Тетяна Кармелюк

Сучасне будівництво складно уявити без цементу. Він є складовою для майже всіх споруд: житлових будинків, транспортної інфраструктури, бізнес-центрів, промислових та інших об’єктів. Обсяги виробництва та використання цементу збільшуються пропорційно до росту економіки, особливо в країнах, що розвиваються: там економічний прогрес йде пліч-о-пліч з урбанізацією. Але специфіка виробництва цементу є такою, що робить цю галузь досить енерго- та вуглецевоємною. Низка міжнародних галузевих організацій визначили шляхи її декарбонізації. Завершальна роль у глибокій декарбонізації галузі відводиться технології вловлювання та зберігання вуглецю (УЗВ).

Вуглецеве питання

Цементна промисловість є серед найбільших забруднювачів атмосферного повітря та одним із найбільших джерел викидів парникових газів серед секторів промисловості. За обсягами виробництва цементу у світі лідирує Китай (2,5 млрд тонн в рік), Індія (285 млн тонн) та США (80 млн тонн). Виробництво цементу у 2005 році супроводжувалось викидами 1,9 гігатонн СО₂ на рік, що відповідає за різними розрахунками від 5 до 8% світових викидів парникових газів, з яких більш ніж 1,4 гігатонн СО₂ – викиди цементних печей[i]. Прогнозується, що без вживання заходів із скорочення викидів вуглекислого газу, їх обсяг зростатиме щорічно на 3%.

Інтенсивність викидів на тонну виготовленої продукції відрізняється поміж регіонами світу. Наприклад, у Німеччині цей показник складав у 2005 році 0,63 т СО₂-екв на тонну виробленого цементу, 0,81 т СО₂-екв на тонну в Північній Америці та навіть до 0,91 т СО₂-екв на тонну в Росії. Середній показник інтенсивності викидів парникових газів при виробництві цементу у світі складає 0,79 т СО₂-екв на тонну (IEA Clean Coal Centre, 2011). Україна в 2013 році виготовила близько 9,8 млн тонн цементу та 6,4 млн тонн клінкеру, що також робить цю галузь значним джерелом викидів СО₂ – 3,33 млн тонн (Мінприроди України, 2015 р.).

Є три основні джерела прямих викидів СО₂ при виробництві цементу. Перше – це прямі викиди від процесу кальцинації (54%), від спалювання палива (43%) та непрямі викиди, пов’язані зі споживанням електроенергії (12%) (McKinsey&Company, 2009).

Виробництво цементу неможливо просто «очистити» за допомогою використання відновлювальної енергії чи вдосконалення ефективності, оскільки більшість викидів СО₂ від цементної галузі пов’язані не з енергією, а з безпосереднім процесом виробництва цементу з вапняку. Простими словами, клінкер, основна складова цементу, виробляється за рахунок розділення вапняку на кальцій та СО₂. Кальцій використовується далі, а вуглекислий газ вивільняється в атмосферу.

Незалежні дослідження міжнародних організацій, серед яких Міжнародне енергетичне агентство, Міжнародна бізнес рада зі сталого розвитку (WBCSD),Європейська академія дослідження цементу (ECRA), консалтингова компанія McKinsey та інші, визначили чотири основні шляхи декарбонізації цементної промисловості. Це вдосконалення енергетичної (термальної та електричної) ефективності, заміна традиційного викопного палива на менш вуглецевоємне, заміщення клінкеру на альтернативні матеріали з цементуючими властивостями та технологія УЗВ.

Донедавна цементна промисловість була сконцентрована на перших трьох заходах, що призвело до суттєвого скорочення викидів СО₂ за останні 10-20 років. Але рамки для подальшого скорочення завдяки таким засобам обмежені. Усі наступні скорочення викидів СО₂ у галузі будуть залежати від розвитку УЗВ та інноваційних, низьковуглецевих цементуючих матеріалів.

Credit: Global GHG Abatement Cost Curve

Заміна вапнякового клінкеру іншими матеріалами може суттєво зменшити вуглецевоємність цементу, проте досі тривають дослідження та розробки відповідних речовин. До прикладу, такими замінниками можуть бути деякі геополімери, які характеризуються на 80% нижчими викидами СО₂, ніж традиційний цемент. Однак, неможливість розводити їх водою через високу лужність робить геополімери нестійкими та менш витривалими ((IEA Clean Coal Centre, 2011). Виробництво цементу можливе на магнієвій основі, проте тут невизначені питання поставки сировини. Цементний завод у Портленді (США) використовує технологію перетворення силікату магнію в оксид магнію, застосовуючи низьковуглецеві та низькотемпературні процеси, й додаючи мінеральні добавки для зміцнення матеріалу і поглинання СО₂ (WBCSD, 2009). У перспективі така технологія може стати основою для виробництва цементу з від’ємним рівнем викидів вуглецю.

Для заміни вапнякового клінкеру також широко застосовуються такі добавки як летюча зола, вулканічний попіл та шлак зі сталі. Проте, постачання цих матеріалів обмежене через їх застосування в інших процесах. Крім того, летюча зола утворюється в результаті роботи вугільних електростанцій, що ставить під сумнів кліматичну сталість такого рішення.

Зловити вуглець

Credit: Global GHG Abatement Cost Curve

У 2007 році ECRA провела дослідження застосування технології УЗВ для цементної промисловості. До його реалізації докладали спільних зусиль цементні компанії, виробники обладнання та розробники технологій. Після первинної оцінки ECRA зосередилися на двох технологіях вловлювання вуглецю: методі «вловлювання після спалювання» та «спалювання збагаченого киснем палива». У першому випадку установка очищення димових газів в кінці традиційного клінкерного виробництва абсорбує СО₂ з димових газів у спеціальну хімічну рідину, після чого рідина регенерується й відокремлюється чистий СО₂.

