Производство цемента отвечает примерно за 8% глобальных выбросов и может увеличиться на целых 23% к 2050 году. Может ли отрасль найти способ решения проблемы?

Знойным июльским утром на испытательном полигоне в пригороде Парижа группа ученых, инженеров и архитекторов в касках и защитных очках наблюдала сквозь стекло, как машина формует супообразную серую смесь из блоков размером с кирпич. Далее по линии оператор погрузчика аккуратно загружал блоки в камеру отверждения, словно буханки хлеба в пекарне.

То, что они наблюдали, было пробным запуском нового процесса изготовления бетона, разработанного "Solidia Technologies", который, как надеется компания из Нью-Джерси, кардинально изменит способ изготовления этого строительного материала. Компания утверждает, что, изменив химию одного из основных компонентов бетона, — цемента, и, изменив процесс его отверждения, она может сделать его дешевле произведённого традиционным способом, и в то же время резко сократить выбросы углерода.

Цементная отрасль  является одной из наиболее загрязняющих окружающую среду сфер мировой экономики. Она ответственна за около 8% глобальных выбросов углекислого газа (по данным 2015 года), и если бы цементная промышленность была ранжирована с величиной выбросов отдельных стран, она была бы третьим по величине источником выбросов парниковых газов в мире, уступая только Китаю и Соединенным Штатам. Этот и без того огромный след, по прогнозам, будет только расти в ближайшие десятилетия, поскольку в Юго-Восточной Азии и Южной Африке продолжается экономическое развитие и ускоренная урбанизация. По данным Международного энергетического агентства и Инициативы по устойчивому развитию цемента, к 2050 году его производство может увеличиться на целых 23%.

Это создает серьезную проблему для борьбы с изменением климата. Одно из исследований 2018 года показало, что выбросы, связанные с цементной промышленностью, должны будут упасть по меньшей мере на 16% к 2030 году и намного сильнее после, при условии обязательства стран выполнить цель Парижского соглашения по климату 2015 года о сохранении менее двух градусов Цельсия потепления в этом столетии.

По мнению отраслевых экспертов, сокращение в таких масштабах потребует широкого внедрения менее углеродоемких цементных альтернатив, разрабатываемых в настоящее время в лабораториях по всему миру. Но на рынке, управляемом горсткой крупных производителей, остерегающихся вносить изменения в свои существующие бизнес-модели, и строительной отраслью, достаточно осторожной в отношении новых строительных материалов, при отсутствии сильной политики стимулирования более "зеленых" технологий, перспективы такого радикального сдвига далеки от определенных.

ТРИ ТОННЫ БЕТОНА НА ЧЕЛОВЕКА

Ошеломляющий углеродный след бетонной промышленности в основном обусловлен исключительным масштабом использования. Прозаическое сочетание песка и гравия, склеенное цементом, — искусственный каменный материал настолько распространен, что является частью почти каждой структуры нашей современной застроенной среды.

"Современное общество было бы невозможно без бетона", — говорит Роберт Курланд, автор книги "Бетонная планета". Это самый распространенный синтетический материал в мире, и, согласно Федерации цементной промышленности австралийской торговой группы, если Вы разделите весь бетон, используемый во всем мире каждый год, по три тонны бетона выпадут на каждого человека на планете. Это означает, что он является вторым самым потребляемым ресурсом в мире после воды.

Своим изобилием производства бетон наносит колоссальный урон окружающей среде. Процесс получения портландцемента, наиболее распространенной формы, используемой для производства бетона, в том числе, является одним из самых углеродоемких производственных процессов в мире. Производство только одной тонны дает свыше 1000 фунтов углекислого газа.

Процесс начинается со смешения дробленого известняка с другим сырьем. Затем он попадает в большую вращающуюся цилиндрическую печь, нагретую до температуры более 2600 градусов по Фаренгейту. Печь наклонена под небольшим углом, и материалы заливаются в приподнятый край. По мере того как они двигаются к ревущему взрыву пламени в нижнем конце печи, некоторые газообразные компоненты сжигаются, пока остальные элементы соединяются, производя серые шарики — клинкер. Куски материала размером примерно с жемчужину охлаждаются и, затем, измельчаются в мелкий порошок, образуя ключевой связующий элемент, который позволяет бетону затвердевать при обработке водой.

