Come l'edilizia è sotto pressione per decarbonizzare più rapidamente il cemento

Un rendering digitale del Lower Thames Crossing, Regno Unito. Nuove strade e un tunnel a doppia canna sotto il Tamigi collegheranno l'autostrada M25 vicino a Brentwood alla A2 a est di Gravesend (Foto: National Highways)

Questo è il messaggio di Andrew Kidd, direttore della sostenibilità ambientale del programma Lower Thames Crossing Programme della National Highways nel Regno Unito, del valore di 9 miliardi di sterline (10,6 miliardi di euro).

Il cemento si basa sul clinker, il prodotto in uscita dai forni per cemento che si forma riscaldando una miscela di materie prime (tra cui calcare e argilla) a una temperatura elevata di 1.450 °C (2.650 °F). Sommate alle reazioni chimiche coinvolte, le emissioni di carbonio derivanti dal processo rappresentano il 90% dell'impronta di carbonio totale del cemento.

Le scorie degli altiforni utilizzati nella produzione di acciaio sono da tempo impiegate come integratore a basse emissioni di carbonio per il cemento nelle miscele di calcestruzzo. Ma mentre anche l'industria siderurgica si muove verso la decarbonizzazione, sorge un problema.

Sebbene la produzione di acciaio odierna si basi per il 70% sugli altiforni e per il 30% sui forni ad arco elettrico (EAF), la produzione di acciaio sta diventando sempre più dipendente da questi ultimi perché rappresentano un metodo di produzione più ecologico. E questo significa meno scorie per un cemento a basse emissioni di carbonio.

In futuro la produzione di acciaio si baserà sempre di più, se non esclusivamente, sui forni elettrici ad arco.

Di conseguenza, l'industria del cemento è costretta a ripensare radicalmente i propri processi, approcci e sistemi e a trovare "ingredienti" sostitutivi più ecologici per promuovere un futuro a basse emissioni di carbonio.

L'edilizia deve innovare molto più velocemente

Andrew Kidd, direttore della sostenibilità ambientale per il programma Lower Thames Crossing di National Highways (immagine fornita)

Kidd, che guida la decarbonizzazione del Lower Thames Crossing, che allevia la pressione sul Dartford Crossing sul Tamigi vicino a Londra, è alla ricerca di nuovi modi per decarbonizzare il cemento utilizzato nella costruzione del progetto.

"Abbiamo impostato il Lower Thames Crossing come un pioniere del settore per l'edilizia a basse emissioni di carbonio. La nostra missione è realizzare un progetto che riduca al minimo le emissioni possibili, ma, per tutti i progetti attuali, è necessario dimostrare che l'infrastruttura sia costruita con un'intensità di carbonio coerente con i budget di carbonio", afferma.

La nostra sfida più grande è che il settore edile sta attualmente emettendo più carbonio rispetto al 1990, eppure abbiamo un impegno nazionale a raggiungere una riduzione del 68% entro il 2030. Saremo a metà strada nella costruzione del progetto nel 2030 e vogliamo fare la nostra parte nel rispettare i nostri impegni nazionali in materia di riduzione del carbonio. La sfida non potrà che crescere. Il governo ha recentemente annunciato un nuovo obiettivo di riduzione dell'81% delle emissioni entro il 2035, quindi abbiamo un'enorme opportunità di fare qualcosa di radicalmente diverso con il progetto Lower Thames Crossing.

Kidd osserva che il settore edile, generalmente conservatore e abituato a evolversi lentamente, sta cambiando il suo approccio.

"Ora deve innovare a un ritmo molto più veloce rispetto agli ultimi due secoli. C'è stato un vero e proprio cambiamento nell'approccio dei grandi attori e nella loro propensione a innovare e a lanciare nuovi prodotti sul mercato."

Le startup a basse emissioni di carbonio offrono nuove soluzioni

Una delle start-up che ha ideato un nuovo approccio al cemento a basse emissioni di carbonio è Reclinker (precedentemente nota come Cambridge Electric Cement), una startup dell'Università di Cambridge.

