Inginerii germanii au creat prima fabrică de ciment din lume, care emană doar 5% din CO2-ul obişnuit în atmosferă printr-o soluţie genială şi absurdă în acelaşi timp

Producţia de ciment e una din cele mai esenţiale industrii pentru umanitate, deoarece determină una din bazele civilizaţiei noastre — abilitatea de a construi durabil. În acelaşi timp, ea generează cantităţi uriaşe de CO2, adeseori spunându-se că o tonă de ciment generează echivalentul masei sale în emisii. De fapt, această comparaţie e valabilă mai ales la cimentul Portland, cu o concentraţie care de clincher, materia esenţială care intră în amestecului final pe care-l numim ciment, dacă e produs în fabrici mai vechi şi mai eficiente. Media cimentului european generează 0,8-0,9 tone de CO2 pentru o tonă de clincher, după care, cota mai diluată de clincher în cimentul final scade nivelul la aproximativ 0,6 tone CO2 per tonă de ciment. Sunt oricum emisii imense, tocmai de asta şi fabricile de ciment sunt impuse în ultima perioadă să caute soluţii tehnologice pentru a reduce din aceste emisii. De curând, inginerii germanii de la TyssenKrupp şi alte câteva entităţi partenere au creat prima fabrică de ciment din lume, care emană doar 5% din CO2-ul obişnuit în atmosferă printr-o soluţie genială şi absurdă în acelaşi timp. Poate fi ceva absurd şi genial în acelaşi timp? Da, dacă e genial la nivel chimic şi serveşte scopului esenţial de a capta CO2-ului şi în acelaşi timp e absurd de energofag, generând un consum adiţional imens de energie şi multe complicaţii adiacente în proces.

Toată inovaţia despre care vorbim azi e şi mai intrigantă când intrăm în profunzimea procesului, or, producţia de ciment nu emite CO2 doar din cauza energiei consumate în procesul industrial necesar, ci şi în rezultatul reacţiilor chimice, ca produs rezultat. Iar asta înseamnă că pentru a reduce emisiile de CO2 la producţia de ciment nu mai e suficient să se folosească energie regenerabilă în cuptoare.

Aşa cum spuneam mai sus, materialul esenţial din producţia de ciment e clincherul, el formând cea mai mare parte a masei din amestecul final de prafuri care constituie cimentul. În mod normal, producţia de clincher are două faze esenţiale. Prima fază e cea care foloseşte materia primă iniţială — calcarul, sau carbonatul de calciu cu formula CaCO3.

Foto: Clincher, care e ulterior măcinat şi amestecat cu gips, iar uneori şi cu cenuşă, pentru a forma cimentul

Acest calcar ajunge în precalcinator, dacă numim acest utilaj în termeni industriali foarte stricţi au calcinator dar îi atribuim o denumire mai generalistă, corectă şi ea. În acest calcinator, calcarul e încălzit la temperaturi de aproximativ 850-900°C, fiind separat în rezultat în oxid de calciu şi dioxid de carbon. Are loc, deci, o reacţie endotermă după formula: CaCo3 -> CaO + CO2.

Foto: Calcinatorul din fabrică de ciment

Aşadar, în această primă fază e nevoie de energie termică pentru a genera temperatura necesară de 850-900°C, care ar putea genera emisii CO2 dacă această căldură vine din arderea combustiilor fosili. Dar pe lângă asta însăşi reacţia emană CO2 din descompunerea calcarului, iar această parte e chiar mai esenţială decât cea asociată energiei, întrucât două treimi din emisiile totale ale unei fabrici de ciment provin de obicei de la această descompunere şi doar o treime din emisiile asociate energiei termice necesare.

Foto: Calcar mărunţit, pregătit pentru producţia de ciment

În cea de-a doua fază a producţiei de clincher oxidul de calciu rezultat intră apoi într-un cuptor rotativ, unde e încălzit la temperaturi de până la 1.450°C şi intră în reacţie cu dioxidul de siliciu SiO2 şi alţi compuşi din aluminiu şi fier. Prin mai multe procese succesive, se obţine un mestec de 3CaO şi SiO2. Aceste reacţii din cuptor nu mai generează CO2 ca produs al reacţiei, însă energie termică necesară pentru a aduce totul la 1.450°C poate genera multe emisii.

Ei bine, inginerii germani de la TyssenKrupp au creat acum un proces puternic modificat de producţie a clincherului, care captează 95% din CO2 emis din ambele aceste faze. Noul proces are numele de Oxyfuel, a fost implementat la fabrica SCHWENK Zement din Mergelstetten, Germania, şi e parte a unui proiect numit Catch4Climate.

