Крайне необходимая зеленая революция в производстве цемента

Цемент — это важнейший материал в современном мире. Он строит наши дома, офисы, мосты, плотины, дороги и тротуары. Каждый год мы производим более четырех миллиардов тонн цемента по всему миру примерно на 4000 заводах, что приводит к 30 миллиардам тонн бетона, его наиболее распространенному применению.

Однако производство цемента является основным виновником выбросов углерода. На его долю приходится 7% мировых выбросов. Если бы цементная промышленность была страной, она бы заняла четвертое место по величине выбросов, наравне с Россией и уступая только Китаю, США и Индии.

Выбросы от цемента примерно сопоставимы с выбросами от сталелитейной промышленности. Это делает цемент и сталь наиболее загрязняющими промышленными секторами. В отличие от сталелитейной промышленности, где технологии могут кардинально изменить производственный процесс и устранить почти все выбросы, производство цемента по своей сути является интенсивным в отношении CO2. Химическое преобразование сырья в цемент выделяет CO2, и нет способа обойти это, поскольку эти «выбросы процесса» составляют 60% от общего объема. Остальные 40% приходятся на требуемые высокие температуры (около 1450°C), которые обычно достигаются путем сжигания угля или пластиковых отходов.

Итак, что могут сделать цементные компании, чтобы сократить выбросы, и какой ценой? К счастью, есть решения. Они могут улавливать и хранить CO2 постоянно или переходить на более устойчивые источники тепла. Мы подробно рассмотрим эти бизнес-кейсы в этой статье.

По данным Международного энергетического агентства, при текущей политике производство цемента должно вырасти на 17% к 2050 году. Даже в сценарии чистой нулевой экономики уровни производства остаются близкими к сегодняшним, что подчеркивает тот факт, что цемент и бетон продолжат играть свою нынешнюю роль важных строительных материалов.

В свою очередь, в этой статье мы только исследуем способы экологизации производства цемента и бетона. На данный момент мы не углубляемся в способы снижения спроса на цемент, например, путем замены бетона на дерево в зданиях или оптимизации конструкции зданий.

Улавливание и хранение углерода: важность улавливания и хранения углерода

Внедрение улавливания и хранения углерода (CCS) неизбежно без наличия новых технологий, которые могут кардинально изменить химический процесс производства цемента. Поэтому CCS является неотъемлемой частью любого сценария декарбонизации для сектора и может применяться как к выбросам в процессе, так и к выбросам при отоплении.

CCS может сократить выбросы цемента примерно на 85%, исходя из наших предположений и расчетов, что является большим достижением. Кроме того, это незначительно увеличивает стоимость производства цемента – примерно на 10% в нашем базовом случае, где CO2 может транспортироваться по трубопроводам и храниться на расстоянии 150 км. Для многих цементных заводов CCS станет наиболее эффективным и экономически эффективным решением по декарбонизации.

Улавливание и хранение выбросов CO2, а также использование более чистых видов топлива для отопления могут значительно сократить выбросы, хотя каждый из них сопряжен с различными затратами.

Ориентировочные выбросы и затраты на производство клинкера

Источник: ING Research

Почему CCS не станет решением в ближайшем будущем для каждого цементного завода

Стоимость улавливания и хранения углерода существенно различается в зависимости от местоположения объекта, а предприятия по производству цемента часто разбросаны по всей стране или региону.

Например, в Европе насчитывается около 300 заводов. Некоторые из них расположены недалеко от побережья, что позволяет транспортировать CO2 в морские хранилища по трубопроводам. Наши расчеты предполагают, что CO2 можно транспортировать «дешево». Мы предполагаем транспортировку по трубопроводам в морские хранилища на максимальное расстояние 150 километров, что осуществимо для таких стран, как Норвегия, Великобритания и Нидерланды. В настоящее время трубопроводы CO2 разрабатываются в основных промышленных кластерах этих стран, что позволяет цементным заводам в этих регионах извлекать выгоду из более низких транспортных расходов. Эти площадки, вероятно, будут первыми, на которых будет применена технология CCS.

Многие заводы расположены в глубине страны – вдали от промышленных кластеров с трубопроводами CO2, но вблизи рек, что позволяет транспортировать CO2 судами. Однако этот метод значительно дороже, особенно на расстояниях до 500 километров. На этих объектах также можно применять технологию CCS, если есть порты, где суда могут разгружать свои партии CO2.

