تحولات المواد الخام في الصناعة الكيميائية
مقدمة:
تحول الصناعة الكيميائية الوقود الأحفوري إلى منتجات قيّمة. تاريخياً، كان الخشب والفحم والنفط من المصادر الرئيسية. تُستخدم المصادر المتجددة، لكن دورها محدود. تُعدّ الصناعة من أكبر مصادر انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، مما يتطلب إزالة الكربون بشكل عاجل.
1. توافر المواد الخام عالمياً:
تعتمد صناعة البتروكيماويات على النفط والغاز والفحم والكتلة الحيوية. توجد اختلافات إقليمية: أوروبا تستخدم النفط، أمريكا الشمالية تستخدم غاز الصخر الزيتي، الصين تستخدم الفحم، وروسيا تستخدم الغاز الطبيعي. يختلف تركيز المنتجات أيضًا.
(الشكل 1. المواد الخام الأولية وإنتاج الكيماويات حسب المنطقة)
يرتبط أساس الكربون في الصناعة الكيميائية بقطاع الطاقة. في ألمانيا، 7.9٪ فقط من الطاقة الأولية مخصصة للكيماويات.
(الشكل 2. قاعدة الكربون في الصناعة الكيميائية في ألمانيا)
تستخدم ألمانيا النفط والمصادر المتجددة للمواد، لكن الغاز يُشغّل عمليات مثل التكسير بالبخار وإنتاج الغاز التخليقي. تهدد ارتفاعات أسعار الغاز الصناعة.
(الشكل 3. “شجرة الكيمياء” وموقع BASF Ludwigshafen)
تستخدم الصناعة شبكة مترابطة من المصانع، مثل BASF’s Ludwigshafen، مما يقلل من النفايات.
2. التحولات التاريخية للمواد الخام:
2.1 الخشب:
استخدمت الكيماويات المبكرة الخشب. كان الفحم النباتي أساسيًا. تم استخدام الأبخرة لاحقًا في عمليات مثل معوجة Reichert.
(الشكل 4. تغويز الخشب وفرن الفحم النباتي)
2.2 الفحم:
حلّ الفحم محل الخشب بعد اختراع المحرك البخاري. أنتج التكويك فحم الكوك والغاز. أصبح القطران، وهو منتج ثانوي، حيويًا للأصباغ. ظهرت شركات مثل BASF.
(الشكل 5. تكويك الفحم الحجري)
أدى انخفاض الهيدروجين في الفحم إلى تقنيات جديدة: التغويز، والهدرجة، وتخليق الأسيتيلين. كان مصنع BASF للميثانول عام 1923 علامة فارقة. كان الفحم أساسيًا للوقود في الحرب العالمية الثانية وفي حقبة الفصل العنصري في جنوب إفريقيا.
2.3 النفط:
بدأ حفر النفط في القرن التاسع عشر. تم استبدال النفط للإضاءة باحتياجات السيارات من الوقود. أصبح النفط مهيمنًا بعد الحرب العالمية الثانية.
(الشكل 6. بئر نفط في تيتوسفيل، بنسلفانيا)
3. معايير اختيار المواد الخام:
يمكن للمصانع استخدام الفحم أو الغاز أو النفط أو المصادر المتجددة. من حيث التكلفة، يُفضل الفحم والغاز. لثاني أكسيد الكربون قيمة في استخراج النفط. تؤثر تكاليف الطاقة على تكاليف الكربون.
(الشكل 7. مسارات المواد الخام)
| Carbon source | $/tonC | $/GJ | Reference |
|---|---|---|---|
| -CH2– (oil) | 730 (365) | 21 (10.5) | @100(50) $/bbl (US dollars per barrel of oil) |
| CH4 (gas) | 135 | 3.8 | @ 4$/MMBTU (USA) (price of natural gas in the United States) |
| -CH- (coal) | 98 | 3.1 | @ 90$/ton (NWE) (price per ton in the specified market region, here Northwest Europe) |
| saccharose | 1000 (630) | 26 (16) | @19(12)ct/lb (price per pound (lb) in cents) |
(الجدول 1. تكاليف مصدر الكربون)
الأوليفينات من النفط مباشرة. يحتاج الغاز والفحم إلى “التفاف” عبر الميثانول، مما يرفع التكاليف. تشمل القرارات التكاليف، وإمكانية الوصول إلى المواد الخام، واللوائح.
(الشكل 8. مسارات إلى الأوليفينات)
4. الاستدامة:
تتسبب خمس صناعات في 20٪ من ثاني أكسيد الكربون العالمي. الصناعة الكيميائية هي الثالثة. عمليات الغاز كثيفة الطاقة. يمكن أن يساعد التسخين الكهربائي.
(الشكل 9. انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية)
يُعدّ تخليق الأمونيا مصدرًا كبيرًا للانبعاثات. الهيدروجين “الأخضر” مثالي، لكنه يتطلب طاقة كبيرة. التحلل الحراري للميثان هو خيار منخفض الطاقة.
