Eksploatacja pieców do topienia i wanien szklarskich z wykorzystaniem alternatywnych systemów energetycznych
Nie tylko postępujące zmiany klimatyczne i konieczność osiągnięcia neutralności pod względem emisji CO₂ do 2045 roku, ale także nasze obecne uzależnienie od importu paliw kopalnych uświadamiają nam, że nie ma alternatywy dla przestawienia się na odnawialne źródła energii i nowe technologie.

Produkcja szkła float w Saint-Gobain, kontrola pieca. Fot.: Saint-Gobain

W jaki sposób energochłonny przemysł szkła płaskiego (float), który do tej pory był w dużym stopniu uzależniony od gazu ziemnego, może stać się neutralny pod względem emisji CO₂ do roku 2045? Efektywność energetyczna produkcji szkła jest już bliska temu, co jest fizycznie i technicznie wykonalne. Neutralność pod względem emisji CO₂ można osiągnąć jedynie poprzez przestawienie się na nowe kluczowe technologie i zrównoważone surowce, aby uniknąć emisji związanych z procesami technologicznymi.

Według aktualnych badań Federalnego Niemieckiego Związku Przemysłu Szklarskiego (Bundesverband Glasindustrie e.V. – BV Glas), w Niemczech produkuje się rocznie do 7,4 mln ton szkła. Końcowe zużycie energii potrzebnej do tego celu wyniosło w 2020 roku 19,1 TWh, z czego 15,1 TWh zostało wytworzone przy użyciu paliw kopalnych, zwłaszcza gazu ziemnego, a pozostałe 4 TWh przy wykorzystaniu energii elektrycznej. Każdego roku 3,9 mln ton CO₂ jest emitowanych przez systemy podlegające handlowi uprawnieniami do emisji, tj. przez wytop szkła i dalsze procesy spalania. Dodatkowe miliony ton CO₂ powstają w procesie termicznego rozkładu surowców węglanowych.

Płomienie z różnym stopniem domieszkowania wodoru. Od lewej do prawej: 0%, 10%, 30%, 50%, 100% (H2, objętościowo).
Fot.: GWI Leicher, J., Islami, B., Giese, A., Görner K., Overath, J.: Climate-friendly process-heat generation by hydrogen in the glass industry: the “HyGlass” Project. 3rd Aachen Furnace Construction and Thermo-Process Colloquium, 2021

Osiągnięta w ten sposób efektywność energetyczna jest jednak godna uwagi: podczas gdy około 100 lat temu do wyprodukowania jednej tony szkła potrzeba było 6000 kWh, dziś wystarcza mniej niż 1000 kWh. Podczas gdy w przeszłości na tonę szkła emitowano około trzech ton CO₂, dziś jest to mniej niż 500 kg. Niewiele więcej da się tu zaoszczędzić, dlatego w celu osiągnięcia neutralności pod względem emisji CO₂ konieczne jest konsekwentne przechodzenie na nowe technologie i energię odnawialną.

Jak podaje BV Glas, przemysł szklarski pokrywa obecnie około 75% swojego całkowitego zapotrzebowania dzięki eksploatacji gazu ziemnego. Na przykład w Europie szkło float produkuje się głównie w piecach regeneracyjnych opalanych krzyżowo, w których wsad jest topiony w stałej temperaturze procesu wynoszącej około 1650°C przez cały okres użytkowania pieca, najlepiej przez co najmniej 15-20 lat.

Wielu dużych producentów szkła i stowarzyszeń już teraz prowadzi dogłębne badania nad możliwościami zrównoważonej transformacji, jak na przykład Saint-Gobain. Firma obecnie analizuje (i będzie to robić do roku 2025) to, czy sposób produkcji w jej zakładzie w Herzogenrath może stać się neutralny pod względem emisji dwutlenku węgla.

Największy potencjał przedstawiciele firmy widzą w wykorzystaniu zielonego wodoru (wytworzonego przy użyciu odnawialnych źródeł energii) do produkcji szkła. Energię można również oszczędzić w procesie przetwarzania oraz dzięki zoptymalizowanemu jej dostarczaniu i wykorzystaniu na terenie zakładu.

Projekt jest realizowany we współpracy z miastem Herzogenrath, sąsiednimi gminami oraz licznymi instytutami, takimi jak Gas- und Wärme-Institut Essen e. V. (Instytut Gazownictwa i Ciepłownictwa), Institut für Technische Thermodynamik (Instytut Termodynamiki Technicznej), Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik (Instytut Budowy Pieców Przemysłowych i Techniki Cieplnej) oraz (Institut für Stromerzeugung und -speicherung) Instytut Wytwarzania i Magazynowania Energii na Uniwersytecie RWTH Aachen. Jeśli test modelu zakończy się sukcesem, zakład mógłby stać się neutralny dla klimatu już w 2030 roku.

