Malutkie glony mogą pomóc w rozwiązaniu brudnego sekretu klimatycznego betonu...

(Jung Getty via Getty Images)

Ludzie produkują więcej betonu niż jakikolwiek inny materiał na planecie. Jest to dosłowny fundament współczesnej cywilizacji – i nie bez powodu.

Beton jest mocny, trwały, niedrogi i dostępny dla prawie każdej społeczności na świecie. Jednak światowy przemysł betonowy ma brudną, małą tajemnicę – tylko on odpowiada za ponad 8% globalnej emisji dwutlenku węgla – ponad trzykrotnie więcej niż emisje związane z lotnictwem. Emisje te podwoiły się w ciągu ostatnich dwóch dekad wraz z rozwojem miast azjatyckich, a popyt nadal rośnie w bezprecedensowym tempie.

Jest to również jedna z najtrudniejszych branż do dekarbonizacji, po części dlatego, że producenci są zazwyczaj hiperlokalni i działają na niewielkich marżach, pozostawiając niewiele na inwestycje w technologie, które mogą obniżyć emisje.

Jednak trudne nie musi oznaczać czegoś niemożliwego.

Architekci, inżynierowie, naukowcy oraz producenci cementu i betonu na całym świecie badają i pilotują kilka nowych strategii i technologii, które mogą znacznie zmniejszyć ślad węglowy cementu i betonu.

Oto kilka z nich, w tym jeden, nad którym pracuje mój zespół z University of Colorado: wymyślanie sposobów wykorzystania całkowicie naturalnych mikroalg do rozwiązania największego problemu emisji betonu – cementu.

Nie musi to być 100% cement

Głównym winowajcą wpływu betonu na klimat jest produkcja cementu portlandzkiego – proszku używanego do produkcji betonu.

Cement jest wytwarzany przez ogrzewanie wapienia bogatego w węglan wapnia do temperatury ponad 2640 stopni Fahrenheita (1450 stopni Celsjusza). Węglan wapnia rozkłada się na tlenek wapnia, czyli wapno palone, i dwutlenek węgla – ocieplający klimat gazem cieplarnianym. a reakcja chemiczna, którą Portland Cement Association nazywa „chemicznym faktem życia”, odpowiada za około 60% emisji związanych z cementem. Pozostała część pochodzi z energii do ogrzewania pieca.

Jedna z najbardziej obiecujących krótkoterminowych strategii zmniejszania śladu węglowego betonu wykorzystuje materiały takie jak popiół lotny z elektrowni węglowych, żużel z produkcji żelaza i kalcynowaną glinę w celu zastąpienia części cementu portlandzkiego w mieszankach betonowych. Są one znane jako uzupełniające materiały cementowe.

Użycie 20% do 50% popiołu lotnego, żużla lub kalcynowanej gliny może zmniejszyć zawartość węgla w mieszankach betonowych o mniej więcej takie same wartości procentowe.

Inna metoda wykorzystuje niewielkie ilości zmielonego wapienia w celu zastąpienia części cementu i staje się najlepszą praktyką. Po rygorystycznych testach kalifornijski Departament Transportu ogłosił niedawno, że dopuści do swoich projektów mieszanki cementu portlandzkiego z wapieniem, znane jako PLC. Z 5% do 15% mielonego kamienia wapiennego zastępującego cement, PLC może zmniejszyć emisje o mniej więcej taką samą ilość. Decyzja Kalifornii szybko skłoniła inne stany do zatwierdzenia użycia PLC.

Wielu badaczy opowiada się obecnie za przyjęciem cementu wapienno-kalcynowanego, który zawiera około 55% cementu portlandzkiego, 15% mielonego wapienia i 30% kalcynowanej gliny. Może to obniżyć emisje o ponad 45%.

Co może zrobić elektryfikacja i wychwytywanie dwutlenku węgla

Cementownie zaczęły również testować technologie wychwytywania węgla i piece elektryczne w celu zmniejszenia emisji. Jednak wychwytywanie dwutlenku węgla jest drogie, a skalowanie technologii w celu zaspokojenia zapotrzebowania przemysłu cementowego i betonowego nie jest łatwym zadaniem.

Elektryfikacja pieca napotyka te same bariery. Aby zelektryfikować jeden z najbardziej energochłonnych procesów na świecie, potrzebne są nowe technologie i duże inwestycje kapitałowe. Jednak obietnica zerowych emisji związanych ze spalaniem jest wystarczająco kusząca dla niektórych przedsiębiorców i firm cementowych – w tym tych zainteresowanych wykorzystaniem 100% energii słonecznej do produkcji cementu – którzy ścigają się w poszukiwaniu rozwiązań, które są zarówno technologicznie, jak i ekonomicznie opłacalne na dużą skalę.

Ustawa o redukcji inflacji, uchwalona przez Kongres w sierpniu 2022 r., może pomóc w szerszym wykorzystaniu niektórych z tych technologii. Obejmuje finansowanie modernizacji sprzętu i dodawanie możliwości wychwytywania dwutlenku węgla, a także ulgi podatkowe dla producentów w celu ograniczenia emisji.

Bez cementu, ewentualnie z algami

Inną strategią jest wytwarzanie funkcjonalnie równoważnych materiałów, które w ogóle nie zawierają cementu portlandzkiego.

Materiały takie jak żużel aktywowany alkalicznie lub beton cementowy z popiołu lotnego są produkowane przez połączenie żużla, popiołu lotnego lub obu z bardzo mocnym podłożem. Wykazano, że materiały te zmniejszają emisje dwutlenku węgla o 90% lub więcej i mogą spełniać kryteria skali i kosztów, ale nadal stoją przed wyzwaniami technicznymi i regulacyjnymi.

Niektóre przykłady niskoemisyjnych produktów betonowych bez cementu portlandzkiego, które zyskały popularność na rynku, to modułowe elementy na bazie wollastonitu, bloki ziemne i prefabrykowane produkty biocementowe - w tym produkowane przy użyciu fotosyntetycznych, biomineralizujących mikroalg.

Algi były również wykorzystywane jako alternatywne biopaliwo do ogrzewania pieców cementowych, a systemy uprawy alg zostały również powiązane z produkcją cementu w celu wychwytywania węgla.

Mój zespół z University of Colorado Boulder i ja analizujemy wykorzystanie wapienia pochodzącego z alg do produkcji cementu portlandzkiego, co może pomóc w wyeliminowaniu 60% emisji związanych z produkcją cementu. Ta technologia jest interesująca, ponieważ łączy się z konwencjonalną produkcją cementu.

Używanie betonu do blokowania wychwyconego CO2

Inżynierowie eksperymentują również z wtłaczaniem wychwyconego dwutlenku węgla do betonu, a także z wykorzystaniem kruszyw z dwutlenku węgla zamiast żwiru lub piasku domieszanego do betonu.

To ekscytująca koncepcja, ale jak dotąd wstrzykiwanie przyniosło ograniczoną redukcję emisji dwutlenku węgla, a produkcja agregatów magazynujących dwutlenek węgla nie została jeszcze zwiększona.

Rosnący problem

Ostatecznie czas pokaże, czy te i inne technologie spełnią swoją obietnicę.

Pewne jest to, że w przemyśle cementowym i betonowym na całym świecie panuje przekonanie, że ma problem do rozwiązania, a nie ma rozwiązania. Może wymagać zestawu rozwiązań dostosowanych zarówno do rynków lokalnych, jak i globalnych, aby sprostać bezpośrednim i długoterminowym wyzwaniom związanym z nadążaniem za stale rosnącą populacją i szybko zmieniającym się klimatem.