saražoto ķīmisko vielu fizikālās īpašības, gan arī ar to ražošanu saistītos vides un ilgtspējas aspektus”. Ziņojumā uzsvērts, ka Eiropas vienotais tirgus “nodrošina kritisko masu, kas nepieciešama, lai uzturētu rūpnieciskās transformācijas sākotnējos, dārgos posmus, un ļauj pirmajiem virzītājiem gūt globālu pieredzi”
Vācijas Chemieagenda 2045 un CCS/CCU tehnoloģijas ir divi savstarpēji saistīti faktori, kas pašlaik nosaka Eiropas smagās rūpniecības izdzīvošanas un transformācijas stratēģiju. Abi risinājumi tiecas sabalansēt steidzamo dekarbonizāciju ar globālās konkurētspējas saglabāšanu.
Vācijas Chemieagenda 2045
Šī valstiskā stratēģija tika prezentēta, lai glābtu Vācijas ķīmiskās rūpniecības sektoru no vēsturiski smagākās lejupslīdes, ko izraisīja augstās enerģijas cenas un spiediens no ārējiem tirgiem.
Programmai ir vairāki virzieni. Pirmkārt, nepieciešama enerģijas izmaksu samazināšana – elektroenerģijas cenu pazemināšana rūpniecībai un nodokļu atvieglojumi novērstu ražotņu pārcelšanu ārpus Eiropas. Otrais virziens ir ūdeņraža infrastruktūra – paātrināta piekļuve lētam zaļajam ūdeņradim un atjaunojamajai enerģijai, kas nepieciešama fosilo izejvielu aizstāšanai. Nākamais virziens ir birokrātijas samazināšana. Vācijas valdība aktīvi aicina vienkāršot ES mēroga ķīmisko vielu regulējumu, piemēram, REACH un PFAS ierobežojumus, lai veicinātu inovācijas. Ļoti būtisks virziens programmā ir zaļo materiālu tirgus veidošana. Arī politisko instrumentu ieviešana, kas mākslīgi rada liela mēroga pieprasījumu pēc klimatneitrāliem ķīmiskajiem produktiem.
CCS un CCU tehnoloģiju nozīme ķīmijā
Ķīmiskā rūpniecība ir viena no visgrūtāk dekarbonizējamajām nozarēm, jo ogleklis tajā ir ne tikai enerģijas avots, bet arī pamatelements produktos – plastmasā, minerālmēslos, farmācijā, tāpēc tiek ieviesti divi dažādi oglekļa pārvaldības virzieni. Oglekļa uztveršanas un uzglabāšanas (CCS) un oglekļa uztveršanas un izmantošanas (CCU) tehnoloģijām ir izšķiroša nozīme ķīmiskās rūpniecības pārveidē, jo ogleklis šajā nozarē kalpo ne tikai kā enerģijas avots, bet arī kā neatņemama produktu sastāvdaļa. Tā kā šī ir viena no visgrūtāk dekarbonizējamajām nozarēm pasaulē, abi tehnoloģiskie virzieni palīdz risināt emisiju problēmu no diviem dažādiem skatupunktiem.
Oglekļa uztveršana un uzglabāšana – CCS
CCS tehnoloģija koncentrējas uz oglekļa dioksīda uztveršanu tieši no lielajām ražotnēm un tā permanentu izolēšanu no atmosfēras. Ķīmiskajā rūpniecībā ir procesi, kuros emisijas rodas tieši no pašām ķīmiskajām reakcijām, piemēram, amonjaka un ūdeņraža ražošanā. Šādos gadījumos emisijas nav iespējams novērst, vienkārši pārejot uz zaļo elektroenerģiju. CCS ļauj šo radīto uztvert, sašķidrināt un pa cauruļvadiem vai kuģiem nogādāt uz drošām pazemes krātuvēm, piemēram, izsmeltiem gāzes laukiem vai dziļiem sāls slāņiem, visbiežāk Ziemeļjūras reģionā. Šī metode kalpo kā tūlītējs risinājums kopējā atmosfēras piesārņojuma samazināšanai, kamēr nozare pārejas posmā vēl nespēj pilnībā atteikties no fosilajām izejvielām.
