ثورة خضراء ضرورية للغاية في إنتاج الأسمنت

يعد الأسمنت مادة أساسية في عالمنا الحديث اليوم. فهو يستخدم في بناء منازلنا ومكاتبنا وجسورنا وسدودنا وطرقنا وأرصفتنا. وفي كل عام، ننتج أكثر من أربعة مليارات طن من الأسمنت على مستوى العالم من حوالي 4000 مصنع، مما يؤدي إلى إنتاج 30 مليار طن من الخرسانة، وهو الاستخدام الأكثر شيوعًا.

ولكن إنتاج الأسمنت يشكل مصدراً رئيسياً لانبعاثات الكربون. فهو مسؤول عن 7% من الانبعاثات العالمية. ولو كانت صناعة الأسمنت دولة، فإنها ستحتل المرتبة الرابعة من حيث انبعاثات الكربون، على قدم المساواة مع روسيا، وتتخلف فقط عن الصين والولايات المتحدة والهند.

إن الانبعاثات من صناعة الأسمنت تعادل تقريباً الانبعاثات من صناعة الصلب. وهذا يجعل صناعة الأسمنت والصلب من أكثر القطاعات الصناعية تلويثاً للبيئة. وعلى النقيض من صناعة الصلب، حيث يمكن للتكنولوجيا أن تغير جذرياً عملية الإنتاج وتقضي على كل الانبعاثات تقريباً، فإن إنتاج الأسمنت يتطلب بطبيعته كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون. فالتحول الكيميائي للمواد الخام إلى أسمنت ينبعث منه ثاني أكسيد الكربون، ولا مفر من ذلك، حيث تشكل "انبعاثات العملية" هذه 60% من الإجمالي. أما النسبة المتبقية البالغة 40% فتأتي من درجات الحرارة المرتفعة المطلوبة (حوالي 1450 درجة مئوية)، والتي يتم تحقيقها عادة عن طريق حرق الفحم أو النفايات البلاستيكية.

إذن، ما الذي تستطيع شركات الأسمنت فعله لخفض الانبعاثات، وبأي تكلفة؟ لحسن الحظ، هناك حلول. إذ يمكنها التقاط ثاني أكسيد الكربون وتخزينه بشكل دائم أو التحول إلى مصادر تدفئة أكثر استدامة. وسنتناول هذه الحالات التجارية بالتفصيل في هذه المقالة.

وبحسب وكالة الطاقة الدولية، من المتوقع أن يرتفع إنتاج الأسمنت بنسبة 17% بحلول عام 2050 في ظل السياسات الحالية. وحتى في سيناريو اقتصاد صفري صافي، تظل مستويات الإنتاج قريبة من مستوياتها الحالية، مما يسلط الضوء على حقيقة مفادها أن الأسمنت والخرسانة سيستمران في أداء أدوارهما الحالية كمواد بناء مهمة.

وبدوره، فإننا نستكشف في هذه المقالة فقط سبل تحويل إنتاج الأسمنت والخرسانة إلى إنتاج صديق للبيئة. وفي الوقت الحالي، لن نتطرق إلى سبل الحد من الطلب على الأسمنت، على سبيل المثال عن طريق استبدال الخرسانة بالخشب في المباني أو تحسين تصميم المباني.

CCS: أهمية التقاط الكربون وتخزينه

إن نشر تقنية احتجاز الكربون وتخزينه أمر لا مفر منه دون توافر تقنيات جديدة قادرة على تغيير العملية الكيميائية لصناعة الأسمنت بشكل جذري. وبالتالي فإن تقنية احتجاز الكربون وتخزينه تشكل جزءاً لا يتجزأ من أي سيناريو لإزالة الكربون من القطاع ويمكن تطبيقها على كل من العملية والانبعاثات الناجمة عن التدفئة.

إن التقاط الكربون وتخزينه قادر على خفض انبعاثات الأسمنت بنحو 85%، استناداً إلى افتراضاتنا وحساباتنا، وهو إنجاز كبير. فضلاً عن ذلك، فإنه يزيد من تكلفة إنتاج الأسمنت بشكل طفيف ــ بنحو 10% في حالتنا المرجعية، حيث يمكن نقل ثاني أكسيد الكربون عبر خطوط الأنابيب وتخزينه على مسافة 150 كيلومتراً. وبالنسبة للعديد من مصانع الأسمنت، فإن التقاط الكربون وتخزينه سيكون الحل الأكثر فعالية وفعالية من حيث التكلفة لإزالة الكربون.