Foto: Noua fabrică din Mergelstetten

Noul proces captează în primul rând CO2-ul rezultat din reacţia din calcinator, din prima fază şi-l direcţionează spre o conductă separată spre o etapă finală importantă. Această parte a mai fost folosită parţial în unele fabrici care încearcă să facă şi capturare directă de CO2.

Însă noul proces Oxyfuel aplică o soluţie genială pentru arderea combustibilului necesar de a genera temperatura da 850-900°C din calcinator şi cea de 1.450°C din cuptor. De obicei, combustia are nevoie de aer atmosferic, pentru a dispune de oxigenul necesar arderii. Dar noul proces al inginerilor nu foloseşte aer atmosferic, ci oxigen pur injectat în procesul de ardere.

Aerul e format de obicei din aproximativ 79% azot şi aproximativ 21% oxigen, iar azotul devine astfel un balast termic, fără vreun rol direct, dar care trebuie încălzit, iar apoi, când e eliberat în emisii, face ca CO2-ul să fie mai diluat în gazele emise, unde concentraţia de CO2 e de circa 25%. Dacă se injectează 100% oxigen în ardere, atunci CO2-ul va constitui la final circa 90-91% din gazele emise. Iar asta face captarea de CO2 mult mai uşoară, întrucât se poate opera cu emisii aproape pure de CO2, care au nevoie de procese finale de triere mult mai puţin energofage decât atunci când concentraţia de CO2 e de 25%. Dar nu e totul atât de simplu.

Pentru că apare un paradox. Azotul din aer avea şi rol de echilibru termic, de fapt, iar renunţarea la azot şi producerea unei arderi doar cu oxigen creşte foarte mult temperatura adiabatică a flăcării. O versiune anterioară a tehnologiei Oxyfuel rezolva această problemă prin recircularea unei părţi di CO2-ul pur rezultat, injectându-l alături de oxigenul pur în ardere. CO2-ul tempera astfel arderea şi ieşea pur şi simplu prin evacuare după ce-şi îndeplinea acest rol. E o soluţie care funcţiona bine, dar necesita conducte mari, ventilatoare, răcitoare, separatoare şi recirculare masivă. Noua soluţie de acum nu mai foloseşte deloc recircularea de CO2, însă.

În noua tehnologie oxigenul în exces devine diluantul, ceea ce sună contraintuitiv şi genial în acelaşi timp. Sistemul injectează mai mult oxigen decât ar putea fi consumat în arderea de combustibil, iar în procesul arderii o parte din oxigen se consumă, generând CO2, iar o altă parte rămâne sub formă de oxigen, absorbind căldură şi echilibrând temperatura de ardere. Iar oxigenul rămas nu e aruncat pe ţeavă. Sistemul e gândit ca oxigenul în exces din cuptor să meargă în calcinator, or, proporţiile de oxigen necesar face ca acest sistem să fie echilibrat în cantităţile de oxigen consumat.

Circuitul acestui oxigen merge într-o ordine exact inversă pe firul logic al fazelor de producţie a clinchetului. Oxigenul pur nou, introdus în sistem, merge întâi la utilajul de răcire a clincherului, aflat în lanţul producţiei tocmai la final. Acolo oxigenul nu e consumat, ci doar preia căldură, executând o funcţie importantă de răcire. Apoi el ajunge în cuptorul rotativ, în faza a doua, şi intră tot ca oxigen pur, dar fierbinte, în combustie, în exces. O parte din el arde, dar o parte rămâne nearsă, sub formă de oxigen. Aceste emisii, formate din CO2 şi O2 pur, merg ulterior în prima fază a procesului de producţie, în calcinator, şi intră în procesul de combustie. Aici o mare parte din oxigenul provenit de a cuptor va fi consumată în reacţie, dar cantitatea de oxigen e oricum mai mare decât cea necesară combustiei, deci o parte va rămâne nearsă şi va avea acelaşi efect de balast termic, ajutată şi de CO2-ul provenit din aceeaşi sursă. Iar ceea ce iese de la combustia calcinatorului are deja o concentraţie mult mai mare de CO2 şi puţin oxigen, mergând spre separatorul de CO2. Acel separator execută procese de răcire, comprimare şi de separare a CO2-ului pentru captarea finală, iar oxigenul rămas e întors în circuit şi amestecat cu oxigenul pur nou, venit în circuit.

