Цементні заводи, які нині входять до числа найбільших промислових джерел викидів парникових газів, можуть перетворитися на установки з видалення вуглекислого газу з повітря. Таку концепцію запропонували науковці з ETH Zurich у дослідженні, про яке розповідає Interesting Engineering.
Сучасна інфраструктура — дороги, мости, будівлі — критично залежить від цементу. Водночас його виробництво відповідає приблизно за 5–8 % глобальних викидів CO₂. Тому цементна галузь вважається однією з найскладніших для декарбонізації.
Як поєднати цемент і Direct Air Capture
Автори роботи пропонують інтегрувати виробництво цементу з технологією Direct Air Capture (DAC) — прямого захоплення CO₂ з атмосферного повітря. Такий підхід має дозволити не лише скоротити власні викиди заводу, а й вилучати додатковий вуглекислий газ, який уже перебуває в атмосфері.
Дослідження, опубліковане в журналі Chem Circularity, розглядає систему на основі так званого кальцієвого циклювання. Цей процес використовує той самий ключовий матеріал, що й цементне виробництво, — вапняк.
Зараз цемент генерує CO₂ двома основними шляхами. По-перше, для роботи печей потрібні дуже високі температури, і традиційно для цього спалюють викопне паливо. По-друге, під час випалу вапняку (кальцинації) сам мінерал — кальцій карбонат — розкладається на негашене вапно та CO₂. Навіть якщо повністю перейти на чисту енергію, ці процесні викиди не зникнуть, тож проблема лишається.
Саме тому цементну промисловість часто називають «важкою» для декарбонізації. Вікторія Болонгаро (Vittoria Bolongaro), аспірантка ETH Zurich і провідна авторка роботи, наголошує, що поєднання DAC і цементного виробництва з кліматичної точки зору виглядає дуже перспективно.
Кальцієве циклювання: вапняк як багаторазовий носій CO₂
У центрі запропонованої схеми — процес кальцієвого циклювання, одна з форм Direct Air Capture. Він особливо привабливий тим, що використовує ті самі кальцієві сполуки, що вже присутні на цементному заводі.
У системі вапняк нагрівають, отримуючи негашене вапно. CO₂ при цьому не викидається, а відокремлюється й збирається в концентрованому вигляді. Далі до негашеного вапна додають воду — утворюється гашене вапно.
Гашене вапно може поглинати вуглекислий газ із навколишнього повітря. З часом воно знову перетворюється на вапняк, який потім знову можна подати у виробничий цикл цементу. Таким чином, кальцієвий матеріал працює як багаторазовий носій атмосферного CO₂.
Чим більше циклів захоплення CO₂ з повітря проходить цей матеріал перед тим, як стати частиною готового цементу, тим більшим є сумарний обсяг вилученого з атмосфери вуглекислого газу.
Зменшення викидів проти реального видалення CO₂
Автори наголошують на важливій відмінності між просто зменшенням забруднення і фактичним видаленням CO₂ з атмосфери. Якщо цементний завод замінить викопне паливо відновлюваною електроенергією, його викиди суттєво знизяться. Якщо ж завод захоплює процесний CO₂ і закачує його на зберігання під землю, ці гази не потрапляють у повітря.
Запропонована в ETH Zurich система йде далі: кальцієве циклювання дозволяє вловлювати CO₂ безпосередньо з навколишнього повітря. Отриманий таким чином газ можна стиснути та транспортувати для тривалого геологічного зберігання.
У підсумку цементний завод теоретично може стати вуглецево-негативним — вилучати з атмосфери більше CO₂, ніж уся система викидає за свій життєвий цикл.
Моделювання майбутньої ефективності
Дослідники змоделювали, як така інтегрована система може працювати в майбутньому. За їхніми розрахунками, електрифікація цементної печі в поєднанні з прямим захопленням CO₂ здатні зменшити кліматичний вплив виробництва цементу до 78 % до 2050 року.
Проте результат сильо залежить від джерела електроенергії, адже Direct Air Capture є енергоємною технологією. Якщо для її роботи використовувати електрику з великою вуглецевою складовою, частина кліматичної вигоди від вилучення CO₂ буде втрачена.
Коли ж система живиться низьковуглецевою або відновлюваною електроенергією, її показники помітно покращуються. Оцінки авторів свідчать, що до 2050 року, залежно від енергетичного міксу, кальцієве циклювання у складі DAC може досягати 85–96 % ефективності видалення CO₂.
У практичному вимірі це означає, що на кожну тонну CO₂, захоплену та надійно захоронену, система все одно може генерувати близько 40–150 кілограмів викидів CO₂ в інших ланках процесу. Попри це, загальний баланс залишається суттєво кращим, ніж у традиційного цементного виробництва, і відкриває шлях до активного видалення вуглекислого газу з атмосфери замість його постійного додавання.