Una revolución verde muy necesaria en la producción de cemento

El cemento es un material esencial en el mundo moderno actual. Con él se construyen nuestras casas, oficinas, puentes, represas, carreteras y aceras. Cada año, producimos más de cuatro mil millones de toneladas de cemento en todo el mundo en unas 4.000 plantas, lo que da lugar a 30 mil millones de toneladas de hormigón, su aplicación más común.

Sin embargo, la producción de cemento es una de las principales responsables de las emisiones de carbono: es responsable del 7% de las emisiones globales. Si la industria del cemento fuera un país, ocuparía el cuarto lugar entre los mayores emisores, a la par de Rusia y detrás únicamente de China, Estados Unidos e India.

Las emisiones del cemento son aproximadamente iguales a las de la industria siderúrgica, lo que convierte al cemento y al acero en los sectores industriales más contaminantes. A diferencia del acero, donde la tecnología puede cambiar radicalmente el proceso de producción y eliminar casi todas las emisiones, la producción de cemento es inherentemente intensiva en CO2. La transformación química de las materias primas en cemento emite CO2 y no hay forma de evitarlo, ya que estas "emisiones de proceso" representan el 60% del total. El 40% restante proviene de las altas temperaturas requeridas (alrededor de 1450 °C), que normalmente se logran quemando carbón o residuos plásticos.

Entonces, ¿qué pueden hacer las empresas cementeras para reducir las emisiones y a qué costo? Afortunadamente, existen soluciones: pueden capturar y almacenar CO2 de manera permanente o cambiar a fuentes de calor más sostenibles. Analizamos estos casos de negocio en este artículo.

Según la Agencia Internacional de la Energía, se prevé que la producción de cemento aumente un 17 % para 2050 con las políticas actuales. Incluso en su escenario de economía de cero emisiones netas, los niveles de producción se mantendrán cercanos a los actuales, lo que pone de relieve el hecho de que el cemento y el hormigón seguirán desempeñando sus funciones actuales como materiales de construcción importantes.

En este artículo, solo analizamos formas de hacer más ecológica la producción de cemento y hormigón. Por ahora, no profundizamos en formas de reducir la demanda de cemento, por ejemplo, sustituyendo el hormigón por madera en los edificios, ni en optimizar el diseño de los edificios.

CCS: La importancia de la captura y almacenamiento de carbono

La implementación de la captura y almacenamiento de carbono (CCS) es inevitable sin la disponibilidad de nuevas tecnologías que puedan cambiar fundamentalmente el proceso químico de fabricación del cemento. Por lo tanto, la CCS es una parte integral de cualquier escenario de descarbonización para el sector y se puede aplicar tanto a las emisiones de proceso como a las de calefacción.

Según nuestras suposiciones y cálculos, la captura y el almacenamiento de CO2 pueden reducir las emisiones del cemento en un 85% aproximadamente, lo que es un gran logro. Además, aumenta el costo de producción de cemento de manera marginal: alrededor de un 10% en nuestro caso de referencia, donde el CO2 puede transportarse a través de tuberías y almacenarse en un radio de 150 km. Para muchas plantas de cemento, la captura y el almacenamiento de CO2 será la solución de descarbonización más impactante y rentable.

La captura y el almacenamiento de las emisiones de CO2, junto con el uso de combustibles de calefacción más limpios, pueden reducir significativamente las emisiones, aunque cada uno tiene diferentes costos.

Emisiones y costes indicativos de la producción de clínker

Fuente: ING Research

Por qué la CCS no será una solución a corto plazo para todas las plantas de cemento

El costo de la captura y almacenamiento de carbono varía significativamente según la ubicación del sitio, y las instalaciones de producción de cemento suelen estar ampliamente dispersas en un país o región.

Por ejemplo, Europa cuenta con aproximadamente 300 plantas. Algunas de ellas están situadas cerca de la costa, lo que permite transportar el CO2 a lugares de almacenamiento en alta mar mediante tuberías. Nuestros cálculos suponen que el CO2 puede transportarse "de forma barata". Suponemos que el transporte mediante tuberías hasta un lugar de almacenamiento en alta mar a una distancia máxima de 150 kilómetros, lo que es factible para países como Noruega, el Reino Unido y los Países Bajos. Actualmente, se están construyendo tuberías de CO2 en los principales conglomerados industriales de estos países, lo que permite que las plantas de cemento de estas zonas se beneficien de menores costos de transporte. Es probable que estos sitios sean los primeros en aplicar la tecnología de captura y almacenamiento de carbono.

Muchas plantas están ubicadas en el interior, lejos de los núcleos industriales con tuberías de CO2, pero cerca de los ríos, lo que permite transportar el CO2 por barco. Sin embargo, este método es considerablemente más caro, especialmente para distancias de hasta 500 kilómetros. Estos sitios también pueden aplicar la tecnología CCS una vez que haya puertos disponibles donde los barcos puedan descargar sus cargamentos de CO2.

