Çimento üretiminde çok ihtiyaç duyulan yeşil devrim

Çimento, günümüzün modern dünyasında olmazsa olmaz bir malzemedir. Evlerimizi, ofislerimizi, köprülerimizi, barajlarımızı, yollarımızı ve kaldırımlarımızı inşa eder. Her yıl, küresel olarak yaklaşık 4.000 tesisten dört milyar tondan fazla çimento üretiyoruz ve bu da en yaygın uygulaması olan 30 milyar ton betona yol açıyor.

Ancak çimento üretimi büyük bir karbon suçlusudur. Küresel emisyonların %7'sinden sorumludur. Çimento endüstrisi bir ülke olsaydı, Rusya ile aynı seviyede ve yalnızca Çin, ABD ve Hindistan'ın gerisinde kalarak dördüncü en büyük emisyon kaynağı olurdu.

Çimentodan kaynaklanan emisyonlar, çelik endüstrisinden kaynaklanan emisyonlarla hemen hemen aynı seviyededir. Bu, çimento ve çeliği en çok kirleten endüstriyel sektörler haline getirir. Teknolojinin üretim sürecini kökten değiştirebildiği ve neredeyse tüm emisyonları ortadan kaldırabildiği çelikten farklı olarak, çimento üretimi doğası gereği CO2 yoğundur. Hammaddelerin çimentoya kimyasal dönüşümü CO2 yayar ve bundan kaçış yoktur, bu 'süreç emisyonları' toplamın %60'ını oluşturur. Geriye kalan %40, genellikle kömür veya plastik atık yakılarak elde edilen yüksek sıcaklıklardan (yaklaşık 1450°C) gelir.

Peki, çimento şirketleri emisyonları azaltmak için ne yapabilir ve bunun maliyeti ne olabilir? Neyse ki çözümler var. CO2'yi kalıcı olarak yakalayıp depolayabilir veya daha sürdürülebilir ısıtma kaynaklarına geçebilirler. Bu makalede bu iş örneklerini inceliyoruz.

Uluslararası Enerji Ajansı'na göre, mevcut politikalar altında çimento üretiminin 2050'ye kadar %17 oranında artması bekleniyor. Net Sıfır Ekonomi senaryolarında bile, üretim seviyeleri bugününkine yakın kalmaya devam ediyor ve bu da çimento ve betonun önemli yapı malzemeleri olarak mevcut rollerini sürdürecekleri gerçeğini vurguluyor.

Bu makalede, yalnızca çimento ve beton üretimini yeşillendirmenin yollarını araştırıyoruz. Şimdilik, örneğin binalarda betonu ahşapla değiştirerek veya binaların tasarımını optimize ederek çimentoya olan talebi azaltmanın yollarına girmiyoruz.

CCS: Karbon Yakalama ve Depolamanın Önemi

Çimento yapımının kimyasal sürecini temelden değiştirebilecek yeni teknolojilerin kullanılabilirliği olmadan karbon yakalama ve depolama (CCS) uygulamasının devreye alınması kaçınılmazdır. Bu nedenle CCS, sektör için herhangi bir karbon giderme senaryosunun ayrılmaz bir parçasıdır ve hem sürece hem de ısıtma emisyonlarına uygulanabilir.

CCS, varsayımlarımıza ve hesaplamalarımıza göre çimentonun emisyonlarını yaklaşık %85 oranında azaltabilir ki bu büyük bir başarıdır. Ayrıca, çimento üretim maliyetini marjinal olarak artırır - CO2'nin boru hatları aracılığıyla taşınabildiği ve 150 km mesafede depolanabildiği referans durumumuzda yaklaşık %10 oranında. Birçok çimento fabrikası için CCS en etkili ve maliyet açısından en etkili karbon giderme çözümü olacaktır.

CO2 emisyonlarını yakalamak ve depolamak, daha temiz ısıtma yakıtları kullanmakla birlikte emisyonları önemli ölçüde azaltabilir, ancak her birinin farklı maliyetleri vardır

Klinker üretiminin gösterge emisyonları ve maliyetleri

Kaynak: ING Araştırma

CCS'nin her çimento fabrikası için yakın vadede bir çözüm olmayacağının nedenleri

Karbon yakalama ve depolama maliyeti, tesisin konumuna bağlı olarak önemli ölçüde değişir ve çimento üretim tesisleri genellikle bir ülke veya bölgeye geniş bir şekilde dağılmıştır.

