Електричеството може да направи цимента почти безвъглероден: нов пробив

Циментът може да изглежда като често срещан материал, но той стои зад един от най-големите климатични проблеми в индустрията: за да строи градове, пътища, мостове и язовири, човечеството отделя милиарди тонове CO₂ всяка година. Сега екип от Университета на Британска Колумбия показа електрохимичен път за производство на цимент, който в лабораторна демонстрация е намалил енергийните нужди със 70% и емисиите с до 20 кг CO₂ на тон, или около 98% в сравнение с конвенционалния процес, описан в ACS Energy Letters.

Какво е известно накратко

Проучването е проведено от екип от Университета на Британска Колумбия, ръководен от Къртис Берлингет. Работата е публикувана в списание ACS Energy Letters. Учените са предложили електрохимичен метод за производство на прекурсори за цимент. Първият етап от реакцията протича при около 60°C, а не при ултрависоките температури на циментова пещ.

Полученият материал след това се превръща в белит в пещ при температура около 650 °C. В сравнение с традиционното производство, методът намалява нуждата от топлинна енергия със 70%.

Ако вместо варовик се използват рециклирани циментови отпадъци, емисиите могат да спаднат от около 800 кг CO₂ на тон цимент и до 20 кг CO₂ на тон.

Основното заключение: циментовата промишленост може да бъде декарбонизирана не само чрез улавяне на CO₂, но и чрез промяна на самата химия на производството.

Защо циментът е толкова „мръсен“ за климата

Циментът е основният компонент на бетона, най-широко използваният строителен материал в света. Когато се смеси с вода, пясък и чакъл, той образува здрав, подобен на камък композит, който поддържа съвременната инфраструктура.

Проблемът е, че традиционният цимент се произвежда от варовик, който е предимно калциев карбонат. Той се нагрява заедно със силикатни минерали до около 1450 °C, за да се получи клинкер или твърдата основа на бъдещия цимент.

Това създава два вида емисии. Първият е енергиен: пещите трябва да се нагряват до температури над точката на топене на много метали, а това често изисква изгаряне на изкопаеми горива. Вторият е химичен: когато калциевият карбонат се разлага, той самият отделя CO₂.

Ето защо циментът е труден за декарбонизация, тъй като не е достатъчно просто да се заменят въглищата или газът с електричество. Някои от емисиите са „заключени“ в самата реакция на разлагане на варовика.

Американското химическо дружество изчислява, че производството на цимент е отговорно за около 8% от световните емисии на CO₂. Това е повече от емисиите на много страни и донякъде обяснява защо циментът е наречен един от най-трудните сектори за климатичната трансформация.

Как електричеството променя самата химия на процеса

Новият подход не просто свързва циментовата пещ със зелената електроенергия, а същността му се крие в електрохимията.

Изследователите са използвали електричество, за да превърнат калциевите и силициевите съединения в циментов прекурсор при много по-ниска температура. Докато традиционният метод изисква свръхгореща пещ, първият етап от новия процес протича при около 60°C, което е температурата на горещата вода, а не на нажежена индустриална пещ.

След това продуктът се превръща в белит при около 650 °C. Това все още е висока температура, но е значително по-ниска от традиционните 1450 °C. Именно по-ниската температура осигурява голямото енергийно увеличение.

Електрохимията тук работи като начин за „заобикаляне“ на най-енергоемкия път. Вместо минералите да реагират на груба сила чрез екстремна топлина, процесът използва електрически ток за задвижване на химическата трансформация.

„Използвахме електричество и рециклиран цимент, за да създадем прекурсори, които образуват вид цимент, наречен белит, при по-ниски температури от известните досега“, обясни Къртис Берлингет в доклад на ACS.

Какво е белит и защо е важен?

Белитът е един от основните минерални компоненти на цимента. В класическия портланд цимент алитът също играе важна роля, набирайки висока якост по-бързо. Белитът обикновено се втвърдява по-бавно, но може да осигури висока дълготрайна якост и да бъде полезен за големи конструкции.

Ето защо белитовият цимент е особено интересен за масивните конструкции, като например язовирите. При такива обекти е важно да се контролира отделянето на топлина по време на втвърдяване. Ако бетонната маса се нагрява твърде бързо и се охлажда неравномерно, могат да се появят пукнатини.

Системите от белит могат да бъдат предимство там, където се изискват издръжливост, контрол на топлината и постепенно натрупване на якост. Но традиционно те също трябва да се произвеждат при енергоемки условия. Новият метод променя това: той показва, че белитът може да се произвежда при много по-ниски температури.

