Kako smanjiti ugljične emisije u proizvodnji cementa

Veliki potencijal za smanjenje emisije CO2 je veća upotreba mineralnih dodataka (engl. supplementary cementitious materials – SCM) umjesto klinkera u Portland cementu. Dodatno smanjenje emisije može se postići upotrebom otpada kao goriva

56
cement
[Izvor: Pexels]

Cement je najviše korišteni materijal – čovjek ga koristi više od svih drugih materijala zajedno. Štoviše, u posljednjih nekoliko desetljeća potražnja za cementom raste puno brže od potražnje za svim ostalim materijalima – drvom, čelikom, vapnom, bakrom, staklom, keramikom, asfaltom… Gotovo 90 posto potražnje generiraju zemlje koje nisu članice OECD-a, prvenstveno Indija i Kina. Ukupni obujam proizvodnje cementa u 2022. procjenjuje se na 4,1 milijardu tona, dok je 1995. ukupna globalna proizvodnja cementa iznosila samo 1,39 milijardi tona, što je pokazatelj razmjera do kojeg je građevinska industrija od tada narasla. Procjena je da će do 2050. proizvodnja dosegnuti 6 milijardi tona.

„Kod proizvodnje cementa nastaje emisije stakleničkih plinova zbog različitih dijelova proizvodnog procesa, no osnovna emisija proizlazi iz potrebe da se razdvoji vapnenac na kalcijev oksid, kako bi reagirao sa silicijevim, aluminijevim ili željezovim oksidima iz gline, te kako bi nastali minerali cementa odnosno cementni klinker, koji se onda uz dodatak gipsa melje u cement. Zato se vapnenac s glinom zagrijava iznad 1400 stupnjeva, pri čemu dolazi do oslobađanja kalcijeva oksida, ali i ugljičnog dioksida iz vapnenca (CaCO3)”, tumači Marijana Serdar, izvanredna profesorica sa Zavoda za materijale Građevinskog fakulteta u Zagrebu, u časopisu Mineral&gradnja.

Prilikom proizvodnje jedne tone klinkera nastaje 750 – 900 kilograma ugljičnog dioksida. Pri tome 40 posto emisije generira gorivo, a 60 posto nastaje kemijskim procesima – pretvorbom kalcijeva karbonata u kalcijev oksid.

„U proizvodnji cementa emisije su već značajno srezane smanjenjem udjela klinkera u cementu, uvođenjem mineralnih dodataka, stalnim poboljšanjima energetske učinkovitosti, usvajanjem goriva s niskim udjelom ugljika, poboljšanjima učinkovitosti materijala i uvođenjem inovativnih tehnologija”, dodaje Serdar.

Visoko optimiziran proizvodni proces

Karen Scrivener, profesorica s Politehničke škole u Lausanni (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne), kaže da su cement i beton zapravo materijali s niskim udjelom CO2, a njihov veliki ukupni utjecaj proizlazi iz njihove enormne upotrebe. Uvjerena je da, s obzirom na kemijski sastav našeg planeta, ne postoji održiva alternativa cementu koja bi smanjila emisiju CO2.

Ukratko, natrijev (Na2O) i kalijev (K2O) oksid se prelako otapaju, a željezov (Fe2O3) i magnezijev (MgO) oksid su slabo topivi u alkalnim otopinama. Ostaju kalcijev oksid (CaO), silicijev dioksid (SiO2) i aluminijev oksid (Al2O3), ali samo prvi i treći imaju potrebna svojstva.

Boksit je najrasprostranjenija aluminijeva ruda i koristi se za proizvodnju aluminija, što ga čini skupim, pa takav način proizvodnje cementa nije održiv. Osim toga, tako bismo mogli zamijeniti tek 10-15 posto potreba za cementom, tumači Scrivener. Tako tradicionalni Portland cement ostaje najbolja opcija.

Scrivener ističe kako je proces proizvodnje cementa danas visoko optimiziran, tako da su daljnje moguće uštede što se tiče samog procesa manje od dva posto. No, veliki potencijal za smanjenje emisije CO2 je veća upotreba mineralnih dodataka (engl. supplementary cementitious materials – SCM) umjesto klinkera u Portland cementu. Dodatno smanjenje emisije može se postići upotrebom otpada kao goriva. Hvatanje i skladištenje ugljika također može biti korisno, ali smatra da bismo, zbog vrlo visokih troškova te tehničkih i društvenih ograničenja, prvo trebali maksimizirati druge načine smanjenja ugljičnih emisija.

Mineralni dodaci

Mineralni dodaci koji se dodaju umjesto klinkera su najčešće industrijski nusproizvodi – leteći pepeo iz termoelektrana ili zgura (šljaka, troska, drozga) iz čeličana. Takvi klasični SCM-ovi danas čine samo 15 posto ukupne proizvodnje cementa, a uskoro će pasti ispod deset posto.

„Kako će se dostupnost letećeg pepela (cilj EU da smanji energetsku ovisnost o ugljenu) i zgure (cilj industrije čelika da unaprijedi proizvodnju, nekontrolirani rast cijene čelika zbog političkih događaja) s vremenom smanjivati, tako postoji potreba za pronalaskom novih zamjenskih mineralnih dodataka ili novih vrsta bezcementnih veziva”, objašnjava Marijana Serdar.

