La profunda descarbonización de la industria: El sector del cemento

Titulares

• La combustión de combustibles fósiles para satisfacer las necesidades de calefacción representa el 35% de las emisiones de CO2 del cemento. El 65% restante se debe a las emisiones de los procesos directos, que también deben ser abordadas.
• El uso de biomasa en la industria del cemento se ha triplicado desde 2007, y actualmente representa el 16% de la mezcla de combustible.
• El análisis de los escenarios de descarbonización publicados recientemente por varias fuentes muestra que:
• El papel de la biomasa en la descarbonización del sector para 2050 es incierto debido al aumento de la demanda competidora de otros sectores de la economía.
• El despliegue de la captura y el almacenamiento de carbono es inevitable para una descarbonización profunda debido a las emisiones del proceso inherentes a la fabricación de cemento.

Recomendaciones

• Apoyar el desarrollo de proyectos de demostración en gran escala de tecnologías de vanguardia, como la electrificación de hornos, las tecnologías de captura de carbono y los cementos novedosos.
• Apoyar el despliegue de una infraestructura de CO2, incluyendo redes de transporte, almacenamiento de CO2 y valorización de CO2 a través de la simbiosis industrial.
• Fortalecer la contratación pública ecológica y acelerar la actualización de las normas de los productos para aumentar la demanda de materiales de construcción con bajo contenido de carbono.

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Panorama del sector del cemento

El cemento es el aglutinante del hormigón, el material de construcción más utilizado en el mundo. El sector del cemento es uno de los principales emisores de gases de efecto invernadero, responsable de alrededor del 7% de las emisiones de CO2 a nivel mundial (1), y de alrededor del 4% en la UE.

Mientras que las emisiones globales del sector del cemento han aumentado continuamente, en la UE las emisiones alcanzaron su punto máximo en 2007 con 170Mt de CO2 y han disminuido en un 40% desde entonces hasta 105Mt de CO2 (2). Esto se atribuye principalmente a la fuerte disminución de la producción de cemento en los últimos 15 años, de un máximo de 262Mt en 2007 a 168Mt en 2017, lo que equivale a una reducción del cemento per cápita de 0,5 a 0,3 toneladas por persona (3). La intensidad de CO2 de la producción de cemento durante ese período ha mejorado en aproximadamente un 7% (0,6t de CO2 emitidas por tonelada de cemento en 2017) (2).

Para 2050, se espera que la producción de cemento en la UE se mantenga por debajo de los niveles anteriores a 2010, oscilando entre 165Mt y 206Mt en los escenarios del modelo FORECAST (4), que alimentaron el análisis de la industria de la Visión Estratégica a Largo Plazo de la Comisión Europea (5).

Visión general del calor de proceso

El clinker, y los sustitutos del clinker, son los componentes activos que confieren al cemento sus propiedades aglutinantes. La producción de clinker de cemento tradicional es un proceso extremadamente intensivo en energía y CO2. En la UE, el 90% del clinker se fabrica ahora a través del proceso de fabricación de clinker seco, más eficiente energéticamente (2). Los hornos húmedos más antiguos y menos eficientes casi han sido eliminados. En el proceso seco más avanzado, las materias primas se calcinan a unos 900-1250oC en un precalcinador para transformar la piedra caliza en cal, lo que libera CO2 como producto secundario. Los materiales se introducen entonces en un horno rotatorio, donde se agregan para formar clinker a 1450oC (y las temperaturas de la llama alcanzan los 2000oC) (6). El clinker es entonces enfriado, molido y mezclado con otros materiales para hacer cemento.

La combustión de combustibles para calentar los hornos de cemento es responsable del 35% de la huella de carbono del clinker. El otro 65% son emisiones de proceso, liberadas durante la reacción de calcinación involucrada en la producción de clinker.

Opciones de descarbonización

Biomasa

Actualmente, los combustibles utilizados para proporcionar el calor de proceso necesario son una mezcla de combustibles fósiles (principalmente coque de petróleo, carbón y petróleo), combustibles de desecho y biomasa. Aunque el uso de biomasa se ha triplicado desde 2007, en la actualidad sólo representa el 16% del total de la mezcla de combustibles en la UE (Figura 1).