Örneğin, Avrupa'da yaklaşık 300 tesis bulunmaktadır. Bunlardan bazıları kıyıya yakın bir yerde bulunmaktadır ve bu da CO2'nin boru hatları aracılığıyla açık deniz depolama alanlarına taşınmasına olanak tanır. Hesaplamalarımız CO2'nin 'ucuz' bir şekilde taşınabileceğini varsaymaktadır. Taşımanın, Norveç, Birleşik Krallık ve Hollanda gibi ülkeler için mümkün olan, maksimum 150 kilometrelik bir mesafedeki açık deniz depolama alanına boru hatları aracılığıyla yapıldığını varsayıyoruz. Şu anda, bu ülkelerdeki büyük endüstriyel kümelerde CO2 boru hatları geliştirilmekte ve bu bölgelerdeki çimento fabrikalarının daha düşük taşıma maliyetlerinden faydalanmasını sağlamaktadır. Bu tesislerin CCS teknolojisini uygulayan ilk tesisler olması muhtemeldir.

Birçok tesis, CO2 boru hatlarına sahip endüstriyel kümelerden uzakta, ancak nehirlerin yakınında, iç kesimlerde yer almaktadır ve bu da CO2'nin gemilerle taşınmasına olanak tanır. Ancak, bu yöntem özellikle 500 kilometreye kadar olan mesafeler için önemli ölçüde daha pahalıdır. Bu tesisler, gemilerin CO2 sevkiyatlarını boşaltabileceği limanlar mevcut olduğunda CCS teknolojisini de uygulayabilir.

Ek olarak, gelecekte bile boru hatları veya gemiler aracılığıyla CO2 nakliyesi için uygulanabilir bir seçeneğin olmadığı, iç kesimlerde derinlerde bulunan çimento fabrikaları bulunmaktadır. Bu gibi durumlarda, CO2 kamyonlarla taşınabilir, ancak bu, birçok kamyon hareketi yarattığı için maliyetleri ve karbon emisyonlarını daha da artıracaktır. CCS bu sahalarda kolayca veya hızlı bir şekilde uygulanmayacaktır.

Çimento üretiminden kaynaklanan bir ton karbonu yakalamanın, taşımanın ve kalıcı olarak depolamanın maliyeti, tesis konumuna ve taşıma şekline (boru hatları için düşük maliyet, gemiler için yüksek maliyet) bağlı olarak 50 avro ile 200 avro arasında değişiyor.

Isıtma kaynaklarının değiştirilmesi

Yeşil hidrojen güçlüdür – ancak aynı zamanda çok pahalı ve değerlidir

Yakıt olarak hidrojen kullanmak, çimento üretimi için gerekli yüksek sıcaklıklara ulaşmanın bir yoludur. Teoride, yeşil hidrojen bir ısıtma kaynağı olarak kömür ve atığın yerini alabilir. Bu, işlem emisyonlarını azaltmasa da (bunun için CCS gereklidir), ısıtma işleminin kendisi CO2 yaymayacağı için çimentonun genel emisyonlarını üçte bir oranında azaltacaktır.

Ancak, çimento endüstrisinde yeşil hidrojen kullanmanın önemli dezavantajları vardır. Şu anda, çimento üretim maliyetini neredeyse iki katına çıkaracaktır. Teknoloji hala test edilmemiştir ve öngörülebilir gelecekte endüstrinin muazzam enerji taleplerini karşılayacak kadar yeşil hidrojen mevcut değildir.

Ayrıca, yeşil hidrojen diğer sektörlerin karbonunu azaltmak için daha etkili bir şekilde kullanılabilecek son derece değerli bir kaynaktır. Çelik üretimi, nakliye ve havacılık gibi endüstrilerde, yeşil hidrojen karbon yoğun süreçleri fosilsiz operasyonlara dönüştürme potansiyeline sahiptir. Örneğin, gemiler, uçaklar ve kamyonlar için sentetik yakıt üretmek veya çelik üretiminde kömürü ortadan kaldırmak için kullanılabilir.

Yeşil hidrojenin bu uygulamaları, çimento yapım sürecini değiştirmeden yalnızca fosil yakıtı değiştirmekten çok daha dönüştürücüdür. Sonuç olarak diğer endüstrilerin yeşil hidrojen için daha yüksek fiyatlar ödemesi muhtemeldir. Bu nedenle hidrojenin diğer enerji yoğun sektörlerde daha hızlı ilerleyeceği inancındayız.