Ripresa macro ravvicinata di frammenti e particelle di clinker di cemento frantumati prima della loro macinazione in polvere fine, destinata alla produzione di calcestruzzo e materiali da costruzione. (Immagine: AdobeStock - stock.adobe.com)

Recentemente inserito nell'elenco Cleantech Group 50toWatch di quest'anno, Reclinker è riuscito a produrre il componente reattivo del comune cemento Portland evitando le principali fonti di emissioni.

Il metodo prevede il prelievo del vecchio calcestruzzo da edifici e strutture demoliti e la sua frantumazione per separare la vecchia pasta cementizia (e, a quel punto, non reattiva) e l'aggregato pulito.

Mentre l'aggregato può essere utilizzato altrove, la vecchia pasta di cemento viene fatta passare attraverso un forno elettrico ad arco contemporaneamente al normale processo di produzione dell'acciaio e, grazie al processo proprietario di Reclinker, si ottiene nuovo cemento, che l'azienda chiama Cambridge Electric Cement (CEC) .

La rivista scientifica Nature ha recentemente esaminato e pubblicato la spettroscopia completa e l'analisi dei materiali di Reclinker, confermando che soddisfa le specifiche del normale cemento Portland, ovvero oltre il 67% di composti di Alite e Belite insieme nel rapporto ottimale, ed è in grado di offrire sia la resistenza iniziale che quella finale.

Kidd afferma: "Ciò che Reclinker produce non è un materiale supplementare come la scoria d'altoforno; è un sostituto diretto del cemento stesso. E sebbene ci sia inevitabilmente un premio ecologico da pagare per tale innovazione, non richiede all'industria edile di modificare nulla rispetto ai suoi metodi di lavoro abituali".

Nuovi materiali cementizi supplementari (SCM)

Pete Winslow è direttore di Expedition Engineering presso The Useful Simple Trust, un gruppo di studi di progettazione professionale che guida il cambiamento. Il suo obiettivo è promuovere le migliori pratiche e l'innovazione nella decarbonizzazione del calcestruzzo e dell'acciaio per creare un ambiente costruito migliore.

Pete Winslow, direttore dell'ingegneria della spedizione, The Useful Simple Trust (Immagine: Andrew Mason)

Winslow, che presiede anche il gruppo di ricerca dell'Institution of Structural Engineers e il Concrete Decarbonisation Group dell'Infrastructure Client Group, afferma: "Nel complesso, l'industria del cemento non si sta decarbonizzando abbastanza rapidamente. È stato difficile perché si tratta di un materiale difficile da gestire e ci sono molte risorse esistenti in tutto il mondo con permessi, autorizzazioni edilizie e processi in atto per produrre cemento e calcestruzzo. Abbiamo bisogno di calcestruzzo e cemento quotidianamente, altrimenti non potremmo costruire centrali nucleari, le fondamenta per turbine eoliche, i bacini idrici per la nostra sicurezza idrica, le nostre difese contro le inondazioni o persino trasporti pubblici a basse emissioni di carbonio".

"Il settore subirà una transizione col tempo, ma avremo bisogno che tutti i grandi attori globali del cemento e del calcestruzzo si uniscano a noi in questo percorso. Molti stanno iniziando, ma l'attenzione non è abbastanza rapida. Ed è per questo che le startup, i disruptor che sanno innovare e provare qualcosa di diverso, sono fondamentali".

Oltre a Reclinker, vede valore in start-up come Seratech e NeoCem, che stanno colmando il vuoto lasciato dalla diminuzione delle quantità di scorie d'altoforno per offrire una soluzione alternativa a metà strada. Queste aziende si concentrano sulla produzione di materiali cementizi supplementari (SCM), che riducono l'impronta di carbonio del calcestruzzo sostituendo una parte del cemento utilizzato in una miscela. Oltre alle scorie d'altoforno, gli SCM convenzionali includono argilla calcinata, calcare finemente macinato e ceneri volanti (un residuo della combustione del carbone). A condizione che venga sostituita solo una percentuale di cemento, l'impronta di carbonio dell'intera miscela può essere ridotta senza influire significativamente sulle prestazioni del calcestruzzo.