إن التقاط وتخزين انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، إلى جانب استخدام وقود التدفئة الأكثر نظافة، يمكن أن يقلل بشكل كبير من الانبعاثات، على الرغم من أن كل منهما يأتي بتكاليف مختلفة

الانبعاثات الإرشادية وتكاليف إنتاج الكلنكر

المصدر: ING Research

لماذا لن يكون التقاط الكربون وتخزينه حلاً في الأمد القريب لكل مصنع للأسمنت؟

وتختلف تكلفة التقاط الكربون وتخزينه بشكل كبير حسب موقع الموقع، وغالبًا ما تكون مرافق إنتاج الأسمنت منتشرة على نطاق واسع عبر بلد أو منطقة.

على سبيل المثال، يوجد في أوروبا نحو 300 مصنع. ويقع بعضها بالقرب من الساحل، مما يسمح بنقل ثاني أكسيد الكربون إلى مواقع التخزين البحرية عبر خطوط الأنابيب. وتفترض حساباتنا أن ثاني أكسيد الكربون يمكن نقله "بتكلفة زهيدة". ونفترض أن نقله عبر خطوط الأنابيب إلى موقع تخزين بحري في مسافة أقصاها 150 كيلومتراً، وهو أمر ممكن بالنسبة لدول مثل النرويج والمملكة المتحدة وهولندا. وفي الوقت الحالي، يجري تطوير خطوط أنابيب ثاني أكسيد الكربون في التجمعات الصناعية الكبرى في هذه البلدان، مما يتيح لمصانع الأسمنت في هذه المناطق الاستفادة من انخفاض تكاليف النقل. ومن المرجح أن تكون هذه المواقع هي الأولى التي تطبق تكنولوجيا التقاط الكربون وتخزينه.

وتقع العديد من المحطات في المناطق الداخلية ــ بعيداً عن التجمعات الصناعية التي تحتوي على خطوط أنابيب لنقل ثاني أكسيد الكربون، ولكنها قريبة من الأنهار، مما يسمح بنقل ثاني أكسيد الكربون بواسطة السفن. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة أكثر تكلفة إلى حد كبير، وخاصة لمسافات تصل إلى 500 كيلومتر. ويمكن لهذه المواقع أيضاً تطبيق تكنولوجيا التقاط الكربون وتخزينه بمجرد توفر الموانئ حيث يمكن للسفن تفريغ شحنات ثاني أكسيد الكربون.

وبالإضافة إلى ذلك، توجد مصانع أسمنت تقع في أعماق المناطق الداخلية، ولا توجد خيارات مجدية لنقل ثاني أكسيد الكربون عبر خطوط الأنابيب أو السفن، حتى في المستقبل. وفي مثل هذه الحالات، يمكن نقل ثاني أكسيد الكربون بالشاحنات، ولكن هذا من شأنه أن يزيد من التكاليف وانبعاثات الكربون لأنه يخلق العديد من تحركات الشاحنات. ولن يتم تطبيق التقاط الكربون وتخزينه بسهولة أو بسرعة في هذه المواقع.

وبشكل عام، تتراوح تكلفة التقاط طن واحد من الكربون الناتج عن إنتاج الأسمنت ونقله وتخزينه بشكل دائم من 50 إلى 200 يورو، وذلك حسب موقع الموقع ووسيلة النقل (تكلفة منخفضة بالنسبة لخطوط الأنابيب، وتكلفة عالية بالنسبة للسفن).

تبديل مصادر التدفئة

الهيدروجين الأخضر قوي - لكنه أيضًا باهظ الثمن وثمين للغاية

إن استخدام الهيدروجين كوقود هو أحد السبل لتحقيق درجات الحرارة المرتفعة اللازمة لتصنيع الأسمنت. ومن الناحية النظرية، يمكن للهيدروجين الأخضر أن يحل محل الفحم والنفايات كمصدر للتدفئة. ورغم أن هذا لن يقلل من انبعاثات العملية (فهو يتطلب التقاط وتخزين الكربون)، فإنه سيقلل من إجمالي انبعاثات الأسمنت بمقدار الثلث لأن عملية التسخين نفسها لن تنبعث منها ثاني أكسيد الكربون.