(الشكل 10. طرق الهيدروجين)
5. مصادر الكربون المستقبلية:
تحتاج الكيمياء المستدامة إلى استبدال الكربون الأحفوري. يستخدم التمثيل الضوئي ثاني أكسيد الكربون والماء. التقاط ثاني أكسيد الكربون مكلف.
(الشكل 11. المواد المتجددة في ألمانيا)
تُستخدم الكتلة الحيوية، لكن استخدام الأراضي أمر أساسي. إنتاج الإيثانول الحيوي هائل، لكن استخدام الكيماويات محدود.
(الشكل 12. الإيثانول الحيوي العالمي)
(الشكل 13. استخدامات الإيثانول)
إزالة الغابات للزراعة تهدد الاستدامة.
(الشكل 14. غابات البرازيل)
6. الخلاصة:
يسيطر النفط بسبب سهولة الوصول إلى الأوليفينات. الغاز للطاقة والتغذية. الفحم أساسي في الصين. تُستخدم المصادر المتجددة، لكن لا ينبغي أن تكون مصدر الكربون الوحيد.
يجب أن تتحول الصناعة إلى الاستدامة. الكهرباء المتجددة والهيدروجين “الأخضر” أمران حاسمان. استخدام ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي هو المستقبل. ستظل الصناعة قائمة على الكربون.
(المراجع)
بالتأكيد، إليك ترجمة للمراجع المذكورة في النص إلى العربية، مع بعض التوضيحات:
المراجع:
[1] مستقبل البتروكيماويات، نحو صناعة كيميائية أكثر استدامة، وكالة الطاقة الدولية (IEA)، باريس، فرنسا، 2018.
[2] مخطط تدفق الطاقة لجمهورية ألمانيا الاتحادية في عام 2021، مجموعة عمل موازنات الطاقة، برلين، ألمانيا، 09/2022. (تمت الزيارة في 16 مايو 2023)
[3] إحصائيات الطاقة لاتحاد الصناعات الكيميائية، اتحاد الصناعات الكيميائية (VCI)، فرانكفورت، ألمانيا، 12/2022.
[4] شركة BASF SE، لودفيغشافن، ألمانيا.
[5] فيربوند – سمة مميزة لشركة BASF، صحيفة التايمز، نوفمبر 1998.
[6] ينس تروغ، 11 حقيقة عن الفحم النباتي، موقع ofen.de، 16 يوليو 2015. [تمت الزيارة في 16 مايو 2023]
[7] هيربيرت أوفيرمانز، بيتر شالكه، فرانك ريتزلاف، قبل أن يأتي النفط، مجلة Nachrichten aus der Chemie، 2020. https://doi.org/10.1002/nadc.20204092808
[8] جورج كولينغ، منتجات الفحم (فحم الكوك، القطران، الغاز) وتحليلها، مجلة الكيمياء البحتة والتطبيقية، 1977. https://doi.org/10.1351/pac197749101475
[9] تاريخ شركة BASF، لودفيغشافن، ألمانيا.
[10] أ. ميتاش، م. بيير، ك. وينكلر، شركة BASF AG، تنفيذ التحفيز العضوي، براءة الاختراع الألمانية 415,686، 1925.
[11] ستيفان ليشتنبومر، فرانك بيتر، محاضرة: خيارات التكنولوجيا والسياسة لصناعة المواد الخام المحايدة مناخيًا؛ خيارات العمل لصناعات الصلب والأسمنت والكيمياء، مؤسسة Agora Energiewende، برلين، ألمانيا، 2019.
[12] فابيان جوز، ويدو ويتيكا، ثورستن لينك، فرانك بيتر، فيونا سيلر، ساشا صمدي، كليمنس شنايدر، جورج هولتز، جورج كوبيلا، ستيفان ليشتنبومر، كاتيا دينغز، كارولين شتاينباخر، جوناس شرودر، ثوبياس ساش، ماتياس شيميل، كريستين كليم، مارتن ألتروك، فيلاند لينرت، جاسبر فينكه، ياسين يلماز، صناعة محايدة مناخيًا، التقنيات الرئيسية وخيارات السياسة للصلب والكيمياء والأسمنت، مؤسسة Agora Energiewende، برلين، ألمانيا، 2020.
[13] BASF و SABIC و Linde تبدأ في بناء أول مصنع تجريبي في العالم لأفران تكسير البخار المسخنة كهربائيًا على نطاق واسع، بيان صحفي لشركة BASF، 1 سبتمبر 2022. (تمت الزيارة في 16 مايو 2023)
[14] فرص وقيود استخدام المواد الخام المتجددة في الصناعة الكيميائية، ورقة موقف لاتحاد الصناعات الكيميائية (VCI)، فرانكفورت، ألمانيا، 2015.
[15] مشروع MapBiomas، المجموعة 7 من السلسلة السنوية لخرائط استخدام الأراضي والغطاء الأرضي في البرازيل، أغسطس 2022. (تمت الزيارة في 30 مايو 2023)