El co-tratamiento de combustibles (uso de combustibles alternativos, como los residuos y la biomasa) representa actualmente casi la mitad de todos los combustibles utilizados en la industria cementera de la UE, y algunas plantas cementeras alcanzan tasas de sustitución ocasionales del 100% (6). Sin embargo, hay diferencias considerables entre los Estados Miembros, que oscilan entre el 6% (Grecia) y el 65% (Alemania) de las tasas medias nacionales de elaboración conjunta (7).

Si bien los combustibles alternativos podrían proporcionar el 100% de la energía térmica, la plena sustitución de los combustibles fósiles por biomasa verdaderamente sostenible es técnicamente difícil debido al menor poder calorífico de la mayoría de los materiales orgánicos (8). Además, para 2050, las reivindicaciones de biomasa de otros sectores de la economía que compiten entre sí limitarán su disponibilidad para la producción de cemento. Los escenarios de descarbonización profunda de la visión estratégica a largo plazo de la Comisión Europea indican que al menos la mitad de la biomasa disponible se utiliza para el sector energético.

Electrificación del calor

El uso de la electricidad para proporcionar calor de proceso podría contribuir a descarbonizar el sector, si la electricidad es 100% libre de combustibles fósiles. La industria del cemento está explorando varias tecnologías para electrificar la producción de cemento, incluyendo la generación de calor mediante generadores de plasma y la energía de microondas, que aún no se han desarrollado más allá del laboratorio (TRL 3). Actualmente se está investigando la construcción de una planta piloto que utiliza la tecnología del plasma (9).

Un importante beneficio posible de los sistemas de calentamiento electrificado es la concentración mucho más alta de CO2 en los gases de combustión que con el calentamiento por combustión, desde una concentración de CO2 estimada del 25% hasta cerca del 100% (10). Esto permitiría capturar y purificar más fácilmente el CO2 de las emisiones de los procesos.

Hidrógeno para el calor

La combustión del hidrógeno como combustible puede alcanzar las altas temperaturas que se requieren en el proceso de fabricación del cemento, pero aún no se ha probado. Como la combustión del hidrógeno y la transferencia de calor (por radiación) en el horno diferirían significativamente de los combustibles utilizados actualmente, se necesitaría una amplia investigación sobre las modificaciones de los hornos de cemento (11). La producción de cemento utilizando una mezcla de hidrógeno y combustibles de biomasa se encuentra actualmente en una fase temprana de investigación (TRL 2).

Captura de carbono

Para descarbonizar completamente el sector, es necesario abordar las emisiones del proceso de fabricación de clinker, independientemente de la fuente de calor. Parte de la solución tendrá que ser la captura de CO2 - aplicada tanto a la combustión como a las emisiones de proceso, o la combinación de una fuente de calor de cero CO2 con la captura de emisiones de proceso concentradas.

Actualmente se están investigando en la UE varias tecnologías de vanguardia diferentes, todas ellas en el TRL 6: i) tecnologías de poscombustión que separan el CO2 del gas de combustión; ii) combustión de oxicorte, en la que el combustible se quema en oxígeno en lugar de en aire, lo que proporciona una concentración mucho mayor de CO2 en el gas de combustión; iii) bucle de calcio, que puede integrarse en la planta de cemento o utilizarse como tecnología de cola; iv) y tecnología de separación directa, aplicada en combinación con un proceso de calor con cero emisiones de CO2. La elección de las tecnologías dependerá de su competitividad tecnoeconómica y variará en función de la disponibilidad de electricidad renovable y de la recuperación e integración del calor residual (12).

Almacenamiento y utilización de CO2

Más allá de la implementación de tecnologías de captura de carbono para abordar las emisiones del proceso y las posibles emisiones restantes de la combustión del combustible, es necesario desarrollar la infraestructura para transportar, almacenar o utilizar el CO2. Dado que el potencial de valorización del CO2 está limitado por la demanda del mercado de los productos resultantes (13), y considerando la cantidad de dióxido de carbono emitido por la fabricación de cemento (106Mt en 2016), el almacenamiento de CO2 será probablemente una ruta inevitable para lograr una descarbonización profunda.

