Revolusi hijau yang sangat diperlukan dalam pengeluaran simen

Simen adalah bahan penting dalam dunia moden hari ini. Ia membina rumah, pejabat, jambatan, empangan, jalan raya dan kaki lima kami. Setiap tahun, kami mengeluarkan lebih empat bilion tan simen di seluruh dunia daripada sekitar 4,000 loji, yang membawa kepada 30 bilion tan konkrit, aplikasi yang paling biasa digunakan.

Pengeluaran simen, bagaimanapun, merupakan punca utama karbon. Ia bertanggungjawab untuk 7% daripada pelepasan global. Jika industri simen adalah sebuah negara, ia akan disenaraikan sebagai pemancar keempat terbesar, setanding dengan Rusia dan hanya ketinggalan di belakang China, AS dan India.

Pelepasan daripada simen adalah kira-kira setanding dengan pengeluaran dari industri keluli. Ini menjadikan simen dan keluli sebagai sektor perindustrian yang paling mencemarkan. Tidak seperti keluli, di mana teknologi secara asasnya boleh mengubah proses pengeluaran dan menghapuskan hampir semua pelepasan, pengeluaran simen sememangnya intensif CO2. Transformasi kimia bahan mentah kepada simen mengeluarkan CO2 dan tidak ada jalan lain, dengan 'pelepasan proses' ini membentuk 60% daripada jumlah keseluruhan. Baki 40% datang daripada suhu tinggi yang diperlukan (sekitar 1450°C), yang biasanya dicapai dengan membakar arang batu atau sisa plastik.

Jadi, apakah yang boleh dilakukan oleh syarikat simen untuk mengurangkan pelepasan, dan pada kos berapa? Nasib baik, ada penyelesaian. Mereka boleh menangkap dan menyimpan CO2 secara kekal atau bertukar kepada sumber pemanasan yang lebih mampan. Kami menyelami kes perniagaan ini dalam artikel ini.

Menurut Agensi Tenaga Antarabangsa, pengeluaran simen dijangka meningkat sebanyak 17% menjelang 2050 di bawah dasar semasa. Walaupun dalam senario Ekonomi Sifar Bersih mereka, tahap pengeluaran kekal hampir dengan hari ini, menonjolkan fakta bahawa simen dan konkrit akan diteruskan dalam peranan semasa mereka sebagai bahan binaan yang penting.

Sebaliknya, kami hanya meneroka cara untuk menghijaukan pengeluaran simen dan konkrit dalam artikel ini. Buat masa ini, kami tidak mendalami cara untuk mengurangkan permintaan untuk simen, contohnya dengan menggantikan konkrit dengan kayu dalam bangunan atau untuk mengoptimumkan reka bentuk bangunan.

CCS: Kepentingan Penangkapan dan Penyimpanan Karbon

Menggunakan tangkapan dan penyimpanan karbon (CCS) tidak dapat dielakkan tanpa adanya teknologi baharu yang secara asasnya boleh mengubah proses kimia pembuatan simen. Oleh itu, CCS merupakan bahagian penting dalam mana-mana senario penyahkarbonan untuk sektor tersebut dan boleh digunakan pada kedua-dua proses dan pelepasan pemanasan.

CCS boleh mengurangkan pelepasan simen sebanyak kira-kira 85%, berdasarkan andaian dan pengiraan kami, yang merupakan pencapaian besar. Selain itu, ia meningkatkan kos pengeluaran simen sedikit - kira-kira 10% dalam kes rujukan kami, di mana CO2 boleh diangkut melalui saluran paip dan disimpan dalam jarak 150 km. Bagi kebanyakan loji simen, CCS akan menjadi penyelesaian penyahkarbonan yang paling berkesan dan kos efektif.

Menangkap dan menyimpan pelepasan CO2, bersama-sama dengan menggunakan bahan api pemanasan yang lebih bersih, boleh mengurangkan pelepasan dengan ketara, walaupun setiap satu datang dengan kos yang berbeza

Pelepasan indikatif dan kos pengeluaran klinker

Sumber: Penyelidikan ING

Mengapa CCS tidak akan menjadi penyelesaian jangka pendek untuk setiap loji simen

Kos penangkapan dan penyimpanan karbon berbeza-beza dengan ketara bergantung pada lokasi tapak, dan kemudahan pengeluaran simen sering tersebar secara meluas di seluruh negara atau wilayah.

