Cimentul este unul dintre materialele fără de care societatea modernă pare greu de imaginat. Se află în fundațiile caselor, în poduri, drumuri, baraje și nenumărate alte construcții care definesc lumea în care trăim. Însă, în spatele acestui material aparent banal se ascunde o problemă climatică majoră. Captarea CO2 din atmosferă ar putea transforma însă, într-un viitor nu foarte îndepărtat, chiar fabricile care produc ciment din surse importante de emisii în instalații capabile să contribuie și la eliminarea dioxidului de carbon din aer.
O echipă de cercetători de la ETH Zürich a analizat posibilitatea combinării producției de ciment cu tehnologia Direct Air Capture (DAC), destinată extragerii directe a dioxidului de carbon din atmosferă. Ideea este deosebit de interesantă deoarece cele două procese folosesc o chimie foarte asemănătoare și au în comun una dintre materiile prime esențiale: calciul, prezent în calcar și în var. Potrivit calculelor cercetătorilor, simpla electrificare a unor procese-cheie și captarea directă a CO2 ar putea reduce impactul climatic al producției de ciment cu până la 78% până în 2050.
De ce industria cimentului este o problemă pentru climă
În fiecare an, la nivel mondial sunt produse aproximativ patru miliarde de tone de ciment. Cererea uriașă explică de ce industria cimentului este responsabilă pentru o parte atât de importantă a emisiilor globale de dioxid de carbon. Estimările citate de cercetătorii ETH Zürich indică o contribuție de aproximativ 5-8% la emisiile globale de CO2.
Problema nu este doar energia necesară pentru funcționarea fabricilor. O parte importantă a emisiilor apare chiar în timpul reacției chimice esențiale pentru producerea cimentului.
Materia primă principală este calcarul, alcătuit în mare parte din carbonat de calciu. Pentru a obține varul necesar procesului industrial, calcarul este încălzit la temperaturi ridicate. În timpul acestei etape, numită calcinare, carbonatul de calciu se descompune în oxid de calciu, cunoscut drept var nestins, și dioxid de carbon.
Cu alte cuvinte, chiar dacă energia necesară încălzirii ar proveni integral din surse regenerabile, o parte a CO2 ar continua să fie eliberată deoarece rezultă direct din transformarea chimică a calcarului.
Aceasta este una dintre cele mai dificile probleme în decarbonizarea cimentului. Nu este suficient să înlocuiești cărbunele sau gazul cu electricitate verde. Trebuie găsită și o modalitate de gestionare a dioxidului de carbon care rezultă inevitabil din materia primă.
O chimie comună pentru ciment și Direct Air Capture
Aici intervine ideea analizată de cercetătorii de la ETH Zürich. Tehnologia Direct Air Capture poate extrage CO2 direct din aerul atmosferic, iar una dintre metodele studiate utilizează un ciclu chimic bazat pe compuși ai calciului, cunoscut sub numele de calcium looping.
Principiul pornește tot de la calcar. Prin încălzire, acesta este transformat în var nestins, eliberând CO2. Dacă varul nestins intră apoi în contact cu apa, se formează var stins, un material care poate absorbi dioxidul de carbon din atmosferă. În urma acestei reacții, compusul se transformă din nou în carbonat de calciu.
Se creează astfel un ciclu în care materialele pe bază de calciu pot fi folosite atât în producția de ciment, cât și pentru extragerea dioxidului de carbon din aer.
Tocmai această suprapunere chimică oferă un avantaj important. În loc ca o instalație DAC să fie construită ca un sistem complet separat, unele dintre procesele și infrastructurile existente în fabricile de ciment ar putea fi utilizate în comun. Cercetătorii consideră că această integrare ar putea necesita modificări relativ directe, printre care instalarea unor dispozitive speciale de contact cu aerul și adaptarea capacității instalațiilor de calcinare.
Cum poate funcționa captarea CO2 din atmosferă într-o fabrică de ciment
Într-un astfel de sistem integrat, calcarul ar fi încălzit într-un cuptor alimentat cu electricitate, în locul combustibililor fosili precum cărbunele sau gazul natural. Această schimbare ar elimina emisiile rezultate din arderea combustibililor.
În același timp, CO2 eliberat prin descompunerea calcarului ar putea fi captat mai ușor. Într-un cuptor tradițional alimentat prin arderea combustibililor fosili, gazele rezultate sunt amestecate cu produsele de ardere. Utilizarea unui sistem electric poate face fluxul de CO2 provenit din calcinare mai ușor de separat.
Varul rezultat ar putea fi apoi utilizat într-un ciclu de absorbție a dioxidului de carbon din aer. După transformarea sa în var stins, materialul intră în contact cu atmosfera și captează treptat CO2, revenind la forma de carbonat de calciu.
Cu cât același material trece de mai multe ori prin această etapă de contact cu aerul înainte de a fi folosit în producția de ciment, cu atât cantitatea de CO2 extrasă din atmosferă poate fi mai mare.
Dioxidul de carbon captat din aer nu este însă destinat să rămână în ciment. Potrivit scenariului analizat de cercetători, acesta ar fi comprimat și transportat către situri de stocare geologică subterană. Astfel, procesul ar putea contribui nu doar la reducerea emisiilor noi, ci și la eliminarea dioxidului de carbon deja prezent în atmosferă.
O tehnologie care ar putea elimina mai mult CO2 decât produce
Unul dintre cele mai importante rezultate ale studiului este legat de bilanțul complet al tehnologiei. Cercetătorii nu au analizat doar funcționarea instalației, ci întregul său ciclu de viață: extracția materiilor prime, construcția instalațiilor, exploatarea lor și stocarea CO2 captat.
