Decarbonizzazione profonda dell'industria: Il settore del cemento

Titoli

• La combustione di combustibili fossili per soddisfare le esigenze di riscaldamento è responsabile del 35% delle emissioni di CO2 del cemento. Il restante 65% è dovuto alle emissioni dirette di processo, che devono essere affrontate.
• L'utilizzo di biomassa nell'industria del cemento è triplicato dal 2007 e attualmente rappresenta il 16% del mix di combustibili.
• L'analisi degli scenari di decarbonizzazione pubblicati recentemente da varie fonti lo dimostra:
• Il ruolo della biomassa nella decarbonizzazione del settore entro il 2050 è incerto a causa dell'aumento della domanda concorrente di altri settori dell'economia.
• Lo sfruttamento della cattura e dello stoccaggio del carbonio è inevitabile per la decarbonizzazione in profondità a causa delle emissioni di processo inerenti alla fabbricazione del cemento.

Raccomandazioni

• Sostenere lo sviluppo di progetti dimostrativi su larga scala per tecnologie innovative, tra cui l'elettrificazione dei forni, le tecnologie di cattura del carbonio e i nuovi cementi.
• Sostenere la realizzazione di un'infrastruttura per la CO2, comprese le reti di trasporto, lo stoccaggio della CO2 e la valorizzazione della CO2 attraverso la simbiosi industriale.
• Rafforzare gli appalti pubblici verdi e accelerare l'aggiornamento degli standard di prodotto per aumentare la domanda di materiali da costruzione a bassa emissione di carbonio.

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Panoramica del settore del cemento

Il cemento è il legante del calcestruzzo, il materiale da costruzione più utilizzato al mondo. Il settore del cemento è uno dei principali emettitori di gas serra, responsabile di circa il 7% delle emissioni di CO2 a livello globale (1), e di circa il 4% nell'UE.

Mentre le emissioni globali del settore del cemento sono continuamente aumentate, nell'UE le emissioni hanno raggiunto il picco di 170Mt di CO2 nel 2007 e da allora sono scese del 40% a 105Mt di CO2 (2). Ciò è attribuibile principalmente al forte calo della produzione di cemento negli ultimi 15 anni, da un picco di 262Mt nel 2007 a 168Mt nel 2017, equivalente ad una riduzione del cemento pro capite da 0,5 a 0,3 tonnellate per persona (3). L'intensità di CO2 della produzione di cemento in quel periodo è migliorata di circa il 7% (0,6t di CO2 emessa per tonnellata di cemento nel 2017) (2).

Entro il 2050, la produzione di cemento nell'UE dovrebbe rimanere al di sotto dei livelli precedenti al 2010, tra 165Mt e 206Mt negli scenari del modello FORECAST (4), che ha alimentato l'analisi dell'industria della Visione strategica a lungo termine della Commissione Europea (5).

Panoramica del calore di processo

Il clinker, e i sostituti del clinker, sono i componenti attivi che conferiscono al cemento le sue proprietà leganti. La produzione di clinker tradizionale del cemento è un processo estremamente energico e ad alta intensità di CO2. Nell'UE, il 90% del clinker viene ora prodotto attraverso il processo di produzione del clinker secco a maggiore efficienza energetica (2). I forni umidi più vecchi e meno efficienti sono stati quasi completamente eliminati. Nel processo a secco più avanzato, le materie prime vengono calcinate a circa 900-1250oC in un precalcinatore per trasformare il calcare in calce, che rilascia CO2 come prodotto secondario. I materiali vengono poi immessi in un forno rotativo, dove si aggregano per formare clinker a 1450oC (e le temperature della fiamma raggiungono i 2000oC) (6). Il clinker viene quindi raffreddato, macinato e miscelato con altri materiali per produrre cemento.

La combustione dei combustibili per riscaldare i forni per cemento è responsabile del 35% dell'impronta di carbonio del clinker. L'altro 65% è costituito dalle emissioni di processo, rilasciate durante la reazione di calcinazione coinvolta nella produzione del clinker.

Opzioni di decarbonizzazione

Biomassa

Attualmente, i combustibili utilizzati per fornire il necessario calore di processo sono un mix di combustibili fossili (principalmente petcoke, carbone e petrolio), combustibili di scarto e biomassa. Mentre l'utilizzo della biomassa è triplicato dal 2007, attualmente rappresenta solo il 16% del mix di combustibili totale nell'UE (Figura 1).

Il co-processo di combustibili (uso di combustibili alternativi, come rifiuti e biomassa) rappresenta attualmente quasi la metà di tutti i combustibili utilizzati nell'industria del cemento dell'UE, con alcuni cementifici che raggiungono tassi di sostituzione occasionali del 100% (6). Esistono tuttavia notevoli differenze tra gli Stati membri, che vanno dal 6% (Grecia) al 65% (Germania) dei tassi medi nazionali di co-processo (7).