Sebagai contoh, Eropah mempunyai kira-kira 300 tumbuhan. Sebahagian daripada ini terletak berhampiran pantai, membolehkan CO2 diangkut ke tapak penyimpanan luar pesisir melalui saluran paip. Pengiraan kami mengandaikan bahawa CO2 boleh diangkut dengan 'murah'. Kami menganggap pengangkutan melalui saluran paip ke lokasi penyimpanan luar pesisir dalam jarak maksimum 150 kilometer, yang boleh dilaksanakan untuk negara seperti Norway, United Kingdom dan Belanda. Pada masa ini, saluran paip CO2 sedang dibangunkan di kelompok perindustrian utama di negara ini, membolehkan loji simen di kawasan ini mendapat manfaat daripada kos pengangkutan yang lebih rendah. Tapak ini berkemungkinan menjadi yang pertama menggunakan teknologi CCS.

Banyak loji terletak di pedalaman - jauh dari kelompok industri dengan saluran paip CO2, tetapi berhampiran sungai, membolehkan CO2 diangkut dengan kapal. Walau bagaimanapun, kaedah ini jauh lebih mahal, terutamanya untuk jarak sehingga 500 kilometer. Laman web ini juga boleh menggunakan teknologi CCS apabila terdapat pelabuhan yang tersedia di mana kapal boleh memunggah penghantaran CO2 mereka.

Selain itu, terdapat loji simen yang terletak di pedalaman, tanpa pilihan yang sesuai untuk pengangkutan CO2 melalui saluran paip atau kapal, walaupun pada masa hadapan. Dalam kes sedemikian, CO2 boleh diangkut dengan trak, tetapi ini akan meningkatkan lagi kos dan pelepasan karbon kerana ia menghasilkan banyak pergerakan trak. CCS tidak akan digunakan dengan mudah atau cepat di tapak ini.

Secara keseluruhannya, kos untuk menangkap, mengangkut dan menyimpan secara kekal satu tan karbon daripada pengeluaran simen berkisar antara 50 euro hingga 200 euro, bergantung pada lokasi tapak dan mod pengangkutan (kos rendah untuk saluran paip, kos tinggi untuk kapal).

Menukar sumber pemanasan

Hidrogen hijau berkuasa – tetapi juga terlalu mahal dan berharga

Menggunakan hidrogen sebagai bahan api adalah satu cara untuk mencapai suhu tinggi yang diperlukan untuk pembuatan simen. Secara teori, hidrogen hijau boleh menggantikan arang batu dan sisa sebagai sumber pemanasan. Walaupun ini tidak akan mengurangkan pelepasan proses (CCS diperlukan untuk ini), ia akan mengurangkan pelepasan keseluruhan simen sebanyak satu pertiga kerana proses pemanasan itu sendiri tidak akan mengeluarkan CO2.

Walau bagaimanapun, terdapat kelemahan yang ketara untuk menggunakan hidrogen hijau dalam industri simen. Pada masa ini, ia hampir dua kali ganda kos pengeluaran simen. Teknologi ini masih belum diuji, dan hidrogen hijau tidak mencukupi pada masa hadapan untuk memenuhi permintaan tenaga industri yang luas.

Selain itu, hidrogen hijau adalah sumber yang sangat berharga yang boleh digunakan dengan lebih berkesan untuk menyahkarbonkan sektor lain. Dalam industri seperti pembuatan keluli, perkapalan dan penerbangan, hidrogen hijau mempunyai potensi untuk mengubah proses intensif karbon kepada operasi bebas fosil. Sebagai contoh, ia boleh digunakan untuk menghasilkan bahan api sintetik untuk kapal, kapal terbang dan trak, atau untuk menghapuskan arang batu dalam pengeluaran keluli.

Aplikasi hidrogen hijau ini jauh lebih transformatif daripada sekadar menggantikan bahan api fosil sambil membiarkan proses pembuatan simen tidak berubah. Industri lain mungkin membayar harga yang lebih tinggi untuk hidrogen hijau akibatnya. Oleh itu, kami percaya bahawa hidrogen akan berkembang lebih cepat dalam sektor intensif tenaga yang lain.

