Resolviendo el enorme problema de carbono del cemento

Nuevas técnicas e 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 de casi todas las estructuras imaginables. Fabricamos más concreto que cualquier otro material en la Tierra, y ese volumen está aumentando debido al desarrollo global, especialmente en China y la India. El cemento, el aglutinante en polvo que mantiene unida la arena o la piedra triturada del hormigón, es uno de los productos que consume más energía en el planeta. La piedra caliza utilizada en él se cuece a hasta 1.450 grados Celsius (2.640 grados Fahrenheit) en enormes hornos que funcionan casi exclusivamente con combustibles fósiles. Las reacciones químicas involucradas producen aún más dióxido de carbono como subproducto. Al fabricar un kilogramo de cemento se 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 elaborados a partir de desechos como cenizas volantes y escoria sin pérdida de resistencia pero con menos emisiones. No hay suficiente oferta para satisfacer la demanda, pero estas alternativas pueden reducir el CO2 hasta cierto punto.

Otros materiales y procesos alternativos pueden reducir significativamente las emisiones. Algunas ya se están propagando; otros son experimentales. Debido a que la mayor parte del cemento y el hormigón se fabrican local o regionalmente, cerca de donde se utiliza, la disponibilidad de materiales sustitutos, las normas de construcción revisadas para permitir su uso, los costos de capital para reequipamiento y la aceptación en el mercado son desafíos prácticos.

La fabricación de cemento consume grandes cantidades de energía, gran parte de ella procedente de combustibles fósiles que emiten CO2. Algunas etapas también emiten CO2 directamente, en particular la creación de cal (etapa 3) y luego del clinker, un agente endurecedor (etapa 4). Reemplazar los combustibles fósiles con fuentes de energía renovables 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 clinker 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 utilizan aún más energía).

1. Extraer y moler piedra caliza

Cómo funciona: Los depósitos que contienen carbonato de calcio, como piedra caliza o creta, 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 hasta obtener un polvo llamado harina cruda.

Espacio para mejorar:Comience con basalto en lugar de piedra caliza o utilice “piedra caliza con carbono negativo” producida con CO2 residual (paso 2), lo que reducirá las emisiones entre un 60 y un 70 por ciento.

2. Precalentar la comida cruda...

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

Espacio para mejorar: Queme 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. Utilice el CO2 residual para producir piedra caliza con carbono negativo (paso 1). Quemar biomasa o desechos para calentar el horno en lugar de combustibles fósiles.

3. ... y convertir harina en lima

Cómo funciona: La harina precalentada se quema en una cámara de combustión inmediatamente encima y dentro de la parte superior del horno a entre 750 y 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: Queme aire rico en oxígeno para reducir las emisiones de CO2. Añadir equipos para capturar CO2. Utilice un horno eléctrico que funcione con energía renovable, reduciendo las emisiones de los pasos 2, 3 y 4 entre un 30 y un 40 por ciento.

4. Convertir la cal en clinker

Cómo funciona: La cal se quema a hasta 1.450 grados C en un horno que gira de tres a cinco veces por minuto. Este proceso sinteriza (funde) la cal en clinker de cemento Portland (nódulos de color gris oscuro de tres a 25 milímetros de diámetro) y elimina 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 o sulfato de calcio para reducir la temperatura de sinterización de la cal y ahorrar energía.

5. Enfriar y almacenar el clinker

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

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

6. Mezclar 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. Muele la mezcla hasta obtener cemento Portland.

Cómo funciona:Los molinos de rodillos o de bolas muelen el clinker y el yeso hasta obtener un fino polvo gris 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-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 clinker a cemento, reduciendo las emisiones en porcentajes similares.

8. Cemento doméstico en silos

Cómo funciona: El polvo se mezcla bien para que quede uniforme y luego se almacena en un silo. Se empacará en bolsas para la venta minorista o se cargará en camiones con destino a las instalaciones de mezcla de concreto.

Espacio para mejorar: Considere alternativas con bajas emisiones de carbono al cemento Portland para determinadas aplicaciones. Estas alternativas incluyen cementos activados con álcalis y biocementos generados por algas o microbios, así como cementos elaborados a partir 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 hormigón generalmente se fabrica en un sitio de construcción o cerca de él. La optimización de los diseños estructurales puede reducir la cantidad de hormigón necesario (paso 3). La reutilización y procesamiento del hormigón después de la demolición (paso 4) puede absorber CO2 de la atmósfera, compensando algunas emisiones de la producción original de cemento.

1. Mezclar cemento, agua y agregado

Cómo funciona: El cemento se mezcla con cantidades específicas de agua y agregados como arena, grava o piedra triturada a temperatura ambiente hasta alcanzar 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 entre un 1 y un 5 por ciento o más.

2. Transporte al lugar de trabajo

Cómo funciona:El hormigón se mezcla dentro de un camión hormigonera que lo transporta a una obra.

Espacio para mejorar: Cambie a camiones eléctricos. Minimizar, recolectar y reciclar los desechos de concreto para convertirlos en otros materiales prefabricados, como barreras de carreteras.

3. Construir 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. Cambiar las especificaciones de requerir cantidades mínimas de cemento en el concreto a requerir una resistencia a la compresión determinada, lo que puede reducir el contenido de cemento necesario. Cambiar los códigos de construcción para permitir cementos nuevos, alternativos y mezclados. Confíe en la capacidad del hormigón para ganar resistencia con el tiempo especificando resistencias a la compresión a los dos o tres meses en lugar del mes habitual, lo que puede reducir 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 para que los elementos del hormigón puedan ser reutilizados total o parcialmente. Si se derriba hormigón, tritúrelo y extiéndalo finamente para maximizar su superficie y expóngalo al aire el mayor tiempo posible para absorber CO2. Con años de exposición, el concreto puede absorber quizás hasta el 17 por ciento del CO2 emitido cuando se fabricó el cemento para ese concreto.

Nota del editor (30/03/23): este artículo se editó después de su publicación para corregir la descripción de cómo se convierte la cal en clinker.

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

doi:10.1038/scientificamerican0223-52

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. Síguelo en Twitter @markfischetti Crédito: Nick Higgins

Nick BockelmanEs ilustradora y diseñadora gráfica.

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

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Stephanie Pappas

Chelsea Harvey y E&E News

Jonathan Bean y The Conversation EE. UU.

Meg Duff, Jeffery DelViscio y Tulika Bose

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