Karbonsemleges cementgyártás – Hogyan lehetséges?

A cement az egyik legfontosabb építőipari alapanyag, előállítása jelentős szén-dioxid kibocsájtással jár a nyersanyagok kitermelésétől kezdve a végfelhasználásig. Egyszerű lenne azt mondani, hogy a kibocsájtás csökkentése érdekében le kell állni a gyártással, ez azonban nyilvánvalóan nem egy reálisan járható út. Cikkünkben összegyűjtöttük, hogy a gyártási folyamat egyes lépéseinek kibocsájtása milyen eszközökkel csökkenthető

Az építőiparnak jelentősszerepe van az emberiség szén-dioxid kibocsájtásában, ezen belül pedig a beton- és cementgyártás az éves kibocsájtás 7%-áért felel. A gyártók világszerte elkezdtek jelentős lépéseket tenni annak érdekében, hogy csökkentsék a kibocsájtás mértékét, hiszen nem csak a klímavédelem érdekében kell változtatni, de az egyre szigorodó jogszabályi környezet és az egyre dráguló kvótarendszer szempontjából üzletileg sem leheta megszokott mederben folytatni a gyártást. A világ egyik legnagyobb cementgyártó cége, a HeidelbergCement Group például idén nyáron jelentette be, hogy létrehozzák a világ első karbonsemleges cementgyárát. De milyen megoldások vannak ennek az jelentős környezeti lábnyommal rendlekező iparágnak a kizöldítésére?

Mivel a beton gyártása során keletkező CO2 kibocsájtás nagyjából 95 százaléka a cementgyártással függ össze, ahhoz, hogy a fenti kérdésre választ kapjunk, jobban meg kell ismerni ezt a gyártási folyamatot, és azt, hogy ennek egyes lépéseinél milyen módon lehet csökkenteni a kibocsájtást. Egy kínai és tajvani tudósokból álló kutatócsapat szerencsére épp ezt ismerteti a Journal of Building Engineering című tudományos lapban megjelent átfogó tanulmányában, így a következőkben ezt vesszük alapul.[1]

Nem csak azt érdemes látni, hogy a cement előállításának egyes szakaszainál hogyan csökkenthető a szén-dioxid kibocsájtás, hanem azt is, hogy a különböző szakaszok milyen arányban járulnak hozzá a cementgyártás teljes kibocsájtásához. Ezt az alábbi, leegyszerűsített ábra mutatja, ami az úgynevezett „cradle-to-gate" vagyis bölcsőtől a kapuig folyamatot írja le – tehát a nyersanyag kitermelésétől a felhasználás helyszínéig való eljutás folyamatát.

A cementgyártás első lépése a nyersanyagok (mészkő és agyag) bányászással történő kinyerése. Ebben a szakaszban többféle módon is csökkenthető a kibocsájtás mennyisége. A legnagyobb hatása a tanulmány szerint azonban a megújuló energiaforrásoknak és a szállítószalagok alkalmazásának van, de kis léptékben olyan egyszerű megoldások is hozzájárulnak a kibocsájtás csökkentéséhez, mint az épp nem használt gépek leállítása, vagy a géppark megfelelő karbantartása.

A kinyert nyersanyagokat természetesen el kell juttatni a bányától a feldolgozó üzemig. Ez, ahogy a fenti ábra is mutatja, relatíve kis mértékben járul hozzá a teljes gyártási folyamat CO2 kibocsájtásához, de ennek csökkentése sem elhanyagolható, hiszen minden megoldás, ami kevesebb üvegház-hatású gáz légkörbe bocsájtásával jár, csak előnyös lehet. Ennél a lépésnél sokat számít a távolság a kitermelés és a feldolgozás helyszíne között – minél közelebb van, annál kevesebbet kell szállítani, tehát az ezzel járó kibocsájtás is csökken. Ha kellően kicsi a távolság, akkor a gépjárművek szállítószalagokra cserélhetőek, de az alternatív üzemanyaggal hajtott járművek alkalmazása is kibocsájtás-csökkentéssel járhat.

Miután a gyárakba érkezett a mészkő és az agyag, a következő lépés, hogy klinkerré égessék őket, ami – mint minden égési folyamat – nagy mennyiségű CO2 kibocsájtással jár. Az említett tanulmány szerint ez az egyik leghatékonyabb ipari körülmények között lezajló égési folyamat, tehát nem egyszerű a kibocsájtás csökkentése, de vannak olyan lehetőségek, amelyek hozzájárulhatnak ehhez. Ilyen például az úgynevezett belit cement előállítása alit cement helyett, amihez 1450°C helyett elegendő 1150°C – az alacsonyabb hőfok pedig kevesebb energiaigénnyel jár. (Mivel a különböző cement-típusok máshogy viselkednek hosszú távon, így természetesen a felhasználás módját is figyelembe kell venni a gyártás során.) Az sem elhanyagolható szempont, hogy milyen tüzelőanyagot használnak a mészkő égetéséhez. Az említett, karbonsemlegesnek szánt gyárban például biomassza-tüzeléssel fognak dolgozni a tervek szerint.

