Niskiemisyjne systemy rafinacji ropy dopasowane do przepisów w zakresie emisji węgla z 2025 roku

Zrozumienie presji regulacyjnej w zakresie stosowania systemów olejowych do krakingu o niskich emisjach

Zjawisko: Rosnąca presja regulacyjna dotycząca emisji z rafinerii

Rafinerie na całym świecie są obecnie analizowane dokładniej niż kiedykolwiek wcześniej, ponieważ rządy na całym świecie zaostrzają przepisy dotyczące emisji węglowych. Weźmy na przykład system handlu uprawnieniami do emisji UE – teraz firmy muszą płacić kary przekraczające 110 dolarów za metryczny tonę, jeśli przekroczą swoje limity CO2. A potem są przepisy Euro VI, które wymagają, aby rafinerie ograniczyły ilość drobnych cząsteczek w powietrzu o prawie 30% do 2025 roku w porównaniu do poziomu z 2020 roku, jak wynika z badań ICCT z zeszłego roku. Tego typu regulacje nie dotyczą jednak tylko Europy. Mniej więcej jedna czwarta stanów w USA w zasadzie powieliła program Kalifornii dotyczący niskowęglowego paliwa. Tymczasem po drugiej stronie Pacyfiku Chiny uruchomiły własny krajowy system rynku węglowego, który objmuje około 2200 różnych zakładów przemysłowych, z których wiele przetwarza ropę naftową w procesach krakingu.

W jaki sposób systemy krakingu ropy naftowej wpływają na emisję dwutlenku węgla

Instalacje katalitycznego krakingu (FCC) odpowiadają za około 40 do 60 procent śladu węglowego rafinerii, ponieważ te operacje wymagają dużej ilości energii dla procesów termicznych oraz wszystkich cykli regeneracji katalizatora. Zgodnie z najnowszymi badaniami z Raportu Bilansu Materiałowego i Energetycznego opublikowanego w 2024 roku, zmodernizowanie starych systemów krakingowych może faktycznie zmniejszyć emisje zasięgu 1 o około 34% dla każdego beczka przetwarzanego surowca. Istnieje kilka obszarów, gdzie udoskonalenia mogą przynieść istotne różnice. Po pierwsze, prawidłowe dobieranie temperatury reaktora pomaga zapobiegać nadmiernej koksacji, co samo w sobie pozwala zaoszczędzić od 12 do 18% zużycia gazu opałowego. Kolejnym dużym krokiem jest zainstalowanie systemów odzysku ciepła odpadowego, które znacząco obniżają zapotrzebowanie na parę o około 25%. I nie można zapomnieć o przejściu na surowce pochodzące z biomasy. Taka zmiana sama w sobie zmniejsza emisje cyklu życia o prawie połowę, czyli aż o 52%, co czyni ją jedną z najskuteczniejszych strategii dostępnych obecnie.

Studium przypadku: Rafinerie europejskie spełniające wymagania Euro VI i EU ETS

Konsorcjum rafinerii z obszaru Renii i Rury osiągnęło 22% redukcję emisji w sześciu jednostkach krakingu w 2023 roku dzięki stopniowym interwencjom:

Wydatki inwestycyjne w wysokości 740 mln USD przyniosły roczne oszczędności w wysokości 210 mln USD na uniknięte opłaty węglowe i zwiększoną produktywność, pokazując uzasadnienie biznesowe dla zgodności.

Strategiczna integracja ESG i zgodności w operacjach rafineryjnych

Operatorzy, którzy chcą utrzymać się na czołowych pozycjach, łączą swoje strategie dotyczące ograniczania emisji z normami ESG, w których intensywność emisji węgla znajduje się w centrum zainteresowania. Zgodnie z najnowszymi rekomendacjami z 2024 roku opracowanymi przez Instytut Energetyczny, firmy powinny integrować śledzenie emisji w czasie rzeczywistym bezpośrednio z ekranami codziennych operacji. Niektóre przedsiębiorstwa zaczęły nawet wiązać około jednej trzeciej premii menedżerów wysokiego szczebla z jakością osiągania celów związanych z dekarbonizacją. Takie podejście odpowiada na najważniejsze potrzeby inwestorów w zakresie raportowania środowiskowego, ale istnieje również inna perspektywa. Przedsiębiorstwa, które już teraz przyjmują takie praktyki, będą lepiej przygotowane do sytuacji, w której ceny węgla będą rosły – co, jak przewidują eksperci, stanie się w nadchodzących latach wraz z nasileniem regulacji rządowych dotyczących gazów cieplarnianych.

