Una rivoluzione verde tanto necessaria nella produzione del cemento

Il cemento è un materiale essenziale nel mondo moderno di oggi. Costruisce le nostre case, uffici, ponti, dighe, strade e marciapiedi. Ogni anno, produciamo oltre quattro miliardi di tonnellate di cemento a livello globale da circa 4.000 impianti, che portano a 30 miliardi di tonnellate di calcestruzzo, la sua applicazione più comune.

La produzione di cemento è, tuttavia, una delle principali responsabili delle emissioni di carbonio. È responsabile del 7% delle emissioni globali. Se l'industria del cemento fosse un paese, si classificherebbe al quarto posto tra i maggiori emettitori, alla pari con la Russia e dietro solo a Cina, Stati Uniti e India.

Le emissioni del cemento sono più o meno alla pari con quelle dell'industria siderurgica. Ciò rende il cemento e l'acciaio i settori industriali più inquinanti. A differenza dell'acciaio, dove la tecnologia può cambiare radicalmente il processo di produzione ed eliminare quasi tutte le emissioni, la produzione del cemento è intrinsecamente ad alta intensità di CO2. La trasformazione chimica delle materie prime in cemento emette CO2 e non c'è modo di aggirarlo, con queste "emissioni di processo" che costituiscono il 60% del totale. Il restante 40% deriva dalle alte temperature richieste (circa 1450 °C), che vengono in genere raggiunte bruciando carbone o rifiuti di plastica.

Quindi, cosa possono fare le aziende del cemento per ridurre le emissioni e a quale costo? Fortunatamente, ci sono delle soluzioni. Possono catturare e immagazzinare la CO2 in modo permanente o passare a fonti di riscaldamento più sostenibili. Ci immergiamo in questi casi aziendali in questo articolo.

Secondo l'Agenzia Internazionale per l'Energia, la produzione di cemento è destinata ad aumentare del 17% entro il 2050 con le attuali politiche. Anche nel loro scenario Net Zero Economy, i livelli di produzione rimangono vicini a quelli odierni, evidenziando il fatto che cemento e calcestruzzo continueranno a svolgere i loro attuali ruoli di importanti materiali da costruzione.

A nostra volta, in questo articolo esploriamo solo i modi per rendere più ecologica la produzione di cemento e calcestruzzo. Per ora, non ci addentreremo nei modi per ridurre la domanda di cemento, ad esempio sostituendo il calcestruzzo con il legno negli edifici o ottimizzando la progettazione degli edifici.

CCS: l'importanza della cattura e dello stoccaggio del carbonio

L'implementazione della cattura e dello stoccaggio del carbonio (CCS) è inevitabile senza la disponibilità di nuove tecnologie in grado di modificare radicalmente il processo chimico di produzione del cemento. La CCS è quindi parte integrante di qualsiasi scenario di decarbonizzazione per il settore e può essere applicata sia alle emissioni di processo che a quelle di riscaldamento.

CCS può ridurre le emissioni di cemento di circa l'85%, in base alle nostre ipotesi e calcoli, il che è un grande risultato. Inoltre, aumenta marginalmente il costo di produzione del cemento, di circa il 10% nel nostro caso di riferimento, in cui la CO2 può essere trasportata tramite condotte e immagazzinata entro una distanza di 150 km. Per molti cementifici, CCS sarà la soluzione di decarbonizzazione più impattante ed economica.

La cattura e lo stoccaggio delle emissioni di CO2, insieme all'utilizzo di combustibili per il riscaldamento più puliti, possono ridurre significativamente le emissioni, anche se ciascuna di queste soluzioni comporta costi diversi.

Emissioni indicative e costi di produzione del clinker

Fonte: ING Research

Perché il CCS non sarà una soluzione a breve termine per ogni cementificio

Il costo della cattura e dello stoccaggio del carbonio varia notevolmente a seconda dell'ubicazione del sito e gli impianti di produzione del cemento sono spesso ampiamente distribuiti in un paese o in una regione.

