Forskare från University of Cambridge har utvecklat en metod för att producera betong med mycket låga utsläpp i stor skala – en innovation som kan vara avgörande för övergången till nettonollutsläpp.
Metoden, som enligt forskarna är ”ett absolut mirakel”, använder de eldrivna ljusbågsugnar som används för stålåtervinning för att samtidigt återvinna cement, den kolintensiva komponenten i betong.
Betong är det näst mest använda materialet på planeten, efter vatten, och står för cirka 7,5% av de totala antropogena CO2-utsläppen. Ett skalbart, kostnadseffektivt sätt att minska betongutsläppen och samtidigt möta den globala efterfrågan är en av världens största utmaningar när det gäller att minska koldioxidutsläppen.
Cambridgeforskarna fann att begagnad cement är en effektiv ersättning för kalkflussmedel, som används vid stålåtervinning för att avlägsna föroreningar och som normalt slutar som en avfallsprodukt som kallas slagg. Men genom att ersätta kalk med begagnad cement blir slutprodukten återvunnen cement som kan användas för att tillverka ny betong.
Den metod för cementåtervinning som Cambridgeforskarna har utvecklat och som beskrivs i tidskriften Nature medför inga betydande kostnader för betong- eller stålproduktionen och minskar utsläppen från både betong och stål avsevärt tack vare det minskade behovet av kalkflussmedel.
Nya tester som utförts av Materials Processing Institute, en partner i projektet, visade att återvunnen cement kan produceras i stor skala i en elektrisk ljusbågsugn (EAF), vilket är första gången detta har uppnåtts. På sikt skulle denna metod kunna producera cement med nollutsläpp, om ljusbågsugnen drivs med förnybar energi.
Fotografier av den första elektriska cementproduktionen i en ljusbågsugn vid Materials Processing Institute i Storbritannien. Kredit: Materials Processing Institute
”Vi höll en serie workshops med medlemmar i byggbranschen om hur vi skulle kunna minska utsläppen från sektorn”, säger professor Julian Allwood från Cambridge’s Department of Engineering, som ledde forskningen. ”Många bra idéer kom fram under diskussionerna, men en sak som de inte kunde eller ville tänka på var en värld utan cement.”
Betong tillverkas av sand, grus, vatten och cement, som fungerar som bindemedel. Även om det är en liten del av betongen står cement för nästan 90% av betongutsläppen. Cement tillverkas genom en process som kallas klinkering, där kalksten och andra råmaterial krossas och upphettas till cirka 1 450 °C i stora ugnar. Processen omvandlar materialen till cement, men släpper ut stora mängder CO2 när kalksten avkarboniseras till kalk.
Under det senaste decenniet har forskare undersökt ersättningsmaterial för cement och funnit att ungefär hälften av cementen i betong kan ersättas med alternativa material, t.ex. flygaska, men att dessa alternativ måste aktiveras kemiskt av den återstående cementen för att härda.
”Det är också en fråga om volym – vi har inte tillräckligt många av dessa alternativ för att hålla jämna steg med den globala efterfrågan på cement, som ligger på cirka fyra miljarder ton per år”, säger Allwood. Vi har redan identifierat de lågt hängande frukterna som hjälper oss att använda mindre cement genom noggrann blandning, men för att nå hela vägen till nollutsläpp måste vi börja tänka utanför boxen.
”Jag hade en vag idé från tidigare arbete om att om det var möjligt att krossa gammal betong och ta ut sand och stenar, skulle uppvärmningen av cementen avlägsna vattnet och sedan bilda klinker igen”, säger försteförfattaren Dr. Cyrille Dunant, även han från Institutionen för ingenjörsvetenskaper. ”Ett bad av flytande metall skulle hjälpa den kemiska reaktionen på traven, och en ljusbågsugn, som används för att återvinna stål, kändes som en stark möjlighet. Vi var tvungna att försöka.”
Klinkerprocessen kräver värme och rätt kombination av oxider, som alla finns i begagnad cement, men som måste återaktiveras. Forskarna testade en rad olika slagger, tillverkade av rivningsavfall och med tillsats av kalk, aluminiumoxid och kiseldioxid. Slaggerna bearbetades i Materials Processing Institute’s EAF med smält stål och kyldes snabbt.
Fotografier av den första elektriska cementproduktionen i en ljusbågsugn vid Materials Processing Institute i Storbritannien. Kredit: Materials Processing Institute
”Vi upptäckte att kombinationen av cementklinker och järnoxid är en utmärkt slagg för ståltillverkning eftersom den skummar och flyter bra”, säger Dunant. ”Och om man hittar rätt balans och kyler slaggen tillräckligt snabbt får man i slutändan reaktiverad cement, utan att lägga till någon kostnad i ståltillverkningsprocessen.”
Den cement som tillverkas genom denna återvinningsprocess innehåller högre halter av järnoxid än konventionell cement, men forskarna menar att detta inte har någon större inverkan på prestandan.
Cambridge Electric Cement-processen har skalats upp snabbt och forskarna säger att de skulle kunna producera en miljard ton per år 2050, vilket motsvarar ungefär en fjärdedel av den nuvarande årliga cementproduktionen.
”Att producera cement med nollutsläpp är ett absolut mirakel, men vi måste också minska mängden cement och betong som vi använder”, säger Allwood. ”Betong är billigt, starkt och kan tillverkas nästan var som helst, men vi använder alldeles för mycket av det. Vi skulle kunna minska mängden betong dramatiskt utan att minska säkerheten, men det måste finnas en politisk vilja för att det ska ske.
”Förutom att vara ett genombrott för byggbranschen hoppas vi att Cambridge Electric Cement också kommer att vara en flagga som hjälper regeringen att inse att möjligheterna till innovation på vår resa mot nollutsläpp sträcker sig långt bortom energisektorn.”
Forskarna har ansökt om patent på processen för att stödja kommersialiseringen av den.
Ytterligare information: Julian Allwood, Electric recycling of Portland cement at scale, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07338-8. www.nature.com/articles/s41586-024-07338-8