Кроме того, есть цементные заводы, расположенные глубоко внутри страны, где нет реальных вариантов транспортировки CO2 по трубопроводам или кораблям, даже в будущем. В таких случаях CO2 можно было бы перевозить грузовиками, но это еще больше увеличит расходы и выбросы углерода, поскольку это создает много перемещений грузовиков. CCS не будет легко или быстро применяться на этих объектах.

В целом стоимость улавливания, транспортировки и постоянного хранения тонны углерода, образующегося при производстве цемента, составляет от 50 до 200 евро в зависимости от местоположения объекта и вида транспорта (низкая стоимость для трубопроводов, высокая стоимость для судов).

Переключение источников отопления

Зеленый водород – мощный, но слишком дорогой и ценный

Использование водорода в качестве топлива — один из способов достижения высоких температур, необходимых для производства цемента. Теоретически зеленый водород мог бы заменить уголь и отходы в качестве источника тепла. Хотя это не сократит выбросы в процессе (для этого требуется CCS), это сократит общие выбросы цемента на треть, поскольку сам процесс нагрева не будет выбрасывать CO2.

Однако использование зеленого водорода в цементной промышленности имеет существенные недостатки. В настоящее время это почти удвоит стоимость производства цемента. Технология все еще не опробована, и в обозримом будущем зеленого водорода будет недостаточно для удовлетворения огромных энергетических потребностей отрасли.

Более того, зеленый водород является чрезвычайно ценным ресурсом, который можно было бы эффективнее использовать для декарбонизации других секторов. В таких отраслях, как сталелитейная промышленность, судоходство и авиация, зеленый водород имеет потенциал для преобразования углеродоемких процессов в операции без ископаемого топлива. Например, его можно использовать для производства синтетического топлива для кораблей, самолетов и грузовиков или для устранения угля при производстве стали.

Эти применения зеленого водорода гораздо более преобразующие, чем простая замена ископаемого топлива при сохранении процесса производства цемента неизменным. В результате другие отрасли, вероятно, будут платить более высокие цены за зеленый водород. Поэтому мы считаем, что водород будет развиваться быстрее в других энергоемких секторах.

Маленькие шаги, большой эффект; незначительные улучшения имеют значение

До сих пор мы исследовали самые радикальные решения по сокращению выбросов. К счастью, есть и более мелкие, постепенные шаги, которые могут иметь значение. Хотя эти меры не могут сократить выбросы на десятки процентных пунктов на каждом заводе, их широкое применение на всех заводах может существенно повлиять на общие выбросы сектора. Конечно, они не устраняют необходимость улавливать и хранить углерод, но они ограничивают степень, в которой будет необходим CCS.

Процесс производства цемента практически не изменился с момента его разработки, за исключением повышения энергоэффективности. Традиционные цементные печи уже достигли более 60% энергоэффективности и вряд ли будут значительно модернизированы, но на уровне завода могут быть возможности для улучшения. Больших выгод можно получить, используя остаточное тепло в других промышленных процессах или для отопления домов путем строительства тепловых сетей.

Использование меньшего количества клинкера

Портландцемент является наиболее используемым цементом и имеет содержание клинкера 95%. Клинкер может быть частично заменен дополнительными цементными материалами, такими как летучая зола с угольных электростанций и доменный шлак от сталелитейного производства. Такая замена снижает соотношение клинкера, сокращая потребление энергии и избегая некоторых выбросов, присущих производству клинкера. Однако, поскольку энергетический и сталелитейный секторы в Европе отходят от угля, эти альтернативные виды сырья станут менее доступными.

Совместная переработка биомассы

Угольные продукты и отходы являются наиболее распространенным топливом для получения технологического тепла при производстве цемента. Биомасса также может использоваться для совместного сжигания, хотя полная ее замена технически сложна из-за более низкой калорийности большинства органических материалов. Биомасса, полученная из экологически чистых источников, считается топливом с нулевым уровнем выбросов в соответствии с действующими нормами, тем самым снижая углеродный след цемента. Но и здесь, как и в случае с зеленым водородом, биомасса может добавить больше ценности в экологизации других энергоемких секторов. Поэтому, по мере того как мы движемся к чистой нулевой экономике, мы ожидаем, что ее использование в цементной промышленности будет ограничено высоким спросом в других секторах.

Применение принципов экономики замкнутого цикла

Внедрение принципов экономики замкнутого цикла может значительно снизить спрос на цемент. Это включает в себя оптимизацию структурных проектов для использования меньшего количества бетона, создание инфраструктуры, которую можно легко разобрать для повторного использования и переработки, и замену бетона материалами с нулевым выбросом CO2, такими как дерево. Важная и интересная тема, но в нее мы не будем углубляться в этой статье из-за ее фокуса на экологизации производства цемента.