ولكن هناك عيوب كبيرة لاستخدام الهيدروجين الأخضر في صناعة الأسمنت. ففي الوقت الحالي، من المتوقع أن يتضاعف تكلفة إنتاج الأسمنت تقريبًا. ولا تزال هذه التكنولوجيا غير مجربة، ولا يتوفر ما يكفي من الهيدروجين الأخضر في المستقبل المنظور لتلبية الطلب الهائل على الطاقة في هذه الصناعة.

علاوة على ذلك، يعد الهيدروجين الأخضر موردًا قيمًا للغاية يمكن استخدامه بشكل أكثر فعالية لإزالة الكربون من القطاعات الأخرى. في الصناعات مثل صناعة الصلب والشحن والطيران، يتمتع الهيدروجين الأخضر بالقدرة على تحويل العمليات كثيفة الكربون إلى عمليات خالية من الوقود الأحفوري. على سبيل المثال، يمكن استخدامه لإنتاج الوقود الاصطناعي للسفن والطائرات والشاحنات، أو للقضاء على الفحم في إنتاج الصلب.

إن تطبيقات الهيدروجين الأخضر أكثر تحولاً من مجرد استبدال الوقود الأحفوري مع ترك عملية تصنيع الأسمنت دون تغيير. ومن المرجح أن تدفع الصناعات الأخرى أسعاراً أعلى للهيدروجين الأخضر نتيجة لذلك. لذلك نعتقد أن الهيدروجين سوف يتقدم بشكل أسرع في القطاعات الأخرى كثيفة الطاقة.

خطوات صغيرة، تأثير كبير؛ التحسينات الهامشية مهمة

حتى الآن، استكشفنا الحلول الأكثر جذرية للحد من الانبعاثات. ولحسن الحظ، هناك أيضًا خطوات أصغر وتدريجية يمكن أن تحدث فرقًا. وفي حين أن هذه التدابير قد لا تخفض الانبعاثات بنسبة عشرات النقاط المئوية في كل مصنع، فإن تطبيقها على نطاق واسع في جميع المصانع يمكن أن يؤثر بشكل كبير على إجمالي انبعاثات القطاع. من المؤكد أنها لا تلغي الحاجة إلى التقاط الكربون وتخزينه - لكنها تحد من مدى الحاجة إلى التقاط الكربون وتخزينه.

إن عملية تصنيع الأسمنت لم تتغير تقريباً منذ أن تم تطويرها لأول مرة، باستثناء زيادة كفاءة الطاقة. لقد حققت أفران الأسمنت التقليدية بالفعل كفاءة طاقة تزيد عن 60% ومن غير المرجح أن تشهد ترقيات كبيرة، ولكن على مستوى المصنع قد يكون هناك مجال للتحسين. ويمكن تحقيق مكاسب أكبر من خلال استخدام الحرارة المتبقية في عمليات صناعية أخرى، أو لتدفئة المنازل من خلال بناء شبكات التدفئة.

استخدام كمية أقل من الكلنكر

إن الأسمنت البورتلاندي هو أكثر أنواع الأسمنت استخداماً، ويحتوي على نسبة 95% من الكلنكر. ويمكن استبدال الكلنكر جزئياً بمواد أسمنتية تكميلية، مثل الرماد المتطاير من محطات الطاقة العاملة بالفحم وخبث أفران الصهر الناتجة عن صناعة الصلب. ويؤدي هذا الاستبدال إلى خفض نسبة الكلنكر، مما يقلل من استخدام الطاقة ويتجنب بعض الانبعاثات المتأصلة في إنتاج الكلنكر. ومع ذلك، ومع ابتعاد قطاعي الطاقة والصلب في أوروبا عن الفحم، فإن هذه المواد الخام البديلة سوف تصبح أقل توفراً.

