Химическая промышленность является основой современной экономики и общества, поддерживая широкий спектр секторов экономики, от сельского хозяйства и строительства до здравоохранения и производства потребительских товаров. Однако эта отрасль также относится к числу видов деятельности человека, на долю которых приходится около 4% глобальных вредных выбросов диоксида углерода (углекислого газа — CO2). Поскольку многие химические вещества получают из углеродсодержащего сырья, задача химической промышленности заключается не в обезуглероживании, а в использовании возобновляемых источников энергии и перерабатываемых отходов в качестве сырья.
Тем более, что актуальность обезвреживания отходов растёт, что обусловлено обязательствами по защите климата и растущим общественным давлением в пользу устойчивых моделей производства. Перед химической промышленностью в целом стоит задача достижения углеродной нейтральности, одним из путей которой является такая трансформация. Может возникнуть вопрос, является ли вариант продолжения использования ископаемого сырья и компенсации отрицательных выбросов (удаление диоксида углерода) более рентабельным, чем использование молекул на биологической основе или улавливание и утилизация углерода, которые требуют использования очищенного водорода. Биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода сталкивается с проблемами устойчивого развития при внедрении в необходимых объёмах. Хотя ни одна технология не лишена проблем и недостатков, прямое улавливание углерода из воздуха является многообещающим направлением.
Однако в настоящее время, как с технической, так и с экономической точки зрения, эти зачатки технологической трансформации не являются жизнеспособной альтернативой (а может не стать таковой в обозримом будущем). Более того, быстрое и устойчивое сокращение выбросов является приоритетной задачей и что усилия следует направлять в первую очередь для компенсации остаточных выбросов, которые трудно сократить, или для устранения чрезмерного выброса, а не в качестве замены смягчения последствий. В конечном счёте, сочетание технологической готовности и экономической жизнеспособности будет определять доминирующий проект, который, возможно, появится в будущем.
В то же время мировая энергетическая система тоже переживает глубокие преобразования. Переход к возобновляемым источникам электроэнергии и рециркуляции ресурсов изменяет цепочки создания стоимости в энергетическом секторе. Для химического же сектора этот двойной переход — как на энергетическое, так и на углеродное сырье — представляет сложную проблему по сохранению конкурентоспособности и эксплуатационных характеристик продукции. Несмотря на свою важнейшую роль, химическая промышленность получила сравнительно ограниченную политическую поддержку. Такая асимметрия может привести к задержке инноваций и инвестиций в новые химические технологии.
Химическая промышленность сталкивается с более сложной проблемой: её углеродный след связан не только с энергетикой, но и с молекулярной структурой большинства продукции, так как использует ископаемые углеводороды, то есть нефть, газ и уголь, в качестве исходного сырья для получения необходимых химических веществ и пластмасс. 70% общих выбросов в этом секторе связаны с производством только трёх химических веществ: метанола (основного компонента для многих процессов), аммиака (в основном используемого в производстве удобрений) и этилена (в основном для производства пластмасс). Обнадёживает тот факт, что эти три химических вещества могут быть полностью заменены.
В настоящее время биомасса является наиболее зарекомендовавшим себя экологически чистым углеродным сырьём, которое уже используется в различных процессах. Однако его будущая роль в химическом производстве ограничена несколькими факторами: конкуренцией в области землепользования, включая сельское хозяйство, критериями устойчивости и растущим спросом со стороны других секторов (авиация, судоходство, производство электроэнергии, теплоснабжение, строительство и даже дата-центры). Эта конкуренция оказывает давление на ограниченные запасы биомассы из экологически чистых источников.
Оценка использования пищевых остатков, побочных продуктов и отходов, позволят полностью избежать конфликтов в области землепользования энергетических культур. Географические различия несколько усложняют картину. Такие страны, как Бразилия, пользуются богатыми ресурсами биомассы благодаря благоприятному климату и земельным ресурсам, в то время как другие, куда входят и некоторые значительные районы РФ, сталкиваются с большими трудностями. Эти региональные диспропорции требуют дифференцированного подхода к использованию биомассы.
