לחשמל את התנור

במשך עשרות שנים הסתמכה תעשיית הפטרוכימיה על אש, פשוטו כמשמעו. הפקתם של חומרי יסוד חיוניים כמו אתילן מתבססת על פיצוח קיטור, תהליך הדורש חום גבוה מאוד שאותו מייצרים משריפת דלקים פוסיליים. אלא שעכשיו, ניסוי תעשייתי בקנה מידה גדול בלודוויגשאפן, גרמניה מציע לנו מודל חדש המחליף את שריפת הדלקים בחשמל, וכפועל יוצא עשוי לצמצם את הפליטות ביותר מ־95 אחוז.

במרכז הניסוי עומד תנור פיצוח קיטור חשמלי, הראשון מסוגו בעולם שמתאים לפעילות בקנה מידה תעשייתי. השקתו באפריל 2024 באתר כימי גדול היא נקודת מפנה בתחום: אחרי אלפי שעות פעילות בלתי פוסקת, אי אפשר עוד לומר שמדובר ברעיון על הנייר או בפיילוט ניסיוני. זוהי מערכת פעילה שמוכיחה את עצמה בתנאים תעשייתיים אמיתיים, והיא מתחילה לשנות את הנחות היסוד שלנו בנוגע לתהליכים הדורשים טמפרטורות גבוהות.

עמוד שדרה עתיר פחמן

פיצוח קיטור הוא התהליך הניצב בבסיסה של שרשרת הערך הפטרוכימית, אבל הוא גובה מחיר אקלימי כבד. התהליך דורש טמפרטורה המתקרבת ל־850 מעלות צלזיוס, ורכיבי המתכת המעורבים בו נחשפים לעומס תרמי גבוה אף יותר. כיום, החום הזה מופק באופן כמעט בלעדי על ידי שריפת דלקים גזיים. לעתים קרובות הם תוצרי הלוואי של התהליך עצמו, בתוספת גז טבעי.

עד לאחרונה, רוב השיח העוסק בטכנולוגיות דלות פליטות התמקד בלכידה ובאחסון של פחמן. אמנם הכלים האלה עדיין רלוונטיים, אבל לא עוקרים את בעיית הפליטות מן השורש

עד לאחרונה, רוב השיח העוסק בטכנולוגיות דלות פליטות התמקד בלכידה ובאחסון של פחמן. אמנם הכלים האלה עדיין רלוונטיים, בייחוד בכל הקשור לצמצום פליטות במפעלים קיימים, אך הם אינם עוקרים את בעיית הפליטות מן השורש. גישת החשמול מביאה עמה תמורה משמעותית הרבה יותר, ביטול מוחלט של שריפת הדלקים.

שני נתיבים לחום חשמלי

מתקן ההדגמה של הניסוי נועד לבחון שתי גישות שונות של חשמול המתבססות שתיהן על חימום התנגדותי.

במסגרת הגישה הראשונה, המכונה 'חימום עקיף', מתקינים רכיבים חשמליים בתוך חלל הכבשן. הרכיבים האלה מתחממים ומקרינים אנרגיה על צינורות הפיצוח, כפי שקורה גם בכבשני השריפה הקיימים, אלא שכאן אין להבות או גזי פליטה.

הגישה השנייה, חימום ישיר, היא הרבה פחות קונבנציונלית. הזרם החשמלי עובר בתוך הצינורות התהליכיים עצמם והופך אותם לגופי חימום. כך מתבטלים צעדי הביניים המשמשים להעברת החום אל הצינורות. התוצאה היא פרופיל תרמי שונה בתכלית.

את שתי המערכות האלה פיתחו במקביל כדי שיהיה אפשר להשוות ביניהן בתנאים תפעוליים זהים. בכל הקשור לחדשנות בתהליכים תעשייתיים, מדובר בהזדמנות נדירה.

הוצאת תהליך הבערה מהמערכת יוצרת שורת השפעות לאורך כל המערכת. בלי גזי פליטה, אין צורך עוד במקטע ההסעה (convection section) המקובל בתנורים תעשייתיים, מה שפותח אפשרויות חדשות לניצול ולשילוב חום

מהלכה למעשה

מאז הפעלתו הספיק המתקן לצבור כמה אלפי שעות פעילות, ולכן כבר יש לנו תמונה מפורטת של ביצועי התנורים החשמליים בתנאים אמיתיים.