Kolejny projekt, który daje nadzieję, jeśli chodzi o kwestię neutralności dotyczy produkcji szkła float z wykorzystaniem wodoru jako paliwa. W sierpniu ubiegłego roku firma NSG Group Company Ltd (Pilkington Glass UK) poinformowała o udanej próbie takiej produkcji. Próba została przeprowadzona w piecu firmy Pilkington w St. Helens (nominalne obciążenie ok. 800 ton szkła dziennie) w dwóch fazach. W pierwszej fazie 100% pieca opalano wodorem, zastępując w ten sposób 20% objętości gazu ziemnego. W drugiej – do gazu ziemnego we wszystkich palnikach pieca dodano wodór. Ze względu na ograniczoną podaż, całkowity udział wodoru w tej części eksperymentu został ograniczony do 15%.

Trwałe przestawienie/przejście na wodór można zrealizować jedynie w oparciu o rozbudowaną sieć rurociągów doprowadzających wodór – w przeciwnym razie transport drogowy stałby w sprzeczności z pożądaną neutralnością klimatyczną. Inicjatywa firmy Pilkington stanowi część projektu HyNet Industrial Fuel Switching-Project, którego celem jest obniżenie emisyjności (dekarbonizacja) procesów przemysłowych w północno-zachodniej części Wielkiej Brytanii.

Proces przemysłowej produkcji szkła
Fot.: BV Glas e.V.

(kliknij na zdjęcie aby jepowiększyć)

Badania prowadzone nad kluczowymi technologiami
Istniejące procesy produkcyjne w przemyśle szklarskim są już w dużym stopniu zoptymalizowane pod kątem wydajnej produkcji szkła o stałej jakości i niskiej emisji zanieczyszczeń. W związku z celami uzgodnionymi w paryskim porozumieniu klimatycznym oraz rosnącą presją społeczną przemysł szklarski intensywnie prowadzi dogłębne badania nad dekarbonizacją w całym łańcuchu procesów.

Jedną z opcji, która wydaje się oczywista, byłaby możliwość korzystania wyłącznie z ekologicznej energii elektrycznej (również w celu uniknięcia strat związanych z konwersją), ale nie wszystkie rodzaje szkła można topić elektrycznie ze względów fizycznych, a wielkość pieców elektrycznych jest nadal ograniczona.

Piece powszechnie stosowane w przemyśle szkła płaskiego nie mogą być obecnie w pełni zelektryfikowane. Według BV Glas, w przypadku tych wielkości bardziej prawdopodobne jest wykorzystanie technologii hybrydowych, które dodatkowo opierają się na wykorzystaniu ekologicznego wodoru jako paliwa.

Pojawiają się dwie kluczowe technologie, które mogą zastąpić istniejące bazy do 2045 r:
- w pełni elektryczne piece do topienia, w których wsad topi się poprzez wprowadzenie energii elektrycznej za pomocą elektrod. Jednak samo wykorzystanie energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych nie jest obecnie wystarczające, np. w przypadku większych pieców do topienia szkła.

- piece hybrydowe wykorzystujące również wodór mogłyby uzyskiwać do 80% energii potrzebnej do topienia elektrycznego za pomocą elektrod, a pozostałą część energii uzyskiwać poprzez spalanie wodoru. Kwestie podaży, dostępności i opłacalności ekonomicznej ekologicznego wodoru pozostają obecnie bez odpowiedzi.

Pomimo wszystkich planów działania wspomnianych w artykule kluczowe technologie są nadal przedmiotem badań, ale według BV Glas już teraz można obliczyć możliwe skutki dla przemysłu szkła float w przypadku udanej zmiany, które przedstawiają się następująco:
- zmniejszenie bezwzględnej emisji CO₂ o 75%;
- udział emisji CO₂ związanej z procesem technologicznym, pochodzącej z termicznego rozkładu surowców, które do tej pory nie były neutralne pod względem emisji CO₂, będzie nadal wzrastał. Dlatego ewentualne wykorzystanie surowców neutralnych pod względem emisji CO₂ musi stać się przedmiotem badań. Potencjalne oszczędności wynikające z większego wykorzystania stłuczki w przemyśle szkła płaskiego w Niemczech są bardzo ograniczone.

Wbrew powszechnej opinii, stłuczka szklana float w Niemczech jest poddawana recyklingowi prawie w całości, ale tylko w 11% w produkcji szkła float. Większa część jest ponownie wykorzystywana w przemyśle szkła opakowaniowego i wełny szklanej. BV Glas przygotowuje obecnie publikację na ten temat;

- jednostkowe zużycie energii nieznacznie się zmniejsza, ale przy zmienionej mieszance energii elektrycznej wytwarzanej z odnawialnych źródeł energii i ekologicznego wodoru;

- koszty produkcji wzrosną o około 70%, ponieważ koszty energii wzrosną prawdopodobnie trzykrotnie w porównaniu z rokiem 2020 – skutki kryzysu na Ukrainie nie zostały jeszcze uwzględnione w tych szacunkach. W dłuższej perspektywie udana instalacja gospodarki cyrkulacyjnej (z wykorzystaniem materiałów w obiegu/cyklu zamkniętym), która funkcjonuje w oparciu o zasadę „Cradle to Cradle (od kołyski do kołyski)”, przyniosłaby potencjalne oszczędności – słowem kluczowym są tu budynki jako „banki materiałów”.

