KTU chemikas Irmantas Barauskas: geresnio pasaulio statymas naudojant „žaliąjį“ cementą

Irmantas Barauskas, Kauno technologijos universiteto Cheminės technologijos fakulteto docentas

Cemento gamybos apimtis visame pasaulyje 2019 m. jau siekė apie 4,2 mlrd. tonų, kai 1995 m. – tik 1,39 mlrd. Tai rodo labai spartų ir globalų statybos pramonės augimą. Šiandien pasaulyje yra vienintelė medžiaga, kurios žmonės sunaudoja daugiau nei betono, tai – vanduo.

Betonas yra nebrangus ir lengvai eksploatuojamas, nes tik pagamintas teka, o vėliau tampa kietas kaip uola (todėl gali būti vadinamas dirbtinu akmeniu). Tačiau svarbu pripažinti, kad pagrindinis betono komponentas – cementas yra „nešvarus“.

Nešvarus – ne ta prasme, kad ištepa drabužius (nors ši problema statybininkams irgi labai gerai žinoma), tačiau dėl to, jog cemento gamybos metu yra išmetamas milžiniškas CO2 kiekis. Pagaminus 1 toną įprastinio cemento, į aplinką išskiriama apie 1 tona anglies dioksido.

Pagrindinė cemento gamybos žaliava yra kalkakmenis (klintis), kurio didžiausią dalį sudaro kalcio karbonatas. Degant žaliavų mišinį, kalcio karbonatas skyla išskirdamas CO2. Cemento klinkerio degimas vykdomas apie 1500 °C, todėl šiam procesui reikia daug iškastinio kuro, kurio degimo metu išskiriama dar daugiau CO2 dujų. Dėl šių priežasčių, cemento gamyba lemia 5–7 % viso pasaulio išmetamo anglies dioksido kiekio.

Jungtinėse Amerikos Valstijose tik iškastinio kuro naudojimas (transporto, elektros, chemijos gamybai ir kitoms reikmėms) ir geležies bei plieno pramonė išskiria daugiau šiltnamio efektą sukeliančių dujų.

Išskiria, bet ir sugeria

Bet ar tikrai cementas yra vien tik CO2 emisijos šaltinis? Atsakymas – laiko trukmės klausimas, nes pagamintas betonas ar jo gaminiai CO2 sugeria!

Betonas absorbuoja anglies dioksidą ir jį „suriša“ į akmenį (kalcio karbonatą). Šis procesas paprastai vadinamas karbonizacija. Tai gali būti vertinama tiesiog kaip papildomas anglies (tame tarpe ir CO2) gyvavimo ciklas.

Anglies dioksidą betonas gali absorbuoti būdamas įvairių formų: pvz. kaip pastatų, tiltų ar šaligatvių dalis. Kad šis procesas vyktų, betonas nebūtinai turi būti tiesiogiai veikiamas atmosferos. Požeminiai betoniniai vamzdynai ir pamatai gali absorbuoti CO2 iš dirvožemio, o požeminiai ir povandeniniai įrenginiai gali absorbuoti ištirpusį anglies dioksidą, esantį požeminiame, gėlame ir sūriame vandenyje.

Šiame tvarumo amžiuje daugelis žmonių taip pat pakartotinai naudoja betoną antrinėms reikmėms. Trupintas betonas naudojamas kaip pagrindas kelių statyboje arba kaip užpildas betoninių konstrukcijų, asfalto dangoje. Kiekvienas iš šių antrinių panaudojimų taip pat gali būti įtrauktas į anglies gyvavimo ciklą.

Taigi, kiek anglies dioksido gali absorbuoti betonas ir kiek tai trunka? Deja, atsakymai nėra paprasti. Betonas yra labai sudėtinga ir dinamiška medžiaga. Jis sudarytas iš daug skirtingų cheminių junginių, kurie laikui bėgant keičiasi ir skiriasi priklausomai nuo žaliavų mišinių ir aplinkos poveikio.

Labai sunku įvertinti karbonizacijos greitį ir dėl skirtingo betonų poringumo. Yra manoma, kad tokį pat CO2 kiekį, kuris išsiskiria cemento gamybos metu, betonas gali absorbuoti, tačiau tai gali trukti net kelis dešimtmečius. Svarbiausia yra suprasti, kad betonas yra anglies dvideginio „surinkėjas“ ir turi didelę įtaką CO2 gyvavimo ciklui.

Norint, kad cemento gamyba taptų CO2 neutrali, tai būti sprendžiama kompleksiškai. Taip įmanoma pasiekti, kad cemento, o dėl to ir betono, gamyba taptų ne tik neutrali, tačiau net ir (ilgesnio trukmės periodo atžvilgiu) CO2 neigiama!