Además, hay plantas de cemento situadas en zonas muy alejadas de la costa, sin opciones viables para el transporte de CO2 a través de tuberías o barcos, ni siquiera en el futuro. En esos casos, el CO2 podría transportarse en camiones, pero esto aumentaría aún más los costos y las emisiones de carbono, ya que genera muchos desplazamientos de camiones. La CCS no se aplicará de manera fácil ni rápida en estos sitios.

En total, el coste de capturar, transportar y almacenar de forma permanente una tonelada de carbono procedente de la producción de cemento oscila entre 50 y 200 euros, dependiendo de la ubicación del sitio y del modo de transporte (bajo coste para oleoductos, alto coste para barcos).

Cambio de fuentes de calor

El hidrógeno verde es potente, pero también demasiado costoso y preciado

El uso de hidrógeno como combustible es una forma de alcanzar las altas temperaturas necesarias para la fabricación de cemento. En teoría, el hidrógeno verde podría reemplazar al carbón y los desechos como fuente de calor. Si bien esto no reduciría las emisiones del proceso (para esto se requiere la captura y almacenamiento de carbono), reduciría las emisiones generales del cemento en un tercio, ya que el proceso de calentamiento en sí no emitiría CO2.

Sin embargo, el uso de hidrógeno verde en la industria del cemento presenta importantes inconvenientes. Actualmente, supondría casi duplicar el coste de producción del cemento. La tecnología aún no se ha probado y no habrá suficiente hidrógeno verde disponible en el futuro previsible para satisfacer las enormes demandas energéticas de la industria.

Además, el hidrógeno verde es un recurso extremadamente valioso que podría utilizarse de manera más eficaz para descarbonizar otros sectores. En industrias como la siderúrgica, la naviera y la aeronáutica, el hidrógeno verde tiene el potencial de transformar procesos con uso intensivo de carbono en operaciones libres de combustibles fósiles. Por ejemplo, puede utilizarse para producir combustibles sintéticos para barcos, aviones y camiones, o para eliminar el carbón en la producción de acero.

Estas aplicaciones del hidrógeno verde son mucho más transformadoras que la mera sustitución de un combustible fósil sin modificar el proceso de fabricación del cemento. Es probable que otras industrias paguen precios más altos por el hidrógeno verde como resultado de ello. Por lo tanto, creemos que el hidrógeno progresará más rápidamente en otros sectores que consumen mucha energía.

Pequeños pasos, gran impacto; las mejoras marginales importan

Hasta ahora, hemos explorado las soluciones más radicales para reducir las emisiones. Afortunadamente, también hay pasos más pequeños e incrementales que pueden marcar la diferencia. Si bien estas medidas pueden no reducir las emisiones en decenas de puntos porcentuales en cada planta, su aplicación generalizada en todas las plantas puede tener un impacto significativo en las emisiones totales del sector. Es cierto que no eliminan la necesidad de capturar y almacenar carbono, pero sí limitan el grado en que sería necesaria la captura y el almacenamiento de carbono.

El proceso de fabricación del cemento prácticamente no ha sufrido modificaciones desde que se desarrolló por primera vez, salvo por una mayor eficiencia energética. Los hornos de cemento tradicionales ya han alcanzado una eficiencia energética superior al 60% y es poco probable que se produzcan mejoras significativas, pero a nivel de planta podría haber margen de mejora. Se pueden lograr mayores ganancias utilizando el calor residual en otros procesos industriales o para calentar las casas mediante la construcción de redes de calefacción.

Usando menos clínker

El cemento Portland es el cemento más utilizado y tiene un contenido de clínker del 95%. El clínker se puede sustituir parcialmente por materiales cementantes complementarios, como cenizas volantes de centrales eléctricas de carbón y escorias de altos hornos de la fabricación de acero. Esta sustitución reduce la proporción de clínker, lo que reduce el uso de energía y evita algunas de las emisiones inherentes a la producción de clínker. Sin embargo, a medida que los sectores de la energía y el acero en Europa se alejen del carbón, estas materias primas alternativas estarán menos disponibles.

Coprocesamiento de biomasa

Los productos de carbón y los desechos son los combustibles más comunes para generar calor de proceso en la producción de cemento. La biomasa también se puede utilizar para la co-combustión, aunque sustituirla por completo es técnicamente difícil debido al menor valor calórico de la mayoría de los materiales orgánicos. La biomasa de origen sostenible se considera un combustible de cero emisiones según las directrices actuales, lo que reduce la huella de carbono del cemento. Pero también en este caso, como ocurre con el hidrógeno verde, la biomasa puede añadir más valor a la hora de ecologizar otros sectores de alto consumo energético. Por tanto, a medida que avanzamos hacia una economía de cero emisiones netas, esperamos que su uso en la industria del cemento se vea limitado por la alta demanda en otros sectores.

Aplicación de los principios de la economía circular

La adopción de principios de economía circular puede reducir significativamente la demanda de cemento. Esto incluye optimizar los diseños estructurales para utilizar menos hormigón, crear infraestructuras que se puedan desmontar fácilmente para su reutilización y reciclaje y sustituir el hormigón por materiales que no generen CO2, como la madera. Se trata de un tema importante e interesante, pero en el que no profundizaremos en este artículo debido a que se centra en la ecologización de la producción de cemento.

