A cementgyártás ma a globális szén-dioxid-kibocsátás egyik legnagyobb ipari forrása, ám az ETH Zürich kutatói szerint a jövő cementgyárai akár a klímavédelem eszközeivé is válhatnak. Egy új tanulmány azt mutatja, hogy a cementgyártás és a levegőből történő közvetlen szén-dioxid-leválasztás összekapcsolásával 2050-re akár 78%-kal is csökkenthető lehet az ágazat éghajlati terhelése. A megoldás különlegessége, hogy nagyrészt ugyanazokra a nyersanyagokra és technológiai folyamatokra épül, amelyeket a cementipar már ma is használ.
Évente mintegy négymilliárd tonna cementet állítanak elő világszerte. A beton alapanyagaként nélkülözhetetlen termék gyártása azonban rendkívül energiaigényes, ráadásul a folyamat során nemcsak a felhasznált tüzelőanyagok miatt keletkezik szén-dioxid. A cementgyártás egyik legfontosabb alapanyaga a mészkő, vagyis a kalcium-karbonát. Ezt magas hőmérsékleten égetik ki, aminek következtében kalcium-oxid – közismert nevén égetett mész – és szén-dioxid keletkezik. Az az úgynevezett kalcinálás önmagában jelentős emisszióforrás, ezért a cementipar teljes szén-dioxid-kibocsátását nem lehet pusztán azzal megszüntetni, hogy a gyárak fosszilis energiahordozók helyett megújuló energiát használnak. Az ETH Zürich kutatói most azt vizsgálták meg, hogyan lehetne ugyanezt a kémiai folyamatot arra is felhasználni, hogy a cementgyárak szén-dioxidot vonjanak ki közvetlenül a levegőből.
Ugyanaz a kémia dolgozik mindkét technológiában
A kutatás középpontjában a Direct Air Capture, vagy röviden DAC technológia áll. Ennek lényege, hogy különböző kémiai vagy fizikai módszerekkel közvetlenül a környezeti levegőből választják le a szén-dioxidot. Az ETH Zürich André Bardow, az energia- és folyamatrendszerek professzora által vezetett kutatócsoportja a kalciumalapú DAC-rendszereket vizsgálta. A tanulmány elkészítésében az amerikai Heirloom Carbon Technologies is közreműködött, amely a világ egyik vezető fejlesztője az úgynevezett calcium looping, vagyis kalciumkörfolyamatos közvetlen levegőleválasztási technológiának. A kutatók felismerték, hogy a DAC-berendezések és a cementgyárak között szokatlanul nagy technológiai átfedés van. Mindkettő ugyanazokra a kalciumvegyületekre épül. A folyamat kiindulópontja a kalcium-karbonát, vagyis a mészkő. Ezt felhevítik, aminek során égetett mész és szén-dioxid keletkezik. Ha az égetett mészhez vizet adnak, oltott mész keletkezik, amely ismét képes szén-dioxidot megkötni a környezeti levegőből. A megkötött szén-dioxiddal az anyag újra kalcium-karbonáttá, azaz mészkővé alakul. Ezután a folyamat ismét kezdődhet elölről. Minél többször jár körbe a mész, annál több CO₂-t köt meg. Ez a körfolyamat adja a technológia egyik legérdekesebb lehetőségét. Mielőtt a kalciumvegyület végül bekerülne a cementgyártásba, többször is végig haladhat a szén-dioxid-megkötési cikluson. Minden egyes körben újabb szén-dioxidot vesz fel a levegőből. Minél többször érintkezik tehát az anyag a környezeti levegővel, annál több szén-dioxidot lehet kivonni a légkörből ugyanazon cementgyári alapanyag segítségével. A levegőből kivont CO₂ azonban nem magában a cementben marad. A kalcinálás során ismét felszabadul, ezt követően viszont koncentrált formában leválasztható, összesűríthető, majd megfelelő földtani tárolókba szállítható és tartósan elhelyezhető. A folyamat így végső soron nettó szén-dioxid-eltávolítást eredményezhet.
