Uloga čistog katrana ugljena u zelenoj tehnologiji? 

Kad čujete katran ugljena i zelenu tehnologiju u istoj rečenici, većina ljudi u industriji se ili ruga ili izgleda potpuno zbunjeno. shvaćam. Desetljećima je katran ugljena, vezivo, okosnica tradicionalne proizvodnje ugljika, bio prljava tajna — nužno zlo za anode i elektrode. Narativ je bio usmjeren na odmicanje od prethodnika baziranih na fosilima. Ali ovdje je ono što često propuštamo u tom pojednostavljenom pogledu: uloga čisti katran ugljena ne radi se o tome da je sama sirovina zelena; radi se o učinkovitosti, smanjenju otpada i performansama koje omogućuje nizvodno u tehnologijama koje su nedvosmisleno dio zelene tranzicije. To je nijansa koja se gubi u PR-govoru.

Krivo shvaćeni prethodnik

Budimo jasni. Ne govorimo o sirovom, višekomponentnom katranu. Ključna riječ je čisti katran ugljena, posebno rafinirana smola ugljenog katrana (CTP) s kontroliranim sastavom. Uobičajena pogreška je združivanje svih prekursora ugljika zajedno. Bio-smole obećavaju, ali njihova konzistencija i vrijednost koksiranja? Još uvijek kockanje u industrijskim razmjerima. Naftni smola ima vlastitu volatilnost i probleme s opskrbom. CTP visoke čistoće nudi poznato, pouzdano polazište. Njegova molekularna struktura, ta aromatičnost, zapravo je prednost za stvaranje uređenih ugljikovih rešetki potrebnih u, recimo, grafitnim anodama za baterije električnih vozila. Zeleni dio počinje kada uzmete u obzir alternativu: manje učinkovit proces koji zahtijeva više energije, više otpada i na kraju, veći ugljični otisak po jedinici učinka.

Sjećam se projekta prije otprilike pet godina, pokušavajući zamijeniti dio CTP-a novim bio-izvedenim vezivom za grafitne elektrode. Laboratorijski rezultati bili su prekrasni. Povećanje na probni rad u partnerskoj ustanovi bila je katastrofa. Ciklus pečenja postao je nepredvidiv, gustoća konačnog proizvoda bila je posvuda, a završili smo sa stopom otpada od 40%. Energija potrošena na pečenje tih neispravnih komada vjerojatno je godinama poništavala bilo kakvu korist za okoliš od biomaterijala. Bila je to teška lekcija o učinkovitosti cijelog sustava. Ponekad ekološkija sirovina dovodi do općenito prljavijeg procesa.

Ovdje na scenu dolaze tvrtke s dubokim iskustvom u znanosti o materijalima. Pregledao sam specifikacije dugogodišnjih proizvođača poput Hebei Yaofa Carbon Co., Ltd. (njihove podatke možete pronaći na https://www.yaofatansu.com). Njihov fokus na ugljični dodaci a grafitne elektrode ovise o konzistenciji prekursora. Hebei Yaofa Carbon Co., Ltd., kao veliki proizvođač ugljika s više od 20 godina u igri, razumije da se čistoća i stabilnost njihove sirovine za smolu ugljenog katrana izravno odražava na performanse u konačnom proizvodu—manje puhanja tijekom grafitizacije, bolja vodljivost, dulji životni vijek. Ta dugotrajnost EAF-a za proizvodnju čelika ili litij-ionske baterije izravan je dobitak održivosti.

Skrivena ovisnost zelene tehnologije

Pogledajte dva najveća pokretača zelene tehnologije: elektrifikaciju prometa i skladištenje obnovljive energije. Oba se uvelike oslanjaju na napredne karbonske materijale. Tržište grafitnih anoda eksplodira. Ali odakle dolazi taj sintetski grafit? Glavni put je kroz grafitizaciju iglanog koksa, koji se i sam proizvodi od... pogađate, rafiniranog katran ili naftnih tokova. Poticanje većeg kapaciteta, bržeg punjenja - stavlja ogroman pritisak na mikrostrukturu anode. Čistiji, konzistentniji koks dobiven iz smole može ponuditi manje nedostataka, bolju kinetiku interkalacije litij-iona. To je poticajni materijal, a ne glavni nastup.

Tu je i manje glamurozna strana: vodljiva ugljični dodaci. Stvari poput čađe za Li-ionske katode ili vodljivi agensi za superkondenzatore. Neki od onih s najboljim učinkom proizlaze iz specijalizirane obrade katrana. Oni poboljšavaju vodljivost pri minimalnim opterećenjima, što znači da koristite manje aktivnog materijala, povećavate gustoću energije. Opet, to je multiplikator sile za učinkovitost zelenog uređaja. Vidio sam kako su proizvođači baterijskih ćelija opsjednuti izvorom litija, ali aditiv ugljika tretiraju kao robu. Velika greška. Varijacija od 2% u strukturi aditiva može smanjiti vijek trajanja.

