Cement wiąże piasek i kruszywo, używane do produkcji betonu. Obecnie stosowany jest w budownictwie cement portlandzki. Do jego produkcji wykorzystuje się wapień, co wymaga podgrzania do wysokiej temperatury. Produkcja cementu odpowiada za kilka proc. globalnej emisji CO2. Jej ograniczenie mogłoby złagodzić proces zmian klimatu.

Bazalt to skała wulkaniczna o ciemnej barwie i bardzo drobnoziarnistej, zbitej strukturze. Mniej więcej w połowie składa się z krzemianów, zawiera też związki wapnia, żelazo czy aluminium. Zdaniem naukowców z University of California – Santa Barbara (USA) produkcja cementu z bazaltu zamiast wapienia może zmniejszyć zarówno zapotrzebowanie na energię, jak i emisję CO2.

„Cement ledwo pojawia się w opinii publicznej jako główny czynnik napędzający zmiany klimatu, ale emisja CO2 z jego produkcji jest porównywalna do emisji wszystkich samochodów osobowych na świecie” – powiedział Jeff Prancevic, geolog z University of California–Santa Barbara.

Wyniki badań przeprowadzonych przez Prancevica i Cody'ego Finke z Brimstone Energy Inc. sugerują nowy sposób na zmniejszenie śladu węglowego cementu. Naukowcy odkryli, że produkcja cementu portlandzkiego na bazie krzemianów mogłaby zużywać mniej niż 60 proc. energii potrzebnej do przetwarzania wapienia, zmniejszając emisję dwutlenku węgla o ponad 80 proc., co dawałoby także korzyści ekonomiczne.

Obecna metoda wymaga podgrzania wapienia do ponad 1500 st. C, aby wytworzyć kluczowy składnik – wapno palone (tlenek wapnia). Uwolniony węgiel i tlen uciekają w postaci dwutlenku węgla – około 500 kg na tonę wyprodukowanego cementu, nie licząc dodatkowych emisji związanych z energią zużytą w procesie.

Prancevic, Finke i ich współpracownicy zbadali, czy bogate w wapń skały krzemianowe, takie jak bazalt czy gabro, mogłyby być praktycznym zamiennikiem wapienia. Korzystając z istniejących map geologicznych stwierdzili, że ich ilość jest wystarczająca, aby zapewnić produkcję cementu przez kilkaset tysięcy lat - przy obecnym poziomie produkcji. „Nie cały ten bazalt jest łatwo dostępny” – powiedział Prancevic – „ale liczby sugerują, że wapń z bazaltu jest praktycznie niewyczerpalny”.

Autorzy oszacowali, że teoretyczne minimalne zapotrzebowanie na energię przy produkcji cementu z bazaltu wynosi mniej niż 60 proc. w porównaniu z przetwarzaniem wapienia. Przy wykorzystaniu gazu ziemnego jako źródła energii minimalna emisja dwutlenku węgla na tonę wyprodukowanego cementu spadła z 609 kg do około 50 kg, w zależności od rodzaju użytej skały.

Nawet bez optymalizacji, przy średnim zużyciu energii elektrycznej z sieci, nowy proces zmniejszyłby emisję dwutlenku węgla o ponad 25 proc. w porównaniu z obecnym standardowym procesem wykorzystującym wapień.

Z drugiej strony oczyszczanie wapnia z minerałów krzemianowych stanowi po prostu znacznie większe wyzwanie inżynieryjne niż oczyszczanie wapnia z wapienia, który jest bogaty w wapń. „Jestem więc dość zaskoczony, że wydają się istnieć wykonalne, energooszczędne procesy, z którymi można eksperymentować” - wskazał Pancevic.

Autorzy zauważają, że skały krzemianowe zazwyczaj zawierają różnorodne cenne metale, które można odzyskać jako produkty uboczne podczas przemysłowej produkcji cementu. Chodzi zwłaszcza o żelazo i aluminium. Z bazaltu można by uzyskać mniej więcej tyle żelaza, ile obecnie zużywamy, oraz około 20 razy więcej aluminium, niż wynoszą obecne potrzeby. Uzyskiwanie kilku produktów z tego samego surowca minimalizuje straty materiałów i energii.

Pomimo zalet pozyskiwanie cementu z krzemianów może być trudne. Cement jest tani (około 150 dolarów za tonę), a proces produkcji cementu portlandzkiego z wapienia był optymalizowany od ponad wieku. „Przemysł budowlany opiera się na cemencie portlandzkim, od projektu, przez montaż, po konserwację” – podkreślił Prancevic. - „Nawet drobne zmiany w normach są skrupulatnie rozważane i powoli wdrażane. Właśnie dlatego skupiliśmy się na technologii, aby produkować te same cementy, do których przywykli budowniczowie”.

Alternatywne cementy o niższej emisji dwutlenku węgla istnieją od dziesięcioleci, ale bez nacisku na dekarbonizację firmy mogą nie podjąć ryzyka finansowego, aby je stosować. Nowe podejście do produkcji cementu portlandzkiego pozwala na wpasowanie się w istniejące łańcuchy dostaw, będzie to jednak wymagało wykazania znacznych oszczędności, aby wyprzeć metody produkcji zakorzenione w branży.

„Nasz artykuł jest wezwaniem dla innych badaczy do eksperymentowania z nowymi technologiami w celu przyspieszenia dekarbonizacji cementu” – powiedział Prancevic. – „Ponieważ istnieje potencjał rozwiązania problemu klimatycznego tak dużego, jak wpływ samochodów, po prostu poprzez pozyskiwanie wapnia z innej skały”.

Paweł Wernicki (PAP)

pmw/ zan/