Подходи за декарбонизация в целулозно-хартиения сектор

• Целулозно-хартиената промишленост отговаря за дял от 2% от глобалните индустриални емисии и има значителна роля за оформянето на екологичния ландшафт
  
  
• Тъй като прогнозите са за увеличаване на производството на хартия до 2030 г., трябва да бъдат положени съществени усилия за редуциране на емисионния интензитет на сектора
  
  
• Това може да се постигне преди всичко чрез ограничаване на използването на изкопаеми горива като енергиен източник и чрез ускорени подобрения по отношение на енергийната ефективност

Целулозно-хартиената промишленост отговаря за дял от 2% от глобалните индустриални емисии и има значителна роля за оформянето на екологичния ландшафт. През 2020 г. европейският целулозно-хартиен сектор емитира 62 млн. тона въглероден диоксид, а САЩ, най-големият производител на целулоза и хартия, отделя приблизително 150 млн. тона въглероден диоксид всяка година.
Тъй като прогнозите са за увеличаване на производството на хартия до 2030 г., трябва да бъдат положени съществени усилия за редуциране на емисионния интензитет на сектора. Това може да се постигне преди всичко чрез ограничаване на използването на изкопаеми горива като енергиен източник и чрез ускорени подобрения по отношение на енергийната ефективност.

Въглеродни емисии

Низходящата траектория на интензитета на емисиите през последното десетилетие е движена предимно от увеличаването на дяла на енергийни източници с по-ниски емисии, както и от подобрения по отношение на енергийната ефективност. По данни на Международната агенция по енергетика между 2010 и 2022 г. емисионният интензитет на целулозно-хартиения сектор спада с средно с по 3% на година.

Предвид очакванията за ръст в производството през това десетилетие поради повишаващите се потребности от хартия и картон за опаковъчната индустрия, емисионният интензитет на хартиено-целулозния сектор трябва да спадне съществено, за да се постигнат целите за нулеви нетни емисии до 2050 г. Според този сценарий емисионният интензитет трябва да намалява с 5% на година между 2022 и 2030 г., което би изисквало удвояване на усилията за ускоряване на постепенния спад в интензитета на емисиите през последните години.

Необходими са повече действия в областта на финансирането на иновативни технологии и внедряването на политики за редуциране на емисиите, за да се гарантира широкото прилагане на най-добрите налични технологии и използването на нискоемисионни горива.

Енергийна ефективност

От 2010 г. енергийната ефективност на целулозно-хартиеното производство намалява средно с около 1% годишно, докато в сценария за нулеви нетни емисии енергийният интензитет се понижава над двойно на тази годишна стойност до 2030 г.

Необходими са значителни подобрения на енергийната ефективност, за да се върви по план. Това може да бъде постигнато чрез увеличаване на дела хартия, произвеждана от рециклирани суровини и чрез внедряване на най-добрите налични производствени технологии.

Друга важен фактор за постигането на поставените цели е преминаването от изкопаеми горива към алтернативи с почти нулеви емисии. В тази област се отбелязва скорошен напредък, тъй като делът на енергията, осигурена от изкопаеми горива, е намалял от една трета до около една четвърт от 2010 г. насам с успореден преход от въглища към природен газ.

Биоенергията, която вече е основен източник на енергия в сектора поради употребата на странични продукти, като черната луга, ще бъде от особено голямо значение за замяната на изкопаемите горива. Нейният дял, който е 40% през 2022 г., вече е висок и бавно се увеличава през последното десетилетие, но този ръст трябва да се ускори още, за да достигне 45% до 50% през 2030 г. в съответствие със сценария за нетни нулеви емисии.