Oglekļa uztveršana un izmantošana – CCU
CCU tehnoloģija uzlūko uztverto nevis kā atkritumus, kas jāaprok, bet gan kā vērtīgu resursu un izejvielu jaunu produktu radīšanai. Ikdienas produkti, piemēram, plastmasa, sintētiskie audumi, mazgāšanas līdzekļi un farmācijas preces pamatā sastāv no oglekļa molekulām, CCU ļauj šo oglekli iegūt tieši no emisijām. Apvienojot uztverto ar zaļo ūdeņradi, ražotāji var sintezēt metanolu, e-degvielas, piemēram, ilgtspējīgu aviācijas degvielu jeb SAF, un dažādus polimērus. Šādi tiek radīta slēgta oglekļa aprite: ogleklis, kas citādi nonāktu atmosfērā, paliek ieslēgts materiālos, rūpniecībai vairs nav nepieciešams iegūt naftu vai dabasgāzi.
Abu tehnoloģiju sinerģija un izaicinājumi
Praksē abas tehnoloģijas papildina viena otru. CCS nodrošina ātru un apjomīgu emisiju samazināšanu īstermiņā, savukārt CCU veido pamatu ilgtermiņa aprites ekonomikai. Galvenais sarežģījums to plašākai ieviešanai ir augstās izmaksas un lielais zaļās elektroenerģijas un ūdeņraža daudzums, kas nepieciešams CCU procesiem. Vācijas un visas Eiropas Savienības līmenī tiek veidoti jauni tiesiskie regulējumi un finansiālie atbalsta instrumenti, lai palīdzētu ķīmiskajiem klasteriem šīs tehnoloģijas integrēt ikdienas ražošanā un padarītu zaļos materiālus komerciāli konkurētspējīgus.
Kāpēc zaļais ūdeņradis ir neaizvietojams?
Zaļais ūdeņradis ir svarīgs, jo tas ir vienīgais elements, kas spēj vienlaikus būt gan tīras enerģijas nesējs, gan ķīmiska izejviela fosilo resursu aizstāšanai. Bez tā ķīmiskā rūpniecība fiziski nespēj sasniegt klimatneitralitāti.
Fosilā oglekļa aizstāšana produktos – CCU pamatā
Lai ražotu plastmasu, sintētiskos materiālus, farmācijas preces vai e-degvielas bez naftas un gāzes, uztvertais oglekļa dioksīds jāpārvērš lietojamos ogļūdeņražos. Tas nav iespējams bez ūdeņraža. Tikai apvienojot ar zaļo ūdeņradi, ir iespējams sintezēt metanolu un citus pamatmateriālus, no kuriem tālāk “būvē” visus mūsdienu ķīmiskos produktus.
Amonjaka un minerālmēslu dekarbonizācija
Amonjaks – NH₃ – ir viens no visvairāk ražotajiem ķīmiskajiem savienojumiem pasaulē, ko izmanto lauksaimniecības minerālmēslu ražošanā. Pašlaik ūdeņradi amonjaka sinēzei iegūst no dabasgāzes – tā saukto “pelēko ūdeņradi”, kas rada milzīgas siltumnīcefekta gāzu emisijas. Aizstājot to ar zaļo ūdeņradi, kas iegūts no ūdens, izmantojot zaļo elektroenerģiju, amonjaka un pārtikas ražošanas ķēde kļūst pilnībā tīra.
Augstas temperatūras siltuma nodrošināšana
Ķīmiskie procesi un reakcijas bieži prasa milzīgu augstu temperatūru – virs 1000 °C, ko parastā rūpnieciskā elektrifikācija ar sildelementiem efektīvi nodrošināt nespēj. Zaļo ūdeņradi var dedzināt speciālās krāsnīs, lai iegūtu šo augsto temperatūru, neatstājot emisijas, izņemot tīru ūdens tvaiku.
Rūpniecisko klasteru integrācija
Kā minēts ziņojumā par Verbund klasteriem, ķīmiskās rūpnīcas darbojas ciešā sinerģijā. Zaļais ūdeņradis kalpo kā universāla “valūta” šajos klasteros, to var ražot centralizēti turpat uz vietas un tālāk sadalīt – daļu izmantot kā degvielu, daļu kā izejvielu materiālu sintēzē, bet pārpalikumu uzglabāt, lai nodrošinātu rūpnīcu darbību brīžos, kad nespīd saule vai nepūš vējš.