Innowacje w procesach krakingu o niskich emisjach i technologii katalizatorów

Eko-przyjazne procesy krakingu: postępy w hydrokrakingu i krakingu katalitycznym

Hydrokraking dzisiaj odbywa się około 15–20 stopni chłodniej niż w tradycyjnych podejściach, zazwyczaj w zakresie 300–400 stopni Celsjusza. Tego spadku temperatury wymaga mniej energii ogólnie, a mimo to poziom produkcji pozostaje wysoki. Jednostki krakingu katalitycznego również niedawno zostały ulepszone, nowe konstrukcje regeneratorów czynią proces spalania znacznie bardziej efektywnym. Te zmiany pomagają zmniejszyć emisję dwutlenku węgla o około 12–18 procent w każdym cyklu przetwarzania. W przypadku katalizatorów, wersje na bazie krzemionki i glinu również okazują się mieć duże znaczenie. Zwiększają one stopień konwersji węglowodorów o około 25% w porównaniu do możliwości sprzed opublikowania badań Mizuno i współpracowników w 2023 roku. Takie innowacje ułatwiają rafineriom spełnianie wymogów unijnego systemu handlu uprawnieniami do emisji gazów cieplarnianych.

Nowej Generacji Katalizatory do Redukcji CO− w Systemach Przetwarzania Ropy

Innowacje katalizatorów są kluczowe dla dekarbonizacji. Nanomateriały zeolitowe domieszkowane metalami ziem rzadkich zwiększają skuteczność rozszczepiania, umożliwiając 30–40% szybszą kinetykę reakcji. Nowoczesne katalizatory selektywne koncentrują się na produkcji olefin, minimalizując jednocześnie powstawanie koksu – głównego źródła emisji bezpośrednich – osiągając 10–15% wyższą selektywność produktów oraz zmniejszając potrzebę ponownego przetwarzania i związane z tym straty energetyczne.

Studium przypadku: Katalizatory selektywne osiągające 18–22% niższe emisje CO−

Pod koniec 2023 roku rafineria w pobliżu Hamburga przeprowadziła testy katalizatorów FCC zmodyfikowanych kobaltem bezpośrednio w warunkach rzeczywistego środowiska produkcyjnego. Po około pół roku zauważono spadek emisji CO2 o 18–22 procent w porównaniu do wyników osiąganych przy zastosowaniu tradycyjnych katalizatorów. Najlepsze w tym wszystkim było to, że produkcja oleju napędowego pozostała na niezmienionym poziomie przez cały czas. Co się wydarzyło? Nowe katalizatory równomierniej rozprowadzały metal po powierzchni, co znacznie zwiększyło skuteczność reakcji transferu wodoru. Zmniejszyło się również ilości paliwa gazowego traconego w procesie spalania. Łącznie roczne oszczędności wyniosły około 2,7 miliona euro dzięki mniejszemu zakupowi unijnych praw do emisji CO2. Mamy więc dowód, że ekologizacja nie zawsze oznacza większe wydatki.