Langkah kecil, impak besar; penambahbaikan marginal penting

Setakat ini, kami telah meneroka penyelesaian paling radikal untuk mengurangkan pelepasan. Nasib baik, terdapat juga langkah-langkah tambahan yang lebih kecil yang boleh membuat perubahan. Walaupun langkah-langkah ini mungkin tidak mengurangkan pelepasan sebanyak berpuluh-puluh mata peratusan pada setiap loji, penggunaan meluas mereka di semua loji boleh memberi kesan ketara kepada jumlah pelepasan sektor itu. Sudah tentu, mereka tidak menghapuskan keperluan untuk menangkap dan menyimpan karbon – tetapi mereka mengehadkan sejauh mana CCS akan diperlukan.

Proses membuat simen hampir tidak berubah sejak ia mula dibangunkan, kecuali untuk peningkatan kecekapan tenaga. Tanur simen tradisional telah mencapai lebih daripada 60% kecekapan tenaga dan tidak mungkin membuat peningkatan yang ketara, tetapi pada peringkat loji mungkin terdapat ruang untuk penambahbaikan. Keuntungan yang lebih besar boleh dibuat dengan menggunakan haba sisa dalam proses perindustrian lain, atau untuk memanaskan rumah dengan membina grid pemanasan.

Menggunakan lebih sedikit klinker

Simen Portland merupakan simen yang paling banyak digunakan dan mempunyai kandungan klinker sebanyak 95%. Klinker boleh digantikan sebahagiannya dengan bahan bersimen tambahan, seperti abu terbang daripada loji janakuasa arang batu dan sanga relau letupan daripada pembuatan keluli. Penggantian ini mengurangkan nisbah klinker, mengurangkan penggunaan tenaga dan mengelakkan beberapa pelepasan yang wujud kepada pengeluaran klinker. Walau bagaimanapun, apabila sektor kuasa dan keluli di Eropah beralih daripada arang batu, bahan mentah alternatif ini akan menjadi kurang tersedia.

Pemprosesan bersama biojisim

Produk arang batu dan sisa adalah bahan api yang paling biasa untuk menghasilkan haba proses dalam pengeluaran simen. Biojisim juga boleh digunakan untuk pembakaran bersama, walaupun menggantikannya sepenuhnya secara teknikalnya mencabar kerana nilai kalori yang lebih rendah bagi kebanyakan bahan organik. Biojisim bersumber secara mampan dianggap sebagai bahan api pelepasan sifar di bawah garis panduan semasa, dengan itu mengurangkan jejak karbon simen. Tetapi di sini juga, seperti hidrogen hijau, biojisim boleh menambah lebih banyak nilai dalam menghijaukan sektor intensif tenaga yang lain. Oleh itu, semasa kami bergerak ke arah ekonomi bersih-sifar, kami menjangkakan penggunaannya dalam industri simen akan dikekang oleh permintaan tinggi dalam sektor lain.

Mengaplikasikan prinsip ekonomi bulat

Mengguna pakai prinsip ekonomi bulat boleh mengurangkan permintaan untuk simen dengan ketara. Ini termasuk mengoptimumkan reka bentuk struktur untuk menggunakan kurang konkrit, mewujudkan infrastruktur yang boleh dibongkar dengan mudah untuk digunakan semula dan dikitar semula, dan menggantikan konkrit dengan bahan sifar-CO2 seperti kayu. Topik yang penting dan menarik – tetapi yang tidak akan kami ceburi dalam artikel ini kerana tumpuannya pada penghijauan pengeluaran simen.

Menghijaukan konkrit - menukar simen menjadi sinki karbon

Walaupun tindak balas kimia simen secara semula jadi menghasilkan CO2, tindak balas yang sama juga boleh digunakan dalam urutan terbalik untuk menyimpan CO2 dalam konkrit, produk akhir utama simen. Suntikan CO2 semasa pengeluaran konkrit melibatkan pengenalan CO2 yang ditangkap ke dalam campuran konkrit. Proses kimia ini membenamkan CO2 secara kekal dalam konkrit.

Syarikat seperti CarbonCure mampu menyimpan sehingga 18 kilogram CO2 bagi setiap meter padu konkrit. Ini masih merupakan pecahan kecil daripada 350 kilogram CO2 yang datang dengan penggunaan simen yang tidak dihentikan dalam konkrit (bergantung kepada jenis simen dan campuran konkrit, pelepasan antara 250 hingga 400 kilogram). Tetapi angka ini menurun kepada kira-kira 50 kilogram CO2 jika CO2 ditangkap dan disimpan semasa pengeluaran simen.