Elektromos kemence válthatná ki a szenet és a gázt
A rendszer klímamérlege szempontjából kulcsfontosságú, hogyan állítják elő a kalcináláshoz szükséges hőt. A hagyományos cementgyárak kemencéit jellemzően fosszilis tüzelőanyagok – például szén vagy földgáz – felhasználásával fűtik. Az ETH kutatói által vizsgált rendszerben azonban elektromos energiával működő kemence végezné a kalcinálást. Ez két szempontból is előnyös lehet. Egyrészt megszüntethetők a tüzelőanyag elégetéséből származó közvetlen szén-dioxid-kibocsátások, feltéve, hogy az elektromos energia alacsony karbonintenzitású vagy megújuló forrásból származik. Másrészt a mészkő bomlásakor keletkező szén-dioxid nem keveredik össze az égés füstgázaival. Emiatt jóval egyszerűbben és koncentráltabb formában fogható fel. A kutatók számításai szerint az elektromos kemencék alkalmazása és a folyamat során keletkező CO₂ közvetlen leválasztása 2050-re akár 78 százalékkal csökkentheti a cementgyártás éghajlati hatását.
Valódi ipari adatokból dolgoztak
A kutatás egyik különlegessége, hogy a számítások nem kizárólag laboratóriumi adatokra vagy elméleti modellekre épültek. A Heirloom már működtet kalciumkörfolyamatos DAC-rendszereket. A vállalat 2023 óta üzemeltet Kaliforniában egy olyan létesítményt, amelynek névleges szén-dioxid-leválasztási kapacitása évente ezer tonna. Louisianában pedig a tervek szerint ennél lényegesen nagyobb üzem épül. „A Heirloom ideális partner volt számunkra, mivel a vállalat már kereskedelmi léptékben működteti az első kalciumkörfolyamatos DAC-rendszereket” – hangsúlyozta Vittoria Bolongaro, André Bardow kutatócsoportjának doktorandusza és a tanulmány vezető szerzője. A kutatók ennek köszönhetően ipari üzemeltetésből származó elsődleges adatokra építhették a modelljeiket és a 2050-ig készített forgatókönyveiket.
Nem elég azt nézni, mennyi szén-dioxidot fog meg
A tanulmány a kutatók szerint az első olyan előretekintő életciklus-elemzés, amely ipari léptékű kalciumkörfolyamatos DAC-technológiát vizsgál. Ez azért fontos, mert egy szén-dioxid-leválasztó berendezés klímavédelmi teljesítményét nem lehet pusztán az alapján megítélni, hogy működés közben hány tonna CO₂-t von ki a levegőből. Figyelembe kell venni azt is, mennyi energia és nyersanyag szükséges az üzem felépítéséhez és működtetéséhez, milyen környezeti terheléssel jár a berendezések gyártása, illetve mekkora kibocsátás keletkezik a leválasztott szén-dioxid szállítása és föld alatti tárolása során. Az ETH kutatói ezért a teljes folyamatláncot elemezték: a nyersanyag-kitermeléstől a létesítmény megépítésén és üzemeltetésén keresztül egészen a leválasztott CO₂ végleges tárolásáig. Emellett azt is megvizsgálták, hogy a kibocsátások csökkentése nem jár-e aránytalanul nagy terheléssel más területeken, például a víz- vagy földhasználat tekintetében.
Az energiaellátás dönti el, mennyire lesz tiszta
Az elemzés szerint a rendszer környezeti lábnyomának messze legnagyobb részét az energiafelhasználás adja. Ennek egyszerű oka van: a levegő szén-dioxid-tartalma nagyon alacsony, így nagy mennyiségű levegőt kell megmozgatni és feldolgozni ahhoz, hogy jelentős mennyiségű CO₂-t lehessen kivonni belőle. Ez valamennyi Direct Air Capture technológia egyik alapvető kihívása. A kutatók ezért több különböző energiaellátási forgatókönyvet modelleztek. Vizsgálták a jelenlegi amerikai villamosenergia-mix használatát, egy nagymértékben dekarbonizált, szél- és napenergiára épülő rendszert, valamint egy teljesen önellátó megoldást napelemekkel és akkumulátoros energiatárolással. Az eredmények szerint a technológia összességében nettó negatív szén-dioxid-mérleget érhet el. Vagyis az ipari méretű kalciumkörfolyamatos DAC-rendszer földtani CO₂-tárolással együtt teljes életciklusa során több szén-dioxidot távolíthat el a légkörből, mint amennyit működése során közvetlenül vagy közvetve kibocsát. Egy tonna kivonására 40–150 kilogramm kibocsátás jut A kutatók 2050-re készített számításai szerint az alkalmazott energiaforrástól függően a CO₂-eltávolítás hatásfoka 85 és 96 százalék között lehet. Ez gyakorlatban azt jelenti, hogy minden egyes tonna leválasztott és tartósan eltárolt szén-dioxid mellett a rendszer teljes folyamatlánca körülbelül 40–150 kilogramm szén-dioxid-egyenértékű kibocsátással jár. A legjobb eredményt akkor lehet elérni, ha a berendezés energiaigényét megújuló forrásokból fedezik. Ez az érték a kutatók szerint már összemérhető más közvetlen levegőleválasztási technológiák teljesítményével.