Winslow aggiunge: "Esistono pochissime tecnologie che possono vantare una completa eliminazione del carbonio, motivo per cui è fondamentale espandere aziende come Reclinker e materiali di scarto alternativi come l'argilla calcinata, ampiamente disponibili e relativamente economici. Molti altiforni non funzioneranno per così tanto tempo, il che significa che dobbiamo utilizzare alternative alle scorie d'altoforno. L'argilla calcinata trattata termicamente può essere utilizzata per sostituire il 50% del cemento, consentendo di ottenere un calcestruzzo di qualità.

Sebbene ci siano enormi quantità di acciaio riprocessate nei forni ad arco, la capacità di produzione di cemento non è minimamente paragonabile alla quantità totale di cemento di cui il mondo ha bisogno. Il cemento riciclato produrrebbe il doppio se miscelato al 50% con argilla calcinata, invece di utilizzarlo semplicemente come prodotto 'simile'.

Cementi completamente nuovi

Nel frattempo, aziende con sede negli Stati Uniti come Sublime Systems, una società spin-off del Massachusetts Institute of Technology (MIT), e Brimstone, con sede in California, si stanno concentrando sulla fornitura di cementi più ecologici e del tutto nuovi.

Brimstone inizia il suo processo esclusivo con una "nuova" roccia, ovvero rocce di silicato di calcio prive di carbonio, al posto del tradizionale calcare ricco di carbonio, che rilascia CO2 durante la lavorazione.

L'approccio di Sublime utilizza l'elettrochimica anziché calore e combustione per produrre un cemento a basse emissioni di carbonio. Attualmente ancora in fase di sperimentazione, hanno ottenuto un certo successo nella produzione di idrossido di calcio che, combinato con silice, può essere utilizzato al posto del cemento. Sebbene tali materiali possano dimostrare resistenze finali simili al cemento Portland, i tempi di stagionatura e la resistenza iniziale potrebbero essere diversi da quelli a cui è abituato il settore edile.

Un camion per cemento presso l'impianto di calcestruzzo CEMEX Hollywood a Los Angeles, California, USA (Immagine: GDMatthews tramite AdobeStock - stock.adobe.com)

Tuttavia, Sublime ha finora raccolto più di 200 milioni di dollari dai principali investitori in tecnologie per il clima, dai principali produttori di cemento e dagli accordi di cooperazione del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e quest'anno punta a costruire un impianto unico nel suo genere.

Kidd afferma: "Essendo basati negli Stati Uniti, uno dei vantaggi di Brimstone e Sublime è l'accesso a investimenti governativi più consistenti e audaci. Vorrei vedere più investimenti pubblici e privati a sostegno delle imprese britanniche in questo settore. L'industria edile non investe in se stessa a sufficienza. Le nostre grandi imprese edili operano in genere con margini ridotti e può essere difficile reinvestire. E, guardando le statistiche a lungo termine del settore edile, gli investimenti in ricerca e sviluppo sono piuttosto bassi rispetto ad altri settori. La grande opportunità ora è quella di capovolgere il paradigma, investire nel futuro e creare un settore competitivo a livello globale in un mondo a zero emissioni nette".

Nel frattempo, la cattura e lo stoccaggio del carbonio (CCS) rimane un tema caldo per il governo del Regno Unito. Questo processo mira a catturare la CO2 emessa durante la produzione del cemento e a sequestrarla immediatamente.

Kidd afferma: "L'idea di poter utilizzare il cemento esistente, aggiungere la cattura del carbonio e renderlo un elemento fondamentale per raggiungere l'obiettivo zero emissioni di carbonio non sarà applicabile a tutti o ovunque. Il Regno Unito è fortunato ad avere vecchi giacimenti di gas in grado di immagazzinare/utilizzare il carbonio, ma questo non vale per tutti i cementifici del mondo. Esistono già molti forni ad arco elettrico a livello globale, il che rende l'opzione del cemento elettrico intrinsecamente super scalabile, con l'ulteriore vantaggio che l'industria edile non dovrà adattare i propri processi".