Cement vs. Beton
Beton je směs písku, vody a cementu, který při tuhnutí písková zrna slepí.
Výroba jedné tuny cementu vytvoří v průměru 0,6 tuny CO2. Oxid uhličitý přitom vzniká dvěma způsoby: jednak jako produkt chemické reakce, a jednak při spalování uhlí nebo plynu při zahřívání.
Cement se vyrábí v pecích, zahříváním směsi rozemletého vápence a jílů na teploty okolo 1450 °C. Zbylých 40 % emisí z výroby cementu je důsledkem spalování uhlí nebo plynu při zahřívání.
Zatímco zahřívání je možné provádět i s mnohem nižšími emisemi, například spalováním vodíku, oxid uhličitý z chemické reakce není prakticky možné snížit.
Představa, že se při tuhnutí váže CO2 zpět do betonu, je častý omyl. Pro vysvětlení je potřeba rozlišovat mezi maltou a betonem, jejichž tuhnutí jsou velmi odlišné procesy.
Čtěte také: Beton svépomocí: Recept
Malta je směs hašeného vápna Ca(OH)2 s vodou a pískem a tuhnutí malty spočívá ve vázání CO2 ze vzduchu a přeměně hašeného vápna na vápenec. Tuhnutí betonu je ale jiný, a v jistém smyslu složitější proces - nezpůsobuje jej reakce se vzduchem, ale reakce s vodou, při které vznikají tzv. hydratační produkty, tedy sloučeniny obsahující chemicky vázanou krystalovou vodu - proto je možné pracovat s betonem i pod vodou.
Tyto hydratační produkty jsou ve vodě nerozpustné a velmi pevné. K velmi slabému vázání CO2 ze vzduchu dochází až při zvětrávání betonu, kdy působením vody a oxidu uhličitého vzniká zejména na povrchu betonu vápenec.
V současné době je zdaleka největším producentem cementu Čína, kde se vyrábí přibližně 60 % světové produkce. To je ale důsledek poměrně nedávného vývoje - ještě v roce 1990 Čína vyráběla méně než čtvrtinu světové produkce. Další významní producenti cementu jsou Indie, USA a Evropská unie.
V roce 2018 vzniklo v České republice kvůli produkci cementu celkem asi 3,8 miliónů tun CO2, což je přibližně 2,7 % celkových emisí skleníkových plynů v ČR. To je srovnatelné s ročními emisemi středně velké uhelné elektrárny, a skoro třikrát víc než emise z letecké dopravy.
Ke snížení by samozřejmě nejvíce přispěl pokles spotřeby cementu, tedy méně staveb z betonu. Dlouhodobé scénáře vývoje však očekávají, že poptávka po cementu ve světě naroste o 12-23 % do roku 2050, zejména v důsledku rozvoje zemí jako Indie, Indonésie či Brazílie.
Čtěte také: Výroba jímky z betonu krok za krokem
Na druhou stranu, pro naplnění Pařížské dohody a omezení oteplování na 2 °C musejí emise z výroby cementu klesnout do roku 2050 asi o čtvrtinu.
Možnosti snížení emisí při výrobě cementu
Je tedy možné snížit celkové emise z výroby, i když se bude zvyšovat objem jeho výroby?
- Použití alternativních paliv - vzhledem k vysoké teplotě nelze k zahřívání použít elektřinu, přichází v úvahu vodík nebo syntetická paliva z biomasy.
- Snížení množství CaO v cementu a jeho nahrazení jinými sloučeninami - i tento přístup je oblastí vývoje a experimentování.
- Zachycování uhlíku (CCS, carbon capture and storage) při výrobě cementu - do technologie zachycování uhlíku se vkládají velké naděje a už existují testovací projekty.
Výroba cementu se proto řadí k průmyslovým procesům, jejichž emise sice lze snížit, ale mnohem obtížněji než například v energetice.
Dekarbonizace minerálního průmyslu
Cement, vápno a sklo. Tři hlavní produkty emisně náročného sektoru - tzv. minerálního průmyslu. Jeho dekarbonizace nebude snadná, protože nestačí pouze nahradit fosilní paliva při spalování, velká část emisí vzniká také při chemických reakcích během výroby, zejména u cementu a vápna.
Bez cementu, vápna a skla se společnost neobejde a světová poptávka po těchto produktech bude v následujících letech nejspíše růst. Následující text představuje různé scénáře dekarbonizace minerálního průmyslu a opírá se o studie průmyslových asociací či konzultačních firem.
Čtěte také: Materiály na dřevěný plot
Nepopisuje jedinou možnou cestu, neboť přesné poměry použitých technologií budou záviset na budoucím vědeckém vývoji, ekonomické situaci i regionálních rozdílech.
Kalcinace
Při produkci cementu vzniká 60 % emisí CO2 při chemické reakci, která se nazývá kalcinace. Působením tepla se vápenec rozkládá na oxid vápenatý a oxid uhličitý.
Vzhledem k postupující urbanizaci a s ní související výstavbě není výrazné snížení poptávky po cementu do budoucna pravděpodobné. U dekarbonizace výroby cementu hraje zachytávání CO2 pomocí technologie CCS a jeho následné uložení či využití hlavní roli.
Zařízení na CCS dovede zachytit 90-95 procent emisí dané cementárny a jedná se tak o hlavní technologii dekarbonizace cementu, bez které se uhlíkové neutralitě nelze přiblížit.