Astfel, dacă partea de calcar trece printr-un lanţ de primă fază cu calcinator, apoi cuptor, apoi răcitor de clincher, oxigenul are un traseu invers, de la răcitor spre cuptor şi apoi calcinator, mergând după asta la unitatea de purificare. Iar în rezultat se obţine un proces prin care toată fabrica are emisii super concentrate de CO2, care pot fi captate şi stocate mai uşor.

Foto: Rezervoare de CO2 captat

Dar totuşi, la început am spus că procesul e absurd de energofag. Din cauza că la răcitor se foloseşte doar oxigen pur, dar nu şi azot, recuperarea de căldură e mai puţin eficientă şi procesul de combustie pe întreg ciclul are circa 9,4% mai multă energie consumată direct. Pe lângă asta, procesele adiţionale de separare a CO2-ulu şi circulare consumă 207 kWh/tonă de clincher produs, faţă de 60 kWh necesare la procesul obişnuit. Este nevoie, deci, de 3,4 ori mai multă electricitate. Iar aici se include şi energia necesară procesului criogenic de răcire a oxigenului la —183°C, dar şi purificarea lui.

Foto: Oxigen lichid

În cazul acestei fabrici, oxigenul pur va fi livrat cu camioane cu cisterne, care vor însemna dificultăţi logistice şi probabil alte emisii CO2. O altă problemă, ce determină acele 9,4% mai mult în consum de energie în combustie, e că prezenţa CO2-ului în calcinator face descompunerea de calcar mai dificilă şi e nevoie de temperatură mai mare, de 940-960° în loc de 850-900°C. Mai există şi o problemă a formării de mai mult NOx. Deşi azotul a fost eliminat din aer, în combustibil se mai conţine un pic de azot, iar într-un mediu cu temperaturi înalte şi mult oxigen există tendinţa de a se forma mai mult NOx, care trebuie menajat prin tratament post combustie.

Toate utilajele de producţie trebuie să devină absolut etanşe, pentru că altfel aerul obişnuit înfiltrat aduce azotul nedorit şi taie din eficienţa întregului proces. Astfel, deşi inginerii spun că teoretic procesul e aplicabil şi fabricilor existente, de facto va fi nevoie de modificări esenţiale, care sunt ai logice unei fabrici noi sau complet reutilate.

Fabrica inaugurată acum la TyssenKtupp e una relativă mică în producţia sa, având o capacitate de 450 tone de clincher pe zi sau aproape 165.000 tone pe an. Însă peste 2 ani concurenţii de la Holcim vor inaugura o fabrică mult mai mare cu aceeaşi tehnologie la Lagerdorf, în Germania. Iar acolo necesităţile logistice vor fi enorme şi oxigenul pur nu va mai putea fi adus cu camionul, ci va fi nevoie de o instalaţie proprie sau o conductă de hidrogen. Or, acum, la fabrica de 450 tone de clincher pe zi sunt necesare 164 tone de oxigen în fiecare zi, în tip ce rezervoarele cu până la 400 tone de oxigen în capacitate. Respectiv, cam o dată la două zile e nevoie de livrări noi de oxigen, iar în mod practic asta se va întâmpla în fiecare zi. La viitoarea fabrică, vor fi nevoie de până la 2.000 tone de oxigen pe zi, iar asta devine deja imposibil de menajat cu camioane.

Şi apoi, mai există şi problema energiei consumate în cantităţi mult mai mari. În Germania, ude acum toată industria se plânge pe costuri mari la energie, o asemenea soluţie genială la nivel chimic şi la nivelul misiunii de a capta CO2 are şanse să fie descalificată imediat de la răspândire, întrucât consumul mai mare de energie determină costuri cu 40% mai mari în producţia de ciment. Teoretic, emisiile evitate de CO2 pot aduce 40-50 euro pe tonă în bani returnaţi din programe de mediu. Dar, totuşi, consumul de energie atât de mare rămâne o problemă stringentă. Şi aici totul depinde de cât de măreţ şi primordial e perceput scopul de a evita emisiile de CO2 pentru omenire — atunci când problema e una critică, şi un consum de 3-4 ori mai mare de energie poate fi justificat. Când totul pare mai relaxat sau când există alte regiuni din lume care nu fac aceste eforturi, asemenea idei nu fac decât să taie din competitivitate. Şi poate de asta ar fi şi mai mare nevoie de fuziune nucleară şi de producţia de electricitate din belşug pe care o promite — pentru că stăpânirea fuziunii ar putea aduce abundenţa de energie necesară pentru ca aceste proiect să devină viabile şi costul electricităţii în plus să nu mai fie o piedică din a atinge scopuri mult mai nobile de captare a CO2-ului.