Az egyik legnagyobb előny: nem kell teljesen új iparágat építeni
A megoldás gyakorlati jelentőségét az adhatja, hogy a technológia szervesen illeszkedhet egy már működő, globálisan kiépített ipari infrastruktúrához. „A kalciumkörfolyamaton alapuló DAC-rendszerek legnagyobb előnye, hogy a technológia egy jól bejáratott cementgyártási folyamatba integrálható” – magyarázta Bolongaro. A cementipar már ma is hatalmas mennyiségben bányászik, szállít és dolgoz fel mészkövet, rendelkezik a magas hőmérsékletű technológiákhoz szükséges infrastruktúrával, valamint kialakult logisztikai és ellátási láncokkal működik. A DAC-rendszer integrációjához elsősorban olyan további berendezésekre lenne szükség, amelyek megfelelő felületet biztosítanak az oltott mész és a környezeti levegő érintkezéséhez. Ezekben az úgynevezett levegőkontakt-egységekben történne meg a légköri szén-dioxid megkötése. Emellett a jelenlegi cementkemencéket alacsony szén-dioxid-kibocsátású energiával működő – például elektromos – rendszerekkel kellene kiváltani.
Öt-nyolc százalékos globális kibocsátásról van szó
A technológia jelentőségét jól mutatja a cementipar mérete. A cementgyártás jelenleg becslések szerint a világ teljes szén-dioxid-kibocsátásának öt-nyolc százalékáért felelős. Éppen ezért már az ágazat kibocsátásainak részleges csökkentése is komoly hatással lehet a globális klímacélok teljesíthetőségére. A kutatók által felvázolt megoldás azonban ennél is tovább megy: hosszabb távon nemcsak a cement előállításával járó kibocsátást mérsékelheti, hanem a termelési folyamatba beépített DAC-rendszer révén a légkörben már jelen lévő szén-dioxid eltávolításában is szerepet kaphat. Ez alapvetően megváltoztathatná a cementgyártás klímavédelmi szerepét.
Még nem tudni, mennyibe kerülne
A kutatók ugyanakkor hangsúlyozzák, hogy a tanulmány eredményei egyelőre nem jelentik azt, hogy a technológia rövid időn belül nagyüzemi léptékben is bevezethető. A számítások 2050-ig terjedő jövőbeli forgatókönyvekre épülnek, amelyek feltételezik a villamosenergia-termelés jelentős dekarbonizációját. Egyes szükséges technológiai elemek pedig ma még nem állnak rendelkezésre széles körben ipari méretben. Különösen igaz ez a közvetett fűtésű elektromos kalcináló kemencékre. Az sem világos egyelőre, hogy a cementgyártással összekapcsolt DAC-rendszerek milyen beruházási és működési költségek mellett lennének üzemeltethetők. A részletes gazdaságossági vizsgálat ugyanis nem képezte a mostani tanulmány részét. A kutatóknak ezért a következő lépésben a technológia fizikai méretezhetőségét és gazdasági korlátait is részletesebben meg kell vizsgálniuk. Az ETH Zürich eredménye mindenesetre arra mutat rá, hogy a világ egyik legnagyobb ipari szén-dioxid-kibocsátó ágazata a jövőben akár a légköri CO₂ eltávolításának infrastruktúrájává is válhat. A kutatók szerint éppen az adja a koncepció erejét, hogy nem egy teljesen új iparágat kíván létrehozni, hanem a már meglévő cementgyártási folyamatokat, nyersanyagokat és ellátási láncokat használja fel egy új célra.
Kép: Heirloom Carbon Technologies
0 hozzászólás