Většina zachyceného CO2 by byla uložena v podzemních geologických formacích, ale část lze uložit i v samotném betonu, např. formou přimíchání nebo v rámci procesu vytvrzování. Takto přidaný oxid uhličitý mineralizuje do podoby stabilních uhličitanů a je díky tomu zadržen na dlouhou dobu.
V roce 2050 může technologie CCS či beton vytvrzený uhlíkem představovat přibližně polovinu snížení emisí ve srovnání s emisemi z cementu, který se vyrábí dnes.
Další možnosti snižování emisí
Z ekonomických důvodů CCS nebude tvořit jediné řešení a ke snížení emisí dojde i jinými způsoby.
- Recyklace betonu - V současné době není v recyklace betonu příliš běžná. Jejímu širšímu využití by napomohly změny některých principů při stavbě i navrhování staveb, které by zároveň vedly k nižší spotřebě zdrojů. Kromě toho lze recyklovat i hotový beton, zatím tomu ale často bránila nejistota v kvalitě a vlastnostech recyklovaného materiálu.
- Nahrazení betonu - Lze méně stavět z betonu a místo toho používat například dřevo.
- Alternativní úsporná řešení - Hovoří se například o 3D tisku budov, které zatím nelze aplikovat ve velkém měřítku. Jako schůdnější cesta se jeví využití menších modulárních jednotek, které byly předvyrobeny v továrnách. Ty by do stavebnictví přinesly větší efektivitu, a tedy opět ušetřily emise i finance.
- Ke snížení emisí může přispět i probíhající digitalizace stavebnictví (BIM) - díky lepšímu přehledu o celé stavbě bude vznikat méně odpadu a pravděpodobně bude potřeba i méně betonu.
Výroba vápna
Výroba vápna tvoří přibližně 1 % světových emisí CO2. Vápno nachází uplatnění v řadě průmyslů, stavebnictví, zemědělství, papírnictví, potravinářství nebo při čištění pitné vody.
Největší množství (co se týče jednotlivého účelu) se pak využívá v ocelářském průmyslu, kde slouží při zpracování surového železa na ocel. Dvě třetiny emisí vznikají u výroby vápna procesem kalcinace stejně jako u cementu Tento proces přeměny v současnosti není možné přímo nahradit jiným, emisně méně náročným.
Podobně jako u cementu nelze ani u vápna do budoucna očekávat pokles spotřeby. Především pak kvůli zmíněné oceli, na jejíž výrobě se vápno podílí a jejíž využití má do budoucna stále růst. Stejně jako u cementu představuje i zde CCS nejvýznamnější způsob snížení emisí.
- Vodík - Lze využít jako palivo, které by znamenalo snížení emisí CO2 až o třetinu. Dosažení minimálního znečištění ze spalování je ale podmíněno fungováním pecí výhradně na vodík a také dostupností nízkoemisního vodíku.
Výroba skla
Výroba skla tvoří přibližně 0,3 % světových emisí CO2. Se sklem se lze nejčastěji setkat ve formě obalů či oken a jedná se o materiál, který lidstvo vyrábí již tisíce let. U skla je hlavním zdrojem emisí spalování, které produkuje 75-85 % emisí CO2. Zbylých 15-25 % připadá na chemické reakce. Především jde o reakce spojené se sklářskými surovinami.
U skla nelze do budoucna očekávat úspory ve využití či jeho větší substituci. Zároveň představuje důležitý materiál v rámci transformace a dekarbonizace jiných oblastí. Izolační dvojskla a trojskla v oknech, stejně jako izolující skelná vata pomáhají se snížením tepelných ztrát budov.
Sklo je také součástí solárních panelů, kde tvoří významnou část hmotnosti panelu, ale i spotřeby energie, která je k jeho výrobě potřeba.
Podle scénáře od společnosti British Glass by celkové emise snížila nejvíce (zhruba o polovinu) částečná elektrifikace výroby, která by zmenšila podíl jiných paliv. Částečná proto, že menší pece je sice už dnes možné stavět jako plně elektrifikované, ale kromě omezené produkce má jejich konstrukce další výrazné limity (např. v maximální dosažené teplotě). Nezanedbatelnou roli hrají i náklady na elektřinu, které by u větších provozů byly neúnosné. V současných vysokokapacitních sklářských pecích se elektřina využívá jen v omezené míře.
Teprve v budoucnu - díky novým designům hybridních pecí, které kombinují elektrifikaci a jiné palivo - by se mohl podíl elektřiny na celkové energii potřebné k tavení zvýšit na 20-80 %.
- Vodík - U skla bude důležitý také přechod na vodík, který nahradí zemní plyn jako palivo tam, kde elektrifikace nebude možná.
- Recyklace - V EU se už v současnosti recykluje 76 % obalového skla. Stejně tak se už dnes při výrobě přidávají střepy ze sběrného skla, což podstatně redukuje současnou energetickou i emisní náročnost produkce. S výrazně vyšší cirkularitou se proto ve sklářství počítat nedá.
- Zachytávání oxidu uhličitého - CCS se z ekonomických a technologických důvodů považuje za vhodné řešení pouze pro relativně velké pece, které navíc pracují s nižšími podíly střepů.
tags: #výroba #cementu #chemické #rovnice