Od cementu i stali, które czynią nasze budynki wytrzymałymi, po produkty spożywcze, które nas utrzymują, sektor wytwórczy USA produkuje elementy składowe naszego nowoczesnego społeczeństwa. Ale te produkty mają swoją cenę. Produkcja odpowiada za jedną czwartą wszystkich emisji dwutlenku węgla ( CO2 ) związanych z energią w Stanach Zjednoczonych.
Ograniczenie tych emisji jest jednym z najważniejszych priorytetów Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE), który poszukuje i inwestuje w innowacyjne rozwiązania mające na celu dekarbonizację największego źródła emisji przemysłowych: wytwarzania ciepła.
Ciepło jest niezbędne i wszechobecne w produkcji, odpowiadając za prawie połowę emisji CO2 w tym sektorze. Ciepło przemysłowe jest również zróżnicowane. Zapotrzebowanie na ciepło różni się w zależności od branży, od stosunkowo niskich temperatur potrzebnych do pasteryzacji żywności lub usuwania wilgoci w produkcji papieru do wysokich temperatur potrzebnych do produkcji cementu lub ekstrakcji metali z rudy.
Obecnie około 95% całego ciepła przemysłowego powstaje w wyniku spalania paliw kopalnych, ale wytwarzanie produktów, bez których nie możemy żyć, nie powinno wymagać od nas wytwarzania zanieczyszczeń, z którymi nie możemy żyć. Dlatego w 2022 r. DOE stworzyło Industrial Heat Shot, aby zmienić sposób, w jaki producenci generują i wykorzystują ciepło. 1
Industrial Heat Shot jest częścią inicjatywy DOE Energy Earthshots, serii zobowiązań mających na celu osiągnięcie przełomów technologicznych niezbędnych do rozwiązania kryzysu klimatycznego. Industrial Heat Shot ma na celu opracowanie konkurencyjnych cenowo technologii dekarbonizacji przemysłowej przy użyciu ciepła, które do 2035 r. będą miały emisję gazów cieplarnianych (GHG) niższą o co najmniej 85%.
Projekt Industrial Heat Shot wpisuje się w ogólną strategię opisaną w Planie działania na rzecz dekarbonizacji przemysłu opracowanym przez Departament Energii, który przedstawia etapowe podejście obejmujące badania, rozwój i demonstrację mające na celu radykalną redukcję emisji, zwiększenie konkurencyjności amerykańskiego sektora wytwórczego i tworzenie wysokiej jakości miejsc pracy. 2
Biorąc pod uwagę różnorodność zapotrzebowania na ogrzewanie przemysłowe, nie ma uniwersalnego rozwiązania zapewniającego czyste ciepło. Aby sprostać temu wyzwaniu, potrzebujemy pełnego portfolio rozwiązań — a energia słoneczna ma wyraźną rolę do odegrania, czy to poprzez dostarczanie czystej, odnawialnej energii elektrycznej, czy też poprzez bezpośrednie wykorzystanie ciepła słonecznego.
Jednym ze sposobów dekarbonizacji ciepła przemysłowego jest wzięcie lekcji z sektora transportu i budownictwa: elektryfikuj tak bardzo, jak to możliwe. Rozwiązania elektryfikacji dla przemysłu obejmują zarówno proste ogrzewanie rezystancyjne, jak i pompy ciepła na skalę przemysłową, które wykorzystują ciepło odpadowe, oraz zaawansowane elektrotechnologie, które dostarczają energię bezpośrednio do materiałów procesowych.
Oprócz ograniczania emisji wiele z tych technologii zelektryfikowanego ogrzewania ma potencjał, aby zmniejszyć zużycie energii, a nawet poprawić jakość produktu.
W lutym 2024 r. DOE wykonało ważny krok w kierunku wykorzystania tej szansy, uruchamiając inicjatywę Electrified Processes for Industry without Carbon (EPIXC). 3 W ciągu najbliższych pięciu lat EPIXC będzie współpracować z szeroką koalicją producentów, laboratoriów krajowych, uniwersytetów, związków zawodowych, narodów plemiennych i partnerów społecznych w celu elektryfikacji ciepła przemysłowego.
EPIXC zrealizuje swoje cele poprzez edukację i szkolenia mające na celu rozwój przyszłej kadry przemysłowej oraz poprzez inwestycje w projekty badawczo-rozwojowe i demonstracyjne, które przyczynią się do wprowadzenia innowacyjnych technologii elektryfikacji na rynek.
Rozwój tych technologii jest kluczowym elementem układanki, ale czyste, zelektryfikowane ciepło przemysłowe może istnieć tylko wtedy, gdy obiekty mają dostęp do czystej energii. Obiekty mogą generować czystą energię na miejscu i obniżać swoje emisje dzięki technologiom fotowoltaicznym, często w formie paneli słonecznych na dachach.