Hormigón ecológico: convertir el cemento en un sumidero de carbono

Si bien la reacción química del cemento produce CO2 de manera inherente, la misma reacción también se puede utilizar en orden inverso para almacenar CO2 en el hormigón, el principal producto final del cemento. La inyección de CO2 durante la producción de hormigón implica la introducción del CO2 capturado en la mezcla de hormigón. Este proceso químico incorpora permanentemente el CO2 al hormigón.

Empresas como CarbonCure son capaces de almacenar hasta 18 kilogramos de CO2 por metro cúbico de hormigón. Esto sigue siendo una fracción minúscula de los 350 kilogramos de CO2 que se generan con el uso de cemento puro en el hormigón (dependiendo del tipo de cemento y de la mezcla de hormigón, las emisiones oscilan entre 250 y 400 kilogramos). Pero esta cifra se reduce a unos 50 kilogramos de CO2 si el CO2 se captura y almacena durante la producción de cemento.

De este modo, la inyección de CO2 en el hormigón, junto con la captura y el almacenamiento de carbono en la producción de cemento, podría ofrecer soluciones novedosas y la posibilidad de fabricar cemento y hormigón neutros en carbono en el futuro. Las emisiones restantes se pueden compensar en mercados voluntarios de carbono (32 kilogramos de CO2 por tonelada de hormigón en nuestro ejemplo).

Estrategias para un hormigón neutro en carbono

Impacto indicativo de las medidas de reducción de CO2 en kilogramos de CO2 por tonelada de hormigón

Fuente: ING Research

La industria del cemento tiene un largo camino por recorrer para lograr la neutralidad de carbono, y tanto la inyección de CO2 como la captura y almacenamiento de carbono enfrentan desafíos importantes. Estas tecnologías aún están en sus primeras etapas y tienen costos elevados, si es que están disponibles.

La innovación en la cadena de suministro de cemento y la investigación adicional son cruciales para garantizar que el hormigón inyectado con CO2 cumpla con los códigos y estándares de construcción locales. Los proyectos piloto pueden ayudar a desarrollar el caso comercial del hormigón neutro en carbono, haciéndolo escalable y rentable. Actualmente, la demanda no es el problema; los principales desarrolladores e inversores están dispuestos a construir edificios con cero emisiones netas y pagar una prima por ello, especialmente en los mercados de alta gama. Y los responsables políticos deben cumplir con sus objetivos de emisiones, de los cuales el cemento representa una parte considerable. Esto presiona a los productores de cemento y a los responsables políticos para que ecologicen la industria sitio por sitio.

Apéndice: explicación de la tecnología del cemento por un economista

La producción de cemento comienza con la preparación de las materias primas (piedra caliza, grava y arcilla), que se muelen hasta obtener un polvo fino. A continuación, se produce clínker de cemento añadiendo la piedra caliza preparada a un horno de cemento a una temperatura de unos 1450 grados Celsius. Esto permite la calcinación de la piedra caliza para obtener cemento y CO2. El CO2 se emite a la atmósfera o se captura y almacena de forma permanente mediante CCS.

Producción de cemento con y sin CCS

Fuente: ING Research

Supuestos económicos explicados

Los costes se calculan desde una perspectiva del noroeste de Europa y se basan en numerosos supuestos económicos y químicos. A continuación, enumeramos nuestros principales supuestos económicos: un precio del gas de 35 €/MWh, un precio de la electricidad de 85 €/MWh, un precio del carbono de 65 €/tonelada con fijación completa del precio del carbono (sin derechos de emisión gratuitos) y un precio del carbón de 110 €/tonelada.

Hemos aplicado unos costes tecnológicos de 21 €/tonelada/año para un horno de cemento que funciona el 95 % del tiempo (factor de capacidad). El CO2 se captura y se transporta a través de tuberías a lo largo de 150 kilómetros para almacenarse de forma permanente en un yacimiento de petróleo o gas vacío en alta mar. Hemos asumido un coste total de captura, transporte y almacenamiento de CO2 de 100 €/tonelada y la tasa de captura de CCS se establece en el 85 %.

Utilizamos un electrolizador alcalino de fabricación occidental que cuesta alrededor de 1.000 €/kW y funciona con una eficiencia del 70 % y una tasa de capacidad del 70 %. Esto da como resultado un coste del hidrógeno verde de alrededor de 5 €/kg a un precio de la energía de 85 €/MWh.

En la práctica, todas estas variables de entrada muestran una variación considerable que produce una amplia gama de resultados para cada tecnología. Hemos optado por presentar estimaciones puntuales, ya que suelen captar mejor los principales datos que los rangos amplios. Consideremos estos números como resultados indicativos en torno a los cuales variarán los proyectos en tiempo real.

Esta nota forma parte de una serie continua sobre la ecologización de sectores difíciles de reducir. Encuentre otras actualizaciones sobre las industrias del acero , los plásticos , la aviación y el transporte marítimo aquí.