Cement is een van de meest gevraagde bouwmaterialen van onze tijd. Jaarlijks wordt er ongeveer vier miljard ton geproduceerd. De cementproductie is energie-intensief en er komen broeikasgassen vrij tijdens het proces – met name tijdens de thermische ontbinding van kalksteen, de belangrijkste natuurlijke grondstof voor cement. In een nieuwe studie tonen onderzoekers van de ETH aan dat deze emissies aanzienlijk kunnen worden verminderd als de cementproductie wordt gecombineerd met een technologie voor de directe verwijdering van CO₂ uit de atmosfeer, bekend als Direct Air Capture (DAC).

Volgens berekeningen van onderzoekers in de groep onder leiding van André Bardow, hoogleraar Energie- en Procestechniek, zou de klimaatimpact van de cementproductie tegen 2050 aanzienlijk kunnen worden verminderd. Momenteel is cementproductie verantwoordelijk voor vijf tot acht procent van de wereldwijde CO₂-uitstoot. “Vanuit klimaatperspectief is de combinatie van DAC en cementproductie zeer veelbelovend”, aldus Vittoria Bolongaro, promovenda bij Bardow en hoofdauteur van de publicatie.

Synergieën benutten

Voor het onderzoek werkten de onderzoekers samen met het Amerikaanse bedrijf Heirloom Carbon Technologies. Dit bedrijf is een van ’s werelds toonaangevende ontwikkelaars van DAC (Direct Air Combustion) op basis van calciumlooping – een proces dat gebruikmaakt van een chemische cyclus met verschillende calciumverbindingen. Calciumcarbonaat is het uitgangspunt, oftewel kalksteen, dat wereldwijd wordt gewonnen. DAC-installaties die calciumlooping gebruiken en cementfabrieken werken met dezelfde calciumverbindingen en passen hetzelfde proces toe: kalksteen wordt verhit totdat het ontleedt in ongebluste kalk en CO₂ – een proces dat bekend staat als calcineren.

Bij geïntegreerde cementproductie met calciumlooping DAC wordt een oven die op elektriciteit werkt in plaats van op fossiele brandstoffen zoals kolen of gas, ingezet voor het calcineren. Dit voorkomt de uitstoot van broeikasgassen door de verbrandingsoven. Tegelijkertijd kan de CO₂ die tijdens het calcinatieproces vrijkomt, direct worden afgevangen, omdat deze niet wordt verontreinigd door uitlaatgassen van de verbranding. Volgens de berekeningen van de studie zou elektrificatie van de oven en directe CO₂-afvang de klimaatimpact van cementproductie tegen 2050 met 78 procent kunnen verminderen.

Nadat er water aan ongebluste kalk is toegevoegd, absorbeert de gebluste kalk verdere CO₂ uit de atmosfeer en wordt deze weer omgezet in kalksteen, die vervolgens kan worden hergebruikt als grondstof voor cementproductie. Hoe vaker het calcium deze cyclus van contact met de lucht ondergaat voordat het tot cement wordt verwerkt, hoe meer CO₂ de fabriek uit de atmosfeer verwijdert. De uit de atmosfeer afgevangen CO₂ wordt niet in het cement gebonden. In plaats daarvan wordt het gecomprimeerd en naar ondergrondse opslaglocaties getransporteerd.

Praktische cijfers

“Heirloom was een ideale partner voor ons, omdat het bedrijf al de eerste calcium-looping DAC-systemen op commerciële schaal exploiteert”, benadrukte Bolongaro. In Californië exploiteert het bedrijf sinds 2023 een fabriek met een nominale jaarlijkse capaciteit van 1000 ton CO₂.

Een andere, aanzienlijk grotere installatie zal de komende jaren in Louisiana worden gebouwd. “De samenwerking was voor beide partijen voordelig: onze partner wilde meer weten over de milieubelasting van de technologie, en wij konden onze berekeningen en scenario’s baseren op primaire industriële gegevens uit de praktijk”, legt Bolongaro uit.