A cementgyártás során előforduló CO2 kibocsájtás nagyjából 50%-áért a mészkő dekarbonizációja a felelős, vagyis az a kémiai folyamat, ami során a mészkőből a cementhez nélkülözhetetlen kalcium-oxid lesz. Elméletileg tehát ebben a munkafázisban van a legnagyobb potenciál a kibocsájtás csökkentésére.  Megkeresésünkre Dr. Szabó László, a HeidelberCement Group leányvállalataként működő hazai Duna-Dráva Cement Kft. műszaki vezérigazgató-helyettese hangsúlyozta, hogy a klinkerásványok kialakulása magas hőmérsékleten egy roppant összetett folyamat, ezért közel sem egyszerű az energiahatékonyság növelése ill. a felhasznált nyers- és alapanyagból származó CO2 kibocsátás csökkentése.

Vannak olyan javaslatok is, amelyek rámutatnak arra, hogy a kalcium-oxid, részben, vagy akár teljes egészében lecserélhető más anyagokra. Ezek a technológiák azonban viszonylag frissek, és korántsem problémamentesek – például jóval toxikusabb az előállításuk, vagy összességében több CO2 emisszióval jár a gyártásuk, mint a kalcium-oxidnak, ill. az abból előállított cementnek. A legegyszerűbb megoldás e tekintetben, ha kevesebb cementet használnak a betongyártáshoz – és ebben óriási szerepe van a tervezőknek és mérnököknek is, hiszen rajtuk múlik, milyen szerkezeti megoldásokat választanak az egyes épületekhez.

A cementgyártás CO2 kibocsájtásának csökkentésére egy megoldást a különböző karbonizációs technológiák jelenthetik, amelyek megkötik az előállítás során felszabaduló szén-dioxid molekulákat. Ez a folyamat természetes úton is végbemegy a betonban, de olyan lassan, hogy az nem képes kiegyensúlyozni a gyártás során bekövetkező kibocsájtást. Az ennél gyorsabb megoldások közül alighanem a legelőremutatóbbak azok a technológiák, amelyek már a gyártás során megkötik a kibocsájtott szén-dioxidot. Két fő irány különböztethető meg: a CCS (Carbon Capture and Storage) és a CCU (Carbon Capture and Utilization). Míg az előbbi csupán elraktározza a megkötött szén-dioxidot földalatti tározókban, használt, vagy letermelt olaj-, ill. gázmezőkben, addig az utóbbi újra is hasznosítja azt.

Valódi potenciálja a cementgyártás során a CCU technológiának van, hiszen ebben az esetben pl. a recycling beton finomcementpép tartalma által megkötött CO2 hidraulikus kötési tulajdonsága révén kiegészítő összetevője lehet alacsony kibocsátású beton termékeknek. A tanulmány szerzői azt hangsúlyozzák, hogy míg a szén-dioxid kibocsájtás különböző, a fentiekben is ismertetett módokon csökkenthető rövid távon, hosszú távon az olyan hibrid megoldásokra kell koncentrálni, amelyek az építőanyag-gyártást egyesítik a szén-dioxid, mint alapanyagot felhasználó vegyi folyamatokkal előállított termékek gyártásával, ill. egyéb megkötő technológiákkal. Dr. Szabó Lászlótól azt is megtudtuk, hogy a HeidelbergCement Group már alkalmazza ezt a technológiát egy az Egyesült Államokban működő gyárában, a svéd gyár esetében viszont a CCS megoldást fogják alkalmazni.

Kérdésünkre a szakember azt is elárulta, hogy a hazai üzemekben ugyan még nem jelentek meg ezek a technológiák, de a Duna-Dráva Cement elkötelezett anyavállalatának fenntarthatósági törekvései mellett. A nagy múltú Beremendi Gyár például 2007-2009 között esett át nagyszabású modernizációs beruházáson, ahol az új kemencevonalnak köszönhetően vált jóval hatékonyabbá a gyártás. A Váci Cementgyárat pedig 2016-2020 között modernizálták, többek között a filterrendszer korszerűsítésével, a primer tüzelőanyagok helyett alternatív biomassza tartalmú energiaforrás felhasználásával, aminek köszönhetően nagy mértékben csökkent a gyár széndioxid-kibocsájtása.

[1] N. Lippiatt, T.-C. Ling, S.-Y. Pan, Towards carbon-neutral construction materials: Carbonation of cement-based materials and the future perspective, Journal of Building Engineering (2019), doi: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2019.101062.