Jadi, suntikan CO2 dalam konkrit, bersama-sama dengan CCS dalam pengeluaran simen, boleh memberikan penyelesaian baru dan kemungkinan simen neutral karbon dan konkrit pada masa hadapan. Pelepasan selebihnya boleh diimbangi dalam pasaran karbon sukarela (32 kilogram CO2 setiap tan konkrit dalam contoh kami).

Strategi ke arah konkrit neutral karbon

Impak petunjuk langkah pengurangan CO2 dalam kilogram CO2 setiap tan konkrit

Sumber: Penyelidikan ING

Industri simen masih jauh lagi untuk mencapai neutraliti karbon, dan kedua-dua suntikan CO2 dan CCS menghadapi cabaran yang ketara. Teknologi ini masih di peringkat awal dan datang dengan kos yang tinggi - iaitu, jika ia tersedia sama sekali.

Inovasi dalam rantaian bekalan simen dan penyelidikan lanjut adalah penting untuk memastikan konkrit yang disuntik CO2 memenuhi kod dan piawaian bangunan tempatan. Projek perintis boleh membantu membina kes perniagaan untuk konkrit neutral karbon, menjadikannya berskala dan menjimatkan kos. Pada masa ini, permintaan bukanlah isu; pemaju dan pelabur terkemuka sanggup membuat bangunan sifar bersih dan membayar premium untuknya, terutamanya dalam pasaran mewah. Dan pembuat dasar perlu memenuhi sasaran pelepasan mereka, yang mana simen mengambil bahagian yang adil. Ini memberi tekanan kepada pengeluar simen dan penggubal dasar untuk menghijaukan tapak industri mengikut tapak.

Lampiran: penerangan teknologi simen oleh ahli ekonomi

Pengeluaran simen bermula dengan penyediaan bahan mentah - batu kapur, kerikil dan tanah liat, di mana ia dikisar menjadi serbuk halus. Klinker simen kemudiannya dihasilkan dengan menambahkan batu kapur yang telah disediakan ke dalam tanur simen pada suhu sekitar 1450 darjah Celsius. Ini membolehkan pengkalsinan batu kapur menjadi simen dan CO2. CO2 sama ada dipancarkan ke atmosfera atau ditangkap dan disimpan secara kekal dengan CCS.

Pengeluaran simen dengan dan tanpa CCS

Sumber: Penyelidikan ING

Andaian ekonomi dijelaskan

Kos dikira dari perspektif Eropah Barat Laut dan berdasarkan banyak andaian ekonomi dan kimia. Kami menyenaraikan andaian ekonomi utama kami di sini: harga gas €35/MWj, harga kuasa €85/MWj, harga karbon €65/tan dengan harga karbon penuh (tiada elaun percuma), dan harga arang batu € 110/tan.

Kami telah menggunakan kos teknologi sebanyak €21/tan/tahun untuk tanur simen yang beroperasi 95% sepanjang masa (faktor kapasiti). CO2 ditangkap dan diangkut melalui saluran paip sepanjang 150 kilometer untuk disimpan secara kekal di medan minyak atau gas kosong luar pesisir. Kami telah mengandaikan jumlah kos untuk menangkap, mengangkut dan menyimpan CO2 sebanyak €100/tan dan kadar tangkapan CCS ditetapkan pada 85%.

Kami menggunakan elektroliser alkali buatan Barat yang berharga sekitar 1,000€/kW dan berjalan dengan kecekapan 70% dan kadar kapasiti 70%. Ini menyebabkan kos hidrogen hijau sekitar €5/kg pada harga kuasa €85/MWj.

Dalam amalan, semua pembolehubah input ini menunjukkan variasi yang besar yang menghasilkan pelbagai hasil untuk setiap teknologi. Kami telah memilih untuk membentangkan anggaran mata kerana ia sering menangkap cerapan utama dengan lebih baik daripada julat yang luas. Anggap nombor ini sebagai hasil indikatif yang mana projek masa nyata akan berbeza-beza.

Nota ini adalah sebahagian daripada siri berterusan berdasarkan penghijauan sektor yang sukar dihentikan. Sila dapatkan kemas kini kami yang lain tentang industri keluli , plastik , penerbangan dan perkapalan di sini.