Экологизация бетона – превращение цемента в поглотитель углерода

Хотя химическая реакция цемента по своей сути производит CO2, та же реакция может быть использована в обратном порядке для хранения CO2 в бетоне, главном конечном продукте цемента. Впрыскивание CO2 во время производства бетона подразумевает введение захваченного CO2 в бетонную смесь. Этот химический процесс навсегда внедряет CO2 в бетон.

Такие компании, как CarbonCure, способны хранить до 18 килограммов CO2 на кубический метр бетона. Это все еще малая часть от 350 килограммов CO2, которые выделяются при использовании необработанного цемента в бетоне (в зависимости от типа цемента и бетонной смеси выбросы составляют от 250 до 400 килограммов). Но эта цифра снижается примерно до 50 килограммов CO2, если CO2 улавливается и хранится во время производства цемента.

Таким образом, инъекция CO2 в бетон вместе с CCS в производстве цемента может обеспечить новые решения и возможность создания углеродно-нейтрального цемента и бетона в будущем. Оставшиеся выбросы могут быть компенсированы на добровольных рынках углерода (32 килограмма CO2 на тонну бетона в нашем примере).

Стратегии по созданию углеродно-нейтрального бетона

Показатель воздействия мер по сокращению выбросов CO2 в килограммах CO2 на тонну бетона

Источник: ING Research

Цементной промышленности предстоит пройти долгий путь к достижению углеродной нейтральности, и как впрыскивание CO2, так и CCS сталкиваются со значительными проблемами. Эти технологии все еще находятся в зачаточном состоянии и требуют больших затрат — если они вообще доступны.

Инновации в цепочке поставок цемента и дальнейшие исследования имеют решающее значение для обеспечения соответствия бетона с инъекцией CO2 местным строительным нормам и стандартам. Пилотные проекты могут помочь создать экономическое обоснование для углеродно-нейтрального бетона, сделав его масштабируемым и экономически эффективным. В настоящее время спрос не является проблемой; ведущие застройщики и инвесторы готовы строить здания с нулевым выбросом и платить за это премию, особенно на рынках высокого класса. А политики должны выполнять свои целевые показатели выбросов, из которых цемент занимает значительную часть. Это оказывает давление на производителей цемента и политиков, чтобы они озеленяли отрасль на каждом участке.

Приложение: объяснение технологии производства цемента экономистом

Производство цемента начинается с подготовки сырья — известняка, гравия и глины, где они измельчаются в мелкий порошок. Затем производят цементный клинкер, добавляя подготовленный известняк в цементную печь при температуре около 1450 градусов по Цельсию. Это позволяет прокаливать известняк в цемент и CO2. CO2 либо выбрасывается в атмосферу, либо улавливается и постоянно хранится с помощью CCS.

Производство цемента с использованием и без использования CCS

Источник: ING Research

Объяснение экономических предположений

Затраты рассчитываются с точки зрения северо-западной Европы и основаны на многих экономических и химических предположениях. Мы перечислим наши основные экономические предположения здесь: цена на газ €35/МВт·ч, цена на электроэнергию €85/МВт·ч, цена на углерод €65/тонна с полным ценообразованием на углерод (без бесплатных квот) и цена на уголь €110/тонна.

Мы применили технологические затраты в размере 21 евро/тонна/год для цементной печи, которая работает 95% времени (коэффициент мощности). CO2 улавливается и транспортируется по трубопроводам на расстояние более 150 километров для постоянного хранения в пустом офшорном нефтяном или газовом месторождении. Мы предположили, что общая стоимость улавливания, транспортировки и хранения CO2 составляет 100 евро/тонна, а уровень улавливания CCS установлен на уровне 85%.

Мы применяем щелочной электролизер западного производства, который стоит около 1000 евро/кВт и работает с эффективностью 70% и производительностью 70%. Это приводит к тому, что стоимость зеленого водорода составляет около 5 евро/кг при стоимости электроэнергии 85 евро/МВт-ч.

На практике все эти входные переменные демонстрируют значительную вариацию, что приводит к широкому диапазону результатов для каждой технологии. Мы решили представить точечные оценки, поскольку они часто лучше отражают основные идеи, чем широкие диапазоны. Относитесь к этим числам как к ориентировочным результатам, вокруг которых будут варьироваться проекты в реальном времени.

Эта заметка является частью продолжающейся серии, посвященной экологизации секторов, которые трудно поддаются сокращению. Пожалуйста, ознакомьтесь с нашими другими обновлениями по сталелитейной , пластмассовой , авиационной и судоходной отраслям здесь.