Mineralni dodaci koji mogu zamijeniti klinker su i silikatna prašina, pepeo od toplinske obrade biomase, biljni pepeo, vulkanski prah, otpadno staklo, vapnenac ili glina. „Najdalje se otišlo s cementima s velikim udjelom gline i vapnenca”, napominje Serdar.

Takva veziva koriste veliki udio reaktivne gline, koja se kalcinira (zagrijava) na oko 800 stupnjeva, umjesto na 1.400 kao kod klasičnog cementa. Glina se miješa s klasičnim cementnom i dodaje se vapnenac koji nije toplinski tretiran. Tako se značajno smanjuje emisija CO2 i energija potrebna za proizvodnju.

Ovakva vrsta cementa istraživala se u Hrvatskoj, u suradnji s Ecole Polytechnique u Lausanni (EPFL), s profesoricom Scrivener, u sklopu projekta „Advanced Low CO2 Cementitious Materials, ACT” (No 180590), financiranog u okviru Hrvatsko-švicarskog istraživačkog programa Hrvatske zaklade za znanost i Švicarske nacionalne zaklade za znanost putem sredstava Švicarsko-hrvatskog programa suradnje.

U sklopu projekta su detektirane gline od interesa za proizvodnju ovakvih vrsta cemenata u Hrvatskoj i u regiji. Predstavnici svih proizvođača cemenata u Hrvatskoj su sudjelovali na nedavno održanom okruglom stolu na Građevinskom fakultetu u Zagrebu, na kojem je profesorica Scrivener objašnjavala postupak i prednosti proizvodnje ovakve vrste cementa. Osnovna prednost ovakvih materijala je što se proizvodni proces značajno ne razlikuje od klasične proizvodnje cementa.

Scrivener smatra kako je, s obzirom na dostupnost spomenutih mineralnih dodataka, u predvidljivoj budućnosti jedini održivi zamjenski materijal kalcinirana glina.

“Druga jaka struja je proizvodnja bezcementnih veziva, koja se dobivaju kemijskom aktivacijom određenih materijala”, kaže Marijana Serdar. „Princip je da se korištenjem alkalija potakne reaktivnost materijala, poput letećeg pepela i zgure, te oni počinju očvršćavati poput cementa. Dobivaju se betoni sličnih mehaničkih svojstava, a mogu imati značajnije poboljšana trajnosna svojstva (poput poboljšane nepropusnosti klorida, korozijska otpornost). U literaturi se nazivaju alkalno-aktivirani materijali ili geopolimeri”.
Osnovni nedostatak je upotreba kemikalija (sigurnost za djelatnike, velike emisije prilikom proizvodnje kemikalija) te nedostatak materijala koji bi se aktivirali (koriste se isti materijali kao za miješane cemente). Sama proizvodnja je nešto drugačija, što je također nedostatak ove metode.

„Ovakva vrste ‘bezcementih’ veziva sigurno će biti jedna od mogućnosti za smanjenje emisije. Iako je već pronašlo mjesto na tržištu, malo je vjerojatno da će zauzeti značajan tržišni udio u betonskoj industriji”, procjenjuje Serdar.

Dodaje da u Hrvatskoj postoji interes za ovu vrstu materijala: „Istraživanja idu u smjeru pronalaska alternativnih kemikalija/materijala pomoću kojih bi se mogla napraviti aktivacija, pa se istražuju crveni mulj ili razni biološki materijal (ljuskice raznih sjemenki)”.
Ova i slična alternativna veziva istraživana su u sklopu projekta Alternativna veziva za beton: razumijevanje mikrostrukture za predviđanje trajnosti, ABC (UIP-05-2017), koji su financirani od strane Hrvatske zaklade za znanost. U sklopu ovog projekta formirana je i istraživačka skupina LATOM, koju vodi izv. prof. Marijana Serdar, a koja je upravo usmjerena pronalasku izvedivih rješenja za smanjenje ekološkog utjecaja građevinske industrije.

Marijana Serdar na kraju je spomenula i istraživanja koja su tek u povojima, a tiču se primjene CO2 u proizvodnji i njegovanju građevinskih materijala. Kako bi se smanjila količina stakleničkih plinova, postoje strategije hvatanja ugljika i skladištenja ili korištenja (engl. Carbon capture, storage and utilisation).

„Cementne industrije idu prema strategiji hvatanja i skladištenja. No, ono što znanstvena zajednica pokušava predložiti i detaljno istražiti je alternativa skladištenju, korištenje uhvaćenog ugljičnog dioksida za aktivaciju ili njegovanje betona. Tako bi se dio CO2 skladištio aktivno i trajno unutar građevinskog materijala”, tumači Serdar.

Hrvatski proizvođači cementa prate globalne trendove u dekarbonizaciji, No, smanjeni ugljični otisak u Hrvatskoj još uvijek nije presudan parametar za odabir tipa cementa za određeni projekt, iako okolišni aspekt i vizija održive gradnje ipak postaju učestaliji čimbenici prilikom odluke.

Potražnja za niskougljičnim proizvodima bit će ključ uspjeha europskog zelenog plana, a jedna od mogućnosti koja još nije dosegla puni potencijal je zelena javna nabava, koja propisuje uvjete i zahtjeve za manjim ugljičnim otiskom proizvoda i usluga koje kupuju, poruka je hrvatskih proizvođača cementa.


Cijeli tekst objavljen je u časopisu Mineral&Gradnja br. 152 (04/2023), autor: Tihomir Dokonal. Sva prava pridržana @Mineral&Gradnja