באופן כללי, התוצאות מעודדות. התפוקה וההרכב של התוצרים בניסוי תואמים את התפוקה וההרכב של התוצרים המתקבלים מתנורי השריפה הקיימים, מה שאומר שהחשמול אינו פוגע בביצועים הכימיים היסודיים. תהליכי בקרת הטמפרטורה היו מדויקים ויציבים, פיזור החום היה אחיד ולא נמצאו ראיות להתחממות יתר מזיקה בנקודות שונות.

חשובה לא פחות ההיתכנות התפעולית של המערכת. את התנורים אפשר להפעיל, לכוון ולכבות מחדר בקרה, וההיקף הגבוה של האוטומציה מפחית את הצורך בהתערבות ידנית. אפילו תהליכי תחזוקה חשובים כמו הסרת חלקיקי פליטות קוק ותחמוצות ברזל מהתנורים (decoking) עולים בקנה אחד עם הפרקטיקות המקובלות בתעשייה, ולכן אינם מוסיפים קושי להטמעת הטכנולוגיה במפעלים קיימים.

תוצאה בולטת נוספת קשורה למהימנות: שתי המערכות פעלו בבטחה, ולא רק בתנאים שגרתיים אלא גם בסימולציות של תרחישי מצוקה. זהו אחד החששות העיקריים בכל הקשור לטכנולוגיות חדשות בטמפרטורות גבוהות.

מהפכה בתכנון התנורים

החשמול לא רק מחליף מקור חום אחר, אלא משנה את הארכיטקטורה של התנור עצמו.

בתנורים המתאימים לחימום בלתי ישיר, המהנדסים פיתחו מבנה של "תיבת קרינה" מודולרית. במקום תנור עם מערכת חימום אחת גדולה וקבועה, בונים אותו ממספר יחידות חימום דומות לאורך הקירות. הדבר מאפשר שליטה טובה יותר על החום וגם להגדיל את המערכת בקלות בלי לתכנן הכול מחדש. המודולריות הזאת מפשטת את תהליך התחזוקה ופותחת פתח לבניית מתקנים גדולים יותר מאותם רכיבים.

אחד היתרונות של הגישה הזאת הוא ההתאמה למתקנים הקיימים, כי אפשר לשלב בה את צינורות הפיצוח הקיימים כפי שהם, ללא התאמות.

לעומתה, גישת החימום הישיר מכניסה את החימום והריאקציה לתוך רכיב אחד. הצינורות עצמם מייצרים חום, והמבנה הגיאומטרי שלהם הותאם לפיזור אחיד של הזרם. יש לציין כי הנקודה החמה ביותר במערכת הזו אינה קירות התנור, אלא הצינורות עצמם. כך פוחת העומס התרמי על המבנים הסובבים את הצינורות, ומשך החיים שלהם מתארך.

המידול המפורט שערכו המהנדסים מצביע על יתרון נוסף. שטף החום גבוה בכניסה לצינורות, כי זו הנקודה שבה הוא נדרש יותר מכול בשביל תגובת הפיצוח, ונמוך יותר ביציאה מהצינורות. הפרופיל הפנימי הזה עולה בקנה אחד עם הדרישות התהליכיות ואף עשוי לשפר את היעילות בלי להוסיף מורכבות.

אינטגרציית חום מסוג אחר

הוצאת תהליך הבעירה מהמערכת יוצרת שורת השפעות לאורך כל המערכת. בלי גזי פליטה, אין צורך עוד במקטע ההסעה (convection section) המקובל בתנורים תעשייתיים, מה שפותח אפשרויות חדשות לניצול ולשילוב חום.

המהנדסים פיתחו קונפיגורציות גמישות המשלבות חימום מקדים חשמלי עם מגוון שיטות להשבת חום. את הפתרונות האלה אפשר להתאים לחומרי זינה שונים, לאילוצי קיטור שונים ולתנאים שונים באספקת החשמל.

התוצאה היא מערכת המתאימה למגוון רחב של קלטים, החל מפחמימנים קלים כמו אתאן ועד לנוזלים כבדים יותר, וגם לחומרי הזנה אלטרנטיביים כמו חומרים על בסיס ביולוגי או שמנים פירוליטיים.

הגמישות הזו היא אחד היתרונות הסמויים של החשמול. אמנם היתרון הבולט ביותר הוא צמצום הפליטות, אבל אולי עוד יתברר כי היכולת לשלוט באופן מדויק בצריכת אנרגיה ובתנאים התהליכיים חשובה לא פחות.

שאלת האנרגיה

החשמול (electrification) פותר את בעיית הפליטות ברמת התנור עצמו אבל מעביר את האתגר במעלה השרשרת, אל אספקת החשמל.

