Черный щелок, побочный продукт производства целлюлозы, традиционно превращался непосредственно в энергию путем сжигания. Однако постоянно ищутся более ценные виды его использования.
Один из них был разработан Stora Enso. Щелок применяется в качестве альтернативы графиту, используемому при производстве аккумуляторных батарей. В качестве сырья используется специальный сухой лигнин, выделенный из черного щелока.
Проект Stora Enso является примером потребности лесной промышленности в поиске более ценных применений черного щелока, который является источником лигнина.
«На целлюлозном заводе Сунила у нас есть долгая история использования лигнина, кульминацией которой является уникальная экспериментальная установка», — говорит Кари Никунен , директор пилотной фабрики Stora Enso.
Комбинат Сунила имеет долгую историю использования лигнина, — говорит Кари Никунен, директор опытного завода. Фотография: Stora Enso
Пилотная установка направлена на производство полностью естественного, нетоксичного и легко утилизируемого лигнина, являющегося эффективной альтернативой ископаемому графиту, который до настоящего времени применяется в аккумуляторных и иных батареях.
Годовая мощность производства лигнина на заводе Сунила в Stora Enso составляет 50 000 тонн, что делает Stora Enso крупнейшим в мире производителем крафт-лигнина, побочного продукта производства сульфатной целлюлозы.
Создание новых продуктов вместо простого производства энергии
Около половины древесины, поступающей на целлюлозный завод, фактически превращается в целлюлозу, а остальная часть традиционно сжигается для выработки тепла и электроэнергии. В связи с повышением энергоэффективности лесная промышленность вынуждена сжигать черный щелок для получения энергии. Это открыло возможности для разработки новых продуктов.
Цель состоит в том, чтобы найти использование черного щелока, которое было бы более прибыльным, чем использование его для получения энергии, и извлекать выгоду из того факта, что он получен из возобновляемого сырья.
Промышленное использование лигнина считается трудным, хотя он уже используется для замены фенольных клеев на масляной основе при производстве фанеры и клееного бруса (LVL). В будущем будет увеличиваться производство клеев на основе лигнина, равно как и производство покрытий, специальных химикатов и даже углеродных волокон.
По мнению Лаури Лехтонена, руководителя отдела инноваций (биоматериалы) Stora Enso, используя анодный материал на основе лигнина, также можно изготавливать батареи лучшего качества. Фотография: Stora Enso
Лигнин в своем естественном состоянии фактически действует как клей. Он придает дереву жесткость и, как гласит старая поговорка, «держит деревья в вертикальном положении». Около трети древесины и большая часть черного щелока состоит из лигнина.
Стремление к лучшим батареям
Использование графита в аккумуляторах основано на том факте, что он хорошо проводит электричество. Традиционно катод литий-ионных аккумуляторов сделан из оксида лития, а анод — из графита. Подробнее о том, как работают аккумуляторы, можно прочитать здесь ).
«Графитовый анод составляет примерно одну пятую веса батареи, — говорит Лаури Лехтонен , руководитель отдела инноваций (биоматериалы) Stora Enso.
Сама по себе альтернатива, разработанная Stora Enso, по весу не легче графита. Однако дальнейшие исследования материала направлены на создание более мощной батареи, которая может заряжаться и разряжаться быстрее. Если это будет достигнуто, потребуется меньше батарей для хранения того же количества электроэнергии.
Анодный материал на основе лигнина, созданный в лабораториях Stora Enso. Фотография: Stora Enso
Сырье, используемое для продукции Stora Enso, — это сверхсухой лигнин с ЦБК Сунила. 97 процентов его веса состоит из сухого вещества.
При производстве анодного материала кислород, содержащийся в лигнине, удаляется, что приводит к значительной потере веса материала. Если промышленное производство материала начнется в Сунила, текущего производства лигнина будет достаточно для производства материала примерно для 200 000 аккумуляторов для электромобилей в год. По словам Лехтонена, это будет значительная цифра.
Результаты опытно-промышленной эксплуатации определят судьбу инвестиций в промышленном масштабе.
Инвестиции в размере 10 миллионов евро в пилотную установку были вложены в прошлом году, и установка будет завершена в начале 2021 года. Лехтонен говорит, что это пилотная установка, и ее мощность не имеет большого значения. Емкости будет достаточно, чтобы потенциальные клиенты могли проверить свойства продукта.
«Если мы добьемся успеха с пилотным заводом и окажется целесообразным начать промышленное производство, мы сможем принять решение об инвестировании. Решение будет зависеть от результатов эксплуатации пилотной установки », — говорит Лехтонен.
Графит — самая распространенная форма углерода в природе. Он добывается в горнодобывающей промышленности, представляет собой ископаемое сырье и, помимо аккумуляторных батарей, чаще всего используется в электродвигателях, в качестве смазки, в ядерных реакторах и в графитовых карандашах.
Природный графит содержит большое количество примесей, например металлов, которые необходимо удалить. Процессы удаления требуют использования токсичных кислот.
Графит, который в настоящее время используется в аккумуляторных батареях, часто является синтетическим, но он также основан на ископаемом побочном продукте нефтяной промышленности. Его использование требует сравнительно сложных процессов, и применяется всё реже .
Лесная промышленность может раскрыть беспрецедентный потенциал
Прогнозируется, что мировой рынок аккумуляторных батарей вырастет в десять раз за пять лет, особенно потому, что автомобили, велосипеды и другие транспортные средства, работающие на электричестве, становятся все более распространенными. Перезаряжаемые батареи также необходимы растущей индустрии бытовой электроники и крупномасштабным системам хранения энергии.
Спрос на анодный материал на основе лигнина имеет более высокий потенциал роста, чем что-либо за всю историю лесной промышленности. Stora Enso заявляет, что рост спроса также можно удовлетворить за счет использования лигнина: после целлюлозы это самая распространенная в природе макромолекула.
Лигнин содержится на всех заводах и до сих пор находит очень мало промышленного применения. Если он производится из черного щелока, побочного продукта производства целлюлозы, то это не приведет к необходимости прямого увеличения заготовки древесины, которой с большой вероятности будет достаточно для удовлетворения спроса.