Mentre i combustibili alternativi potrebbero fornire il 100% dell'energia termica, la sostituzione completa dei combustibili fossili con biomasse realmente sostenibili è tecnicamente difficile a causa del basso potere calorifico della maggior parte dei materiali organici (8). Inoltre, entro il 2050, le richieste concorrenti di biomasse provenienti da altri settori dell'economia ne limiteranno la disponibilità per la produzione di cemento. Gli scenari di decarbonizzazione profonda della visione strategica a lungo termine della Commissione Europea indicano che almeno la metà della biomassa disponibile viene utilizzata per il settore energetico.

Elettrificazione del calore

L'utilizzo dell'elettricità per fornire calore di processo potrebbe contribuire alla decarbonizzazione del settore, se l'elettricità è al 100% priva di combustibili fossili. L'industria del cemento sta esplorando diverse tecnologie per elettrificare la produzione di cemento, tra cui la generazione di calore attraverso generatori al plasma e l'energia a microonde, che devono ancora essere sviluppate oltre il laboratorio (TRL 3). La costruzione di un impianto pilota che utilizza la tecnologia del plasma è attualmente allo studio (9).

Un importante possibile vantaggio dei sistemi di riscaldamento elettrificati è la concentrazione molto più alta di CO2 nei gas di scarico rispetto al riscaldamento a combustione, da una concentrazione di CO2 stimata al 25% a quasi il 100% (10). Questo permetterebbe di catturare e purificare più facilmente la CO2 dalle emissioni di processo.

Idrogeno per il calore

La combustione dell'idrogeno come combustibile può raggiungere le alte temperature richieste nel processo di produzione del cemento, ma non è stata ancora testata. Poiché la combustione dell'idrogeno e il trasferimento di calore (per irraggiamento) nel forno sarebbero significativamente diversi dai combustibili attualmente utilizzati, sarebbe necessaria una ricerca approfondita sulle modifiche ai forni per cemento (11). La produzione di cemento con una miscela di idrogeno e combustibili da biomassa è attualmente in una fase iniziale di indagine (TRL 2).

Cattura del carbonio

Per decarbonizzare completamente il settore, è necessario affrontare le emissioni di processo del processo di produzione del clinker, indipendentemente dalla fonte di calore. Parte della soluzione dovrà essere la cattura di CO2 - applicata sia alla combustione che alle emissioni di processo, oppure combinando una fonte di calore a zero emissioni di CO2 con la cattura delle emissioni di processo concentrate.

Diverse diverse tecnologie innovative sono attualmente allo studio nell'UE, che si trovano tutte a TRL 6: (i) tecnologie post-combustione che separano la CO2 dai gas di scarico; (ii) combustione di ossicombustione, in cui il combustibile viene bruciato in ossigeno piuttosto che in aria, fornendo una concentrazione molto più alta di CO2 nei gas di scarico; (iii) ciclo del calcio, che può essere integrato nel cementificio o utilizzato come tecnologia di coda; (iv) e tecnologia di separazione diretta, applicata in combinazione con un processo di calore a zero emissioni di CO2. La scelta delle tecnologie dipenderà dalla loro competitività tecnico-economica e varierà a seconda della disponibilità di energia elettrica rinnovabile e del recupero e dell'integrazione del calore residuo (12).

Accumulo e utilizzo di CO2

Oltre all'implementazione di tecnologie di cattura del carbonio per affrontare le emissioni di processo e le possibili emissioni residue di combustione del carburante, è necessario sviluppare l'infrastruttura per il trasporto, lo stoccaggio o l'utilizzo di CO2. Poiché il potenziale di valorizzazione della CO2 è limitato dalla domanda del mercato dei prodotti risultanti (13), e considerando la quantità di anidride carbonica emessa dalla produzione di cemento (106Mt nel 2016), lo stoccaggio di CO2 sarà probabilmente un percorso inevitabile per raggiungere una decarbonizzazione profonda.

Cementi a bassa emissione di carbonio

Nel 2017 il rapporto medio tra clinker e cemento nell'UE era del 75% (2). Le norme europee differenziano cinque categorie principali di cementi in base alla loro composizione di clinker. I cementi più utilizzati, i cementi Portland e i cementi composti Portland, hanno un contenuto di clinker superiore al 95% e al 65% rispettivamente. Il clinker può essere parzialmente sostituito dai cosiddetti materiali cementizi supplementari, come le ceneri volanti delle centrali a carbone e le scorie d'altoforno della produzione dell'acciaio. Grazie al ridotto rapporto di clinker, è richiesta meno energia per la combustione del clinker e si evitano alcune delle emissioni di processo inerenti alla produzione di clinker. A seconda dei percorsi di decarbonizzazione seguiti dai settori dell'energia e dell'acciaio, queste materie prime alternative diventeranno comunque meno disponibili in futuro.