Cementos de bajo carbono

El promedio de la relación entre el clinker y el cemento en la UE en 2017 era del 75% (2). Las normas europeas diferencian cinco categorías principales de cementos en función de su composición de clinker. Los cementos más utilizados, los cementos compuestos de Portland y Portland, tienen un contenido de clinker superior al 95% y al 65% respectivamente. El clinker puede ser parcialmente sustituido por los llamados materiales cementantes suplementarios, como las cenizas volantes de las centrales eléctricas de carbón y las escorias de los altos hornos de la siderurgia. Debido a la reducción de la proporción de clinker, se requiere menos energía para la quema de clinker y se evitan algunas de las emisiones de proceso inherentes a la fabricación de clinker. Sin embargo, dependiendo de los caminos de descarbonización seguidos por los sectores de la energía y el acero, estas materias primas alternativas estarán menos disponibles en el futuro.

Hay una considerable investigación en curso sobre clinkers alternativos que emiten menos CO2 que el cemento Portland. Algunos ya están disponibles comercialmente (pero con aplicaciones limitadas), mientras que otros conceptos están siendo investigados y desarrollados (14); sin embargo, las barreras del lado de la oferta (por ejemplo, la disponibilidad y el costo de las materias primas) y las barreras del lado de la demanda (por ejemplo, las restricciones en las normas de hormigón) limitan su aplicación y difusión.

La industria del cemento en los escenarios de descarbonización de 2050

Para explorar diferentes vías para lograr una profunda descarbonización del sector para 2050, se comparan las opciones de descarbonización en ocho escenarios de cuatro publicaciones (véase la Figura 2). Los escenarios PRIMES y FORECAST que alimentaron la Visión Estratégica a Largo Plazo de la Comisión Europea consideran conjuntamente todo el sector de los minerales no metálicos (cemento, cerámica, vidrio y cal). La producción de cemento representa el 40% del total de la demanda de energía final del sector de los minerales no metálicos y el 60% de sus emisiones de CO2.

Biomasa

Hay una fuerte variación en el uso de la biomasa para la producción de cemento para 2050 en los escenarios examinados. Una vía totalmente electrificada podría renunciar al uso de la biomasa para 2050 (ECF, New Processes), mientras que en otras vías se despliega hasta cuatro veces más biomasa que en 2015 (EC, 1.5TECH). Las emisiones negativas se incluyen en algunos escenarios que combinan el uso sostenible de la biomasa con la captura de CO2 de fuentes biogénicas (AIE, B2DS). En varios escenarios, un cambio temprano de combustible a biomasa permite una reducción temprana de las emisiones antes de que se desplieguen otras tecnologías de vanguardia (el uso de biomasa se duplica de 2015 a 2030 en ICF, CCS y Mix95).

Electrificación

El uso de la electricidad aumenta en 7 de los 8 escenarios seleccionados. Los escenarios que despliegan tecnologías de captura de carbono pero poco calor electrificado ven poco (o ningún) aumento en la demanda de electricidad, con una mayor proporción restante de combustibles fósiles (ICF, CCS; ICF, CCS; IEA, B2DS). En un escenario en el que la producción de cemento está totalmente electrificada, la demanda de electricidad renovable es hasta 6 veces superior a la demanda de electricidad de 2015 (ECF, New Processes).

Hidrógeno

El papel del hidrógeno varía enormemente en los escenarios, desde la ausencia de despliegue en la mezcla energética final hasta un tercio de la demanda de energía en los escenarios que cubren el sector total de los minerales no metálicos (ICF, Mix95; EC, 1.5LIFE y 1.5TECH).

Captura de carbono

Todos los escenarios seleccionados que logran una profunda descarbonización del sector del cemento incluyen tecnologías de captura de carbono, que se considera la tecnología más importante para reducir las emisiones de los procesos, así como las emisiones del calor industrial cuando éstas todavía están presentes. Para 2050, en varios escenarios más del 90% de las plantas de cemento incorporan la captura de carbono (ICF, CCS y Mix95), con hasta 120Mt de CO2 capturado (ICF, CCS). Donde se especifica, la tecnología de captura de carbono desplegada varía dependiendo de la vía de descarbonización, con hasta el 100% de los hornos de cemento equipados con captura de carbono post-combustión en un escenario totalmente electrificado (ECF, Nuevos Procesos), o el 90% de los hornos equipados con tecnología de oxicombustible en combinación con combustibles fósiles (ECF, CCS).