Ad esempio, l'Europa ha circa 300 impianti. Alcuni di questi sono situati vicino alla costa, consentendo il trasporto di CO2 verso siti di stoccaggio offshore tramite condotte. I nostri calcoli presuppongono che la CO2 possa essere trasportata "a basso costo". Presumiamo il trasporto tramite condotte verso un sito di stoccaggio offshore entro una distanza massima di 150 chilometri, il che è fattibile per paesi come Norvegia, Regno Unito e Paesi Bassi. Attualmente, le condotte di CO2 vengono sviluppate nei principali cluster industriali di questi paesi, consentendo agli stabilimenti di cemento in queste aree di beneficiare di costi di trasporto inferiori. È probabile che questi siti siano i primi ad applicare la tecnologia CCS.

Molti impianti sono situati nell'entroterra, lontano dai cluster industriali con condotte di CO2, ma vicino ai fiumi, consentendo il trasporto di CO2 tramite navi. Tuttavia, questo metodo è notevolmente più costoso, soprattutto per distanze fino a 500 chilometri. Questi siti possono anche applicare la tecnologia CCS una volta che ci sono porti disponibili dove le navi possono scaricare le loro spedizioni di CO2.

Inoltre, ci sono cementifici situati in profondità nell'entroterra, senza opzioni praticabili per il trasporto di CO2 tramite condotte o navi, nemmeno in futuro. In tali casi, la CO2 potrebbe essere trasportata da camion, ma ciò aumenterebbe ulteriormente i costi e le emissioni di carbonio poiché creerebbe molti spostamenti di camion. Il CCS non sarà applicato facilmente o rapidamente in questi siti.

Nel complesso, il costo per catturare, trasportare e immagazzinare in modo permanente una tonnellata di carbonio derivante dalla produzione di cemento varia dai 50 ai 200 euro, a seconda dell'ubicazione del sito e della modalità di trasporto (bassi costi per le condotte, alti costi per le navi).

Commutazione delle fonti di riscaldamento

L’idrogeno verde è potente, ma anche troppo costoso e prezioso

Utilizzare l'idrogeno come combustibile è un modo per raggiungere le alte temperature necessarie per la produzione del cemento. In teoria, l'idrogeno verde potrebbe sostituire il carbone e i rifiuti come fonte di riscaldamento. Sebbene ciò non ridurrebbe le emissioni di processo (per questo è richiesta la CCS), taglierebbe le emissioni complessive del cemento di un terzo, poiché il processo di riscaldamento in sé non emetterebbe CO2.

Tuttavia, l'uso dell'idrogeno verde nell'industria del cemento presenta notevoli svantaggi. Attualmente, raddoppierebbe quasi il costo di produzione del cemento. La tecnologia non è ancora stata testata e non c'è abbastanza idrogeno verde disponibile nel prossimo futuro per soddisfare le vaste richieste energetiche del settore.

Inoltre, l'idrogeno verde è una risorsa estremamente preziosa che potrebbe essere utilizzata in modo più efficace per decarbonizzare altri settori. In settori come la siderurgia, la navigazione e l'aviazione, l'idrogeno verde ha il potenziale per trasformare i processi ad alta intensità di carbonio in operazioni prive di combustibili fossili. Ad esempio, può essere utilizzato per produrre combustibili sintetici per navi, aeroplani e camion, o per eliminare il carbone nella produzione di acciaio.

Queste applicazioni dell'idrogeno verde sono molto più trasformative della semplice sostituzione di un combustibile fossile lasciando invariato il processo di produzione del cemento. Di conseguenza, è probabile che altri settori pagheranno prezzi più alti per l'idrogeno verde. Riteniamo pertanto che l'idrogeno progredirà più rapidamente in altri settori ad alta intensità energetica.

