Công nghiệp là một trong những ngành phát thải khí nhà kính lớn nhất ở Hoa Kỳ,trong tổng lượng phát thải khí nhà kính, theo EPA. Mặc dù đã đạt được tiến bộ lớn – lượng phát thải khí nhà kính từ công nghiệp, bao gồm cả sản xuất điện, đã giảm 22% kể từ năm 1990 – trong nhiều trường hợp, các quy trình sản xuất thay thế không có tính cạnh tranh về mặt chi phí so với các quy trình dựa trên công nghệ sản xuất thông thường.
Giảm lượng khí thải trong toàn ngành công nghiệp là một chiến lược nền tảng kể từ khi mạng lưới Sản xuất Hoa Kỳ được thành lập vào năm 2014. Điều quan trọng đối với các nhà sản xuất Hoa Kỳ là phải đối mặt với khủng hoảng khí hậu nhưng cũng phải tạo việc làm cho người lao động thế hệ hiện tại và thế hệ tiếp theo, giảm chi phí năng lượng và tăng khả năng cạnh tranh toàn cầu của Hoa Kỳ. Chính quyền Bidencoi việc giảm phát thải công nghiệp là chìa khóa để tạo ra một tương lai năng lượng sạch công bằng.
TheSản xuất tại Hoa Kỳmạng lưới đã phát triển bao gồm 16 viện đổi mới sản xuất, được tài trợ thông qua các Bộ Thương mại, Quốc phòng và Năng lượng cũng như từ các thành viên trong khu vực tư nhân. Các viện đang làm việc với các tổ chức nghiên cứu và các công ty thuộc khu vực tư nhân để phát triển các quy trình nhằm giảm lượng khí thải công nghiệp và hạ thấp các rào cản để nhiều nhà sản xuất hơn có thể áp dụng những đột phá này. Mặc dù các dự án của mỗi viện đều có thể góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và tính bền vững, nhưng sau đây là một số trong nhiều sáng kiến liên quan đến các quy trình công nghiệp sử dụng nhiều khí thải.
Lộ trình giảm phát thải trực tiếp và gián tiếp
Khí thải công nghiệp được chia thành hai loại – trực tiếp và gián tiếp. Theo EPA, hầu hết lượng khí thải trực tiếp đến từ việc tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch để lấy năng lượng. Khoảng một phần ba đến từ việc sử dụng khí đốt tự nhiên và hệ thống dầu mỏ, chẳng hạn như các sản phẩm dầu mỏ dùng để sản xuất nhựa và các phản ứng hóa học trong quá trình sản xuất hóa chất, kim loại và xi măng. Phát thải gián tiếp xảy ra bên ngoài cơ sở nhưng liên quan đến việc sử dụng điện của cơ sở, điều này có thể rất lớn đối với máy móc.
Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE)xác định bốn con đường chính để giảm lượng khí thải công nghiệp. Lộ trình trình bày một chương trình nghị sự để khu vực sản xuất hợp tác cùng nhau trên mọi phương diện về mức độ sẵn sàng về công nghệ. Bốn trụ cột của lộ trình là:
- Hiệu quả năng lượng: Tối ưu hóa hệ thống, cải tiến các quy trình hiện có và giới thiệu vật liệu mới
- Điện khí hóa công nghiệp: Ví dụ bao gồm điện có hàm lượng carbon thấp từ lưới điện và các nguồn phát điện tái tạo tại chỗ
- Nhiên liệu, nguyên liệu và nguồn năng lượng có hàm lượng carbon thấp: Hydro và nhiên liệu sinh học tiên tiến
- Thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon: Thu giữ CO2từ khí thải của nhà máy và sử dụng nó để sản xuất giá trị gia tăng hoặc cô lập địa chất
Không có giải pháp thay thế dễ dàng nào cho các quy trình chuyên sâu về phát thải
Trong khi việc chuyển đổi sang các nguồn năng lượng không carbon, chẳng hạn như điện năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió, có thể làm giảm lượng CO2phát thải trong ngành điện, không có giải pháp thay thế dễ dàng nào cho các quy trình công nghiệp sử dụng nhiều khí thải. Hai đặc điểm chính cần có để giảm phát thải công nghiệp thành công là các giải pháp phải có giá trị kinh tế tích cực và không quá phức tạp để thực hiện. Nhiều cải tiến mới, chẳng hạn như thu hồi hydro và carbon xanh, có thể tốn gấp 5 lần chi phí của các quy trình hiện tại.