Това е важно не само за отделните язовири. Ако нисковъглеродният белитов цимент може да се използва в по-голям мащаб, той би могъл да стане част от по-широка стратегия за „зелен бетон“ за големите инфраструктурни проекти.

Вече е писано за това как бетонът от следващо поколение може да стане по-здрав и по-екологичен, а новото проучване добавя още един път: не само подобряване на материала след производството, но и намаляване на въглеродния отпечатък в момента на създаването му.

Защо рециклираният цимент променя всичко

Изследователите постигнаха най-голямо намаление на емисиите, когато замениха варовика с рециклирани циментови отпадъци. Това е фундаментален детайл.

Ако се използва варовик, известно количество CO₂ може все още да се отдели чрез карбонатната химия, но старият цимент вече е преминал през част от химичния цикъл. Чрез използването му като суровина може да се намали нуждата от нов варовик и да се избегнат значителна част от емисиите от процеса.

Това е като разликата между топенето на метал от руда и рециклирането на скрап. В първия случай се изразходва много енергия за „извличане“ на желания елемент от естествено съединение. Във втория материалът вече е преминал през труден етап и може да бъде върнат в цикъла.

Според ACS, демонстрацията с рециклиран цимент е произвела приблизително 20 кг CO₂ на тон цимент, в сравнение с около 800 кг CO₂ на тон при традиционния процес, което е спад от 98%.

Но е важно да не се преувеличава: това е лабораторна или изследователска демонстрация, а не доказателство, че утре целият цимент в света ще бъде почти без въглерод. Трябва да се тестват мащабируемостта, качеството на продукта, стабилността на процеса, наличието на отпадъци, разходите за електроенергия и съответствието със строителните стандарти.

Водородът като бонус, а не основна цел

Друг интересен детайл: електрохимичният процес произвежда водород, който според изследователите може да бъде изгорен, за да осигури топлинна енергия във втория етап на производството, където материалът трябва да се нагрее до 650°C.

Това създава потенциално по-затворена система. Електричеството задвижва химическото преобразуване, а страничният продукт водород помага за покриване на част от нуждите от топлина без изкопаеми горива.

Но водородът не е магическо решение. Той трябва да бъде безопасно събиран, съхраняван или използван незабавно. Освен това, цялостното въздействие върху климата зависи от източника на електроенергията. Ако електроенергията идва от въглищна електроцентрала, печалбата е рязко намалена. Ако идва от слънчева, вятърна, водноелектрическа или ядрена енергия, потенциалът за декарбонизация е много по-висок.

Ето защо подобни технологии ще работят най-добре в комбинация с евтина, нисковъглеродна електроенергия. Много пъти вече е писано, че възобновяемите енергийни източници вече са изпреварили въглищата в световното производство и именно този вид промяна в енергийната система прави електрификацията на индустрията по-реалистична.

По какво се различава този подход от улавянето на CO₂?

Често се предлага улавяне и съхранение на въглерод за цимент. Идеята е проста: циментовият завод работи почти както преди, но CO₂ от димните газове се улавя, компресира и инжектира под земята или се използва в промишлеността.

Това е важен маршрут, особено за съществуващите инсталации, но има и недостатъци: разходи, консумация на енергия, инфраструктура за тръбопроводи или транспорт на CO₂, дългосрочно съхранение и проблеми с отговорността.

Електрохимичният метод работи по различен начин. Той се опитва да намали емисиите, преди да възникнат. Вместо да „улавя дима след пещта“, той променя реакцията, така че да има много по-малко дим.

В реалния свят тези подходи може да не се конкурират, а да се допълват взаимно. Някои инсталации може да преминат към нови формули и електрификация. Някои към улавяне и съхранение на въглероден диоксид (CCS), а други към заместители на клинкер, рециклиране на бетон, алтернативни горива и по-ефективно проектиране на сгради.

Циментът е толкова голям сектор, че едно решение не е достатъчно.

Защо мащабирането ще бъде трудно

Лабораторният пробив е начало, а не финал. За цимента пътят до пазара е особено труден, защото строителните материали трябва да бъдат евтини, масово произвеждани и предвидими в продължение на десетилетия.

Строителите не могат да рискуват с мост или язовир само защото даден материал има по-нисък въглероден отпечатък. Той трябва да отговаря на стандартите за якост, издръжливост, устойчивост на замръзване, водоустойчивост, съвместимост с армировката и поведение в различните климатични условия.

Съществува и въпросът за суровините. Рециклираният цимент звучи идеално, но трябва да се събира, отделя от другите строителни отпадъци, да се раздробява, да се проверява съставът му и да се доставя до завода. В много страни строителните отпадъци все още нямат достатъчно чисти потоци за рециклиране.