Integracja technologii wychwytywania i składowania węgla w systemach rafinerskich

Technologie CCUS w rafineriach: Zastosowanie w jednostkach krakingu

Systemy CCUS odgrywają kluczową rolę w ograniczaniu emisji CO₂ ze spalarni ropy naftowej, zwłaszcza jeśli chodzi o jednostki krakingowe. Otóż te systemy pozwalają przechwytywać emisje dokładnie w miejscu ich powstawania, zagęszczać je do postaci możliwej do transportu i wysyłać do miejsc, takich jak głębokie podziemne zbiorniki z wodą solną, gdzie mogą być składowane na dłuższą metę. Komitet ds. Zmian Klimatu w Wielkiej Brytanii poinformował w zeszłym roku, że jeśli przedsiębiorstwa podejmą poważnie kwestię wdrażania technologii CCUS, do roku 2035 możemy zredukować około połowę wszystkich emisji ze spalarni. Weźmy to na tapetę: jednostki krakingowe przekształcają grube, ciężkie węglowodory w lżejsze paliwa, które ludzie chcą kupować. Właśnie te części spalarni odpowiadają za 15–25% całkowitych emisji dwutlenku węgla, więc nie dziwi, że są priorytetem, gdy firmy rozważają modernizację swoich zakładów o rozwiązania do wychwytywania węgla.

Rozwiązania CCS dedykowane jednostkom katalitycznego krakingu (FCC)

Jednostki krakingu katalitycznego (FCC), które przekształcają ciężkie oleje gazowe w użyteczny benzyn, zaczynają integrować technologię wychwytywania i składowania węgla (CCS), specjalnie zaprojektowaną do tych wysokotemperaturowych, katalizowanych procesów. Najnowsza generacja rozwiązań opartych na aminach potrafi wychwycić aż 90 do 95 procent emisji CO2, nie pobierając przy tym zbyt dużej ilości dodatkowej energii z systemu. Zgodnie z najnowszymi badaniami opublikowanymi przez Inspenet w 2024 roku, gdy CCS zostaje zintegrowany z operacjami FCC, redukuje ogólne emisje o około 18 do 22 ton metrycznych co godzinę. Obserwujemy również, że systemy hybrydowe stają się ostatnio coraz bardziej popularne, łącząc metody wychwytywania po spalaniu z technikami spalania w atmosferze czystego tlenu. Takie mieszane podejścia sprawdzają się najlepiej w regionach, gdzie ceny węgla przekroczyły 80 dolarów za tonę, co czyni inwestycję bardziej opłacalną dla operatorów zakładów dążących do zmniejszenia swojego śladu ekologicznego.

Równoważenie kosztów i zrównoważoności w wdrażaniu CCS

CCS ma zdecydowanie zalety środowiskowe, jednak jego szerokie przyjęcie zależy od obniżenia kosztów i wprowadzenia wspierających polityk. Obecnie wdrożenie CCS dodaje około 12 do 18 dolarów na każdy baryłkę rafinowanej ropy, a większość tych kosztów wynika z budowy instalacji składowania i sieci transportowych. Dobrą wiadomością jest to, że zauważamy pewne obiecujące rozwinięcia. Modułowe systemy pozyskiwania oraz wspólne sieci rurociągów transportujących CO2 już teraz zmniejszają początkowe wymagania inwestycyjne o około 30 do 40 procent w wielu przypadkach. Patrząc na strategię CCS rządu brytyjskiego z 2024 roku, zaznaczono w niej, że łączenie zachęt finansowych, takich jak ulga podatkowa w wysokości 85 dolarów za tonę, z dużymi inicjatywami w zakresie produkcji wodoru może faktycznie sprawić, że projekty CCS na rafineriach staną się opłacalne inwestycyjnie już w 2027 roku.

Digitalizacja i sztuczna inteligencja do optymalizacji emisji w operacjach krakingowych

Optymalizacja procesów z wykorzystaniem sztucznej inteligencji w systemach krakingu ropy naftowej

Współczesne systemy uczenia maszynowego analizują różne rodzaje danych pochodzących z procesów rafinacji ropy naftowej. Śledzą one m.in. rodzaj surowca, zmiany temperatury w czasie oraz skuteczność działania katalizatorów, zanim zostaną dokonane korekty w czasie rzeczywistym. Zaawansowane algorytmy potrafią nawet przewidywać najkorzystniejsze momenty na przeprowadzenie procesów krakingu, zazwyczaj jeden do dwóch dni wcześniej. Dzięki temu można zmniejszyć zużycie energii podczas przełączania się między różnymi procesami. Zgodnie z najnowszymi badaniami Międzynarodowej Agencji Energii, zakłady, które wdrożyły sztuczną inteligencję do sterowania jednostkami krakingowymi, oszczędzają zazwyczaj od 12 do nawet 18 procent kosztów energii w porównaniu do starszych metod, w których wszystkim zarządzano ręcznie. To dość znacząca różnica, biorąc pod uwagę obecną wysokość cen energii.