Problēmas ieviešanā
Zaļā ūdeņraža plašu ieviešanu pašlaik kavē ekonomisku, infrastruktūras un loģistikas sarežģījumu kopums, kur galvenais šķērslis ir tā augstā pašizmaksa salīdzinājumā ar fosilajām alternatīvām. Lai gan tehnoloģiski zaļā ūdeņraža ražošana ir pilnībā iespējama, nozare saskaras ar “reālās pasaules” šķēršļiem, kas palēnina investīciju lēmumus.
Izmaksu plaisa
Lielākais šķērslis ir krasā cenu atšķirība starp zaļo un tradicionālo (pelēko) ūdeņradi. Bez apjomīgām subsīdijām zaļais ūdeņradis pašlaik nespēj konkurēt brīvajā tirgū, kur zaļā ūdeņraža ražošanas pašizmaksa svārstās starp 3,00 un 5,15 EUR/kg. Eiropā kopā ar loģistiku un piegādi gala cena rūpniecībā var sasniegt >6 USD/kg. Tradicionālais (pelēkais) no dabasgāzes ražotais ūdeņradis maksā ~1,30-2,15 EUR/kg. Lai nozares brīvprātīgi pārietu uz zaļo ūdeņradi, tā cenai jānokrīt līdz 1,70 EUR/kg slieksnim. To pašlaik izdodas sasniegt tikai reģionos ar izcili lētu saules enerģiju, piemēram, Tuvajos Austrumos vai Čīlē, bet ne Eiropā.
Energoresursu trūkums un efektivitāte
Zaļā ūdeņraža ražošanai ir nepieciešams lielum liels daudzums atjaunojamās elektroenerģijas. Lai “pabarotu” rūpnieciska mēroga elektrolīzerus, nepieciešami jauni vēja un saules parki. “Zaļā strāva” ir vajadzīga arī pilsētu elektrifikācijai un elektroauto uzlādei. Problēma – ūdeņraža ražošanas ķēdes (elektrolīze, kompresija, transportēšana un atpakaļpārveide) lietderības koeficients ir salīdzinoši zems – procesā tiek zaudēti aptuveni 50-60% sākotnējās enerģijas. Piemēram, litija jonu bateriju efektivitāte ir ap 90%.
Infrastruktūras un loģistikas “šaurās vietas”
Pašlaik fiziski neeksistē komerciāla ekosistēma ūdeņraža pārvietošanai, pastāv nopietnas transportēšanas grūtības. Ūdeņradis ir visvieglākais un mazākais elements visumā. Lai to pārvadātu, tas ir vai nu jāsaspiež milzīgā spiedienā – līdz 700 bāriem, vai jāsašķidrina ekstremālā aukstumā -253 °C, kas prasa ļoti daudz enerģijas un dārgus specializētus rezervuārus. Arī dabasgāzes tīkli bez pārbūves nav piemēroti tīra ūdeņraža transportēšanai, jo ūdeņraža molekulas var izraisīt metāla plaisāšanu jeb “trauslošanos”. Piemēram, Eiropas Ūdeņraža maģistrāle (European Hydrogen Backbone) vēl ir tikai agrīnā attīstības fāzē.
Nenoteikts pieprasījums un projektu kavēšanās
Tā kā zaļais ūdeņradis ir dārgs, pircēji nesteidzas parakstīt ilgtermiņa saistošos līgumus par tā iepirkšanu. Bez garantētiem pircējiem bankas un investori atsakās finansēt miljardiem vērtos ražošanas projektus. Rezultātā vērojama globāla tendence, kurā uzņēmumi skaļi paziņo par projektiem, taču reāli līdz būvniecībai un galīgajam investīciju lēmumam nonāk mazāk nekā 10% no visiem izziņotajiem projektiem. Daudzi lielie enerģētikas giganti savus plānus pēdējā laikā ir apturējuši vai sašaurinājuši.