El hormigón tiene un problema de culpa. Cada tonelada de cemento que se vierte en una presa, un puente o un bloque de viviendas, lleva consigo aproximadamente 800 kilogramos de dióxido de carbono liberado durante la fabricación, aproximadamente el doble del peso del cemento mismo. La industria representa alrededor del 8 por ciento de las emisiones globales de CO2, lo que la coloca a la par de todos los automóviles del mundo juntos, más o menos. Y, sin embargo, solucionarlo ha resultado obstinadamente, casi cómicamente difícil. El problema no es sólo la energía necesaria para calentar los hornos; es la piedra caliza en el corazón del proceso, que libera CO2 simplemente por existir como materia prima del cemento. Caliéntalo para descomponerlo y el carbón saldrá sin importar de dónde provenga el calor.
Lo que hace que las cifras que arroja la Universidad de Columbia Británica sean realmente sorprendentes. Curtis Berlinguette y sus colegas informan en ACS Energy Letters que han fabricado cemento mediante un proceso que, cuando se utiliza cemento residual como materia prima, emite sólo 20 kilogramos de CO2 por tonelada. Una reducción del 98%. El secreto no es una química nueva y exótica; es un electrolizador a 60 grados centígrados, apenas más caliente que un baño caliente, que realiza silenciosamente el trabajo químico que normalmente requiere un horno funcionando a casi diez veces esa temperatura.
El problema enterrado en la roca
Para comprender qué hace que esto sea incómodo, es útil saber qué es realmente el cemento Portland común y corriente. La piedra caliza (carbonato de calcio) se calienta a 900 grados Celsius en un calcinador, lo que elimina el CO2 y deja óxido de calcio o cal. Luego, esa cal reacciona con sílice en un horno a 1.500 grados para formar las fases cristalinas que dan resistencia al concreto, la principal de ellas un compuesto llamado alita. El proceso consume mucha energía y consume aproximadamente 3,3 gigajulios de energía térmica por tonelada de cemento. Y el CO2 no proviene sólo de la quema de combustible. Una gran parte proviene de la propia piedra caliza, liberada químicamente y de forma inevitable.
Esto es lo que diferencia al cemento descarbonizado de, por ejemplo, el acero descarbonizado. Puede intercambiar electricidad verde para alimentar un horno de arco eléctrico. No es fácil cambiar la química básica de la piedra caliza. Se ha propuesto la captura de carbono como solución, pero incorporarla a una planta de cemento aumenta el consumo total de energía a aproximadamente 6,5 gigajulios por tonelada, e incluso entonces quedan emisiones residuales. Has resuelto un problema creando otro.
El grupo de Berlinguette tomó lo que podría parecer una ruta obvia pero previamente poco práctica: lograr que la química se realice a una temperatura mucho más baja cambiando la química. En lugar de convertir la piedra caliza y la sílice en sus formas reactivas mediante puro calor, construyeron un electrolizador de múltiples cámaras que utiliza electricidad para disolver las materias primas en iones de calcio y silicato en cámaras separadas. Luego, esos iones se combinan en un tercer reactor para precipitar el hidrato de silicato de calcio, un precursor mineral que se convierte en la fase de cemento belita a sólo 650 grados Celsius. La producción de belita convencional requiere 1200 grados. Esa brecha de 550 grados es donde reside la mayoría de los ahorros.
Por qué belite y por qué detiene una presa
La belita es la suplente de la química del cemento, menos famosa que la alita pero en algunas aplicaciones más útil. Alite se hidrata rápidamente y le da al concreto su resistencia inicial, razón por la cual a la industria de la construcción le encanta. La belita es más lenta, pero desarrolla una mayor resistencia mecánica a largo plazo: del tipo que se desea cuando se vierte algo del tamaño de la presa Hoover o las Tres Gargantas. Da la casualidad de que ambas son estructuras ricas en belita. Así que este no es un material especializado; es el cemento elegido para las estructuras construidas más grandes del planeta.
“Nuestro equipo estaba motivado para abordar las emisiones de la producción de cemento desde su origen”, dice Berlinguette. El equipo descubrió que al ajustar la temperatura del electrolizador y la proporción de calcio a silicio en la materia prima, podían controlar la composición del precursor y, a su vez, optimizar la facilidad con la que se convierte en belita. A 60 grados Celsius, el electrolizador produce aproximadamente el 90% del precursor objetivo. Por debajo de eso, la cifra cae drásticamente, porque la sílice se disuelve mal en condiciones más frías. Es un detalle que suena técnico pero que importa enormemente para cualquier cosa que se acerque a una escala industrial.
El electrolizador también hace algo que atraerá a los ingenieros que intentan cerrar el circuito de energía. Mientras funciona, produce gas hidrógeno como subproducto. Ese hidrógeno se puede quemar para suministrar la energía térmica necesaria para el paso del horno a 650 grados, lo que podría hacer que la segunda etapa del proceso sea independiente de los combustibles fósiles. “Usamos electricidad y cemento reciclado para fabricar precursores que formaban un tipo de cemento llamado belita a temperaturas más bajas de las conocidas anteriormente”, dice Berlinguette. La demanda de energía térmica en general cae un 70 por ciento en comparación con la producción de cemento convencional.