Küçük adımlar, büyük etki; marjinal iyileştirmeler önemlidir

Şimdiye kadar emisyonları azaltmak için en radikal çözümleri araştırdık. Neyse ki, fark yaratabilecek daha küçük, kademeli adımlar da var. Bu önlemler her tesiste emisyonları onlarca yüzde puanı kadar azaltmasa da, tüm tesislerde yaygın olarak uygulanmaları sektörün toplam emisyonlarını önemli ölçüde etkileyebilir. Elbette, karbonu yakalama ve depolama ihtiyacını ortadan kaldırmazlar - ancak CCS'ye ne ölçüde ihtiyaç duyulacağını sınırlarlar.

Çimento yapım süreci, ilk geliştirildiği zamandan bu yana neredeyse hiç değişmedi, sadece artan enerji verimliliği hariç. Geleneksel çimento fırınları zaten %60'ın üzerinde enerji verimliliğine ulaştı ve önemli yükseltmeler yapmaları pek olası değil, ancak tesis düzeyinde iyileştirme için yer olabilir. Kalan ısıyı diğer endüstriyel süreçlerde kullanarak veya ısıtma şebekeleri inşa ederek evleri ısıtarak daha büyük kazanımlar elde edilebilir.

Daha az klinker kullanımı

Portland çimentosu en çok kullanılan çimentodur ve %95 klinker içeriğine sahiptir. Klinker, kömür santrallerinden gelen uçucu kül ve çelik üretiminden gelen yüksek fırın cürufu gibi ek çimentolu malzemelerle kısmen değiştirilebilir. Bu ikame, klinker oranını düşürerek enerji kullanımını azaltır ve klinker üretimine özgü emisyonların bir kısmından kaçınılmasını sağlar. Ancak, Avrupa'daki enerji ve çelik sektörleri kömürden uzaklaştıkça, bu alternatif hammaddeler daha az kolay bulunacaktır.

Biyokütlenin ortak işlenmesi

Kömür ürünleri ve atıklar, çimento üretiminde proses ısısı üretmek için en yaygın yakıtlardır. Biyokütle, eş-yakma için de kullanılabilir, ancak çoğu organik malzemenin düşük kalorik değeri nedeniyle tamamen ikame edilmesi teknik olarak zordur. Sürdürülebilir kaynaklı biyokütle, mevcut yönergelere göre sıfır emisyonlu bir yakıt olarak kabul edilir ve böylece çimentonun karbon ayak izi azaltılır. Ancak burada da, yeşil hidrojende olduğu gibi, biyokütle diğer enerji yoğun sektörleri yeşillendirmede daha fazla değer katabilir. Dolayısıyla, net sıfır ekonomiye doğru ilerlerken, çimento endüstrisinde kullanımının diğer sektörlerdeki yüksek talep nedeniyle kısıtlanmasını bekliyoruz.

Dairesel ekonomi prensiplerinin uygulanması

Dairesel ekonomi prensiplerini benimsemek, çimento talebini önemli ölçüde azaltabilir. Buna, daha az beton kullanmak için yapısal tasarımları optimize etmek, yeniden kullanım ve geri dönüşüm için kolayca sökülebilen altyapı oluşturmak ve betonu ahşap gibi sıfır CO2'li malzemelerle değiştirmek dahildir. Önemli ve ilginç bir konu - ancak bu makalede, çimento üretimini yeşillendirmeye odaklandığı için buna değinmeyeceğiz.

Yeşil beton – çimentoyu karbon emici bir maddeye dönüştürmek

Çimentonun kimyasal reaksiyonu doğası gereği CO2 üretirken, aynı reaksiyon ters sırada da kullanılabilir ve çimentonun ana son ürünü olan betonda CO2 depolanabilir. Beton üretimi sırasında CO2 enjeksiyonu, yakalanan CO2'nin beton karışımına dahil edilmesini içerir. Bu kimyasal işlem CO2'yi kalıcı olarak betona gömer.

CarbonCure gibi şirketler, metreküp beton başına 18 kilograma kadar CO2 depolayabiliyor. Bu, betonda azaltılmamış çimento kullanımıyla gelen 350 kilogram CO2'nin hala çok küçük bir kısmı (çimento türüne ve beton karışımına bağlı olarak emisyonlar 250 ila 400 kilogram arasında değişiyor). Ancak CO2 çimento üretimi sırasında yakalanıp depolanırsa bu rakam yaklaşık 50 kilogram CO2'ye düşüyor.