Các nhà sản xuất cũng được hứa hẹn nhiều tiến bộ công nghệ trong nhiều năm nhưng không thành hiện thực nên họ thận trọng trong việc áp dụng các phương pháp tiếp cận mới. Tuy nhiên, nhưCEO, John Dyck, thường xuyên chỉ ra rằng việc giảm chi phí và độ phức tạp xảy ra thông qua đổi mới theo thời gian; bạn tăng cường áp dụng bằng cách tăng cường nỗ lực đổi mới.
Các nỗ lực được triển khai rộng rãi nhằm tiết kiệm nước, điện
Ngoài các công nghệ xử lý nền tảng liên quan trực tiếp đến dầu, khí đốt và hóa chất, nhiều dự án của viện nghiên cứu còn nhằm giúp các nhà sản xuất tiết kiệm năng lượng và nước mà không cần phải đầu tư lớn vào thiết bị. Ví dụ:
tập trung vào tối ưu hóa hệ thống và phần mềm sản xuất thông minh cho phép các máy cũ trở thành một phần của kết nối Công nghiệp 4.0, giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể. Thiếu tiêu chuẩn hóa trong sản xuất là một thách thức lớn; CESMII đang đầu tư vào các mô hình thông tin giúp giảm nhu cầu về kiến thức chuyên môn về miền, điều này sẽ làm tăng khả năng áp dụng.
Mộtnhóm dự án đã phát triển một loạt Bộ công cụ trang bị thêm “Internet of Things” cho phép các nhà sản xuất trao đổi dữ liệu với các máy cũ của họ bằng cách sử dụng kiến trúc và tiêu chuẩn mở với chi phí thấp và có thể cấu hình dễ dàng. Bộ dụng cụ trang bị thêm giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng bằng cách cho phép công nghệ thực hiện những việc như giảm thiểu độ rung và chuyển động của máy, đồng thời bổ sung hệ thống điều khiển động cơ thông minh giúp điều chỉnh mô-men xoắn và tốc độ trong thời gian thực.
vàtập trung vào việc tạo ra các vật liệu nhẹ để giảm mức tiêu thụ năng lượng cho người dùng cuối.
vànằm trong số các viện sử dụng các phương pháp đổi mới để bảo tồn vật liệu và giảm thiểu việc sử dụng chất thải và nước.
NextFlex đã đạt được thành công lớn trong việc cải tiến bảng mạch in (PCB) cho thiết bị vi điện tử. Phần lớn chúng đã sử dụng cùng một phương pháp trong suốt 40 năm qua. NextFlex đã phát triển một quy trình phụ gia cho PCB thay thế quá trình xử lý hóa học độc hại trong sản xuất lắp ráp và bảng khắc ướt truyền thống. Ví dụ: phương pháp mới giúp giảm lượng nước và chất thải theo hệ số từ 5X đến 8X. Quy trình bồi đắp của Nextflex cũng nhanh hơn vì có ít bước hơn vì nguyên liệu thô được in chứ không phải bị khắc.
RAPID giúp công ty hóa chất giải quyết vấn đề cũ
Các quy trình kỹ thuật hóa học truyền thống dựa vào các phản ứng, sự phân tách và trao đổi nhiệt. Việc đầu tư vào công nghệ thường kéo dài hàng thập kỷ là một thách thức đặc biệt đối với các nhà sản xuất có quy trình quy mô lớn, sử dụng nhiều khí thải.
Theviện tập trung vào các công nghệ tăng cường quy trình mang tính đột phá liên quan đến dầu khí, bột giấy và giấy cũng như các nhà sản xuất hóa chất trong nước khác nhau.