Високотемопературни термопомпи и нискоемисионни горива

Производството на хартия се характеризира с високо потребление на топлинна енергия, основно заради големите количества вода, които трябва да се изпарят при сушенето на целулозата и хартията. За този процес се изразходват 70% от употребяваната в сектора енергия. Иновациите, водещи до намаляване на количествата вода за изпарение, както и възстановяването на повече отпадна топлина и когенерацията могат да подобрят енергийната ефективност и да редуцират емисиите.
Термопомпите, които използват повторно латентната топлина от сушенето на хартия за генерирането на пара, се очертава да бъдат ключова технология.

Конфедерацията на европейските хартиени индустрии (CEPI) и Европейската термопомпена асоциация (EHPA) си сътрудничат, за да определят как високотемпературни термопомпи могат да бъдат внедрени в заводите за целулоза и хартия. Това не само потенциално ще намали емисиите в резултат на замяната на използваните горива, но и може да доведе до редуциране на енергийните потребности за сушене с 50%. Установено е, че в европейската хартиена индустрия 65% от технологичната топлина може да се осигури чрез термопомпи, възползващи се от източниците на отпадна топлина в производствения процес.

Увеличаването на дела на целулозата, произведена от рециклирани суровини, може също да редуцира енергийния интензитет на сектора, като това би донесло и редица ползи по отношение на ресурсната ефективност – редуциране на количеството първична дървесина, понижаване на потреблението на вода и генериране на по-малко отпадъци.

Увеличеното производство на рециклирана целулоза обаче няма задължително да доведе до намалени емисии, независимо от това, че енергийните потребности са по-ниски. Това се дължи на факта, че производството на първична целулоза разчита до голяма степен на биоенергия, налична като страничен продукт от използваната дървесина, докато при производството на рециклирана целулоза тази биоенергия под формата на страничен продукт я няма и затова се използват предимно изкопаеми горива. Затова успоредно с увеличаването на общото количество рециклирана продукция ще е важно да се премине към нискоемисиионни горива, като био- и електроенергия, за производството на рециклирана целулоза.

Когенерация

Комбинираното производство на електрическа и топлинна енергия дава възможност на целулозно-хартиената промишленост да редуцира потреблението си на природни ресурси и да подобри енергийния си профил. Секторът е сред отраслите, в които когенерацията се прилага най-широко, тъй като технологията позволява постигането на енергийни спестявания от около 30%. През 2016 г. около 95% от общо генерираната на място електроенергия в европейските заводи за целулоза и хартия е получена чрез когенерация. Това е еквивалентно на 50 919 GWh.

Целулозно-хартиената индустрия в Европа е третият най-голям потребител на когенерация след рафинирането на нефт и химическата промишленост, като секторът държи 10% от капацитета за комбинирано производство на топло- и електроенергия на континента. В бъдеще ролята на когенерацията ще остане важна, но ще еволюира, за да се адаптира към изменящите се потребности и на енергийната система, и на потребителите.

Съвместното производство на топлинна и електрическа енергия може да се извършва въз основа на редица източници на възобновяема енергия, включително възобновяеми газове, водород, биомаса, както и геотермална енергия, отпадна топлина, соларни топлинни биотечности или дори ядрена енергия. Съчетаването на тези енергийни източници с когенерация гарантира ефективното производство на електроенергия за диспечиране и възобновяема топлоенергия. Това е печеливш подход за индустриалните потребители и енергийната система като цяло, спомагащ за постигането на зададените енергийни и климатични цели.

Когенерацията е надеждна технология за приложение в комбинация с решения за процесна електрификация. Хибридните когенерационни и термопомпени продукти се възползват от достъпната възобновяема електроенергия, като същевременно запазват непрекъснатостта на снабдяването с топлинна и електрическа енергия при липса на достатъчно зелена енергия, която е с непостоянен характер. Индустриалните предприятия могат да комбинират когенерация с решения за електрификация и въглеродно неутрални горива с цел значително да редуцират общите си енергийни разходи.