Этот процесс, который почти не изменился с тех пор, как был изобретен почти два столетия назад, производит выбросы углерода двумя способами. Во-первых, для нагрева печи до высоких температур, необходимых для разрушения материалов, обычно сжигаются ископаемые виды топлива, выделяя при этом углерод. И во-вторых, сам процесс термического разложения приводит к выбросам, поскольку углерод в известняке соединяется с кислородом в воздухе, производя углекислый газ в качестве побочного продукта.

"В результате цементной реакции образуется до двух третей выбросов углерода, поэтому в его производстве обезуглероживание считается особенно сложным процессом, — говорит Гаурав Сант, профессор гражданского и экологического проектирования в Калифорнийском университете Лос-Анджелеса. — Поскольку выбросы углекислого газа являются частью самого химического процесса, даже полное переключение на источники энергии с низким или нулевым содержанием углерода для нагрева печей решит только часть проблемы".

Производители цемента уже предприняли шаги по сокращению выбросов. Благодаря повышению энергоэффективности и улучшению бетонных смесей, средняя интенсивность производства углекислого газа при производстве цемента в мире за последние 20 лет снизилась на 18%. Некоторые компании также внедрили технологии, предотвращающие попадание выбросов углекислого газа в атмосферу, хотя такие системы не способны улавливать столь большой объём и могут быть бесполезными в масштабах, необходимых для существенного решения проблемы.

Лидеры отрасли недавно заявили о дальнейшем снижении, однако учёный говорит, что существующие технологии могут обеспечить лишь часть экономии углекислого газа, необходимой для достижения целей парижского соглашения. «В действительности отрасль должна вкладывать деньги и усилия в производство новых или альтернативных видов цемента, которые не требуют клинкера и больших затрат, — считает он. — Это единственный способ, которым можно решить проблему выбросов углекислого газа от производства цемента».

ДОСТАТОЧНА ЛИ ТЕХНОЛОГИЯ?

Компании пытаются разными способами уменьшить количество или полностью убрать из процесса необходимый для производства бетона клинкер. Например, компания "BioMASON", базирующаяся в Северной Каролине, использует естественные бактерии в качестве связующего вещества для изготовления бетонных блоков, а "CO2Concrete", дочерняя компания "UCLA", разработала технологию, которая берет углекислый газ непосредственно из дымоходов электростанций для производства твёрдых природных карбонатов, которые затем могут быть использованы для замены традиционного портландцемента. Другие, такие как "Banah" в Соединенном Королевстве и "Zeobond" в Австралии, сосредоточены на использовании побочных продуктов других промышленных процессов для создания так называемых «геополимеров», способных заменить клинкер при производстве цемента.

Эксперты говорят, что "Solidia", компания из Нью-Джерси, которая набирала темпы на французском рынке этим летом, является одной из наиболее перспективных в сфере. Её технология, которая была впервые разработана в 2008 году в Университете Рутгерса, включает манипулирование химией цемента для значительного снижения температуры в печи, необходимой для производства клинкера, а затем отверждение бетона, изготовленного из цемента, с использованием отработанного углекислого газа вместо воды.

«Эти технологии в совокупности обеспечивают сокращение выбросов до 70% по сравнению с обычным бетоном на основе портландцемента, и за меньшую стоимость», — говорит Том Шулер, президент и генеральный директор "Solidia", которая получила финансовую поддержку от  "Kleiner Perkins", "Bright Capital", нефтяного гиганта "BP" и швейцарской компании  "LafargeHolcim", крупнейшего  производителя цемента в мире.

Еще одна компания, работающая над альтернативными цементными растворами — это "CarbonCure" со штаб-квартирой в Галифаксе, Новая Шотландия. Детище инженера-строителя Роба Нивена, "CarbonCure", разработала систему, в которой сжиженный углекислый газ закачивается во влажный бетон при его смешивании. По мере того как бетон затвердевает, углекислый газ реагирует с ним, превращаясь в минерал, эффективно снижая потребность в цементе без ущерба для прочности или цены готового продукта.