Cementos de bajo carbono

Los sustitutos del clinker y/o nuevos cementos se despliegan para reducir las emisiones de CO2 del sector en diversos grados en los escenarios. Aunque no se especifica explícitamente en todos los casos, se incluyen materiales cementantes suplementarios en todos los escenarios y podrían sustituir hasta el 40% del clinker de cemento en 2050 (escenarios ECF, en comparación con el 26% actual). Los nuevos tipos de cemento bajo en carbono no se incluyen en absoluto (ICF CCS y IEA B2DS) o de forma muy restringida (5% de sustitución en los escenarios ECF) en algunos escenarios. Un escenario despliega nuevos cementos para reemplazar el 50% de la producción total de cemento para 2050 (83Mt de 166Mt en ICF, Mix95).

Economía circular y eficiencia material

Algunos escenarios (ICF, Mix95 y ECF, Circular Economy) se basan en un uso más eficiente del cemento y el hormigón. Se proponen varias opciones, entre ellas la optimización del diseño de las estructuras y las especificaciones del hormigón, el diseño de la infraestructura para permitir el desmontaje y la reutilización/reciclaje del hormigón, o la sustitución del hormigón por materiales con cero emisiones de CO2, como la madera (hasta un 5% de sustitución en los escenarios ECF). Aunque no sustituyen la necesidad de captura de carbono en esos escenarios, esas opciones de descarbonización podrían aliviar el despliegue y los costos asociados de las tecnologías de captura de carbono. Se menciona que la digitalización podría desempeñar un papel importante en la optimización del diseño y el uso de opciones de menor emisión de CO2 en la construcción (15). Sin embargo, para aprovechar plenamente estos potenciales de eficiencia de los materiales sería necesario introducir importantes cambios en las normas y los procesos de construcción existentes.

Referencias

1. Agencia Internacional de la Energía. Hoja de ruta tecnológica - Transición a un bajo nivel de emisiones de carbono en la industria del cemento. 2018.

2. 2. WBSCD. Proyecto "Getting the numbers right" (GNR). www.wbcsdcement.org/GNR-2016/index.html.

3. 3. Eurostat. Cambio de la población - Balance demográfico y tasas brutas a nivel nacional [demo_gind].

4. ICF y Fraunhofer ISI. Innovación Industrial: Caminos hacia una profunda descarbonización de la industria. Parte 2. 2018.

5. Comisión Europea. Análisis en profundidad en apoyo de la comunicación de la Comisión COM(2018) 773. 2018.

6. 6. Centro Común de Investigación. Referencia de las Mejores Técnicas Disponibles (MTD). Comisión Europea, 2013.

7. 7. Ecofys. Oportunidades de mercado para el uso de combustibles alternativos en las plantas de cemento de la UE. 2016.

8. Murray, A y Price, L. Use of Alternative Fuels in Cement Manufacture: Analysis of Fuel Characteristics and Feasibility for Use in the Chinese Cement Sector. Laboratorio Nacional de Berkeley, 2008.

9. Vattenfall. Comunicado de prensa - Vattenfall y Cementa dan el siguiente paso hacia un cemento neutro para el clima. Enero 2019. group.vattenfall.com/press-and-media/news--pressreleases/pressreleases/2019/vattenfall-and-cementa-take-the-next step-towards-a-climate-neutral-cement.

10. CemZero - Un estudio de viabilidad que evalúa las formas de alcanzar una producción sostenible de cemento mediante el uso de la electricidad. Vattenfall y Cementa, 2018.

11. Hoenig, Volker, Hoppe, Helmut y Emberger, Bernhard. Informe técnico: Tecnología de captura de carbono - Opciones y potenciales para la industria del cemento. ECRA, 2007.

12. Vatopoulos, Konstantinos y Tzimas, Evangelos. Evaluación de las tecnologías de captura de CO2 en el proceso de fabricación de cemento. Journal of Cleaner Production, Vol. 32, 2012.

13. 13. Pérez-Fortes , Mar, et al., et al. Síntesis de metanol utilizando CO2 capturado como materia prima: Evaluación tecno-económica y ambiental. Applied Energy, Vol. 161, 2016.

14. Gartner, Ellis y Sui, Tongbo. Clinkers de cemento alternativos. Cement and Concrete Research, Vol. 114, 2018.

15. 15. Lehne, Johanna y Preston, Felix. Making Concrete Change - Innovation in Low-carbon Cement and Concrete. Londres, Chatham House, 2018.

16. Economía de los materiales. Industrial Transformation 2050 - Pathways to Net-Zero Emissions from EU Heavy Industry. 2019.

17. Agencia Internacional de la Energía (AIE). Perspectivas de la Tecnología Energética 2017: Catalizando las transformaciones de la tecnología energética. 2017.

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