Всё делается из нефти и газа. Или нет?
Регулярно встречаю такое мнение, что, дескать, вся промышленная продукция в мире делается из нефти и газа, безальтернативно. Вплоть до того, что без газа и удобрения не сделать, и даже сталь не выплавить. Особенно любят на это давить в политических спорах. Меня категорически не устраивает категоричность этих утверждений, поэтому давайте разбираться, так ли это, и насколько безальтернативным являются нефть и газ в тех или иных промышленных процессах. Пруфов не будет, ибо мне тупо лень, но пользоваться я буду только открытой и легкогуглимой инфой, большую часть вы найдете в Википедии. А ещё я химик, так что буду давить авторитетом, вот.
Дисклеймер: очевидно, что альтернативные процессы потому и альтернативные, что дороже основных, поэтому их использование приведет к удорожанию продукции, иначе бы на них уже давно все перешли. Но надо понимать, что отношение «дороже-дешевле» сложилось при текущих ценах и доступности сырья, при изменении этих вводных экономика этих процессов может очень сильно меняться. И ещё, надо понимать, что если эти методы реально использовались в промышленности в обозримом прошлом, то их себестоимость сравнима с текущими.
Базовые вещества
В топ-10 самых тоннажных веществ в мировой химической промышленности входят серная кислота, аммиак, азотная кислота, этилен, пропилен, хлор, едкий натр, сода, бензол и уксусная кислота. Каждое из этих веществ производится миллионами тонн и используется во множестве процессов промышленной химии. Синтез каждого из этих веществ заслуживает отдельного описания.
Серная кислота. Тут всё понятно, жгем серу до талого, а потом концы в воду. Процесс сам по себе экзотермичен, так что затрат энергии немного, скорее вопрос как эту энергию отвести. Никакого отношения к нефтегазу синтез серной кислоты не имеет. А вот для нефтегазохимии серная кислота бывает нужна.
Аммиак. Водород и азот. А дальше либо греем, либо швыряем молнию. В общем, несмотря на то, что процесс экзотермичный, энергии он жрет довольно много. Но, опять же, любую энергию, источник неважен. Однако пару слов про водород. В топ тоннажных продуктов он не входит, хотя если считать не по весу, а по объему, может обогнать даже серную кислоту. Основной способ получения — риформинг/пиролиз метана или крекинг более тяжелых углеводородов. Однако есть и электролиз, он вполне крупнотоннажный, но пока в 1.5–2 раза дороже (зависит от вводных в конкретной локации). Но электролитическое получение водорода — хороший вариант для сглаживания колебаний альтернативной генерации, так что не всё так однозначно. Если газ подорожает, скажем, в полтора раза, электролиз уже сможет конкурировать.
Азотная кислота. Жгем аммиак, и потом, что характерно, пихаем оксид азота в воду. Нужен аммиак и некоторое количество энергии. Но совсем не так много, как на тот же водород.
Этилен, пропилен, бензол. В основном нужны для синтеза полимеров и лакокраски. Основным источником этих веществ является сейчас нефтехимия, но имеются экономически сопоставимые альтернативы в виде углехимии через метанольный процесс, а также дегидратации этанола (для этилена). То есть в принципе, если нефти не будет, эти полимеры можно в достаточном количестве делать из угля и спирта, но будет подороже. А вот с бензолом без нефти или газа сложно, реальных промышленных процессов нет. В перспективе можно раскачать каталитическую тримеризацию ацетилена, но пока нет необходимости.
Хлор, едкий натр и сода. Получают электролизом поваренной соли. Нужна электроэнергия, никакой разницы, пришла ли она с ТЭЦ, АЭС или ветряка, нет. Едкий натр ещё кое-где получают через процесс Сольвея, из гашенной извести, но доля его неуклонно снижается. В общем, эта индустрия тоже прекрасно обходится без нефти и газа, как и сода, получаемая из той же поваренной соли с использованием углекислого газа и либо извести, либо аммиака.
Уксусную кислоту производят или из метанола, или из биосырья. Раз уж заговорили про метанол, то озвучим, как синтезируют его, а заодно и формальдегид, тем более что на пару они даже превосходят по объемам выпуска уксус. Метанол вообще не производят из нефтегаза, его делают либо из угля, либо из биосырья., а формальдегид, соответственно, получают из метанола.
Внезапно, из 10 самых тоннажных продуктов химической промышленности на нефтехимию завязано только три, и то один из них вполне себе умеют производить и без нефти. Самую большую долю в себестоимости этих веществ занимает энергия. Кроме того, очень высоки капитальные вложения и затраты на логистику.
Полимеры.
Далее у нас будут полимеры, ибо это самый крупнотоннажный продукт химической промышленности, по совокупности обгоняющий по выпуску даже серную кислоту. На первом месте среди выпускаемых полимеров находятся полиэтилен и полипропилен, производимые из этилена и пропилена, соответственно, получение которых мы разобрали выше.