Također smo eksperimentirali s korištenjem recikliranih struja katrana iz drugih industrija. Ideja je bila zlato kružnog gospodarstva. Stvarnost je bila noćna mora filtracije i pročišćavanja kako bi se uklonili metalni kontaminanti koji bi otrovali baterijsku ćeliju. Trošak dovođenja do čistih specifikacija bio je veći od početka s djevičanskom, kontroliranom sirovinom. Pilulu je teško progutati, ali nije svaki put recikliranja odmah tehnički ili ekonomski održiv. Prioritet mora biti izvedba i pouzdanost krajnje zelene tehnologije.

Praktične prepreke u lancu opskrbe

Pričamo o čisti katran ugljena nije samo kemijski problem; to je zagonetka logistike i nabave. Opskrba se steže. S padom tradicionalnih operacija koksiranja u nekim regijama, osiguravanje stalnog toka visokokvalitetnog katrana stvarna je briga. Ova volatilnost potiče inovacije, naravno, ali također riskira razvodnjavanje kvalitete. Imao sam pošiljke u kojima je sadržaj netopiv u kinolinu (QI) bio izvan specifikacije, i to je pokvarilo cijeli proces impregnacije za seriju UHP elektroda. Izgubljeni dani vremena za proizvodnju.

Zbog toga su važni vertikalna integracija ili vrlo čvrsti odnosi s dobavljačima. Proizvođač koji kontrolira ili duboko razumije svoju sirovinu iz faze koksne peći ima veliku prednost. Oni mogu ranije provesti provjere kvalitete, prilagoditi parametre rafiniranja i osigurati da čisti katran ugljena izlaz je doista prikladan za svrhu. To nije nešto što možete kupiti na spot tržištu ako ciljate na vrhunsku robu grafitne elektrode ili premium ugljični dodaci tržištu. Web stranica za Hebei Yaofa Carbon spominje više od 20 godina iskustva u proizvodnji. U ovom kontekstu, to iskustvo vjerojatno znači da su prebrodili višestruke probleme s opskrbom i stabilizirali svoje kanale prekursora, o čemu se ne može pregovarati za pouzdanu opskrbu zelenim tehnološkim materijalom.

Još jedna glavobolja su emisije pečenja. VOC iz smole tijekom karbonizacije legitiman su izazov za okoliš. Zelena uloga ovdje se pomiče sa samog katrana na tehnologiju koja sadrži i tretira te emisije. Napredni sustavi za hvatanje dima i izgaranje, pretvarajući tu otpadnu toplinu natrag u procesnu energiju - to je mjesto gdje s pravom leži trenutni ekološki fokus za procese temeljene na katranu. To je kapitalno intenzivna, ali kritična evolucija.

Budućnost: most, a ne odredište

Dakle, jest čisti katran ugljena budućnost zelenih tehnoloških materijala? Ne, i ne znam nikoga u istraživanju i razvoju tko misli da jest. To je kritičan most. Njegova je uloga pružiti pouzdane ugljične materijale visokih performansi potrebnih za povećanje tehnologija poput električnih vozila i mrežnog skladištenja danas, dok se sljedeća generacija potpuno održivih prekursora (bio-bazirani, reciklirani ugljik, itd.) razvija i, što je najvažnije, dokazuje na razini od milijun tona.

Istraživanja su intenzivna. Smola dobivena iz lignina, iz otpadne plastike putem pirolize. Ali svaki put kad pogledam tablice s podacima, pitanja su ista: Možete li proizvesti 10 000 tona toga s istim specifikacijama svaki mjesec? Koliki je trošak po toni u usporedbi s povećanjem performansi? Unosi li nove nečistoće? Još nismo tamo. Napuštanje postojećeg sustava prije nego što novi bude spreman zaustavilo bi sam zeleni prijelaz.

Stoga je za sada najpragmatičnija zelena strategija maksimiziranje učinkovitosti na svakom koraku postojećeg katranlanac proizvoda -do ugljika. To znači ulaganje u rafiniranje kako bi se dobila najčišća sirovina, optimiziranje peći za pečenje i grafitizaciju za energetsku učinkovitost i produljenje životnog vijeka proizvoda do krajnjih granica. UHP elektroda koja traje 20% duže u elektrolučnoj peći štedi goleme količine energije i sirovina po toni proizvedenog čelika. To je opipljiv zeleni utjecaj, omogućen materijalom koji često prebrzo omalovažavamo.

Zaključivanje bez luka

Ovdje nema jasnog zaključka. Neuredno je. Uloga je kontradiktorna na površini, ali logična u rovovima. Čisti katran ugljena, ovaj naslijeđeni industrijski materijal, trenutno je neizostavan pokretač za same tehnologije koje imaju za cilj istisnuti naslijeđene industrijske sustave. Njegova ekološka vrijednost je neizravna i sistemska - nalazi se u učinkovitosti i performansama koje daje konačnoj aplikaciji. Ignoriranje ove nijanse, poticanje njegove preuranjene zamjene samo na temelju optike, moglo bi učiniti više štete nego koristi tempu inovacija. Fokus bi trebao biti na odgovornoj nabavi, neumoljivoj optimizaciji procesa i tretiranju ovih ugljikovih materijala ne kao robe, već kao precizno projektiranih komponenti naše budućnosti zelene tehnologije. Posao je, kao i uvijek, u grubim detaljima.