Q&A: Perché le emissioni di cemento sono importanti per il cambiamento climatico

Un costruttore dirige il calcestruzzo bagnato da un camion di cemento nelle fondamenta di un grande edificio. Credit: Peter Righteous/Alamy Stock Photo.

Pubblicato per la prima volta qui.

Se l'industria del cemento fosse un paese, sarebbe il terzo più grande emettitore del mondo.

Nel 2015, ha generatocirca 2,8 miliardi di tonnellate di CO2, equivalenti all'8% del totale globale - una quota maggiore di qualsiasi altro paese oltre a Cina e Stati Uniti.

L'uso del cemento è destinato ad aumentare con l'urbanizzazione globale e lo sviluppo economico che aumenta la domanda di nuovi edifici e infrastrutture. Insieme ad altre parti dell'economia globale, l'industria del cemento dovrà ridurre drasticamente le sue emissioni per raggiungere gli obiettivi di temperatura dell'Accordo di Parigi. Tuttavia, finora sono stati fatti solo progressi limitati.

Ridurre le emissioni del cemento. Infografica di RosamundPearce per Carbon Brief.

Cos'è il cemento?

Il cemento è usato nell'edilizia per legare insieme altri materiali. Viene mescolato con sabbia, ghiaia e acqua per produrre ilcemento, il materiale da costruzione più usato al mondo. Più di 10 miliardi di tonnellate di cemento sono usateogni anno.

Lo standard industriale è un tipo chiamatocemento Portland. Questo è statoinventato all'inizio del 1800 e prende il nome da una pietra da costruzione molto usata in Inghilterra a quel tempo. Oggi è usatonel 98% del cemento a livello globale, con 4 miliardi di tonnellate prodotte ogni anno.

La produzione delclinker Portland, che funge da legante, è un passo cruciale nella produzione del cemento Portland. Il calcare (CaCO3) viene "calcinato" ad alte temperature in un forno da cemento per produrre calce (CaO), con conseguente rilascio di CO2 di scarto. Nel complesso, si verifica la seguente reazione:

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Perché il cemento emette così tanta CO2?

Circa la metà delle emissioni del cemento sono emissioni di processo derivanti dalla reazione di cui sopra. Questa è una delle ragioni principali per cui le emissioni di cemento sono spesso considerate difficili da tagliare: poiché questa CO2 è rilasciata da una reazione chimica, non può essere eliminata cambiando il carburante o aumentando l'efficienza.

Unaltro 40% delle emissioni di cemento proviene dalla combustione di combustibili fossili per riscaldare i forni alle alte temperature necessarie per questo processo di calcinazione. L'ultimo 10% delle emissioni proviene dai combustibili necessari per estrarre e trasportare le materie prime.

Pertanto, le emissioni del cemento dipendono in gran parte dalla proporzione di clinker usato in ogni tonnellata di cemento. Anche il tipo di combustibile e l'efficienza delle attrezzature usate durante la produzione di clinker hanno un impatto.

Nel frattempo, siprevede che la superficie degli edifici nel mondoraddoppi nei prossimi 40 anni. Questo significa che la produzione di cemento è destinata a crescere fino acirca 5 miliardi di tonnellate entro il 2030, un aumento del 25% rispetto ad oggi, raggiungendo oltre quattro volte i livelli del 1990.

I guadagni di efficienza da soli non saranno quindi sufficienti a ridurre significativamente le emissioni del settore.

Quali paesi hanno alte emissioni di cemento?

La Cina è di gran lunga il più grande produttore di cemento, seguita molto indietro dall'India e dall'insieme dei paesi dell'UE, come mostra il grafico sottostante tratto da un recenterapporto di Chatham House. Tre quarti della produzione di cemento dal 1990si sono verificati in Cina, che ha usato piùcemento tra il 2011 e il 2013 che gli Stati Uniti in tutto il 20° secolo.

Produzione di cemento ed emissioni dal 2010 al 2015. Fonte: Analisi di Olivier et al. (2016) di ChathamHouse.

La Cina ha anche alti livelli di produzione di cemento in termini pro capite, poiché sperimenta una rapidaurbanizzazione, con moltepersone che si spostano in edifici alti o bassi fatti di cemento. Tuttavia, il consumo cinese potrebbeessere prossimo a stabilizzarsi.

Al contrario, il consumo dell'India è destinatoad aumentare significativamente, dato che il paese si urbanizza rapidamentee costruisce infrastrutture. La maggior parte della crescita futura dovrebbe avvenire in India e in altri mercati emergenti.

Uomo che solleva una pentola di cemento su un'impalcatura, Punjab, 2011. Credito: imageBROKER/Alamy Stock Photo.

In Europa, gli impianti di cottura esistenti sono in grado di soddisfare la futura domanda di cemento, secondo Chatham House. I produttori di cemento europei sono anche tra i più avanzati in termini di uso di combustibili alternativi, aggiunge. Tuttavia, leattrezzaturepiù vecchie limettonodietro l'India e la Cina per quanto riguarda l'efficienza energetica.