«В любом бетонном здании или инфраструктурном проекте этот процесс минерализации углекислого газа снижает столько выбросов углерода, сколько сотни, если не тысячи акров деревьев в течение года», — говорит Кристи Гэмбл, директор по устойчивому развитию "CarbonCure". По ее словам, распространение технологии по всему миру может предотвратить выброс около 550 миллионов тонн углекислого газа в год, что эквивалентно изъятию из эксплуатации 150 миллионов автомобилей.

На данный момент технология "CarbonCure", которая требует небольшой модернизации, состоящей из компьютерной системы, резервуара для хранения углекислого газа и трубки для его закачки в бетонную смесь, применяется на порядка 150 бетонных заводов Северной Америки. По словам представителей, компания также расширяется в Юго-Восточной Азии и Европе.

Демонстрация их продукции на весь мир проходит в штате Джорджия на примере многоэтажного коммерческого офисного здания, строящегося в одном из самых современных районов Атланты. Строительство завершится к концу года, и это будет первое крупномасштабное сооружение, в котором по всей структуре используется бетон, изготовленный с помощью "CarbonCure". По словам Гэмбл, один только этот проект предотвратит выброс в атмосферу более 750 тонн углекислого газа, что эквивалентно количеству поглощаемого 800 акрами лесных угодий в год.

Хотя такие компании, как "Solidia" и "CarbonCure", начинают продвигаться вперед, им еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем захватить даже небольшую долю рынка. Президент "Solidia" считает, что основным препятствием является широко распространенный консерватизм в строительном секторе. «Общая позиция отрасли — видеть, как она верит в себя», — говорит Том Шулер. Компания потратила около 100 миллионов долларов на исследования, разработки и испытания, подобные тем, что проводились во Франции, чтобы убедить клиентов.

Нежелание перенимать новые технологии понятно. «Когда дело доходит до обеспечения безопасности проживания в помещениях, нужно быть уверенными, что то, что ты делаешь, сработает», — говорит Сант. Он также утверждает, что с точки зрения современных правил безопасности невозможно оценить новые процессы производства бетона, требуемые для значительного сокращения выбросов углерода в промышленности.

«Проблема в том, что мы слишком долго полагались на существующие кодексы и стандарты, которые предписывают нам определенную конкретику, а не использование критериев, основанных на таких характеристиках, которые стимулировали бы отраслевые инновации», — Сант.

Еще одной важной проблемой является стоимость. «Хотя новые решения не всегда стоят дороже, чем обычные, в тех случаях, когда они стоят существенно, готовность платить за дополнительные расходы бывает ограничена», — говорит Джереми Грегори, исполнительный директор "MIT's Concrete Sustainability Hub", исследовательской группы, специализирующейся на экологически чистом бетоне, его производстве и использовании. Например, исследование, проведенное в 2015 году, показало, что цементы на основе геополимеров могут стоить в три раза дороже, чем традиционные.

Политика, направленная на компенсацию более высоких затрат и поощрение инвестиций в экологически чистый цемент, также отсутствует, говорит Гэмбл, имея в виду, что технологический прогресс не может сам по себе снизить выбросы цемента. «То, что необходимо сфере, — говорит она, — это меры по ограничению выбросов и штрафы в качестве рыночных сигналов, плюс поощрение широкого внедрения более "зеленых" технологий».

Она признала, что низкоуглеродистый цемент все еще довольно далек от широкомасштабного внедрения. Тем не менее ситуация остается позитивной: “возможно, это займет 20, 30 лет, может быть, больше, но мы начинаем замечать первые проблески на этом пути.”

Учитывая колоссальный масштаб углеродного следа отрасли, один только цемент может разрешить или переломить проблему замедления глобального потепления. Для Грегори единственный путь вперед — продолжать подталкивать всю индустрию к ускорению усилий.

"Откладывать или избегать этого прорыва, — говорит он, — на самом деле не нужно."

Марсело Росси — независимый научный и экологический журналист, базирующийся в Милане, Италия. Его работы среди прочего были  опубликованы на Аль-Джазира, Смитсониан, Ройтерс, Уиред, и Аутсайд.

Undark, fastcompany.com