Các nhà nghiên cứu đã phát triển các công nghệ tăng cường quy trình (PI) mới, chẳng hạn như sử dụng hệ thống gia nhiệt vi sóng và plasma, cho phép quá trình biến đổi hóa học diễn ra ở điều kiện ôn hòa hơn. Họ đã tìm ra những cách mới để tách vật liệu. PI đã trở thành một phương pháp kỹ thuật mang tính biến đổi giúp các doanh nghiệp vận hành các quy trình hóa học và kỹ thuật khác nhanh hơn, sạch hơn và giảm chi phí.
là một công ty toàn cầu cung cấp các hóa chất đặc biệt cho thị trường vận tải, công nghiệp và tiêu dùng, chẳng hạn như phụ gia cho dầu động cơ và dầu bôi trơn công nghiệp. Họ tạo ra các polyme hiệu suất có thể làm đặc chất lỏng đến độ nhớt tối ưu cho nhu cầu sản xuất. Họ đã làm việc với RAPID và một nhóm tại Đại học Pittsburgh để chuyển đổi một trong những quy trình kế thừa quan trọng của họ đối với các chất phân tán hóa học từ mẻ sang liên tục và kết hợp các nguyên tắc tăng cường quy trình mô-đun.
Sản xuất hàng loạt thường đắt hơn nhiều so với xử lý liên tục vì nó bao gồm việc khởi động và dừng, làm nóng và làm mát vật liệu cũng như làm sạch các thùng chứa lớn. Nó cũng liên quan đến việc loại bỏ các hóa chất, khí hoặc sản phẩm phụ dư thừa, thường bằng nitơ, tạo ra sản phẩm để đốt, đốt dưới dạng ngọn lửa hoặc xử lý an toàn.
Nhóm dự án đã thành công trong việc xây dựng mô-đun sản xuất quy trình liên tục có kích thước bằng một thùng vận chuyển.Họ đã có thể tạo ra sản phẩm có chất lượng tốt hơn trong khi:
- Giảm vốn khoảng 65%:Một nhà máy hàng loạt có chi phí khoảng 3,5 triệu đến 5 triệu USD và sẽ mất khoảng 36 tháng để xây dựng và khởi động. Đơn vị sản xuất quy trình liên tục theo mô-đun được xây dựng trong sáu tháng với chi phí khoảng 35% so với cơ sở cũ tương đương. Nó cũng giảm diện tích từ hơn 10.000 feet vuông xuống còn khoảng 200 feet vuông, đồng thời giảm thời gian chế tạo và triển khai xuống hệ số sáu.
- Giảm khoảng 60% chi phí vận hành:Quy trình liên tục tiết kiệm điện, nước, tiêu thụ hơi nước và các tiện ích liên quan khác.
- Loại bỏ tất cả khí thải và giảm thất thoát nhiệt trong khí quyển xuống hệ số 10: Sử dụng đường ống để di chuyển nguyên liệu liên tục trong quá trình sản xuất thay vì thời gian xử lý lâu trong bình giúp loại bỏ sự tích tụ khí, giảm tiêu thụ năng lượng (tổn thất từ bề mặt nóng), giảm thất thoát nguyên liệu (dưới dạng chất thải) và loại bỏ việc làm sạch bình giữa các mẻ.
Sự đổi mới này cũng cho phép công ty đặt các đơn vị tại hoặc gần vị trí của nguồn nguyên liệu thô hoặc gần khách hàng hơn, giúp giảm thiểu chi phí và thời gian vận chuyển không cần thiết cùng nhiều lợi ích khác. Việc sử dụng thiết kế mô-đun đổi mới sẽ làm giảm đáng kể các rào cản gia nhập đối với hoạt động sản xuất mới và dẫn đến cải thiện khả năng cạnh tranh của ngành xử lý hóa chất của Hoa Kỳ. Ví dụ, ngành công nghiệp dầu mỏ có thể được hưởng lợi từ các mô-đun sản xuất tại chỗ nhỏ hơn thay vì xây dựng các nhà máy sử dụng nhiều vốn hoặc đường ống đắt tiền với thời gian xây dựng và cấp phép dài.
Mô hình dự đoán giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng trong sản xuất xi măng
Xi măng là thành phần chính của bê tông, vật liệu composite được tiêu thụ nhiều nhất trong ngành xây dựng toàn cầu. Ngành xi măng là ngành sử dụng nhiều năng lượng thứ ba trong số các quy trình công nghiệp, với khoảng 90% sản phẩm đó là năng lượng và CO2đến từ lò nung chuyển đổi thức ăn thành khoáng chất clinker.
đã làm việc với Đại học Louisville vàđể cung cấp quy trình sản xuất clanhke tiết kiệm năng lượng hơn với khả năng kiểm soát chất lượng tốt hơn. Dự án đã sử dụng các công nghệ Sản xuất Thông minh – bao gồm các mô hình quy trình dự đoán, phân tích dữ liệu, cảm biến và học máy – để mô tả đặc điểm dòng sản phẩm trong lò nung.