El resultado más sorprendente se produce cuando se reemplaza por completo la piedra caliza y se utiliza cemento de desecho como materia prima. El hormigón viejo, triturado hasta convertirlo en polvo, contiene calcio en una forma que no libera CO2 cuando se disuelve en el electrolizador. El equipo ejecutó el proceso con cemento residual preparado en laboratorio y no detectó CO2 medible en la salida del reactor. Modelado sobre el proceso completo, que reduce las emisiones totales a esos 20 kilogramos por tonelada. Berlinguette la llama la ruta de fabricación de cemento más descarbonizada registrada hasta la fecha: “Este trabajo define un camino electrificado para la producción de cemento que podría reducir la enorme huella de carbono de la industria hasta en un 98% cuando se utiliza cemento residual como materia prima”.
Entre la mesa del laboratorio y la cantera
Las advertencias son reales y el artículo no las oculta. El electrolizador probado aquí tiene un área activa de 4 centímetros cuadrados por electrodo, aproximadamente el tamaño de un sello postal. Las plantas industriales de cemento procesan millones de toneladas al año. Los voltajes de las celdas también son más altos de lo que sería ideal, en parte porque las pérdidas óhmicas en las membranas consumen una fracción significativa de la entrada eléctrica; a densidades de corriente más altas, esas pérdidas representan aproximadamente la mitad del voltaje total de la celda. Después de dos horas de funcionamiento continuo, el voltaje aumenta aproximadamente 2 voltios a medida que las fases que contienen calcio se acumulan en los electrodos y las membranas. Los investigadores señalan varios caminos de ingeniería a seguir, incluida una mejor gestión del flujo y diseños de electrodos modificados, pero aún no se ha demostrado ninguno más allá de la escala de laboratorio.
También existe una cuestión práctica sobre la cadena de suministro de cemento residual. Los desechos de demolición son abundantes en principio, pero lograr que estén lo suficientemente limpios y consistentes como para alimentar un electrolizador a escala es un problema logístico que la química por sí sola no puede resolver. Y el cemento rico en belita no es un sustituto directo del cemento Portland común en la mayoría de las aplicaciones; sería necesario convencer al sector de la construcción.
Dos de los autores del artículo son cofundadores de una empresa que trabaja para comercializar la tecnología, y la Universidad de Columbia Británica ha presentado una patente internacional sobre el proceso. La química fundamental es, como mínimo, creíble como no lo era antes. La cuestión de si una prueba de concepto de 4 centímetros cuadrados puede convertirse en un proceso de una tonelada por hora es, por ahora, una cuestión de ingenieros más que de químicos. Que el problema de la culpa del hormigón finalmente haya encontrado su solución depende de qué tan rápido se pongan a trabajar esos ingenieros.
Preguntas frecuentes
¿Por qué la producción de cemento libera tanto CO2?
Una gran parte de las emisiones del cemento son químicamente inevitables con los métodos tradicionales: la piedra caliza (carbonato de calcio) libera CO2 simplemente calentándola para descomponerla en cal. Esto es independiente y adicional al CO2 producido al quemar combustibles fósiles para calentar los hornos. Ambas fuentes contribuyen a los aproximadamente 800 kilogramos de CO2 emitidos por tonelada de clínker de cemento convencional.
¿Cómo evita el proceso electroquímico la liberación de ese CO2?
En lugar de calentar la piedra caliza a temperaturas extremas para descomponerla, el electrolizador utiliza electricidad para disolver la piedra caliza y el sílice en iones en cámaras separadas a unos 60 grados Celsius. Luego, los iones se combinan para formar un precursor de cemento. Cuando se utiliza cemento de desecho en lugar de piedra caliza fresca, la fuente de calcio casi no contiene carbonato, por lo que esencialmente no se libera CO2 durante la disolución.
¿Es el cemento rico en belita tan fuerte como el hormigón común?
Depende de la aplicación y del calendario. La belita desarrolla resistencia más lentamente que la alita que domina el cemento Portland ordinario, pero finalmente logra una resistencia mecánica superior a largo plazo. Es el tipo preferido para estructuras masivas como represas hidroeléctricas, incluidas la presa Hoover y la presa de las Tres Gargantas, donde la longevidad y la resistencia durante décadas importan más que los tiempos iniciales.
¿Podría este proceso funcionar con electricidad renovable para que sea verdaderamente libre de emisiones de carbono?
En principio sí. El electrolizador funciona con electricidad y el hidrógeno que produce como subproducto puede quemarse para suministrar la energía térmica necesaria para la etapa del horno. Si tanto la electricidad como el calor del horno provienen de fuentes sin emisiones de carbono y se utiliza cemento de desecho como materia prima, las emisiones residuales podrían ser muy cercanas a cero. La cifra de 20 kilogramos por tonelada ya supone este tipo de integración del sistema.
¿Qué impide que esto se utilice en plantas de cemento en este momento?
Escala, principalmente. El electrolizador demostrado en esta investigación tiene electrodos medidos en centímetros cuadrados; La producción de cemento industrial se produce en millones de toneladas por año. También es necesario reducir las pérdidas de voltaje en las membranas para que el proceso sea económicamente competitivo, y la ingeniería de la electrólisis continua a gran escala basada en suspensión aún no se ha resuelto. Los investigadores y la empresa que comercializa la tecnología los ven como desafíos de ingeniería en lugar de barreras fundamentales, pero cerrar esa brecha requerirá tiempo y una inversión significativa.
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.5c04150
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