Du pagrindiniai būdai

Tad, kokiais būdais galime sumažinti CO2 emisija cemento gamybos metu? Pagrindiniai CO2 dujų išmetimo šaltiniai gaminant Portlandcementį yra suskirstyti į dvi grupes – kuro deginimas cemento krosniai (cemento klinkeris degamas apie 1500 °C) ir pats kalcinavimo (degimo) procesas, kurio metu išmetama apie 50% CO2;

Tradiciškai klinkerio degimo krosnis kūrenama akmens anglimi, gamtinėmis dujomis arba mazutu. Alternatyvaus kuro šaltiniai pradėti naudoti tik devintojo dešimtmečio viduryje. Tokie degalai kaip biomasė gali efektyviai sumažinti (apie 20–25%) CO2 kiekį, jei palyginsime ją su akmens anglimi.

Alternatyvus kuras, kurį naudoja cemento pramonė, yra panaudotos padangos, nuotekų dumblas, gyvūninės kilmės, naftos, popieriaus atliekos, plastikas, tekstilė ir panašios medžiagos. Kai kurios gamyklos jau pakeitė net 100 proc. tradicinio kuro alternatyviu.

Tačiau yra keletas praktinių kuro pakeitimo problemų: jų cheminės savybės ir sudėtis skiriasi nuo tradicinių, dėl kurių į cementą patenka skirtingų junginių, o dėl to blogėja ir jo kokybė (pvz., pasiekiami mažesni stiprumai). Kuro keitimo problemas galima spręsti atidžiai kontroliuojant gamybos procesą ir koreguojant sudėtis, tačiau tai reikalauja papildomų tyrimų bei patirties.

Kai kuriose išsivysčiusiose šalyse alternatyvaus kuro naudojimas jau yra perkeltas iš laboratorinių tyrimų į gamybą, o 2050 m. tikimasi pakeisti apie 40–60% naudojamo alternatyvaus kuro. Tačiau besivystančiose šalyse ši dalis sudarys tik 25–35%. Kadangi kuro degimo CO2 išmetimas sudaro apie 40-50 % viso išmetamo kiekio, naudojant alternatyvų kurą galima žymiai sumažinti išmetamų teršalų kiekį.

KTU laboratorijose – molis

Kitas CO2 mažinimo būdas yra cemento kiekio keitimas įvairiais priedais (vad. papildomos cementinės medžiagos – angl. trumpinimas SCM). Šiuo metu cemento gamintojai naudoja įvairias kitų gamybų atliekas (šlakus, lakiuosius pelenai ir kt.) bei natūralius mineralus (klintis, pucolanus ir pan.).

Londono imperatoriškojo koledžo mokslininkas Nikolaos Vlasopoulos sakė: „Nemanau, kad šiandien pasaulyje naudojama statybinė medžiaga, kuri būtų blogiau suprantama nei portlandcementis“, o pagrindinė kliūtis, su kuria susiduria pramoninės įmonės norėdamos įdiegti naujus statybos produktus – laikas ir žmonių baimės.

Naujiems cementams patvarumo įrodymai užtrunka. Pvz., jei statome tiltą ar pastatą naudodami naują cementą, kaip įtikinti žmones, kad jis bus tvirtas? Tai iššūkis. Niekas nenori, kad tiltas griūtų.

Todėl tyrimai su naujais priedais ir medžiagomis vykdomi nesustojant. KTU mokslininkai kuria naujas rišamąsias medžiagas, kurios pakeistų tradicinį cementą (pvz. medžiagą kuri kietėja ne vandenyje, o CO2 aplinkoje, o dėl to CO2 išmetimas į aplinką sumažėja apie 30 %) ir tiria įvairius mineralinius priedus.

Tyrimų rezultatai rodo, kad technologiškai apdorojus vietinę pigią žaliavą – molį ir sumaišius su naftos perdirbimo metu susidarančiomis katalizatoriaus atliekomis gaunama stipresnė rišamoji medžiaga. Šiuo metu tiriamos šio cemento gaminių eksploatacines savybės.

Pasaulyje ieškoma įvairių būdų

Gera žinia ta, kad didžiausias pasaulyje cemento gamintojas „LafargeHolcim“, nepaisant visų iššūkių, planuoja padidinti „žaliųjų“ (t.y. ekologiškų) statybinių medžiagų naudojimą iki 100 mln. tonų per metus ir pasiekti CO2 neutralią cemento gamybą jau 2030 m.

Kompanijos vadovybė teigia, kad turi 52 projektus, skirtus padidinti alternatyvių degalų naudojimą, o planuojamų investicijų atsipirkimo trukmė grindžiama ne tik pigesniu kuru, bet taip pat ir mažesniais CO2 mokesčiais.

Tuo tarpu cemento gamintoja milžinė kompanija „Cemex“ CO2 neutralią cemento gamybą tikisi pasiekti 2050 m. „Cemex“ šiuo metu dalyvauja 20-yje CO2 mažinimo projektų visame pasaulyje, įskaitant partnerystę su Šveicarijos kompanija „Synhelion“.

Pastarieji kuria saulės energijos technologiją, kuri visiškai ar iš dalies pakeistų iškastinio kuro naudojimą. Šios įmonės nuolat didina žaliųjų cementų gamybą. Kaip prognozuoja analitikai, pasaulinė žaliųjų cementų rinka nuo 2016–2024 m. išaugs iki 11,3%.