Automatyzacja i monitorowanie w czasie rzeczywistym w celu oszczędności energii

Współczesne jednostki do katalitycznego krakingu są już wyposażone w czujniki IoT, które monitorują poziomy dwutlenku węgla, wzorce rozkładu ciepła oraz skuteczność działania katalizatorów. Te inteligentne systemy automatycznie dostosowują takie parametry jak stosunek powietrza i paliwa, moment wtrysku pary oraz temperaturę, przy której pracują reaktory, w trakcie trwania procesów. Badania z zeszłego roku dotyczące kontroli emisji za pomocą czujników wykazały dość imponującą rzecz – te drobne korekty mogą zmniejszyć ilość gazów cieplarnianych powstających podczas rafinacji o około dwadzieścia procent. Dla rafinerii dążących do spełnienia norm środowiskowych bez utraty wydajności produkcji, tego typu monitorowanie w czasie rzeczywistym stanowi ogromną różnicę.

Studium przypadku: Optymalizowane przez sztuczną inteligencję jednostki FCC redukujące zużycie energii o 15%

Jedna z europejskich rafinerii niedawno wdrożyła sterowanie predykcyjne z wykorzystaniem sztucznej inteligencji dla swojego zespołu FCC, koncentrując się szczególnie na energochłonnych cyklach regeneracji. Systemy uczenia maszynowego wyznaczyły optymalne ustawienia palników oraz prędkość cyrkulacji katalizatorów, w zależności od rodzaju surowca przetwarzanego w danym momencie. Po około 18 miesiącach działania tego systemu, zauważono znaczący spadek zużycia gazu ziemnego o około 15%, co przekłada się na około 3,2 MMBtu na beczkę przetworzoną. Co więcej, udało się utrzymać wysoką skuteczność krakingu na poziomie 99,2%. Ta historia sukcesu pokazuje, że podobne podejścia mogą być skuteczne na dużą skalę, zwłaszcza w większych zakładach przetwarzających ponad 200 tysięcy beczek dziennie, bez pogarszania standardów wydajności.

Najczęściej zadawane pytania

Jakie są główne czynniki napędzające regulacyjne działania na rzecz niskoemisyjnych systemów krakingu ropy naftowej?

Ściśle regulacje dotyczące emisji węgla i zanieczyszczeń, takie jak unijny system handlu uprawnieniami do emisji czy normy Euro VI, zmuszają rafinerie do stosowania systemów o niskich emisjach, aby uniknąć kar i zapewnienia zgodności.

W jaki sposób systemy krakingu ropy wpływają na emisję węgla w rafinerii?

Systemy krakingu, a w szczególności jednostki krakingu katalitycznego (FCC), znacząco przyczyniają się do emisji węgla w rafineriach ze względu na wysokie zapotrzebowanie na energię oraz cykle regeneracji katalizatora.

Jakie technologie mogą wdrożyć rafinerie w celu ograniczenia emisji?

Rafinerie mogą wdrożyć systemy odzyskiwania ciepła odpadowego, przejść na surowce pochodzenia biomasy oraz zastosować technologie CCUS i optymalizację wspierającą sztuczna inteligencję, by skutecznie ograniczyć emisje.

W jaki sposób rafinerze mogą zrównoważyć koszty i zrównoważony rozwój przy wdrażaniu technologii CCS?

Zalety finansowe, modułowe systemy zabezpieczania oraz wspólne sieci rurociągów transportujących CO2 mogą pomóc rafineriom w zrównoważeniu kosztów i zrównoważonego rozwoju, czyniąc wdrożenie CCS bardziej realnym.