Производство цемента — один из крупных источников парниковых газов. Каждый год в мире выпускают около четырёх миллиардов тонн этого материала, и на отрасль приходится 5–8% всех выбросов CO₂. Основная часть газов выделяется при нагреве известняка, когда он разлагается на известь и углекислый газ.
Исследователи ETH Zurich показали, что эти выбросы можно не только резко сократить, но и превратить цементные заводы в установки, которые забирают CO₂ из воздуха. Для этого производство нужно объединить с технологией прямого захвата углекислого газа из атмосферы (Direct Air Capture, DAC) на основе кальциевого цикла.
Как работает совместный процесс
И цементные заводы, и DAC-системы на кальциевом цикле используют одни и те же соединения кальция и похожий процесс. Известняк нагревают до разложения — получается негашёная известь и CO₂. В обычном производстве этот газ уходит в атмосферу вместе с выбросами от сжигания топлива.
В предложенной схеме печь работает на электричестве, а не на угле или газе. Благодаря этому CO₂ от разложения известняка получается почти чистым и его легко улавливать. Затем известь гасят водой, и она снова поглощает углекислый газ из воздуха, превращаясь обратно в известняк. Этот цикл можно повторять несколько раз, прежде чем материал пойдёт в производство цемента. Захваченный CO₂ сжимают и отправляют на подземное хранение.
Чем больше раз кальций «поработает» с воздухом, тем больше углекислого газа завод заберёт из атмосферы.
Что показали расчёты
Группа профессора Андре Бардоу (André Bardow) провела первую перспективную оценку полного жизненного цикла такой технологии в промышленном масштабе. Ведущий автор работы Виттория Болонгаро (Vittoria Bolongaro) отметила: «С климатической точки зрения сочетание DAC и производства цемента выглядит очень перспективным».
Электрификация печи и прямой захват CO₂ сами по себе могут снизить климатическое воздействие цементного производства на 78 % к 2050 году. А полноценные коммерческие установки кальциевого DAC с последующим хранением углекислого газа дают отрицательный углеродный след: они убирают из атмосферы больше CO₂, чем производят за весь жизненный цикл. Эффективность удаления к 2050 году, по расчётам, составит от 85 до 96% в зависимости от того, насколько «зелёной» будет электроэнергия.
Основная часть экологического следа приходится на энергию — процесс энергоёмкий. При работе на возобновляемых источниках показатели оказываются наилучшими. Существенных компромиссов по расходу воды или земли исследователи не обнаружили.
В исследовании использовали промышленные данные американской компании Heirloom Carbon Technologies, которая уже эксплуатирует коммерческие DAC-установки на кальциевом цикле. С 2023 года у неё работает завод в Калифорнии мощностью около тысячи тонн CO₂ в год, а в Луизиане планируется более крупный объект.
Интеграция DAC в существующие цементные заводы относительно проста: нужны дополнительные контактёры для захвата CO₂ из воздуха и переход на низкоуглеродный или безуглеродный нагрев печи. Однако пока не все компоненты, в частности электрические печи косвенного нагрева, работают в крупном промышленном масштабе. Экономическую сторону в этой работе не оценивали.
Тем не менее исследование показывает: цементная отрасль может не только снизить собственные выбросы, но и стать частью инфраструктуры удаления углекислого газа из атмосферы. Для этого потребуется дальнейшая проработка технических и экономических ограничений, а также продолжение декарбонизации энергетики.