Следом за ними идут ПВХ и полистирол. Эти два полимера в целом несколько теряют свои позиции в мировой полимерной индустрии, но пока что входят в топ-5 самых тоннажных. ПВХ делают из винилхлорида, который, в свою очередь, делают через ряд превращений из этилена или из ацетилена. Как делают этилен мы уже знаем, но возникает ацетилен. Ацетилен можно получать пиролизом газа или нефтепродуктов, но можно и углехимически, через карбидный процесс. И карбидный процесс вполне себе используется в промышленности в наши дни. Полистирол же получают из стирола, который делают окислением этилбензола, который получают либо как побочку при каталитичском риформинге, либо из бензола и, тадам, этилена. Что там по бензолу мы уже разбирали, и там пока всё глухо — только нефть, только хардкор.
Замыкает нашу пятерку ПЭТ, который синтезируется из этиленгликоля и терефталевой кислоты (или её эфиров). Этиленгликоль синтезируют из этилена, но есть и существенная доля углехимического процесса. Терефталку производят из п-ксилола, который тоже получается при каталитическом риформинге нефти. Но, есть большое но! В отличие от предыдущих персонажей, ПЭТ является реально и экономически целесообразно химически перерабатываемым полимером, и терефталку вполне можно извлекать из вторичного ПЭТ и пускать обратно в синтез, как и этиленгликоль. Поэтому при необходимости потребности в новом мономере можно кратно уменьшить.
Далее идут полиамид, поликарбонат и полиакрилаты/акриламиды (объединил, т.к. их мономеры делаются из одних и тех же прекурсоров). Полиамид в конечном итоге делается из бензола через кучу стадий, а про бензол вы уже в курсе. Поликарбонат делается из бисфенола А, который в итоге упирается в тот же бензол. Метакрилаты получают из ацетона, который можно получать из биосырья (даже человек, хотя и не очень здоровый, может генерировать ацетон). В мировом производстве ацетона этот процесс занимает малую долю, но он жив, т.е. имеет худо-бедно сопоставимую себестоимость.
Текущее положение дел таково, что синтез полимеров упирается в основном в нефте/газохимию. Большую часть можно заменить углехимией, кое-что — химией растительного сырья, но ценой довольно болезненного перестроения крупнотоннажных процессов и неизбежного удорожания, для некоторых полимеров — кратного. Ну и надо понимать, что углехимия требует больше энергии на единицу продукции, чем нефтехимия.
Растворители
Различные малые органические молекулы, преимущественно жидкие, которые при том не являются мономерами для синтеза полимеров. В основном это растворители, плюс некоторые прекурсоры для синтеза полимеров, а также лакокраски, клеев и т.д. К сожалению, быстро статистику по объемам мирового производства их я не нашел, поэтому просто пройдусь по основным семействам.
Углеводородные растворители. Алифатические, помимо нефтехимии, вполне себе производятся углехимически. С ароматическими посложнее, но сейчас стараются уменьшить их использование по целому ряду причин. Но в основном, конечно, нефть. Помимо этого стоит упомянуть фенол, хлорбензол, нитробензол, анилин — они все упираются в бензол.
Спирты, ацетон, производные уксусной кислоты. С этанолом и этиленгликолем мы разобрались раньше, если кратко — можно и без нефтегаза. Жирные спирты, в первую очередь бутанол, производят в основном из биосырья. Про ацетон мы также поговорили в предыдущем разделе, изопропиловый спирт делают из него. Довольно большую долю в производстве растворителей занимают эфиры уксусной кислоты — этилацетат, бутилацетат. Они делаются из уксуса и спиртов, см выше.
Эфирные растворители. Диэтиловый эфир из этанола, диоксан, всякие диметоксиэтаны и целлозольвы из этиленгликоля и соответствующих спиртов — метанола, этанола, бутанола.
Хлорорганика. Дихлорэтан, прекурсор винилхлорида, делают из этилена или ацетилена, мы уже это упоминали. Хлорированные метаны производятся из метана, то есть природного газа.
В общем, здесь ситуация несколько полегче, чем в полимерах. Нефтегазохимия всё ещё занимает большую часть объемов продукции, но больше альтернатив. Тем более что растворители, в отличие от мономеров или базовых реактивов, не являются догмой для промышленных процессов, и во многих местах могут быть заменены широким кругом аналогов. В целом, сейчас стараются отказаться от углевородородных и хлорорганических растворителей, а также повышают эффективность рециклизации растворителей.
Засим я закончу разговор про отрасли, оперирующие по большей части химикатами в привычном понимании, и в следующий раз мы обсудим удобрения, металлургию, стройматериалы и прочую «околохимическую промышленность».