Piccoli passi, grande impatto; i miglioramenti marginali sono importanti

Finora abbiamo esplorato le soluzioni più radicali per ridurre le emissioni. Fortunatamente, ci sono anche passaggi più piccoli e incrementali che possono fare la differenza. Sebbene queste misure possano non ridurre le emissioni di decine di punti percentuali in ogni impianto, la loro applicazione diffusa in tutti gli impianti può avere un impatto significativo sulle emissioni totali del settore. Certo, non eliminano la necessità di catturare e immagazzinare carbonio, ma limitano la misura in cui sarebbe necessario il CCS.

Il processo di produzione del cemento è pressoché invariato da quando è stato sviluppato per la prima volta, fatta eccezione per l'aumento dell'efficienza energetica. I forni per cemento tradizionali hanno già raggiunto un'efficienza energetica superiore al 60% e difficilmente subiranno miglioramenti significativi, ma a livello di impianto potrebbe esserci spazio per miglioramenti. Si possono ottenere guadagni maggiori utilizzando il calore residuo in altri processi industriali o per riscaldare le case costruendo reti di teleriscaldamento.

Utilizzando meno clinker

Il cemento Portland è il cemento più utilizzato e ha un contenuto di clinker del 95%. Il clinker può essere parzialmente sostituito da materiali cementizi supplementari, come le ceneri volanti delle centrali elettriche a carbone e le scorie d'altoforno della produzione di acciaio. Questa sostituzione riduce il rapporto di clinker, riducendo l'uso di energia ed evitando alcune delle emissioni inerenti alla produzione di clinker. Tuttavia, man mano che i settori energetico e siderurgico in Europa si allontanano dal carbone, queste materie prime alternative diventeranno meno facilmente disponibili.

Co-elaborazione della biomassa

I prodotti e i rifiuti del carbone sono i combustibili più comuni per generare calore di processo nella produzione di cemento. La biomassa può anche essere utilizzata per la co-combustione, sebbene sostituirla completamente sia tecnicamente impegnativo a causa del valore calorico inferiore della maggior parte dei materiali organici. La biomassa di provenienza sostenibile è considerata un combustibile a zero emissioni secondo le attuali linee guida, riducendo così l'impronta di carbonio del cemento. Ma anche qui, come con l'idrogeno verde, la biomassa può aggiungere più valore nel rendere più ecologici altri settori ad alta intensità energetica. Quindi, mentre ci muoviamo verso un'economia a zero emissioni nette, ci aspettiamo che il suo utilizzo nell'industria del cemento sia limitato dall'elevata domanda in altri settori.

Applicare i principi dell'economia circolare

L'adozione dei principi dell'economia circolare può ridurre significativamente la domanda di cemento. Ciò include l'ottimizzazione dei progetti strutturali per utilizzare meno cemento, la creazione di infrastrutture che possono essere facilmente smontate per il riutilizzo e il riciclaggio e la sostituzione del cemento con materiali a zero emissioni di CO2 come il legno. Un argomento importante e interessante, ma che non approfondiremo in questo articolo perché è incentrato sulla produzione di cemento ecosostenibile.

Calcestruzzo verde: trasformare il cemento in un pozzo di carbonio

Mentre la reazione chimica del cemento produce intrinsecamente CO2, la stessa reazione può anche essere utilizzata in ordine inverso per immagazzinare CO2 nel calcestruzzo, il principale prodotto finale del cemento. L'iniezione di CO2 durante la produzione del calcestruzzo comporta l'introduzione di CO2 catturata nella miscela di calcestruzzo. Questo processo chimico incorpora permanentemente CO2 nel calcestruzzo.

Aziende come CarbonCure sono in grado di immagazzinare fino a 18 chilogrammi di CO2 per metro cubo di cemento. Questa è ancora una piccola frazione dei 350 chilogrammi di CO2 che derivano dall'uso di cemento non abbattuto nel cemento (a seconda del tipo di cemento e della miscela di cemento, le emissioni variano da 250 a 400 chilogrammi). Ma questa cifra scende a circa 50 chilogrammi di CO2 se la CO2 viene catturata e immagazzinata durante la produzione del cemento.

