Resolviendo el Gran Problema de Carbono del Cemento

Las nuevas técnicas y los ingredientes novedosos pueden reducir en gran medida las inmensas emisiones de carbono de la producción de cemento y hormigón.

El hormigón está en todas partes: en edificios, carreteras, aceras, puentes y cimientos para casi todas las estructuras imaginables. Hacemos más concreto que cualquier otro material en la Tierra, y ese volumen está aumentando debido al desarrollo global, especialmente en China e India. El cemento, el aglutinante en polvo que mantiene unida la arena o la piedra triturada en el concreto, es uno de los productos que consumen más energía del planeta. La piedra caliza utilizada en él se hornea a una temperatura de hasta 1450 grados Celsius (2640 grados Fahrenheit) en hornos enormes que funcionan casi exclusivamente con combustibles fósiles. Las reacciones químicas involucradas producen aún más dióxido de carbono como subproducto. Hacer un kilogramo de cemento envía un kilogramo de CO2 a la atmósfera. Cada año, en todo el mundo, la producción de cemento y hormigón genera hasta el 9 por ciento de todas las emisiones humanas de CO2.

Las sociedades han fabricado cemento y hormigón prácticamente de la misma manera durante un siglo. Los ensayos han demostrado que una parte del cemento en una mezcla se puede reemplazar con arcilla calcinada (quemada) o ingredientes hechos de desechos como cenizas volantes y escoria sin pérdida de resistencia pero con menos emisiones. No hay suficiente oferta para satisfacer la demanda, pero tales alternativas pueden reducir el CO2 hasta cierto punto.

Otros materiales y procesos alternativos pueden reducir significativamente las emisiones. Algunos ya se están extendiendo; otros son experimentales. Debido a que la mayor parte del cemento y el concreto se fabrica local o regionalmente, cerca de donde se usa, la disponibilidad de materiales sustitutos, los estándares de construcción revisados ​​para permitir su uso, los costos de capital para la remodelación y la aceptación del mercado son todos desafíos prácticos.

La fabricación de cemento consume grandes cantidades de energía, gran parte de ella procedente de combustibles fósiles que emiten CO2. Ciertos pasos también emiten CO2 directamente, en particular, la creación de cal (paso 3) y luego clinker, un agente endurecedor (paso 4). Reemplazar los combustibles fósiles con fuentes de energía renovable y aumentar la eficiencia en la producción podría reducir la huella de carbono hasta en un 40 por ciento. El uso de diferentes materias primas para el clínker podría reducir drásticamente el 60 por ciento restante de las emisiones de carbono. (El proceso que se muestra es para los llamados hornos secos; han reemplazado ampliamente a los hornos húmedos, que usan aún más energía).

1. Extraer y moler piedra caliza

Cómo funciona: Los depósitos que contienen carbonato de calcio, como piedra caliza o tiza, se extraen de canteras que pueden incluir pequeñas cantidades de arcilla que contiene silicio, aluminio o hierro. Los ingredientes se trituran en trozos de menos de 10 centímetros de tamaño y luego se muelen en un polvo llamado harina cruda.

Espacio para mejorar:Comience con basalto en lugar de piedra caliza o use "piedra caliza de carbono negativo" producida con desechos de CO2 (paso 2), reduciendo las emisiones hasta en un 60 a 70 por ciento.

2. Precaliente la comida cruda...

Cómo funciona:La harina cruda en una cámara sobre un horno se calienta a temperaturas de hasta 700 grados C por los gases de escape calientes y arremolinados del horno, eliminando la humedad.

Espacio para mejorar: Quema aire rico en oxígeno para reducir las emisiones de CO2. Agregar equipos para capturar CO2, lo que podría reducir las emisiones hasta en un 60 por ciento. Use el CO2 residual para hacer piedra caliza con carbono negativo (paso 1). Quemar biomasa o residuos para calentar el horno en lugar de combustible fósil.

3. ... y convertir comida en limón

Cómo funciona: La harina precalentada se quema en una cámara de combustión inmediatamente arriba y dentro de la parte superior del horno a 750 a 900 grados C, convirtiendo el carbonato de calcio en óxido de calcio (cal viva) y CO2. Este paso representa del 60 al 70 por ciento del CO2 expulsado de las materias primas y consume alrededor del 65 por ciento de todo el combustible utilizado en todo el proceso de producción de cemento.

Espacio para mejorar: Quema aire rico en oxígeno para reducir las emisiones de CO2. Agregar equipos para capturar CO2. Use un horno eléctrico que funcione con energía renovable, reduciendo las emisiones para los pasos 2, 3 y 4 en un 30 a 40 por ciento.

4. Convierta la cal en clinker

Cómo funciona: La cal se quema a una temperatura de hasta 1.450 grados C en un horno que gira de tres a cinco veces por minuto. Este proceso sinteriza (fusiona) la cal en clínker de cemento Portland (nódulos de color gris oscuro de tres a 25 milímetros de diámetro) y expulsa más CO2. El clinker es el aglutinante que hace que el cemento se endurezca cuando reacciona con el agua.

Espacio para mejorar:Agregue un mineralizador como fluoruro de calcio o sulfato para reducir la temperatura de sinterización de la cal y ahorrar energía.