Această abordare este esențială. O tehnologie de captare a carbonului consumă energie, necesită materiale și infrastructură și produce, indirect, propriile emisii. Întrebarea importantă nu este doar cât CO2 poate capta o instalație, ci cât dioxid de carbon elimină efectiv după ce sunt luate în calcul toate aceste costuri climatice.
Concluzia cercetătorilor este încurajatoare. Pentru instalațiile comerciale bazate pe calcium looping și stocarea CO2, scenariile analizate pentru anul 2050 indică o eficiență netă de eliminare a dioxidului de carbon cuprinsă între 85 și 96%.
Aceasta înseamnă că, pentru fiecare tonă de CO2 captată și stocată, procesul ar genera pe întregul lanț între aproximativ 40 și 150 de kilograme de CO2. În cele din urmă, sistemul ar elimina mai mult dioxid de carbon decât produce, având astfel un bilanț climatic negativ. Cea mai bună performanță este obținută atunci când energia utilizată provine în mare măsură din surse regenerabile.
Această dependență de electricitate curată este însă decisivă. Captarea CO2 din aer este un proces energointensiv, iar o instalație alimentată cu electricitate produsă în principal din combustibili fosili ar avea o eficiență climatică mult mai redusă.
De la instalații DAC separate la fabrici de ciment cu emisii net negative
Studiul s-a bazat și pe date provenite din colaborarea cu compania americană Heirloom Carbon Technologies, care dezvoltă sisteme comerciale de captare directă a CO2 din atmosferă prin tehnologii bazate pe compuși ai calciului. Compania operează în California, din 2023, o instalație cu o capacitate nominală anuală de 1.000 de tone de CO2 și pregătește proiecte de capacitate mai mare.
Datele obținute din funcționarea unor sisteme reale au permis realizarea uneia dintre primele analize prospective complete ale ciclului de viață pentru captarea directă a carbonului prin calcium looping la scară comercială.
În cazul integrării cu producția de ciment, avantajul principal este că nu pornește de la zero. Fabricile dispun deja de o infrastructură destinată manipulării calcarului și compușilor de calciu, precum și de echipamente pentru calcinare. În locul construirii unei industrii complet separate pentru captarea carbonului, aceeași infrastructură industrială ar putea îndeplini două funcții.
Pe de o parte, ar produce unul dintre cele mai importante materiale de construcție din lume. Pe de altă parte, ar putea participa la extragerea CO2 din atmosferă.
Potrivit calculelor realizate pentru scenariile viitoare, electrificarea cuptoarelor și captarea directă a dioxidului de carbon asociat procesului de calcinare ar putea reduce impactul climatic al producției de ciment cu 78% până în 2050. În anumite condiții, integrarea mai amplă a sistemelor de captare ar putea chiar deschide perspectiva unor fabrici cu un bilanț net negativ al emisiilor.
Promițător, dar încă departe de aplicarea pe scară largă
Rezultatele studiului nu înseamnă că fabricile de ciment capabile să curețe atmosfera vor apărea imediat. Cercetătorii subliniază mai multe limite importante.
Calculele sunt bazate pe scenarii pentru anul 2050 și presupun o decarbonizare semnificativă a sistemelor de producere a electricității. Fără o rețea electrică dominată de surse cu emisii reduse, beneficiile climatice ale unui proces atât de energointensiv ar fi limitate.
De asemenea, unele componente necesare, în special anumite tipuri de cuptoare electrice cu încălzire indirectă pentru calcinare, nu sunt încă utilizate pe scară industrială largă. Rămân de clarificat limitele fizice ale integrării, comportamentul materialelor în condiții reale și performanța sistemului atunci când este combinat cu producția continuă de ciment.
Există și problema economică. Studiul nu a realizat o analiză detaliată a costurilor, astfel că nu se știe încă în ce condiții această tehnologie ar putea deveni competitivă. Vor fi necesare teste suplimentare, demonstrații la scară pilot și analize tehnico-economice pentru a afla dacă promisiunea climatică poate fi transformată într-o soluție industrială viabilă.
O nouă perspectivă asupra decarbonizării cimentului
Timp de decenii, reducerea impactului climatic al industriei a fost privită în principal ca o problemă de diminuare a emisiilor. Fabricile trebuie să consume mai puțină energie, să utilizeze combustibili mai curați și să evite eliberarea dioxidului de carbon.
Noua abordare propusă de cercetătorii de la ETH Zürich merge mai departe. Ea sugerează că anumite industrii greu de decarbonizat ar putea fi transformate, cel puțin parțial, în infrastructuri pentru eliminarea carbonului.
În cazul cimentului, această posibilitate este cu atât mai interesantă deoarece procesul industrial și tehnologia de captare directă a carbonului folosesc aceeași familie de compuși chimici. Calciul, care stă la baza producției de ciment, ar putea deveni și elementul central al unui ciclu destinat extragerii CO2 din aer.
Dacă provocările tehnice și economice vor putea fi depășite, captarea CO2 din atmosferă ar putea fi integrată direct într-un sector industrial responsabil astăzi pentru o parte semnificativă a emisiilor globale. O fabrică de ciment nu ar deveni peste noapte un „aspirator” uriaș pentru atmosferă, însă ar putea evolua dintr-o sursă importantă de dioxid de carbon într-o instalație care, alături de producția de ciment, contribuie și la eliminarea unei părți din excesul de CO2 acumulat în aer.
Aceasta este poate cea mai interesantă idee a studiului: tranziția climatică nu înseamnă întotdeauna înlocuirea completă a industriilor existente. Uneori, soluția poate fi găsită chiar în procesele și materiile prime pe care acestea le folosesc deja, transformând infrastructura responsabilă pentru o problemă într-o parte a soluției.
Sursa: ETH Zürich