У другому – повітря в установці розділяється на кисень та азот, й паливо з клінкерної печі спалюється з сумішшю кисню й СО₂, замість повітря. Основними компонентами в отриманих димових газах є СО₂ та вода, які відокремлюються один від одного перед стисненням (Climate Strategies, 2014). Експерименти ECRA підтвердили, що обидві технології можуть використовуватися для модернізації існуючих клінкерних установок.

За розрахунками консалтингової компанії McKinsey, потенціал скорочення викидів в цементній промисловості за допомогою УЗВ складає 22% або 290 мегатонн СО₂ на рік прямих викидів з цементної печі. Передбачається, що для нових установок технологія УЗВ стане доступною вже з 2021 року, а для повної модернізації діючих заводів – з 2026 року. Очікується, що до 2030 року 10% загального виробництва цементу буде зі встановленою технологією УЗВ.

Першим цементним заводом, який планує провести глибоку декарбонізацію виробництва цементу за допомогою УЗВ, став норвезький філіал Heidelberg cement у місті Бревік – завод Norcem. У 2013 році на заводі встановили випробувальний майданчик для тестування різних технологій вловлювання СО₂. За наявними розрахунками, потреба в інвестиціях для впровадження УЗВ на цьому заводі склала 100 млн євро, що виводить вартість скорочення однієї тонни СО₂ на рівні 30-40€ без врахування його подальшого стиснення, транспортування та зберігання (Climate Strategies, 2014). Уряд Норвегії планує транспортувати вловлений СО₂ на офшорний спільний майданчик для постійного зберігання. Цементний завод та інші вуглецевоємні виробничі підприємства навколо Північного моря також матимуть доступ до цього спільного майданчика, що сприятиме промисловій декарбонізації регіону.

Роб ван дер Меер, директор напрямку зав’язків з громадськістю з питань глобальної екологічної сталості Heidelberg cement, у грудні повідомив Біллоні, що цей сектор промисловості «не має шансів», крім як застосовувати технології вловлювання вуглецю, якщо «ми збираємося втримати підвищення температури світу в межах 2°С». «Так, у нас є вуглецеві проблеми», – сказав ван дер Меер. «Наразі просто не існує іншого шляху виробництва цементу без викидів вуглецю».

Цемент та сталь є також необхідними для будівництва інфраструктури, яка забезпечуватиме перехід до відновлювальних джерел енергії, до використання яких нас підштовхує Паризька кліматична угода. Ван дер Меер наголошує, що цемент є важливим елементом у зведенні вітрових електростанцій, особливо офшорних, а також для будівництва дамб гідроелектростанцій.

«Є певний буфер вуглецевих викидів, який завжди супроводжуватиме виробництво цементу, і нижче якого опуститися практично неможливо», – говорить Кейт Уіріскі, керівник проектів з кліматичних технологій Bellona Europe. – «Сам процес виготовлення цементу створює значні викиди СО₂, тому найкраще рішення – зловити його».

Цікава ініціатива ECRA з пошуку рішень для зберігання вловленого вуглецю. Вона зосереджується на перетворенні вловленого СО₂ у вуглеводні , такі як метанол, використовуючи відновлювальні джерела енергії. У такій формі вловлений СО₂ може бути конвертований у пальне або додатковий ресурс для промисловості. Проект поки перебуває на ранніх стадіях, а також потребує фінансової підтримки, але організація зацікавлена у його подальшому розвитку через прагнення підтримати амбітні кліматичні цілі ЄС.

Застосування усіх доступних засобів, включаючи УЗВ, дозволить знизити викиди біля 1 гігатонни СО₂-екв на рік до 2030 року, зменшуючи викиди сектору на 25% від базового сценарію. Без застосування технології УЗВ, викиди від цементної промисловості можуть зрости на 70% від обсягів 2005 року. Потенціал скорочення викидів збільшується разом зі зростанням темпів впровадження заходів скорочення. У випадку вжиття всіх заходів, до 2030 року викиди від цементної галузі стабілізуються на рівні 2010 року (McKinsey).

Звичайно, для достатнього поширення технології УЗВ на майданчики з виробництва цементу, необхідна суттєва політична та економічна підтримка пілотних проектів і досліджень. Розвиток УЗВ потребує належної інфраструктури для транспортування та зберігання. Все ще залишається висока вартість технології з розрахунку на кожну тонну скорочення викидів (від 20 то 75 євро/тонна вловленого СО₂). Завдяки технологічному та науковому прогресу його ціна також поступово зменшуватиметься. Крім цього, залишається низький рівень поінформованості населення про переваги УЗВ та особливості використання технології.

Скорочення викидів парникових газів від виробництва цементу щороку ставатиме актуальнішим питанням, оскільки з ростом економіки зростає потреба у матеріалах для будівництва. Незалежно від обраного шляху скорочення викидів, його успішність залежатиме від сталої політичної підтримки, чітких правил гри та регуляторної бази. Усунення бар’єрів, які стоять на шляху до впровадження енергоефективних технологій, виробництва альтернативного палива, розробки нових матеріалів та замінників, запуску пілотних проектів з вивчення УЗВ є ключовими у процесі декарбонізації цементної промисловості.

IEA Clean Coal Centre (2011) CO₂ Abatement in the Cement Industry.
WBCSD, IEA (2009) Cement Technology Roadmap. Carbon Emissions up to 2050.
McKinsey&Company (2009) Pathways to a Low-Carbon Economy. Version 2 of the Global Greenhouse Abatement Cost Curve.
Climate Strategies (2014) Carbon Control and Competitiveness Post 2020: The Cement Report.