Решенията за когенерация предоставят и допълнителна гъвкавост спрямо нуждите на потребителя и все повече спрямо сигналите на електроенергийните пазари. С преминаването на енергийната система към по-големи дялове непостоянна възобновяема енергия и електрификация, оптимизираното приложение на когенерация може да допринесе в значителна степен за покриване на остатъчните потребности (тези, които не могат да бъдат подсигурени със соларна или вятърна енергия). Индустриалните когенерационни системи могат да бъдат проектирани и използвани така, че да отключат нови източници на приходи чрез предоставяне на балансиращи и други спомагателни услуги на мрежата.

Улавяне и съхранение на въглероден диоксид

Близо 75 – 100% от емисиите на въглероден диоксид от целулозно-хартиения сектор са от биомаса. Това открива интересна възможност за редуциране на тези емисии и дори за постигане на отрицателни емисии чрез получаване на биоенергия с улавяне и съхранение на въглероден диоксид (BECCS).

Подходът се основава на улавяне на емисиите на въглероден диоксид, генерирани от изгарянето на биомаса, която е погълнала въглероден диоксид от въздуха по време на фотосинтеза. Емисиите се улавят от отпадъчните газове чрез химичен метод, базиран на реакцията между съдържащ амини разтворител и въглеродния диоксид. Тази технология е много подходяща за отпадъчни газове с концентрация на въглероден диоксид между 3,5 и 25%. Именно в този диапазон попадат емисиите от целулозно-хартиената индустрия, при които концентрацията на въглероден диоксид е между 12 и 20%.
Интересът към биобазираното улавяне на въглероден диоксид се увеличава драстично с нарастването на доброволния пазар на въглеродни кредити.

Електрификация

Използването на нисковъглеродна електроенергия е от съществено значение за декарбонизирането на целулозно-хартиената промишленост. В Швеция например, от 1973 г. електроенергията покрива една трета от енергийните потребности на сектора. Това, което прави електрическата енергия добра алтернатива, е възможността за получаване на гореща вода и пара чрез индустриални термопомпи и електрически котли. По този начин може да бъде елиминирана употребата на изкопаеми горива за генерирането на пара за процесите, изискващи технологична топлина.

Електрическите котли например могат да осигурят ниски до средни температури от до 400°C. Следователно на теория всички работещи на гориво котли в целулозно-хартиения сектор могат да бъдат заменени с електрически.

Иновации

Отчитайки значимостта на процеса на сушене за енергопотреблението в целулозно-хартиената промишленост, възможностите за редуциране на неговите енергийни потребности са изключително важни. Смята се, че три технологии имат особено висок потенциал за това.

Прегрятата пара би позволила пълно възстановяване на топлинната енергия за използване в последващи процеси, което би довело до огромни енергийни спестявания. Предизвикателството се крие в комбинирането на парокондензатна система с изпарителна система, което изисква усъвършенствани технологии за пречистване на парата и решения за предотвратяване на течове на пара от инсталацията.

Отстраняването на вода без изпарение би спомогнало за избягване на най-енергоемкия етап от процеса на сушене, което би довело до близо 90% енергийни спестявания. През 2022 г. консорциум от технически университети в Нидерландия стартира научноизследователски проект за разработване на нетермични технологии за отстраняване на вода, базирани на електрически сили, чиито теоретични принципи се очаква скоро да бъдат интегрирани в индустриално оборудване.

Производството на хартия без вода предлага потенциалното пълно елиминиране на използването на топлинна енергия за сушене. Тук предизвикателството е в това да се постигне свързване между влакната и сухо пулпиране на целулозата или хартията за рециклиране, без да се увреждат влакната. Съществени проучвания в това направление се правят в Германия и Скандинавия.

В допълнение към технологиите за подобряване на енергийната ефективност са нужни иновации и за интегрирането на технологии, които могат напълно да декарбонизират останалия дял от енергопотреблението в целулозно-хартиената индустрия – такива, като улавяне и съхранение на въглероден диоксид, електрически котли и термопомпи, както и за намаляването на разходите за тях, което би ускорило по-мащабното им внедряване.