Cảm biến theo dõi nhiệt độ tại các vị trí quan trọng trong lò. Dữ liệu thời gian thực từ lò nung được sử dụng để phát triển mô hình học máy, kết hợp với mô hình dựa trên vật lý để dự đoán chất lượng sản xuất và mức sử dụng năng lượng. Các giải pháp cảm biến và mô hình hóa được tích hợp vào giải pháp điều khiển thời gian thực nhằm tối ưu hóa nhiệt độ nung cho lò nhằm giảm mức tiêu thụ năng lượng.
Giải pháp đã được xác nhận trên lò nung quy mô phòng thí nghiệm và được chứng minh tại cơ sở sản xuất tại ARGOS. Dự án đã chứng minh được việc giảm 15% mức sử dụng năng lượng trong các lò sản xuất. Việc phổ biến rộng rãi các công nghệ này trong ngành xi măng có khả năng tác động đáng kể đến lượng phát thải khí nhà kính và góp phần khử cacbon trong công nghiệp.
Sản xuất dược phẩm cũng mong muốn tăng cường quy trình
Theviện đã triệu tập các nhà sản xuất dược phẩm hàng đầu để xây dựng kế hoạch đạt được quy trình xử lý sinh học trung hòa carbon trong vòng 10 năm. Giống như ngành hóa chất, họ cũng đang nỗ lực tăng cường quy trình và sản xuất mô-đun với quy trình liên tục thay vì sản xuất hàng loạt.
NIIMBL có ba nhóm hoạt động về tính bền vững:
- Tăng cường quy trình:chuyển đổi nguyên liệu thô thành sản phẩm hiệu quả hơn đồng thời giảm thiểu việc sử dụng tài nguyên
- Nhựa:giải quyết vấn đề về bao bì dùng một lần
- Đánh giá vòng đời:xác định các tác động môi trường tiềm ẩn trong chuỗi giá trị dược phẩm
Ngành sản xuất dược phẩm đã thành công trong việc sử dụng các quy trình liên tục, sản xuất theo mô-đun và các đơn vị sử dụng một lần cho các sản phẩm phân tử nhỏ như thuốc viên. Các nhóm NIIMBL đang dẫn đầu ngành trong việc vạch ra con đường hướng tới giảm lượng khí thải carbon trong quá trình sản xuất sinh học – các sản phẩm trị liệu được làm từ tế bào sống. Các nỗ lực tăng cường quy trình của NIIMBL nhằm giảm độ phức tạp và thu hẹp diện tích cơ sở để có được nhiều sản phẩm hơn, sử dụng ít nước, năng lượng và nguyên liệu thô đắt tiền hơn đồng thời rút ngắn khung thời gian cần thiết để đưa sản phẩm ra thị trường. Cuối cùng, công việc của NIIMBL sẽ đảm bảo rằng tính bền vững là tiêu chí quan trọng đối với ngành trong việc thiết kế các quy trình và cơ sở vật chất.
Hoa Kỳ Sản xuất công nghiệp sinh học đang có bước đột phá mới
đang nghiên cứu về quy trình công nghiệp. Viện đang giúp xây dựng một hệ sinh thái sản xuất công nghiệp sinh học toàn diện, bền vững trong nước.
Thành viên BioMADEđã xây dựng nhà máy phân tử carbon âm đầu tiên trên thế giới, không thải khí thải hoặc nước thải.Solugen sử dụng nguyên liệu thô, chẳng hạn như đường, không khí và carbon dioxide, để tạo ra các hóa chất không có khí thải – đồng thời không có các điều kiện nguy hiểm cũng như các chất gây ô nhiễm khác thường đi kèm với quá trình sản xuất hóa chất.
Nền tảng Bioforge™ của nó sử dụng các enzyme được thiết kế độc quyền thay vì các quy trình sản xuất lên men hoặc nhiệt hóa truyền thống. Nó tạo ra một tấn sản phẩm cho mỗi tấn nguyên liệu. Thất thoát năng suất nguyên liệu là phần tốn kém nhất trong quy trình sản xuất lên men hoặc nhiệt hóa truyền thống. Cơ sở của Solugen ở Houston được cung cấp năng lượng gió tái tạo và không thải nước thải hoặc khí thải.