Yani, betona CO2 enjeksiyonu, çimento üretiminde CCS ile birlikte, gelecekte yeni çözümler ve karbon nötr çimento ve beton olasılığı sağlayabilir. Kalan emisyonlar gönüllü karbon piyasalarında telafi edilebilir (örneğimizde beton tonu başına 32 kilogram CO2).

Karbon nötr betona yönelik stratejiler

CO2 azaltma önlemlerinin kilogram cinsinden CO2/ton beton cinsinden gösterge etkisi

Kaynak: ING Araştırma

Çimento endüstrisinin karbon nötrlüğüne ulaşması için kat etmesi gereken uzun bir yol var ve hem CO2 enjeksiyonu hem de CCS önemli zorluklarla karşı karşıya. Bu teknolojiler hala emekleme aşamasında ve yüksek maliyetlerle geliyor - yani, eğer mevcutlarsa.

Çimento tedarik zincirinde yenilik ve daha fazla araştırma, CO2 enjeksiyonlu betonun yerel yapı kodlarına ve standartlarına uymasını sağlamak için çok önemlidir. Pilot projeler, karbon nötr beton için iş durumunu oluşturmaya yardımcı olarak ölçeklenebilir ve uygun maliyetli hale getirebilir. Şu anda, talep sorun değil; önde gelen geliştiriciler ve yatırımcılar net sıfır binalar yapmaya ve bunun için özellikle üst düzey pazarlarda prim ödemeye isteklidir. Ve politika yapıcıların, çimentonun önemli bir kısmını aldığı emisyon hedeflerini karşılamaları gerekir. Bu, çimento üreticilerine ve politika yapıcılarına endüstriyi her bir sitede yeşillendirmeleri için baskı yapar.

Ek: Bir ekonomistin çimentonun teknoloji açıklaması

Çimento üretimi, ham maddelerin hazırlanmasıyla başlar - kireç taşı, çakıl ve kil, burada ince toz haline getirilir. Daha sonra hazırlanan kireç taşının yaklaşık 1450 santigrat derece sıcaklıktaki bir çimento fırınına eklenmesiyle çimento klinkeri üretilir. Bu, kireç taşının çimento ve CO2'ye kalsinasyonunu sağlar. CO2 ya atmosfere salınır ya da CCS ile yakalanır ve kalıcı olarak depolanır.

CCS'li ve CCS'siz çimento üretimi

Kaynak: ING Araştırma

Ekonomik varsayımlar açıklandı

Maliyetler Kuzeybatı Avrupa perspektifinden hesaplanıyor ve birçok ekonomik ve kimyasal varsayıma dayanıyor. Burada temel ekonomik varsayımlarımızı sıralıyoruz: 35 €/MWh'lik bir gaz fiyatı, 85 €/MWh'lik bir elektrik fiyatı, tam karbon fiyatlandırması (serbest izin yok) ile 65 €/tonluk bir karbon fiyatı ve 110 €/tonluk bir kömür fiyatı.

Zamanının %95'ini (kapasite faktörü) çalışan bir çimento fırını için ton başına 21 avro/yıl teknoloji maliyeti uyguladık. CO2 yakalanıp 150 kilometreden fazla boru hatları aracılığıyla taşınarak açık denizdeki boş bir petrol veya gaz sahasında kalıcı olarak depolanıyor. CO2 yakalama, taşıma ve depolama için toplam maliyetin ton başına 100 avro olduğunu varsaydık ve CCS yakalama oranı %85 olarak belirlendi.

Yaklaşık 1.000€/kW maliyeti olan ve %70 verimlilik ve %70 kapasite oranıyla çalışan Batı yapımı bir alkali elektrolizör uyguluyoruz. Bu, 85€/MWh'lik bir güç fiyatında yaklaşık 5€/kg'lık yeşil hidrojen maliyetiyle sonuçlanıyor.

Uygulamada, tüm bu girdi değişkenleri her teknoloji için geniş bir sonuç yelpazesi üreten önemli bir varyasyon gösterir. Nokta tahminlerini sunmayı seçtik çünkü bunlar genellikle geniş aralıklardan daha iyi ana içgörüleri yakalar. Bu sayıları gerçek zamanlı projelerin etrafında değişeceği gösterge sonuçları olarak ele alın.

Bu not, azaltılması zor sektörlerin yeşillendirilmesi etrafında dönen devam eden bir dizinin parçasıdır. Çelik , plastik , havacılık ve nakliye sektörlerine ilişkin diğer güncellemelerimizi burada bulabilirsiniz.