Съществуват и икономически фактори. Циментът е евтин материал с ниски маржове. Новият процес трябва не само да бъде по-чист, но и достатъчно конкурентен, за да бъде приет от пазара. Ценообразуването на въглеродните емисии, зелените обществени поръчки, стандартите за нисковъглероден бетон и търсенето от строителните компании могат да помогнат тук.

„Тази дейност открива електрифициран път за производство на цимент, който би могъл да намали огромния въглероден отпечатък на индустрията с 98%, като използва циментовите отпадъци във вид на суровина“, казва Берлингет в изявление пред ACS.

Защо това откритие е важно точно сега

Светът строи повече, а не по-малко. Градовете растат, инфраструктурата остарява, държавите модернизират пътища, мостове, електропреносни мрежи, резервоари и жилища. Търсенето на бетон няма да изчезне скоро, дори при най-амбициозните климатични сценарии.

Ето защо циментът е тест за всички политики в областта на климата. По-лесно е да се електрифицират автомобили, отколкото циментова пещ. По-лесно е да се инсталират слънчеви панели, отколкото да се промени световният пазар на строителни материали. Но без тежка промишленост чистата енергия няма да бъде напълно ефективна.

Новият електрохимичен подход показва, че дори „неудобните“ индустрии могат да бъдат преосмислени отвътре. Не само чрез компенсиране на емисиите, не само чрез закупуване на кредити, но и чрез промяна на химическия път на производство.

Това се вписва добре в по-широката тенденция на индустриалната електрификация. Точно както батериите трансформират енергийните мрежи, а зеленият водород трансформира металургията и химията, електрохимията може да се превърне в нов инструмент за строителни материали.

Вече се знае, че геотермалната енергия е част от индустриалния преход. Всички тези области имат обща идея: да заменят изгарянето на изкопаеми горива с по-прецизни, по-чисти и по-контролируеми енергийни източници.

Икономии от мащаба: какво означава 98% за планетата

Ако циментът е отговорен за около 8% от световните емисии на CO₂, тогава дори малко намаление би имало огромно въздействие. Представете си, ако значителна част от цимента се произвежда с много по-малък въглероден отпечатък. Това би засегнало всяка сграда, всеки мост, всеки язовир, всеки тунел.

Но има едно важно предупреждение: 98% е резултат от специфична демонстрация с рециклиран цимент, а не автоматична цифра за цялата индустрия. В действителност емисиите ще зависят от източника на електроенергия, суровините, транспорта, мащаба на инсталацията, енергийната ефективност на пещта и крайната формула.

Дори ако намалението в промишлеността е по-малко, да речем 50–80%, то пак може да бъде революция за сектора. Циментовата индустрия е толкова голяма, че всеки процент е от значение.

Най-интересното тук е, че новият метод съчетава две идеи за бъдещата икономика: електрификация и кръгова икономика. Той използва електричеството за нискотемпературна химия и същевременно връща стария цимент в производствения цикъл. Това вече не е линеен модел на „извличане, изгаряне и изхвърляне“, а опит строителният материал да бъде част от по-затворен кръг.

Какво означава това?

Новото проучване не означава, че циментовата индустрия вече е станала климатично неутрална, но то сочи в реалистична посока: електричеството може да промени самата химия на цимента, не само да захранва пещите.

Практическите последици са огромни. Ако се увеличи мащабът на процеса, той би могъл да намали нуждите от топлина, да намали емисиите от разлагането на варовик, да използва стари циментови отпадъци и дори да произвежда водород за част от термичния етап. Това би могло да направи цимента един от първите наистина кръгови индустриални материали.

Това е особено важно за климата, защото циментът не може просто да бъде „спрян“. Човечеството се нуждае от къщи, болници, пътища, язовири, пристанища и защитна инфраструктура, така че въпросът не е дали ще използваме бетон, а колко чисто ще бъде неговото производство.

В заключение

Най-силната идея на това откритие е, че бъдещият „зелен“ цимент може да не се роди от компенсация или красиви обещания, а от различна химия.

Ако електричеството може да замени някои от нажежените пещи, а старият бетон може да се превърне в суровина за нов цимент, сградите на бъдещето ще имат съвсем различен климатичен отпечатък. Градовете все още ще бъдат строени от камък, стомана и бетон, но този бетон вече няма непременно да носи въглеродната сянка на старата индустриална епоха.

Електричеството може да направи цимента почти без въглерод, което е нов пробив, първоначално предизвикан от любопитство.