Sono in corso notevoli ricerche su clinker alternativi che emettono meno CO2 rispetto al cemento Portland. Alcuni sono già disponibili in commercio (ma con applicazioni limitate), mentre una serie di altri concetti sono in fase di ricerca e sviluppo (14); tuttavia, barriere sul lato dell'offerta (ad esempio, disponibilità e costo delle materie prime) e barriere sul lato della domanda (ad esempio, restrizioni negli standard del calcestruzzo) ne limitano l'applicazione e la diffusione.

L'industria del cemento negli scenari di decarbonizzazione del 2050

Per esplorare diversi percorsi per raggiungere una decarbonizzazione profonda del settore entro il 2050, si confrontano le opzioni di decarbonizzazione in otto scenari di quattro pubblicazioni (vedi Figura 2). Gli scenari PRIMES e FORECAST che hanno alimentato la Visione Strategica a Lungo Termine della Commissione Europea considerano congiuntamente l'intero settore dei minerali non metallici (cemento, ceramica, vetro e calce). La produzione di cemento rappresenta il 40% del fabbisogno energetico finale del settore dei minerali non metallici e il 60% delle emissioni di CO2.

Biomassa

C'è una forte variazione nell'uso della biomassa per la produzione di cemento entro il 2050 negli scenari esaminati. Un percorso completamente elettrificato potrebbe rinunciare all'uso della biomassa entro il 2050 (ECF, Nuovi processi), mentre in altri percorsi, viene impiegata una quantità di biomassa fino a 4 volte maggiore rispetto al 2015 (EC, 1.5TECH). Le emissioni negative sono incluse in alcuni scenari che combinano l'uso sostenibile della biomassa con la cattura di CO2 da fonti biogeniche (IEA, B2DS). In diversi scenari, il passaggio anticipato alla biomassa permette di ridurre le emissioni prima dell'introduzione di altre tecnologie innovative (l'uso della biomassa raddoppia dal 2015 al 2030 in ICF, CCS e Mix95).

Elettrificazione

L'uso di elettricità aumenta in 7 degli 8 scenari selezionati. Gli scenari che utilizzano tecnologie di cattura del carbonio ma poco calore elettrificato vedono un aumento minimo (o nullo) della domanda di elettricità, con una quota rimanente più elevata di combustibili fossili (ICF, CCS; ICF, CCS; IEA, B2DS). In uno scenario in cui la produzione di cemento è completamente elettrificata, la domanda di elettricità rinnovabile è fino a 6 volte superiore alla domanda di elettricità del 2015 (ECF, New Processes).

Idrogeno

Il ruolo dell'idrogeno varia notevolmente negli scenari, spaziando dal mancato impiego nel mix energetico finale fino a un terzo della domanda di energia negli scenari che coprono il settore dei minerali non metallici totali (ICF, Mix95; EC, 1.5LIFE e 1.5TECH).

Cattura del carbonio

Tutti gli scenari selezionati per ottenere una decarbonizzazione profonda del settore del cemento includono le tecnologie di cattura del carbonio, considerate come la più importante tecnologia per ridurre le emissioni di processo, nonché le emissioni da calore industriale quando queste sono ancora presenti. Entro il 2050, in diversi scenari oltre il 90% dei cementifici incorporerà la cattura del carbonio (ICF, CCS e Mix95), con una cattura di CO2 fino a 120Mt (ICF, CCS). Dove specificato, la tecnologia di cattura del carbonio impiegata varia a seconda del percorso di decarbonizzazione, con fino al 100% dei forni per cemento dotati di cattura del carbonio post-combustione in uno scenario completamente elettrificato (ECF, New Processes), o il 90% dei forni dotati di tecnologia a ossicombustione in combinazione con i combustibili fossili (ECF, CCS).

Cementi a basso contenuto di carbonio

I sostituti del clinker e/o nuovi cementi sono utilizzati per ridurre le emissioni di CO2 del settore in varia misura negli scenari. Anche se non esplicitamente specificato in tutti i casi, i materiali cementizi supplementari sono inclusi in tutti gli scenari e potrebbero sostituire fino al 40% del clinker di cemento nel 2050 (scenari ECF, rispetto al 26% attuale). I nuovi tipi di cemento a basso tenore di carbonio non sono affatto inclusi (ICF CCS e IEA B2DS) o in misura molto limitata (sostituzione del 5% negli scenari ECF) in alcuni scenari. Uno scenario prevede l'impiego di nuovi cementi per sostituire il 50% della produzione totale di cemento entro il 2050 (83Mt su 166Mt in ICF, Mix95).