Учитывая эту ограниченную и неравномерную доступность, биомассе следует уделять стратегическое внимание в тех областях применения, где альтернативные способы обезуглероживания являются либо технологически незрелыми, либо экономически нежизнеспособными. К ним относятся такие отрасли, как целлюлозно-бумажная, химическая промышленность и производство пластмасс, производство древесных строительных материалов и экологически чистого авиационного топлива. В регионах с большим количеством биомассы могут оказаться полезными дополнительные области применения, включая централизованное, либо высокотемпературное промышленное теплоснабжение, распределение электроэнергии для обеспечения цифровой инфраструктуры (ЦОДы), производство стали и морской транспорт. Такая расстановка приоритетов необходима для обеспечения эффективного использования биомассы без обострения конфликтов в области землепользования или подрыва экологической целостности и биоразнообразия.
Сегодня во всём мире перерабатывается только около 10% пластмасс, что отражает ограничения в системах сбора, сортировке и спросе на конечном рынке. Однако, согласно прогнозам, к 2050 году эта доля может возрасти примерно до 45% при условии соблюдения благоприятных условий (технологических, нормативных и инфраструктурных). Механическая переработка уже применяется для некоторых полимеров, таких как полиэтилентерефталат (ПЭТ) и полиэтилен высокой плотности, но её применение усложняется загрязнением, деградацией полимеров и ограниченной совместимостью со смешанными потоками отходов. Химическая переработка все ещё находится на ранних стадиях промышленного внедрения, хотя она является гораздо более гибкой с точки зрения использования сырья. Вся сложность заключается в огромной энергоёмкости процесса. Для удовлетворения будущего спроса потребуется значительное расширение обоих подходов, как в технологическом, так и в организационном плане. Такой рост потребует скоординированных действий по всей цепочке создания стоимости. Это включает инвестиции в передовые технологии сортировки, расширение инфраструктуры химической переработки и внедрение таких инструментов политики, как требования к содержанию вторичной продукции. Но поставщики энергии могут использовать синергетический эффект от интеграции тепловой энергии и новых химических процессов, связанных с сырьём и возобновляемыми источниками энергии.
Однако не все способы переработки пластика превосходят первичное нефтехимическое производство. Механическая переработка и гликолиз ПЭТ дают наилучшие результаты, в то время, как другие методы могут усилить негативное воздействие на окружающую среду. В совокупности эти результаты свидетельствуют о том, что устойчивость биогенного или рециркулируемого углерода также сильно зависит от выбора технологического процесса, а не только от происхождения сырья.
Углекислый газ обладает практически неограниченным потенциалом, особенно если он поступает непосредственно из атмосферы. Однако его использование в качестве исходного сырья всё ещё находится в зачаточном состоянии, а масштабирование извлечения из воздушных масс сопряжено, как с техническими, так и с экономическими проблемами. Ожидается, что прямое улавливание двуокиси углерода в воздухе скоро будет играть ключевую роль в обеспечении масштабируемых, не зависящих от местоположения производств. Но пока существуют экономические и технические ограничения, которые необходимо будет преодолевать путём постоянных исследований и разработок. Производство некоторых важных химикатов и пластмасс часто требует сочетания углекислого газа с водородом, что делает такие комбинаты сильно зависимыми от наличия возобновляемой электроэнергии, водородной инфраструктуры и надёжных сетей транспортировки углерода. Именно поэтому первоначальные инвестиции государств сейчас направлены в создание установок, улавливающих углекислый газ непосредственно из атмосферы.
Кроме того, биомасса по своей природе бедна водородом и богата кислородом, в то время как большинство химических продуктов – наоборот, богаты именно водородом. Это несоответствие приводит к значительным потерям углерода при обычной термохимической конверсии. За счёт использования новых технологий, в процессе конверсии можно существенно увеличить выход углерода в результате химических процессов, связанных с получением биомассы. Такой подход не только улучшает общую экономию, но и сокращает выбросы углекислого газа за счёт минимизации его образования в качестве побочного продукта. Биометан, как и природный газ, представляет собой перспективное возобновляемое сырье для производства химикатов и пластмасс, предлагая жизнеспособный путь к минимизации использования ископаемых нефтяных запасов в химической промышленности. Его молекулы могут быть преобразованы в синтез-газ, являющийся универсальным промежуточным продуктом, используемым в синтезе топлива, метанола, аммиака и других ценных химических веществ.