De huidige studie is de eerste prospectieve levenscyclusanalyse voor een DAC (Direct Air Cycle) met calciumlooping op industriële schaal. Bij het uitvoeren van de analyse keken de onderzoekers niet alleen naar de werking van de installatie, maar ook naar alle milieueffecten in de gehele procesketen; van de winning van grondstoffen via de bouw en exploitatie van de installatie tot de opslag van de afgevangen CO₂.

Aanvankelijk wilden Bolongaro en haar team onderzoeken of grotere, commerciële installaties gedurende hun hele levenscyclus meer CO₂ afvangen dan ze produceren. In een tweede stap onderzochten de onderzoekers of de vermindering van CO₂-uitstoot ten koste gaat van andere milieufactoren, zoals water- of landgebruik.

Uit hun bevindingen bleek dat verreweg het grootste deel van de milieubelasting toe te schrijven is aan de energie die nodig is voor het proces, aangezien de afvang van CO₂ uit de lucht zeer energie-intensief is. Dit geldt ook voor andere DAC-processen. Als onderdeel van het onderzoek werden daarom verschillende energiescenario’s getest: de installatie laten draaien met de huidige Amerikaanse elektriciteitsmix, met een sterk gedecarboniseerde elektriciteitsmix bestaande uit wind- en zonne-energie, en met een volledig autonoom systeem met zonnepanelen en batterijopslag.

“We hebben kunnen aantonen dat de technologie een netto negatieve CO₂-voetafdruk heeft; met andere woorden, commerciële calciumlooping DAC-installaties met CO₂-opslag vangen gedurende hun hele levenscyclus meer CO₂ af dan ze produceren”, aldus Bolongaro. “Afhankelijk van de energiemix die we in onze prognoses gebruiken, ligt de efficiëntie van CO₂-verwijdering in 2050 tussen de 85 en 96 procent.” Met andere woorden: voor elke ton CO₂ die wordt afgevangen en opgeslagen, wordt er 40 tot 150 kg CO₂ gegenereerd in de procesketen. Dit is vergelijkbaar met cijfers van andere DAC-systemen. Het hoogste rendement wordt behaald door de installatie te voeden met hernieuwbare energie.

Wat de veldproef nog moet aantonen

“Het grootste voordeel van DAC-installaties die gebruikmaken van calciumlooping is dat deze technologie kan worden geïntegreerd in een reeds bestaand cementproductieproces”, legt Bolongaro uit. De aanpassingen die nodig zijn om DAC in de cementproductie te integreren, zijn relatief eenvoudig.

Allereerst zijn extra luchtcontactoren nodig om CO₂ uit de atmosfeer af te vangen. Bovendien moet de oven waarin kalksteen op hoge temperaturen wordt verhit, worden aangedreven door koolstofarme of koolstofvrije energie om een ​​zo hoog mogelijke netto-verwijdering te garanderen.

“Vanuit klimaatperspectief is deze aanpak zeer veelbelovend als schaalbare oplossing die integreert in bestaande industriële toeleveringsketens en tegelijkertijd de decarbonisatie van de cementsector bevordert”, benadrukt Bolognaro. Een meer gedetailleerd onderzoek naar de fysieke en economische grenzen van deze integratie is nu nodig.

De belangrijkste berekeningen voor de studie zijn gebaseerd op toekomstscenario’s tot 2050 en gaan uit van aanzienlijke vooruitgang in de decarbonisatie van de elektriciteitsvoorziening. Bovendien worden sommige onderdelen van de installatie, met name de indirect verwarmde elektrische calcineerovens, nog niet op grote schaal industrieel gebruikt. Het valt daarom nog te bezien of het systeem economisch rendabel kan zijn; een gedetailleerde kostenanalyse maakte tot nu toe geen deel uit van de studie.

Volgens Bolognaro vormen de resultaten dan ook een belangrijk uitgangspunt dat het klimaatpotentieel van de aanpak onderstreept.

Foto: Een commerciële installatie van Heirloom Carbon Technologies, met luchtcontactoren waarin CO₂ uit de atmosfeer wordt afgevangen. (Afbeelding: Heirloom Carbon Technologies)

Bron: ETH Zürich