Produkcja butelek szklanych.
Fot.: BV Glas e.V.

Wpływ na procesy produkcyjne i jakość produktów
W ramach projektu „HyGlass” Federalne Stowarzyszenie Przemysłu Szklarskiego (BV Glas) oraz Instytut Gazu i Ciepła (Gas- und Wärme-Institut Essen e.V. – GWI) badają wpływ wykorzystania wodoru jako paliwa na niezwykle wrażliwy proces produkcji szkła, jakość produktu i emisję zanieczyszczeń. Badania te obejmują zarówno przegląd wszystkich procesów, w których do gazu ziemnego dodawane są coraz większe ilości wodoru, jak i 100% wykorzystanie ekologicznego wodoru w całym łańcuchu produkcji szkła. (Proces produkcji szkła przemysłowego.

Wykres: BV Glas) Projekt HyGlass koncentruje się na badaniu wpływu wodoru na regeneracyjne piece do topienia szkła i dalsze procesy spalania, na przykład w podajnikach stosowanych w przemyśle szkła opakowaniowego Jest to oczywiste, ponieważ europejski przemysł gazowniczy i tak planuje w najbliższej przyszłości wprowadzać coraz większą część wodoru bezpośrednio do sieci gazu ziemnego, a także budować specjalną infrastrukturę wodorową.

Wówczas zakłady produkcyjne w przemyśle szklarskim będą również zaopatrywane w mieszankę zawierającą znaczne ilości wodoru, a zatem mającą inne właściwości spalania niż gaz ziemny - będzie to miało wpływ na jakość produktów, emisję zanieczyszczeń i prawdopodobnie na żywotność instalacji (cykl życia zakładu).

W projekcie HyGlass szczegółowo bada się wpływ tych wszystkich czynników – zwłaszcza w odniesieniu do spalania, które odgrywa ważną rolę na wielu etapach procesu, w topieniu i w tzw. podajnikach, których płynne szkło jest transportowane i homogenizowane do formowania. Proces topienia jest najbardziej energochłonnym etapem produkcji szkła, a podajnik ma często kluczowe znaczenie dla uzyskania wysokiej jakości produktu. Spodziewaną trudnością jest to, że piece do topienia i podajniki różnią się znacznie pod względem technicznym, a także pod względem wielkości i zapotrzebowania na energię.

Podczas gdy w piecu do topienia stosuje się systemy palników z płomieniami niemieszanymi z wysoką temperaturą wstępnego podgrzewania powietrza lub palniki tlenowo-paliwowe, w podajnikach stosuje się liczne małe palniki z płomieniami mieszanymi zamontowane na ścianach bocznych. W związku z tym skutki wyższej zawartości wodoru w gazie ziemnym należy oceniać w różny sposób. Podczas gdy w przypadku podajników szczególnie istotnymi kwestiami są kontrola procesu i ewentualne cofanie się płomienia, w przypadku pieców do topienia na pierwszy plan wysuwają się aspekty związane z wydajnością/sprawnością, wymianą ciepła i emisją tlenków azotu (NOX).

Na wymaganą jakość produktu ma wpływ zarówno podajnik, jak i piec do topienia. Wstępne wyniki badań wskazują, że wpływ wodoru na spalanie można kontrolować, ale wcześniej konieczne jest zastosowanie precyzyjnie dostosowanej technologii pomiaru i sterowania. Termiczna emisja tlenków azotu (NOX) może wzrosnąć wraz ze wzrostem zawartości wodoru, ale sprawdzone środki ograniczające emisję NOX powinny nadal działać w dostosowany sposób.

W świetle przeprowadzonych badań wydaje się, że wskazane jest jak najszybsze wprowadzenie na rynek tych dwóch kluczowych technologii – pieców całkowicie elektrycznych i hybrydowych z wodorem – we współpracy z producentami urządzeń i komponentów działającymi już w Niemczech i w Europie, których doświadczenie powinno zostać uwzględnione w strategii krajowej.

Globalnym wyzwaniem jest konsekwentne odchodzenie od energii ze źródeł kopalnych i szybki rozwój infrastruktury dla energii elektrycznej pochodzącej z odnawialnych źródeł energii oraz podłączaniu zakładów przemysłu szklarskiego do infrastruktury wodorowej, która dopiero powstanie. W tym zakresie niezbędna jest także polityczna dalekowzroczność i planowanie – także ze względu na długie cykle inwestycyjne. Ponadto, aby osiągnąć całkowitą neutralność pod względem emisji CO₂, konieczne są jeszcze liczne prace badawcze nad surowcami odnawialnymi oraz stworzenie sprawnie funkcjonującej gospodarki cyrkulacyjnej. 

źródło: glasstec