Betonowy świat, czyli o dwutlenku węgla podczas produkcji cementu

0
163

Producenci cementu od dawna są na celownikach środowiskowych aktywistów. Nic dziwnego, skoro ich wkład do ogólnej puli emisji dwutlenku węgla sięga nawet 5%. Cementownie należą (obok stalowni) do grona najbardziej trujących przedstawicieli przemysłu produkcyjnego, który w całości odpowiada za emisję niemal ⅓ wszystkich gazów cieplarnianych. Na domiar złego wygląda na to, iż procesu ich produkcji nie można zmodyfikować tak, by pozbawić go kompletnie śladu węglowego. 

Energia w procesach produkcyjnych cementu

Produkcja cementu jest chyba najbardziej newralgiczną działalnością produkcyjną w kontekście redukcji emisji dwutlenku węgla. CO2 generowany jest bowiem zarówno podczas produkcji energii niezbędnej do zasilania procesów produkcyjnych, jak i stanowi produkt uboczny reakcji chemicznych zachodzących podczas samej produkcji cementu (emisja procesowa). 

Ogromne ilości energii wykorzystywane podczas wytwarzania cementu (bardzo wysoka temperatura) powodują, że jedyną w tym momencie alternatywą dla paliw kopalnych jest, mająca coraz słabsze społecznie poparcie, energia jądrowa – źródło gwarantujące właściwą realizację procesów technologicznych przy jednoczesnej redukcji śladu węglowego (w Polsce wykorzystuje się w pewnym zakresie paliwo alternatywne RDF, pochodzące z odpadów komunalnych materiały o dużej wartości opałowej. Zastępują one węgiel kamienny i prowadzą do częściowego ograniczenia emisji CO2).

Emisja procesowa

O ile jednak można wyobrazić sobie system produkcji czystej energii cieplnej z pominięciem paliw kopalnych, o tyle obejście reakcji chemicznych jest po prostu niemożliwe. Aby otrzymać cement potrzebujemy wapienia, który uzyskuje się ze skały wapiennej (węglan wapnia) w procesie spalania. Niestety skała zawiera również węgiel i tlen – oprócz tlenku wapnia (i pary wodnej) w piecu powstaje także CO2. Na obecnym etapie technologicznym nie da się wyprodukować cementu z pominięciem tego procesu. Równania chemiczne są bezwzględne. Ilościowo rzecz ujmując, podczas produkcji tony cementu, w zależności od zawartości wapienia w klinkierze oraz użytej technologii, może powstać od 500. do nawet 1000. kilogramów CO2. Należy zaznaczyć, iż rocznie zużywamy obecnie około 4,5 miliarda ton cementu, i nie zanosi się, iż liczba ta miałaby się zmniejszyć w przyszłości.

Ograniczenie CO2

Aby zatem ograniczyć emisję CO2 z pomocą musi przyjść technologia. Pracuje się nad różnymi metodami wychwytywania dwutlenku węgla (zanim ten przedostanie się do atmosfery) wraz z odpowiednimi pomysłami dotyczącymi jego wykorzystania. Bill Gates w swej książce Jak ocalić świat od katastrofy klimatycznej* wspomina o dwóch rozwijanych metodach. I tak, jednym z pomysłów jest wtłaczanie wychwytywanego dwutlenku węgla do cementu tuż przed jego wykorzystaniem. Możliwą redukcję emisji szacuje się w tym przypadku na około 30% (w momencie maksymalnego rozwoju tej technologii). Nieco bardziej fantastyczna wizja otrzymywania cementu związana jest z wykorzystaniem podczas jego produkcji wody morskiej i dwutlenku węgla wychwytywanego przez instalacje elektrowni dziłających na paliwa kopalne. Efektywność tej technologii szacuje się na 70%.

Technologia obiegu wapnia Cleanker

Wspomnieć należy także o technologii obiegu wapnia Cleanker, która ma pozwolić na zmniejszenie emisji dwutlenku węgla z cementowni nawet do 90%. Podstawowym aspektem, która odróżnia projekt Cleanker od innych technologii wychwytujących CO2 w cementowniach jest sam charakter procesu, który ma miejsce podczas wypalania, a nie po jego zakończeniu. Zaletą technologii jest także brak konieczności modyfikacji samego pieca pracującego w cementowni. Wykonane symulacje efektywności tej technologii wskazujące na możliwość uzyskania bardzo wysokiej sprawności wychwytu CO2 dają asumpt do prowadzenia badań i pełnoskalowego wdrażania tej metody.

Beton geopolimerowy

Alternatywą dla tradycyjnego betonu otrzymywanego z cementu klinkierowego może być ​​beton geopolimerowy, aktywowane alkalicznie spoiwo, które nie jest oparte na węglanie wapnia (nie wymaga wypalania). Z jego produkcją związana jest dużo mniejsza emisja CO2, bez utraty parametrów jakościowych produktu. Technologia ta pozwala na redukcję CO2 na poziomie od 70% do 90% w porównaniu do produkcji cementu klinkierowego (przy założeniu idealnych warunków: zastosowania nowych, maksymalnie efektywnych urządzeń, oraz surowców o właściwych parametrach). Sposoby produkcji takiego spoiwa geopolimerowego związane są z wykorzystaniem produktów ubocznych w postaci popiołów lotnych oraz żużla wielkopiecowego, co stanowi dodatkowy zysk środowiskowy Oczywiście geopolimery wymagają specjalnych linii produkcyjnych, co ogranicza zainteresowanie nimi ze strony przemysłu cementowego, który musiałby ponosić dodatkowe koszty inwestycyjne. Produkcję betonu geopolimerowego hamuje także jego wysoka cena podyktowana koniecznością zastosowania odpowiednio dużych ilości komponentów (wodorotlenek sodu, wodne roztwory krzemianów).

Koszty i ceny

Wydaje się, iż stosunkowo realne w obszarze ograniczeń emisji CO2 są różne metody jego sekwestracji oraz wychwytywania go z powietrza. To systemy typu CCS oraz DAC, o których szerzej już pisaliśmy. Są to niestety także bardzo kosztowne systemy, co w przełożeniu na nieunikniony w tym kontekście wzrost cen cementu, hamuje ich szerokie zastosowanie. Z pomocą mogą przyjść stosowne przepisy umożliwiające skuteczną konkurencję droższego cementu wyprodukowanego z wykorzystaniem zielonych technologii. Może wiązać się to z systemem ulg albo nawet wymogów wymuszających zakup czystego cementu. Działania takie mogą być skuteczne, jednak decydujący głos wydaje się należeć do technologii. Niestety globalne ograniczenie emisji CO2 nie będzie zadaniem łatwym. Na przykładzie produkcji cementu widać jak ogromne trudności i wyzwania czekają na drodze w kierunku gospodarki zeroemisyjnej.

*Bill Gates, Jak Ocalić Świat od Katastrofy Klimatycznej, Agora SA, Warszawa 2021.