W ciepłownictwie substytucja paliw kopalnych energią elektryczną jest relatywnie prosta. Wystarczy porównanie z czajnikiem na herbatę. Temperatura w rurach nie przekracza 100°C, więc zamiast jednego na cztery filiżanki, gdy masz zaś ośmiu gości, nastaw dwa czajniki. I tak dalej, gdy stołowników jeszcze większa ciżba. Kierunek w zieloną stronę jest zatem oczywisty – więcej OZE.
Pompy ciepła w fabrykach
W przemyśle temperatury muszą być wyższe. W zakresie plus 100 do prawie 200° dzieje się postęp zapewniany przez przemysłowe pompy ciepła. Amerykańskie konsorcjum Renewable Thermal Collaboration ogłosiło w styczniu ’24, że w procesach wymagających do 130° koszty użytkowania przemysłowych pomp ciepła nie są wyższe od kosztów stosowania bojlerów opalanych gazem. Po kalkulacjach ekspertom z RTC wychodzi zatem, że pompy już teraz mogą być konkurencyjne kosztowo w 29 proc. wolumenu prowadzonych obecnie procesów produkcyjnych. Jeśli mają rację, to do 2030 r. pompy będą mogły wypierać tradycyjne źródła przy temperaturach do 200°C.
Jeden z ekspertów McKinsey twierdzi, że pompy są w stanie sięgnąć pułapu 500°, ale w tym przypadku lepiej wstrzymać się przed być może przedwczesnym podziwem i spojrzeć w inną stronę.
Nadzieje na ekologiczne temperatury w okolicach 1000° powstające z ruchu popędzanych do biegu elektronów lokowane są w „duszach”, czyli „urządzeniach” domowych zarzuconych na dobre już ponad pół wieku temu, gdy prąd trafił wreszcie pod prawie wszystkie polskie strzechy. Mowa o żelazku do prasowania rozgrzewanym kiedyś do czerwoności w kuchennym piecu. Nie wkładało się go całego do ognia, bo brud osadziłby się na stopie. Ciepło dawała żelazna „dusza”, czyli rozgrzany wkład wsuwany do wewnątrz żelazka.
We współczesnym wydaniu i wg pomysłu startupu Rondo Energy, obudowa na „duszę” też jest metalowa. W jej świetnie izolowanym wnętrzu energia elektryczna rozgrzewa do czerwoności zwykłe cegły. Dzięki doskonałej izolacji cegły pozostają ekstremalnie gorące przez kilka dni i mogą uwalniać przez ten czas ciepło zużywane w różnych procesach produkcyjnych. Podobnie jak w przypadku przemysłowych pomp ciepła, zaletą takiego sposobu magazynowania ciepła jest brak konieczności zmiany instalacji – wystarczy przełączenie dotychczasowej na nowe źródło zasilania.
Rozwiązanie proponowane przez Rondo Energy jest dość elementarne, co jest ogromną zaletą, ale zawodzi, gdy konieczne są temperatury znacznie wyższe niż 1000°. Izraelska firma używa jako „duszy” skały wulkanicznej, kalifornijska Antora próbuje stosować węgiel w stanie stałym i rozgrzewa go do 1800°, a Fourth Powers z Bostonu eksperymentuje z ciekłą cyną przepływającą między cegłami z grafitu, co pozwala na uzyskanie do 2400°. Ponieważ rozgrzewana prądem cyna emituje białe światło, specjalne ogniwa fotowoltaiczne umieszczone we wnętrzu magazynu ciepła dają dodatkowy produkt w postaci energii elektrycznej. Sprytne.
Problematyczne super gorące procesy produkcji
Żadne z powyższych podejść nie rozwiąże kardynalnej dla klimatu i środowiska kwestii super gorących procesów produkcji stali, cementu i chemikaliów. Tymczasem, wszystkie trzy grupy produktów zużywają ponad połowę wytwarzanego ciepła przemysłowego i odpowiadają za mniej więcej taką samą proporcję globalnych emisji gazów cieplarnianych.
Do wytapiania stali służą wprawdzie od dawna elektryczne piece łukowe obywające się bez węgla koksującego, ale mają one racje bytu głównie w państwach z dostępem do złomu, obciążonych podatkiem węglowym, który niweluje różnice kosztowe na niekorzyść metody łukowej, i ze stabilnym popytem na stal, czyli najkrócej mówiąc – w państwach rozwiniętych. Dalsze etapy przechodzenia na tę metodę przyniosą redukcję zanieczyszczeń, ale pozostali wytwórcy, głównie z „nowej Azji”, długo jednak pozostaną przy wytapianiu żelaza z rudy jako pierwszego etapu uzyskiwania stali, zużywając olbrzymie ilości węgla i oleju opałowego.
Badacze nie opuszczają jednak rąk. Startup Electra z Kolorado dysponujący pieniędzmi wyłożonymi przez wiele globalnych potęg kombinuje z rozpuszczaniem rudy żelaza w chemikaliach i traktowaniem uzyskanej mieszaniny prądem. Na końcu procesu obywającego się bez koksu i paliw kopalnych i niemal zeroemisyjnego w zakresie gazów cieplarnianych są czyste arkusze metalu. Jednak jest wielkie „ale’ – chemikalia. Zdaje się więc, że hutnictwo długo jeszcze pozostanie „brudne”.
Z cementem jest kłopot polegający na tym, że szkodliwe emisje są skutkiem palenia pod piecem obrotowym, ale też reakcji chemicznych zachodzących w procesie produkcyjnym. W cemencie też się jednak dzieje. Firma Sublime Solutions chwali się, że znalazła sposób na uzyskiwanie niezbędnych chemikaliów za pomocą elektrolizy prowadzonej w temperaturze pokojowej. Nowatorzy twierdzą, że pozwala to „w zasadzie” na pozbycie się pieca, przy czym wydaje się niestety, że kluczowe są właśnie słowa „w zasadzie”.
W przemyśle chemicznym na co najmniej chwilę uwagi zasługują prace Finów z firmy Coolbrook, którzy eksperymentują z pierwszymi sukcesami z urządzeniem określanym jako reaktor roto-dynamiczny. Do zbiornika z surowcem dodawane są tzw. prekursory wyzwalające reakcje chemiczne, a silnik elektryczny nadaje urządzeniu ruch w tempie 20 tysięcy obrotów na minutę. W ten sposób w grudniu ’23 udało się przeprowadzić tzw. kraking nafty. Tradycyjny kraking (rozbijanie) prowadzony w celu uzyskiwania tzw. lżejszych frakcji ropy (głównie benzyny) jest bardzo energochłonny więc paliwożerny - więc są jakieś widoki na przyszłość także w tej dziedzinie.
W czystej produkcji energii cieplnej powraca stary-nowy pomysł zaprzęgnięcia do de tego celu reaktorów atomowych, co nabierze sensu, gdy sprawdzone i wdrożone będą małe, tzw. modułowe reaktory, co zdaje się być już niemal za pasem.
Wśród przemysłowców z ekspercką wiedzą techniczną krążą oceny, że już dziś nowe technologie byłyby w stanie zelektryfikować nawet połowę „brudnych” procesów produkcyjnych. Postępy w dziedzinie OZE na Zachodzie sprawiłyby, że prąd dla przemysłu byłby niemal czysty. Są jednak ale w formie niechęci kapitanów przemysłu, którzy nieskorzy są do wielkich inwestycji obarczonych ryzykiem technicznym i wszelki innym, obawiają się nieuniknionych przestojów awaryjnych na etapach wdrożeniowym czy wysokich kosztów szkolenia.