المعالجة المشتركة للكتلة الحيوية

تُعَد منتجات الفحم والنفايات أكثر أنواع الوقود شيوعًا لتوليد الحرارة اللازمة لعملية إنتاج الأسمنت. ويمكن أيضًا استخدام الكتلة الحيوية في الحرق المشترك، على الرغم من أن استبدالها بالكامل يمثل تحديًا تقنيًا بسبب القيمة الحرارية المنخفضة لمعظم المواد العضوية. تُعَد الكتلة الحيوية ذات المصادر المستدامة وقودًا خالٍ من الانبعاثات بموجب الإرشادات الحالية، وبالتالي تقلل من البصمة الكربونية للأسمنت. ولكن هنا أيضًا، كما هو الحال مع الهيدروجين الأخضر، يمكن للكتلة الحيوية أن تضيف المزيد من القيمة في إضفاء الطابع الأخضر على القطاعات الأخرى كثيفة الاستهلاك للطاقة. لذا، مع تحركنا نحو اقتصاد خالٍ من الانبعاثات، نتوقع أن يكون استخدامها في صناعة الأسمنت مقيدًا بالطلب المرتفع في القطاعات الأخرى.

تطبيق مبادئ الاقتصاد الدائري

إن تبني مبادئ الاقتصاد الدائري يمكن أن يقلل بشكل كبير من الطلب على الأسمنت. ويشمل ذلك تحسين التصميمات الهيكلية لاستخدام كميات أقل من الخرسانة، وإنشاء البنية الأساسية التي يمكن تفكيكها بسهولة لإعادة الاستخدام وإعادة التدوير، واستبدال الخرسانة بمواد خالية من ثاني أكسيد الكربون مثل الخشب. وهو موضوع مهم ومثير للاهتمام - ولكننا لن نتعمق فيه في هذه المقالة بسبب تركيزها على إنتاج الأسمنت الأخضر.

تحويل الخرسانة إلى مادة خضراء – تحويل الأسمنت إلى مصدر للكربون

في حين أن التفاعل الكيميائي للأسمنت ينتج ثاني أكسيد الكربون بطبيعته، يمكن أيضًا استخدام نفس التفاعل بترتيب عكسي لتخزين ثاني أكسيد الكربون في الخرسانة، المنتج النهائي الرئيسي للأسمنت. يتضمن حقن ثاني أكسيد الكربون أثناء إنتاج الخرسانة إدخال ثاني أكسيد الكربون المحتجز في خليط الخرسانة. تعمل هذه العملية الكيميائية على تضمين ثاني أكسيد الكربون بشكل دائم في الخرسانة.

إن الشركات مثل كاربون كيور قادرة على تخزين ما يصل إلى 18 كيلوغراماً من ثاني أكسيد الكربون لكل متر مكعب من الخرسانة. وهذا لا يزال يشكل جزءاً ضئيلاً من 350 كيلوغراماً من ثاني أكسيد الكربون التي تأتي مع استخدام الأسمنت غير المخفف في الخرسانة (اعتماداً على نوع الأسمنت ومزيج الخرسانة، تتراوح الانبعاثات من 250 إلى 400 كيلوغرام). ولكن هذا الرقم ينخفض إلى حوالي 50 كيلوغراماً من ثاني أكسيد الكربون إذا تم التقاط ثاني أكسيد الكربون وتخزينه أثناء إنتاج الأسمنت.

وبالتالي، فإن حقن ثاني أكسيد الكربون في الخرسانة، إلى جانب احتجاز الكربون وتخزينه في إنتاج الأسمنت، من شأنه أن يوفر حلولاً جديدة وإمكانية إنتاج أسمنت وخرسانة خالية من الكربون في المستقبل. ومن الممكن تعويض الانبعاثات المتبقية في أسواق الكربون الطوعية (32 كيلوغراماً من ثاني أكسيد الكربون لكل طن من الخرسانة في مثالنا).

استراتيجيات نحو الخرسانة الخالية من الكربون

التأثير الإرشادي لتدابير خفض ثاني أكسيد الكربون بالكيلوغرام من ثاني أكسيد الكربون لكل طن من الخرسانة

المصدر: ING Research

إن صناعة الأسمنت لا تزال أمامها طريق طويل لتحقيق الحياد الكربوني، كما تواجه كل من حقن ثاني أكسيد الكربون واحتجاز الكربون وتخزينه تحديات كبيرة. ولا تزال هذه التقنيات في مهدها وتأتي بتكاليف عالية ــ هذا إذا كانت متاحة على الإطلاق.

