A három nehézipari ágazatot - a cementgyártást, a vegyipart és az acélgyártást - különösen nehéz szén-dioxid-mentessé tenni, melynek egyik oka a gyártás nagyon magas hőmérsékleti igénye. Az acélgyártásban ráadásul a kokszosított szén nemcsak tüzelőanyagként, hanem anyagában is hasznosított, a kemencébe adagolt mennyiségén keresztül kerül ugyanis beállításra az acél alkalmazási terület-függő széntartalma.
Az acélt két lépésben gyártják. Az első lépése a nyersvasgyártás, amikor a vasat az ércből redukcióval állítják elő, amikor is eltávolítják a teljes oxigéntartalmát. A nyersvas-előállítása nagyolvasztóban történik (Nagy, 2017), és az ehhez szükséges hőmérséklet meghaladhatja az 1600 °C-ot is. A cementégető kemencék, amelyek a mészkövet klinkerré - a cement egyik nyersanyagává - alakítják, elérhetik az 1400 °C-ot. Az ipari folyamatoknál az ilyen magas hőmérsékletet kizárólag villamos energiával nehéz vagy szinte már lehetetlen előállítani, így a gyártók kénytelenek a fosszilis tüzelőanyagokra támaszkodni.
A fenntartható, „zöld” ipari vállalatok azonban keresik az alternatívákat a karbonmentesítési célok elérése érdekében.
A tiszta hidrogén úgy állítható elő, hogy a vizet alkotóelemeire bontják és amennyiben ez tiszta energiával történik, a gáz karbonmentes üzemanyagként elégethető. Egy másik lehetőség amikor a fosszilis tüzelőanyagok égetésekor az égéstermékből leválasztják a szén-dioxidot, majd a keletkező gázt a föld alatt tárolják vagy újrahasznosítják a tiszta szén technológiákon keresztül (ezzel kapcsolatos írásaink megtalálhatók itt és itt). Ez a szén-dioxid-leválasztás, tárolás és újrahasznosítás (angolul: Carbon Capture Utilisation and Storage, CCUS), amely a fosszilis tüzelőanyagot használó erőművek és ipari üzemek CO2-kibocsátásának csökkentését szolgálja, ami nélkül az EU-s klímacélok nehezen lennének elérhetők.
Léteznek azonban már technológiák, mint a RotoDynamic rendszer is, amely olyan szupermagas hőmérsékletet képes biztosítani, mint amilyenre a nehéziparnak is szüksége van, és mindezt zöld villamos energiával működtetve. A technológia kiválthatja a fosszilis tüzelőanyagokra épülő gőzkrakkolókat, hogy 100%-ban karbonmentes olefingyártást érjen el a petrolkémiai iparban, valamint villamosíthatja a magas hőmérsékletű folyamat fűtést a cement-, acél- és vasgyártásban, valamint a vegyiparban és más területeken. Az elektrokemencékben történő acélgyártás már 60-70 éve ismert, de a magas költségek miatt eddig csak speciális esetekben alkalmazták.
A RotoDynamic technológiát legegyszerűbben úgy lehet elképzelni, mint egy fordított gázturbinát. A hagyományos gázturbina fosszilis tüzelőanyagot éget el, hogy forró, magasnyomású gázt hozzon létre, amely megforgatja a rotorlapátokat. A keletkező forgási energia felhasználható egy tolóerőt generáló ventilátor működtetésére (pl. a sugárhajtású repülőgépekben) vagy átalakítható villamos energiává egy generátorban (pl. az erőművekben). Az új rendszer ehelyett egy elektromos motorral indul. A motor forgatja a turbina rotorjait, majd a turbinába gáz vagy folyadék kerül. A turbina belsejében a rotorok szuperszonikus sebességre gyorsítják az anyagot, majd gyorsan lelassítják azt. A hirtelen lassítás a felgyorsított gázban vagy folyadékban lévő mozgási energiát hővé alakítja át. Amennyiben a motor zöld árammal működik, akkor nem keletkezik CO2.
A kísérleti projektben több nagyvállalat is részt vett. Köztük a Shell brit olajvállalat, a Braskem brazil petrolkémiai vállalat és a CEMEX, a világ egyik legnagyobb cementgyártója.
Az elektromos hő azonban nem elegendő a nehézipar teljes karbonmentesítéséhez. Ennek oka, hogy az ágazat kibocsátásának döntő része nem a fosszilis tüzelőanyagok elégetéséből, hanem az általuk működtetett technológiák kémiai folyamataiból származik. A cementgyártás során például a szén-dioxid egyik fele a kemence fosszilis tüzelőanyagokkal történő fűtéséből keletkezik, a másik fele a kalcinálásból, abból a kémiai reakcióból, amely során a mészkőből klinker lesz.
Hasonló a helyzet az acélgyártásnál is, ahol a vasat kémiai úton szabadítják fel a vas-oxidot tartalmazó ércekből. Az ércet magas hőmérsékleten szén-monoxid és hidrogén keverékével reagáltatják, ami eltávolítja az oxigén-atomokat, és így visszamarad a tiszta vas. Az oxigén közben a szénnel egyesülve szén-dioxidot eredményez. Ez azt jelenti, hogy még akkor is, ha a reakciókhoz szükséges hőt karbonmentes villamos energiával biztosítanánk, a többi kibocsátást valahogyan kezelni szükséges. A vállalatok dolgoznak a kémiai folyamatok módosításán, de még egyik megoldás sem érett meg a piacra.
Egy technológiának azonban nem kell teljesen megoldania egy problémát ahhoz, hogy hasznos legyen. A RotoDynamic technológia 30%-kal (2,4 Gt) lenne képes csökkenteni a globális éves CO2-kibocsátást a nehézipari ágazatokban a tiszta, megújuló energiával működő villamosítás révén. Mindezt anélkül, hogy az acélgyártás alapjaiban véve át kellene alakítani.
Szakirodalom
Nagy, M. (2017). ACÉLGYÁRTÁS. BUCAVAS KÉSZÍTÉS, MARTENZITES ÁTALAKULÁS, FÁZISDIAGRAMOK ÉS KAPCSOLATUK AZ ANYAGSZERKEZETTEL, VAS-SZÉN FÁZISDIAGRAM, ACÉLGYÁRTÁS. Egyetemi jegyzet az „Alkalmazott fizika I (Korszerű műszaki alkalmazások alapjai)” c. kurzushoz. ELTE TTK, Fizikai Intézet, Anyagfizikai tanszék