Jeżeli nie ma możliwości wytwarzania energii na miejscu, przedsiębiorstwa mogą skorzystać z innych sposobów pozyskiwania czystej energii, zazwyczaj poprzez krótkoterminowe lub długoterminowe zobowiązanie do zakupu energii elektrycznej od przedsiębiorstw użyteczności publicznej lub konkurencyjnych dostawców. 4
Chociaż elektryfikacja może zaspokoić wiele naszych przemysłowych potrzeb cieplnych, nie jest to panaceum. Musimy również opracować technologie, które mogą wykorzystać ciepło słoneczne, geotermalne i jądrowe* do zastosowań przemysłowych.
DOE finansuje tanie i niezawodne technologie koncentrującej energii słoneczno-termicznej (CST), które wykorzystują lustra do odbijania i skupiania światła słonecznego na odbiorniku.
Energia pochodząca ze skoncentrowanego światła słonecznego podgrzewa następnie płyn o wysokiej temperaturze w odbiorniku, co pozwala na efektywną zamianę promieniowania słonecznego w energię cieplną.
Technologie CST mają ogromny potencjał w zakresie dekarbonizacji sektora przemysłowego, ponieważ mogą bezpośrednio wytwarzać zarówno ciepło niskotemperaturowe potrzebne do przetwórstwa żywności, jak i ciepło wysokotemperaturowe potrzebne w sektorze przemysłowym.
DOE finansuje badania mające na celu rozwijanie przemysłowych zastosowań technologii solarno-termicznych, zwłaszcza w sektorach cementowym, wodorowym i chemicznym. 5
Oczywiście, słońce nie świeci 24 godziny na dobę. Tak jak spodziewamy się, że baterie odegrają rolę w dekarbonizacji sieci elektrycznej, baterie termiczne — lub magazyny energii cieplnej — odegrają rolę w dekarbonizacji ciepła przemysłowego jako krytyczne komponenty przyszłych przemysłowych systemów energetycznych.
DOE wspiera wdrażanie lokalnych technologii czystej energii, takich jak ogniwa słoneczne, energia słoneczna termiczna i magazynowanie ciepła, poprzez Partnerstwa na rzecz Pomocy Technicznej w Zakresie Energii na Miejscu. Program ten zapewnia regionalną pomoc techniczną, analizę rynku i najlepsze praktyki dla zakładów przemysłowych i innych dużych odbiorców energii.
Dzięki wytwarzaniu i magazynowaniu energii elektrycznej i ciepła bezpośrednio w swoich zakładach producenci mogą oszczędzać pieniądze, zmniejszać niepewność związaną z cenami paliw i uzyskiwać większą kontrolę nad wykorzystaniem czystej energii w swoich procesach. 6
Wyzwanie, które przed nami stoi, jest ogromne, ale nagroda również. Osiągnięcie celu Industrial Heat Shot pozwoliłoby amerykańskiemu sektorowi przemysłowemu na zmniejszenie rocznych emisji gazów cieplarnianych o 575 milionów ton metrycznych ekwiwalentu CO2 w 2050 r. — mniej więcej tyle, ile emisje generowane przez wszystkie samochody osobowe na drogach w 2020 r.
Odnawialne źródła energii, takie jak energia słoneczna, będą miały kluczowe znaczenie dla osiągnięcia tego celu, ale dopiero musnęliśmy powierzchnię. Jeszcze szerszy zakres rozwiązań, takich jak czysty wodór, paliwa odnawialne i alternatywne procesy niskotemperaturowe, również odegrają rolę.
Przyszłość amerykańskiego przemysłu wytwórczego leży w tych nowych procesach i technologiach, które zostaną wprowadzone do naszych fabryk dzięki partnerstwom publiczno-prywatnym i odważnym innowacjom.
* Zgodnie z opinią interesariuszy Amerykańskiego Towarzystwa Energii Słonecznej, Solar Today nie zachęca do stosowania rozszczepienia jądrowego jako źródła energii.
Źródła
- https://tinyurl.com/Iheatshot
- https://tinyurl.com/DecarbRoadmap
- https://tinyurl.com/EPIXC
- https://tinyurl.com/BPIndustrial
- https://tinyurl.com/SolarIndustrial
- https://tinyurl.com/OnsiteTAPs
O autorach
Matthew Bauer jest kierownikiem programu w zespole ds. skoncentrowanej energii słonecznej (CSP) w biurze technologii energii słonecznej Departamentu Energii USA. Od 2015 r. współpracuje ze społecznością badawczo-rozwojową CSP w celu identyfikacji obiecujących technologii istotnych dla CSP i rozwiązywania ryzyka technicznego utrudniającego komercyjną adopcję takich technologii.
Zach Pritchard jest menedżerem ds. technologii w Biurze Efektywności Przemysłowej i Dekarbonizacji Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, gdzie wspiera badania, rozwój i demonstracje technologii, które mogą ograniczyć emisje powstające w wyniku przemysłowego ogrzewania procesowego.