إن الابتكار في سلسلة توريد الأسمنت والمزيد من البحوث أمر بالغ الأهمية لضمان أن تلبي الخرسانة المحقونة بثاني أكسيد الكربون معايير وأكواد البناء المحلية. ويمكن للمشاريع التجريبية أن تساعد في بناء الحجة التجارية للخرسانة المحايدة للكربون، مما يجعلها قابلة للتطوير وفعالة من حيث التكلفة. في الوقت الحالي، لا يشكل الطلب مشكلة؛ فالمطورون والمستثمرون الرائدون على استعداد لبناء مبانٍ خالية من الكربون ودفع علاوة مقابل ذلك، وخاصة في الأسواق الراقية. ويحتاج صناع السياسات إلى تلبية أهداف الانبعاثات الخاصة بهم، والتي يأخذ الأسمنت جزءًا كبيرًا منها. وهذا يفرض ضغوطًا على منتجي الأسمنت وصناع السياسات لجعل الصناعة خضراء موقعًا تلو الآخر.

الملحق: شرح تقني للأسمنت من قبل خبير اقتصادي

تبدأ عملية إنتاج الأسمنت بتحضير المواد الخام - الحجر الجيري والحصى والطين، حيث يتم طحنها إلى مسحوق ناعم. ثم يتم إنتاج كلينكر الأسمنت عن طريق إضافة الحجر الجيري المحضر إلى فرن الأسمنت عند درجة حرارة حوالي 1450 درجة مئوية. وهذا يسمح بتكليس الحجر الجيري إلى أسمنت وثاني أكسيد الكربون. يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي أو احتجازه وتخزينه بشكل دائم باستخدام تقنية احتجاز الكربون وتخزينه.

إنتاج الأسمنت مع أو بدون التقاط الكربون وتخزينه

المصدر: ING Research

الافتراضات الاقتصادية موضحة

يتم حساب التكاليف من منظور شمال غرب أوروبا وعلى أساس العديد من الافتراضات الاقتصادية والكيميائية. نسرد هنا افتراضاتنا الاقتصادية الرئيسية: سعر الغاز 35 يورو/ميغاواط ساعة، وسعر الطاقة 85 يورو/ميغاواط ساعة، وسعر الكربون 65 يورو/طن مع تسعير الكربون الكامل (بدون مخصصات مجانية)، وسعر الفحم 110 يورو/طن.

لقد طبقنا تكاليف تقنية قدرها 21 يورو للطن سنويا لفرن الأسمنت الذي يعمل 95% من الوقت (عامل القدرة). يتم التقاط ثاني أكسيد الكربون ونقله عبر خطوط الأنابيب على مسافة تزيد عن 150 كيلومترا لتخزينه بشكل دائم في حقل نفط أو غاز فارغ قبالة الساحل. لقد افترضنا أن التكلفة الإجمالية لالتقاط ثاني أكسيد الكربون ونقله وتخزينه تبلغ 100 يورو للطن ومعدل التقاط الكربون وتخزينه محدد عند 85%.

نستخدم جهاز تحليل كهربائي قلوي غربي الصنع يكلف حوالي 1000 يورو/كيلو وات ويعمل بكفاءة 70% ومعدل قدرة 70%. وينتج عن هذا تكلفة هيدروجين أخضر تبلغ حوالي 5 يورو/كيلو جرام عند أسعار طاقة تبلغ 85 يورو/ميغاواط/ساعة.

في الممارسة العملية، تظهر كل هذه المتغيرات المدخلة تباينًا كبيرًا يؤدي إلى مجموعة واسعة من النتائج لكل تقنية. لقد اخترنا تقديم تقديرات نقطية لأنها غالبًا ما تلتقط الرؤى الرئيسية بشكل أفضل من النطاقات الواسعة. تعامل مع هذه الأرقام باعتبارها نتائج إرشادية ستختلف حولها المشاريع في الوقت الفعلي.

هذه المذكرة هي جزء من سلسلة متواصلة تدور حول تحويل القطاعات التي يصعب التخفيف من آثارها إلى قطاعات خضراء. يُرجى الاطلاع على تحديثاتنا الأخرى حول صناعات الصلب والبلاستيك والطيران والشحن هنا.