Economia circolare ed efficienza dei materiali

Alcuni scenari (ICF, Mix95 e ECF, Circular Economy) si basano su un uso più efficiente del cemento e del calcestruzzo. Vengono proposte diverse opzioni, tra cui l'ottimizzazione della progettazione delle strutture e delle specifiche del calcestruzzo, la progettazione di infrastrutture per consentire lo smontaggio e il riutilizzo/riciclaggio del calcestruzzo, o la sostituzione del calcestruzzo con materiali a zero emissioni di CO2 come il legno (fino al 5% di sostituzione negli scenari ECF). Pur non sostituendo la necessità della cattura del carbonio in tali scenari, tali opzioni di decarbonizzazione potrebbero alleviare la diffusione e i costi associati alle tecnologie di cattura del carbonio. La digitalizzazione è menzionata come potenzialmente in grado di svolgere un ruolo importante nell'ottimizzazione della progettazione e dell'uso di opzioni a bassa emissione di CO2 nella costruzione (15). La piena cattura di questi potenziali di efficienza dei materiali, tuttavia, richiederebbe importanti modifiche agli standard e ai processi di costruzione esistenti.

Riferimenti

1. 1. Agenzia internazionale per l'energia. 2. Tabella di marcia tecnologica - Transizione a basse emissioni di carbonio nel settore del cemento. 2018.

2. 2. WBSCD. 3. Progetto per ottenere i numeri giusti (GNR). www.wbcsdcement.org/GNR-2016/index.html.

3. 3. Eurostat. Cambiamento della popolazione - Bilancio demografico e tassi del greggio a livello nazionale [demo_gind].

4. ICF & Fraunhofer ISI. Innovazione industriale: Percorsi di decarbonizzazione profonda dell'industria. Parte 2. 2018.

5. 5. Commissione Europea. Analisi approfondita a sostegno della comunicazione della Commissione COM(2018) 773. 2018.

6. 6. Centro comune di ricerca. Riferimento sulle migliori tecniche disponibili (BAT). Commissione europea, 2013.

7. 7. Ecofys. Opportunità di mercato per l'uso di combustibili alternativi nei cementifici di tutta l'UE. 2016.

8. Murray, A e Price, L. Uso di carburanti alternativi nella produzione di cemento: Analisi delle caratteristiche dei combustibili e della fattibilità d'uso nel settore del cemento cinese. Laboratorio nazionale di Berkeley, 2008.

9. Vattenfall. Comunicato stampa - Vattenfall e Cementa fanno il passo successivo verso un cemento neutro dal punto di vista climatico. Gennaio 2019. group.vattenfall.com/press-and-media/news--pressreleases/pressreleases/2019/vattenfall-and-cementa-take-the-nextstep-towards-a-climate-neutral-cement.

10. Wilhelmsson, Bodil, et al., et al. CemZero - Uno studio di fattibilità che valuta i modi per raggiungere una produzione di cemento sostenibile attraverso l'uso dell'elettricità. Vattenfall e Cementa, 2018.

11. Hoenig, Volker, Hoppe, Helmut e Emberger, Bernhard. Relazione tecnica: Tecnologia di cattura del carbonio - Opzioni e potenzialità per l'industria del cemento. ECRA, 2007.

12. Vatopoulos, Konstantinos e Tzimas, Evangelos. Valutazione delle tecnologie di cattura del CO2 nel processo di produzione del cemento. Journal of Cleaner Production, Vol. 32, 2012.

13. 13. Pérez-Fortes , Mar, et al., et al. Sintesi del metanolo utilizzando la CO2 catturata come materia prima: Valutazione tecnico-economica e ambientale. Energia applicata, Vol. 161, 2016.

14. 14. Gartner, Ellis e Sui, Tongbo. Clinker di cemento alternativo. Ricerca sul cemento e sul calcestruzzo, Vol. 114, 2018.

15. 15. Lehne, Johanna e Preston, Felix. Fare il cambiamento del calcestruzzo - Innovazione nel cemento e nel calcestruzzo a basse emissioni di carbonio. Londra, Chatham House, 2018.

16. 16. Economia dei materiali. Trasformazione industriale 2050 - Percorsi verso emissioni nette zero dall'industria pesante dell'UE. 2019.

17. 17. Agenzia internazionale dell'energia (AIE). 18. Prospettive della tecnologia energetica 2017: Catalizzare le trasformazioni delle tecnologie energetiche. 2017.

Contatto:

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Jose.moya(at)ec.europa.eu

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