Quindi, l'iniezione di CO2 nel calcestruzzo, insieme al CCS nella produzione di cemento, potrebbe fornire nuove soluzioni e la possibilità di cemento e calcestruzzo carbon neutral in futuro. Le emissioni rimanenti possono essere compensate nei mercati volontari del carbonio (32 chilogrammi di CO2 per tonnellata di calcestruzzo nel nostro esempio).

Strategie verso un calcestruzzo a zero emissioni di carbonio

Impatto indicativo delle misure di riduzione della CO2 in chilogrammi di CO2 per tonnellata di calcestruzzo

Fonte: ING Research

L'industria del cemento ha ancora molta strada da fare per raggiungere la neutralità carbonica, e sia l'iniezione di CO2 che la CCS affrontano sfide significative. Queste tecnologie sono ancora agli inizi e hanno costi elevati, sempre che siano disponibili.

L'innovazione nella filiera del cemento e ulteriori ricerche sono fondamentali per garantire che il calcestruzzo iniettato di CO2 soddisfi i codici e gli standard edilizi locali. I progetti pilota possono aiutare a costruire il business case per il calcestruzzo carbon-neutral, rendendolo scalabile e conveniente. Attualmente, la domanda non è il problema; i principali sviluppatori e investitori sono disposti a realizzare edifici net zero e a pagare un extra per questo, soprattutto nei mercati di fascia alta. E i decisori politici devono soddisfare i loro obiettivi di emissione, di cui il cemento ne prende una buona fetta. Ciò mette pressione ai produttori di cemento e ai decisori politici per rendere verde il settore sito per sito.

Appendice: spiegazione tecnica del cemento da parte di un economista

La produzione di cemento inizia con la preparazione delle materie prime, calcare, ghiaia e argilla, che vengono macinate in polvere fine. Il clinker di cemento viene quindi prodotto aggiungendo il calcare preparato in un forno per cemento a una temperatura di circa 1450 gradi Celsius. Ciò consente la calcinazione del calcare in cemento e CO2. La CO2 viene emessa nell'atmosfera o catturata e immagazzinata in modo permanente con CCS.

Produzione di cemento con e senza CCS

Fonte: ING Research

Ipotesi economiche spiegate

I costi sono calcolati da una prospettiva nord-occidentale europea e basati su molte ipotesi economiche e chimiche. Elenchiamo qui le nostre principali ipotesi economiche: un prezzo del gas di 35 €/MWh, un prezzo dell'energia elettrica di 85 €/MWh, un prezzo del carbonio di 65 €/tonnellata con prezzo del carbonio completo (nessuna quota gratuita) e un prezzo del carbone di 110 €/tonnellata.

Abbiamo applicato costi tecnologici pari a 21 €/tonnellata/anno per un forno per cemento che funziona per il 95% del tempo (fattore di capacità). La CO2 viene catturata e trasportata attraverso condotte lunghe oltre 150 chilometri per essere immagazzinata in modo permanente in un giacimento di petrolio o gas vuoto offshore. Abbiamo ipotizzato un costo totale per catturare, trasportare e immagazzinare la CO2 pari a 100 €/tonnellata e il tasso di cattura CCS è fissato all'85%.

Utilizziamo un elettrolizzatore alcalino di fabbricazione occidentale che costa circa 1.000 €/kW e funziona con un'efficienza del 70% e un tasso di capacità del 70%. Ciò si traduce in un costo dell'idrogeno verde di circa 5 €/kg a un prezzo dell'energia di 85 €/MWh.

In pratica, tutte queste variabili di input mostrano una notevole variazione che produce un'ampia gamma di risultati per ogni tecnologia. Abbiamo scelto di presentare stime puntuali poiché spesso catturano le intuizioni principali meglio di ampi intervalli. Tratta questi numeri come risultati indicativi attorno ai quali i progetti in tempo reale varieranno.

Questa nota fa parte di una serie in corso basata sul greening dei settori difficili da ridurre. Puoi trovare i nostri altri aggiornamenti sui settori dell'acciaio , della plastica , dell'aviazione e delle spedizioni qui.