תנורים חשמליים בקנה מידה תעשייתי דורשים אנרגיה בהיקף עצום, והמרת חשמל מרשתות במתח גבוה לאנרגיה מוכנה לשימוש היא תהליך טכני מורכב מאוד. מהנדסי המערכת בחנו ארכיטקטורות שונות של אספקת אנרגיה, ולכל אחת מהן היו שקלולי תמורות שונים מבחינת עלות, כושר בקרה והתאמה לרשתות.

היתכנותו של החשמול תלויה בסופו של דבר בגישה לחשמל דל פחמן בהיקף גדול. באזורים הנהנים משפע של אנרגיה מתחדשת זולה, לא רק שהתנורים החשמליים יצמצמו את הפליטות אלא גם יתרמו ליציבות בעלויות בטווח הארוך. במקומות אחרים, הכדאיות העסקית עוד מוטלת בספק.

תנור חשמלי יכול להיות נקי בנקודת השימוש, אבל התועלת האקלימית תלויה במקור החשמל שמפעיל אותו. אם החשמל מיוצר מפחם או גז, חלק מהפליטות פשוט עוברות מתחום המפעל אל תחנות הכוח. אם החשמל מגיע ממקורות דלי־פחמן כמו שמש, רוח, הידרו או גרעין, אז אכן מתקבלת הפחתת פליטות משמעותית לאורך המערכת כולה.

מעבר לפטרוכימיה

אף שפיצוח הקיטור הוא המטרה המיידית של הניסוי, ההשלכות של המערכת החדשה אינן מוגבלות לתהליך אחד בלבד.

גישת החימום העקיף מתאימה במיוחד ליישומים בטמפרטורות בינוניות-גבוהות, כלומר 400-900 מעלות צלזיוס. בטמפרטורות האלה, טכנולוגיות החימום החשמלי הקיימות אינן יציבות מספיק ולא קל להתאים אותן לעלייה בהיקף הפעילות. בין היתר, החימום העקיף יתאים לתנורים בבתי זיקוק או לחימום גז למטרות תהליכיות בתעשיית הפלדה.

גישת החימום הישיר מתאימה לטמפרטורות גבוהות אף יותר. הודות ליעילותה ולעיצוב הקומפקטי שלה, היא עשויה להשתלב היטב בייצור צמנט ובעיבוד גז בטמפרטורות גבוהות.

שתי הגישות האלה יחד מכשירות את הקרקע לחשמול במגוון רחב של תהליכים תעשייתיים עתירי אנרגיה.

לא תרופת פלא

על אף ההבטחה הטמונה בו, החשמול אינו פתרון אוניברסלי.

העלויות הגבוהות, הדרישות התשתיתיות והתלות בחשמל נקי, כל אלה מציבים משוכות בדרך לאימוץ מהיר של הטכנולוגיה. במקרים רבים, לכידת ואחסון הפחמן ימשיכו להיות רכיב משלים הכרחי, בייחוד במתקנים קיימים שאי אפשר להתאים בקלות למערכות החדשות.

ההסתייגות הזו משקפת נקודה מהותית בכל הקשור לדה קרבוניזציה תעשייתית: שום פתרון טכנולוגי לא יספיק בפני עצמו. לא נגיע להישגים בלי לשלב גישות שונות בהתאם לתנאים ולאילוצים המקומיים.

נקודת מפנה עם כוכבית

ההישג של מפעל ההדגמה אינו רק החידוש הטכנולוגי, אלא הוכחת ההיתכנות שלו בקנה מידה תעשייתי. למדנו שתנורים חשמליים יכולים לספק את הטמפרטורות, הבקרה והמהימנות הנדרשות למימוש אחד התהליכים התובעניים ביותר בתעשייה הכימית.

בה בעת, הניסוי מעיד גם על התנאים הנדרשים להצלחתן של מערכות כאלה: גישה לחשמל נקי, תשתיות תומכות ונכונות להשקיע בתכנון ובפתרונות חדשים.

אם כל התנאים האלה יתממשו, החשמול עשוי לשנות מן היסוד את האופן שבו אנו מפעילים תהליכים תעשייתיים בטמפרטורות גבוהות. אחרת, השפעתו תהיה מוגבלת ליישומים נישתיים בלבד.

כך או כך, הניסוי כבר הצליח לשנות את השיח. במקום לשאול אם פיצוח קיטור חשמלי הוא אפשרי, אנחנו שואלים היכן ומתי הוא ישתלם לנו.