Kết quả thành công của các thành viên BioMADE khác bao gồm:
- 40311_40404
- đã phát triển quy trình hóa học dựa trên thực vật để tạo ra các mặt hàng tiêu dùng như quần legging và dầu cọ có lượng CO2 ít hơn 90%2sản lượng so với các giải pháp thay thế dựa trên than.
- 41269_413092làm nguyên liệu để sản xuất các chất trung gian hóa học và polyme. Đối với một số nhà sản xuất, điều này giúp loại bỏ lượng khí thải đồng thời tạo ra nguồn doanh thu mới.
REMADE Biểu đồ lộ trình mới với cách tiếp cận vật liệu, nền kinh tế tuần hoàn
TheNhiệm vụ của viện là chuyển đổi hoạt động sản xuất từ nền kinh tế tuyến tính “lấy làm-tiêu hủy” sang nền kinh tế tuần hoàn “sử dụng-tái sử dụng-tái sản xuất-tái chế”. Công việc của họ nhằm đạt được sản xuất bền vững liên quan đến những vật liệu tiêu tốn nhiều năng lượng nhất trong các lĩnh vực như tái chế nhựa, tái chế kim loại, thu hồi rác thải điện tử, v.v.
Các dự án của REMADE bao gồm từ việc tập trung vào thiết kế – trong đó xác định 80% chi phí vòng đời của sản phẩm và dấu chân môi trường – đến việc giảm phát sinh chất thải trong quy trình sản xuất và giúp việc trích xuất vật liệu để tái sử dụng dễ dàng hơn. REMADE dự báo tác động hàng năm của các dự án như sau:
- Tiết kiệm 1,2 lít năng lượng mỗi năm, tương đương với việc tiết kiệm 206 triệu thùng dầu mỗi năm.
- Giảm 67,2 triệu tấn khí thải nhà kính mỗi năm, tương đương với việc loại bỏ lượng khí thải hàng năm của 13,1 triệu ô tô.
- Hỗ trợ tăng trưởng kinh tế Hoa Kỳ bằng cách tạo ra các cơ hội mới lên tới 22 tỷ USD mỗi năm.
Một dự án hiện tại tập trung vào việc phát triển quy trình có thể mở rộng về mặt thương mại đầu tiên để tái chế phế liệu EVA có liên kết ngang do các nhà sản xuất đế giữa giày tạo ra. Trong quá trình sản xuất, các nhà sản xuất tạo khuôn ethyl-vinyl-acetate (EVA), tạo thành các liên kết chéo cố định trong bọt EVA và tạo ra đế giữa mang lại khả năng giảm chấn mong muốn. Thật không may, quá trình đúc tạo ra tới 30% phế liệu và các liên kết chéo cố định sẽ cản trở quá trình nấu chảy tiếp theo, hạn chế đáng kể khả năng tái chế của phế liệu EVA được liên kết ngang.
Các bên liên quan của dự án, bao gồm, và, tìm cách chuyển đổi phế liệu công nghiệp giày dép EVA liên kết ngang để có thể tái đưa vào quy trình sản xuất. Sau khi được phát triển, quy trình này sẽ cho phép các nhà sản xuất tăng cường sử dụng phế liệu EVA trong quá trình sản xuất đế giữa giày từ 15% lên 30%.
Một góc nhìn mới về sản xuất tiên tiến
Đổi mới công nghệ của các viện đang giúp giảm lượng khí thải công nghiệp, điều này sẽ củng cố vị thế cạnh tranh của các công ty sản xuất của Hoa Kỳ, mở ra con đường cho những người Mỹ tìm kiếm việc làm xứng đáng với mức lương đủ sống và đóng góp cho cộng đồng địa phương, khu vực và quốc gia mạnh mẽ hơn.
Năm 2021, các viện này đã hợp tác với hơn 2.300 tổ chức thành viên để cộng tác trong hơn 700 dự án nghiên cứu và phát triển lực lượng lao động và công nghệ lớn, đồng thời thu hút hơn 90.000 người tham gia đào tạo nâng cao về sản xuất. Các quỹ của tiểu bang, ngành và liên bang đã đóng góp 480 triệu USD cho các hoạt động này.
Để tìm hiểu vềnhiều cách mà các viện giúp đẩy nhanh việc áp dụng công nghệ nhằm cải thiện khả năng cạnh tranh toàn cầu của ngành sản xuất của Mỹ,ghé thămtrang Viện.