Naukowcy z Uniwersytetu w Cambridge opracowali metodę produkcji betonu o bardzo niskiej emisji na dużą skalę – jest to innowacja, która może mieć przełomowy wpływ na przejście do zerowej emisji netto.
Metoda, którą naukowcy uważają za „absolutny cud”, wykorzystuje zasilane elektrycznie piece łukowe stosowane do recyklingu stali do jednoczesnego recyklingu cementu, składnika betonu pochłaniającego węgiel.
Beton jest drugim po wodzie najczęściej używanym materiałem na świecie i odpowiada za około 7,5% całkowitej antropogenicznej emisji CO2. Skalowalny i opłacalny sposób redukcji emisji betonu przy jednoczesnym zaspokojeniu globalnego popytu to jedno z największych wyzwań związanych z dekarbonizacją na świecie.
Naukowcy z Cambridge odkryli, że zużyty cement jest skutecznym substytutem topnika wapiennego, który jest stosowany w recyklingu stali w celu usunięcia zanieczyszczeń i zwykle kończy się jako produkt odpadowy znany jako żużel. Jednak zastępując wapno zużytym cementem, produktem końcowym jest cement z recyklingu, który można wykorzystać do produkcji nowego betonu.
Opracowana przez badaczy z Cambridge metoda recyklingu cementu, opisana w czasopiśmie Nature, nie powoduje znaczących kosztów produkcji betonu czy stali i znacznie zmniejsza emisję zarówno z betonu, jak i stali, ze względu na zmniejszone zapotrzebowanie na topnik wapienny.
Niedawne badania przeprowadzone przez Instytut Przetwarzania Materiałów, partnera projektu, wykazały, że cement pochodzący z recyklingu można produkować na dużą skalę w elektrycznym piecu łukowym (EAF), co jest pierwszym osiągnięciem w historii. Ostatecznie metoda ta umożliwiłaby produkcję cementu o zerowej emisji, gdyby EAF był zasilany energią odnawialną.
„Przeprowadziliśmy serię warsztatów z przedstawicielami branży budowlanej na temat sposobów ograniczenia emisji z tego sektora” – powiedział profesor Julian Allwood z Wydziału Inżynierii Cambridge, który kierował badaniami. „W wyniku tych dyskusji wyszło wiele świetnych pomysłów, ale jedna rzecz, której nie mogli lub nie chcieli wziąć pod uwagę, to świat bez cementu”.
Beton wytwarza się z piasku, żwiru, wody i cementu, który służy jako spoiwo. Chociaż jest to niewielka część betonu, cement odpowiada za prawie 90% emisji betonu. Cement wytwarzany jest w procesie zwanym klinkierowaniem, podczas którego wapień i inne surowce są miażdżone i podgrzewane do temperatury około 1450°C w dużych piecach. Proces ten przekształca materiały w cement, ale uwalnia duże ilości CO2 podczas dekarbonizacji wapienia do wapna.
W ciągu ostatniej dekady naukowcy badali substytuty cementu i odkryli, że mniej więcej połowę cementu w betonie można zastąpić materiałami alternatywnymi, takimi jak popiół lotny, ale te alternatywy muszą zostać chemicznie aktywowane przez pozostałą część cementu, aby stwardnieć.
„To także kwestia wielkości – fizycznie nie mamy wystarczającej liczby tych alternatyw, aby nadążyć za światowym popytem na cement, który wynosi około czterech miliardów ton rocznie” – powiedział Allwood. „Zidentyfikowaliśmy już nisko wiszące owoce, które pomagają nam zużywać mniej cementu dzięki ostrożnemu mieszaniu i mieszaniu, ale aby całkowicie osiągnąć zerową emisję, musimy zacząć myśleć nieszablonowo”.
„Na podstawie poprzednich prac miałem mgliste wyobrażenie, że gdyby możliwe było rozdrobnienie starego betonu poprzez usunięcie piasku i kamieni, podgrzanie cementu usunęłoby wodę, a następnie ponownie utworzyłby się klinkier” – powiedziała pierwsza autorka, dr Cyrille Dunant, także z Wydziału Inżynierii. „Kąpiel w ciekłym metalu pomogłaby w tej reakcji chemicznej, a elektryczny piec łukowy używany do recyklingu stali wydawał się bardzo prawdopodobny. Musieliśmy spróbować”.
Proces klinkierowania wymaga ciepła i odpowiedniej kombinacji tlenków, z których wszystkie znajdują się w zużytym cemencie, ale wymagają reaktywacji. Naukowcy przetestowali szereg żużli wytwarzanych z odpadów rozbiórkowych z dodatkiem wapna, tlenku glinu i krzemionki. Żużele przerabiano w piecu EAF Instytutu Przetwórstwa Materiałów za pomocą roztopionej stali i szybko chłodzono.
„Odkryliśmy, że połączenie klinkieru cementowego i tlenku żelaza to doskonały żużel do produkcji stali, ponieważ pieni się i dobrze płynie” – powiedział Dunant. „A jeśli dobrze zrównoważysz żużel i odpowiednio szybko schłodzisz, otrzymasz reaktywowany cement, bez zwiększania kosztów procesu produkcji stali”.
Cement wytwarzany w tym procesie recyklingu zawiera wyższy poziom tlenku żelaza niż cement konwencjonalny, ale naukowcy twierdzą, że ma to niewielki wpływ na wydajność.
Proces cementowania w Cambridge Electric szybko się rozwija, a naukowcy twierdzą, że do 2050 r. może produkować miliard ton rocznie, co stanowi mniej więcej jedną czwartą obecnej rocznej produkcji cementu.
„Produkcja cementu o zerowej emisji to absolutny cud, ale musimy także zmniejszyć ilość wykorzystywanego cementu i betonu” – stwierdził Allwood. „Beton jest tani, mocny i można go wyprodukować niemal wszędzie, ale używamy go zdecydowanie za dużo. Moglibyśmy radykalnie zmniejszyć ilość używanego betonu bez zmniejszenia bezpieczeństwa, ale aby tak się stało, potrzebna jest wola polityczna .
„Mamy nadzieję, że Cambridge Electric Cement będzie nie tylko przełomem dla branży budowlanej, ale także flagą pomagającą rządowi rozpoznać, że możliwości innowacji na naszej drodze do zerowej emisji wykraczają daleko poza sektor energetyczny”.
Naukowcy złożyli patent na proces, aby wesprzeć jego komercjalizację. Badania były częściowo wspierane przez Innovate UK oraz Radę ds. Badań nad Inżynierią i Naukami Fizycznymi (EPSRC), stanowiącą część brytyjskiej organizacji ds. badań i innowacji (UKRI).