Производство цемента отвечает примерно за 8% глобальных выбросов CO2, и главная проблема здесь не только печи и топливо. Даже если перевести заводы на чистую энергию, классический портландцемент все равно выделяет углекислый газ из самого сырья. Именно поэтому идея сделать цемент без выбросов не из известняка, а из базальта, выглядит не как очередная климатическая презентация, а как попытка вскрыть самый упрямый узел всей отрасли.
О новой работе сообщает Ars Technica: в журнале Communications Sustainability вышла статья, авторы которой разбирают возможность получать портландцемент из силикатных пород, включая базальт. В числе авторов — CEO и инженер компании, заявляющей, что уже получила такой цемент в лабораторных условиях. Суть проста на словах и заметно сложнее на практике: если убрать из цепочки известняк, то можно убрать и обязательный выброс CO2, который возникает при превращении карбоната кальция в известь.
Классический портландцемент держится на технологии XIX века, которая до сих пор доминирует потому, что она дешевая и отработанная. Известняк, по сути карбонат кальция, нагревают вместе с добавками вроде глины или золы. На выходе получается оксид кальция, то есть известь, которая нужна для цемента, а побочным продуктом становится CO2. И это не второстепенная неприятность, а центральная статья выбросов: так называемые прямые процессные выбросы даже немного превышают эмиссию от сжигания топлива, необходимого для нагрева печей. Поэтому замена газа на электричество или повышение энергоэффективности помогают, но не решают проблему до конца. Если сырье содержит углерод, он рано или поздно окажется в атмосфере.
Базальт интересен тем, что кальций в нем тоже есть, а углерода нет. Вместе с кальцием в такой породе присутствуют алюминий, железо, магний, натрий, кремний и кислород. Авторы статьи предлагают извлекать нужные элементы не простым обжигом, а чем-то средним между химической переработкой руды и рециклингом материалов. Кислота может вымывать кальций из базальта, затем этот кальций осаждается в виде гидроксида кальция, после чего его уже можно отправлять в печь с нужными добавками и получать портландцемент. Разница в том, что на этом этапе вместо CO2 выделяется водяной пар, а сам процесс требует меньших температур, чем при работе с известняком. На бумаге это и есть дорога к сценарию «цемент без выбросов», по крайней мере в части прямых процессных эмиссий.
Но дьявол, как обычно, сидит в энергетическом балансе. Авторы посчитали, что если использовать распространенные сегодня методы химического извлечения и последующего восстановления реагентов, то энергии потребуется чуть больше чем вдвое по сравнению с традиционным производством цемента из известняка. Это плохая новость для заводов, у которых себестоимость и без того считается до копейки. Хорошая новость в другом: с точки зрения термодинамики превращение минералов базальта в оксид кальция должно требовать примерно вдвое меньше энергии, чем аналогичная химия с известняком. Иными словами, проблема не в фундаментальной неэффективности идеи, а в том, что доступные сегодня методы слишком расточительны по сравнению с теоретическим пределом. Для технологов и инвесторов это важная развилка: перед нами не тупик физики, а инженерная задача, хотя и с неприятным ценником на входе.
Даже в текущем, неидеальном виде схема дает заметный климатический эффект. Если запитать процесс электричеством из сети, где еще велика доля ископаемого топлива, выбросы, по оценке авторов, все равно снижаются почти на 30%. А если электричество чистое, то большая часть оставшихся эмиссий исчезает. Для промышленности это уже разговор не только про экологию, но и про регуляторные риски. Там, где углеродный след начинают считать всерьез, цемент без выбросов или хотя бы с радикально меньшими выбросами становится не красивой опцией, а страховкой от будущих ограничений, налогов и требований в цепочках поставок. Для IT-аудитории здесь тоже есть понятный угол: тяжелая промышленность все чаще упирается не в отсутствие идеи, а в необходимость точно считать энергетику, сырье, побочные продукты и экономику масштабирования. Это уже территория цифровых моделей, промышленной аналитики и оптимизации, а не только химии у реактора.
Есть и еще один аргумент в пользу базальта, который может понравиться бизнесу сильнее климатических лозунгов. В породе кроме кальция есть железо, магний и алюминий, а оставшийся силикатный материал можно использовать как добавку в тот же портландцемент вместо, например, золы. Если научиться извлекать и продавать сопутствующие компоненты, экономика процесса перестает выглядеть как чистая благотворительность во имя планеты. Именно здесь и проходит реальная граница между лабораторной демонстрацией и промышленной технологией: не просто сделать цемент без выбросов, а собрать такую схему, где побочные потоки тоже монетизируются, а энергопотребление не убивает проект на стадии пилота. Пока это набор допущений, а не готовая производственная линия, но отрасль цемента давно относится к тем секторам, где без подобных допущений декарбонизация вообще не складывается.
Главный вопрос теперь не в том, можно ли заменить известняк в принципе, а в том, кто первым доведет такую химию до масштаба завода и приемлемой себестоимости. Если это получится, цементная промышленность получит редкий для себя сценарий, где сокращение выбросов достигается не косметическим тюнингом старой схемы, а пересборкой базового сырья. Подробности исследования можно посмотреть в материале .