5. Enfríe y almacene el clinker

Cómo funciona:El clinker caliente se pasa por rejillas donde los sopladores de aire lo enfrían a unos 100 grados C. Una vez que se enfría, se almacena en un silo y puede durar mucho tiempo sin degradarse, por lo que puede venderse como un producto básico.

Espacio para mejorar:Electrifique el proceso o la tubería con el calor residual del paso 3 para el enfriamiento inicial.

6. Mezcla clinker con yeso

Cómo funciona:El clinker se mezcla con yeso en una proporción de 20 o 25 a uno.

Espacio para mejorar:Electrifica el proceso.

7. Moler la mezcla en cemento Portland

Cómo funciona:Los molinos de rodillos o de bolas muelen el clínker y el yeso hasta convertirlos en un polvo gris fino conocido como cemento Portland.

Espacio para mejorar: Agregue piedra caliza finamente molida para reemplazar hasta el 35 por ciento del cemento, reduciendo las emisiones creadas durante los pasos de producción anteriores. Esta mezcla se conoce como cemento Portland-piedra caliza. Cree "cementos mezclados" agregando cenizas volantes (20 a 40 por ciento), escoria (30 a 60 por ciento) o arcilla calcinada (20 a 30 por ciento) para reducir la proporción de clínker a cemento, reduciendo las emisiones en porcentajes similares.

8. Casa de Cemento en Silos

Cómo funciona: El polvo se mezcla completamente para que sea uniforme y luego se almacena en un silo. Se empacará en bolsas para la venta al por menor o se cargará en camiones que se dirijan a las instalaciones de mezcla de concreto.

Espacio para mejorar: Considere alternativas bajas en carbono al cemento Portland para ciertas aplicaciones. Estas alternativas incluyen cementos alcalinos activados y biocementos generados por algas o microbios, así como cementos a base de fosfato de magnesio, aluminato de calcio o sulfoaluminato de calcio. Estas opciones pueden reducir las emisiones de todo el proceso en un 40 por ciento o más.

El concreto generalmente se hace en o cerca de un sitio de construcción. La optimización de los diseños estructurales puede reducir la cantidad de hormigón necesaria (paso 3). Reutilizar y procesar el concreto después de la demolición (paso 4) puede absorber CO2 de la atmósfera, compensando algunas emisiones de la producción de cemento original.

1. Mezcle cemento, agua y agregados

Cómo funciona: El cemento se mezcla con cantidades específicas de agua y agregados como arena, grava o piedra triturada a temperatura ambiente hasta que se alcanza la consistencia fluida deseada. Alrededor del 80 por ciento de la mezcla es agregado.

Espacio para mejorar: Cambie los transportadores y mezcladores para que funcionen con electricidad renovable, lo que reducirá en gran medida las emisiones. Incluya un aditivo como biocarbón o algas para aumentar la resistencia del concreto o adaptar su trabajabilidad o tiempo de fraguado, reduciendo las emisiones de 1 a 5 por ciento o más.

2. Transporte al lugar de trabajo

Cómo funciona:El concreto se mezcla dentro de un camión mezclador de tambor que lo transporta a un sitio de construcción.

Espacio para mejorar: Cambiar a camiones eléctricos. Minimice, recolecte y recicle los desechos de concreto en otros materiales prefabricados, como barreras de carreteras.

3. Construye una estructura

Cómo funciona:El diseño del edificio dicta la forma, el volumen y la resistencia de los elementos de hormigón necesarios.

Espacio para mejorar: Optimice los diseños estructurales para que no se desperdicie hormigón. Cambie las especificaciones de exigir cantidades mínimas de cemento en el hormigón a exigir una determinada resistencia a la compresión, lo que puede reducir el contenido de cemento necesario. Cambiar los códigos de construcción para permitir cementos nuevos, alternativos y combinados. Confíe en la capacidad del concreto para ganar resistencia con el tiempo especificando resistencias a la compresión a los dos o tres meses en lugar del mes común, lo que puede disminuir la cantidad de material necesario.

4. Planificar el final de la vida

Cómo funciona:El hormigón demolido a menudo se vierte en vertederos o se tritura y se utiliza como material base para carreteras y autopistas.

Espacio para mejorar: Diseño para la deconstrucción de modo que los elementos de hormigón se puedan reutilizar en su totalidad o en parte. Si se demuele concreto, tritúrelo y extiéndalo en una capa delgada para maximizar su área de superficie y expóngalo al aire durante el mayor tiempo posible para absorber el CO2. Con años de exposición, el concreto puede absorber tal vez hasta un 17 por ciento del CO2 emitido cuando se fabricó el cemento para ese concreto.

Nota del editor (30/03/23): Este artículo fue editado después de su publicación para corregir la descripción de cómo la cal se convierte en escoria.

Este artículo se publicó originalmente con el título "Concrete Cure" en Scientific American 328, 2, 52-55 (febrero de 2023)

doi:10.1038/cientificamerican0223-52

Barcos de Piedra. RG Skerett; 17 de noviembre de 1917.

Marcos Fischetti es editor senior de Scientific American. Cubre todos los aspectos de la sostenibilidad. Sígalo en Twitter @markfischetti Crédito: Nick Higgins

Nick Bockelmanes ilustradora y diseñadora gráfica.

Wil V Srubares profesor asociado de ingeniería arquitectónica y ciencia de los materiales en la Universidad de Colorado Boulder.

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