Allo stesso modo, gli Stati Uniti, il quarto più grande consumatore di cemento, è in ritardo rispetto agli altri grandi produttori in termini di efficienza energetica e di rapporto clinker.

Le emissioni di cemento sono state ridotte?

L'intensità media di CO2 della produzione di cemento - le emissioni per tonnellata di prodotto - è diminuita del 18% a livello globale negli ultimi decenni, secondo Chatham House. Tuttavia, leemissioni del settore nel suo complesso sono aumentate significativamente, con una domanda triplicata dal 1990.

I progressi finora sono arrivati in tre aree principali:

• In primo luogo, forni di cemento più efficienti hanno reso la produzione meno dispendiosa di energia. Questo può migliorare ulteriormente: l'uso medio globale di energia per tonnellata di cemento è ancora superiore dicirca il 20% rispetto alla produzione con le attuali migliori tecnologie e pratiche disponibili.
• In secondo luogo, anche l'uso di combustibili alternativi ha abbassato le emissioni - per esempio, usando biomassa o rifiuti al posto del carbone. Questo è specialmente il casoin Europa, dove circa il 43% del consumo di combustibile ora proviene da alternative, dice Chatham House.
• In terzo luogo, anche la riduzione della proporzione di clinker Portland nel cemento ha ridotto le emissioni. I cementi "high-blend" possono ridurre le emissioni per chilogrammo fino a quattro volte, secondo Chatham House. Il clinker può essere sostituito con altri materiali simili al cemento, compresi gli scarti della combustione del carbone e della produzione di acciaio. Questo può influenzare le proprietà del cemento, tuttavia, quindi è adatto solo per alcuni usi finali.

La media mondiale del rapporto clinker (clinker:cemento) è scesa a 0,65nel 2014, con una vasta gamma da 0,57 in Cina a 0,87 in Eurasia.

Dopo diversi decenni di progressi, l'intensità di CO2 del cemento è cambiata poco dal 2014 al 2016,secondo l'Agenzia Internazionale dell'Energia (IEA). Questo perché i miglioramenti dell'efficienza energetica sono stati compensati da un leggero aumento del rapporto clinker, dice.

Tuttavia, le emissioni complessive del cemento sono state piatte o in calo negli ultimi anni, poiché la domanda in Cina si è stabilizzata.

BioMason usa i batteri per far crescere mattoni di cemento che, a suo dire, possono sequestrare il carbonio. Credito: bioMASON, Inc.

Quanto possono essere ridotte le emissioni di cemento?

L'AIEe la Cement Sustainability Initiative (CSI), guidata dall'industria, hannorecentemente pubblicato una nuova tabella di marcia a basse emissioni di carbonio, mostrando come ritiene che le emissioni possano essere tagliate in linea con uno scenario "2C" e uno scenario "sotto 2C". La tabella di marcia presuppone che la domanda di cemento aumenterà del 12-23% entro il 2050.

Per uno scenario 2C - in linea con il 50% di possibilità di limitare l'aumento della temperatura globale a 2C sopra i livelli pre-industriali entro il 2100 - la tabella di marcia dice che è necessario un taglio del 24% delle emissioni di cemento. (Vale la pena di notare che questo non è in linea con l'accordo di Parigi, che chiede che l'aumento della temperatura rimanga "ben al di sotto" di 2C come minimo).

La tabella di marcia si basa su quattro aree di azione per questi tagli alle emissioni.

Tre di queste sono le strategie precedentemente perseguite dall'industria del cemento per limitare le emissioni, vale a dire una migliore efficienza energetica, combustibili a più basse emissioni e rapporti di clinker più bassi.

Per esempio, la tabella di marcia fissa come obiettivo un rapporto clinker medio globale di 0,60 entro il 2050, in calo da 0,65. Questa è una sfida significativa: Chatham House nota che avrebbe bisogno di circa il 40% in più di sostituti del clinker entro il 2050 rispetto ad oggi, in un momento in cui la disponibilità dei sostituti tradizionali - ceneri volanti e scorie d'altoforno - probabilmente inizierà a diminuire.

La quarta area è "tecnologie innovative", che è essenzialmente un'abbreviazione per ridurre le emissioni usando la cattura e lo stoccaggio del carbonio(CCS). Questa non è ancora stata utilizzata nell'industria del cemento (prove a parte), ma la tabella di marcia presuppone che l'integrazione della CCS nel settore del cemento raggiunga la diffusione su scala commerciale entro il 2030. L'incertezzasul potenziale di una rapida scalabilità della CCS e il suo costo elevato sono le principalibarriere al suo utilizzo nella riduzione delle emissioni di cemento.

Il grafico qui sotto mostra l'analisi di Chatham House della tabella di marcia del cemento dell'AIE e del CSI. La linea rossa tratteggiata mostra il taglio delle emissioni del 24% in linea con lo scenario 2C (2DS) entro il 2050.

Modi di ridurre le emissioni di cemento che portano a un percorso "compatibile con Parigi". Sono mostrati tre scenari: "scenario tecnologico di riferimento" (RTS), "scenario 2C" (2DS) e "scenario oltre il 2C" (B2DS). Fonte:analisi di ChathamHouse su IEA e CSI Technology Roadmap(2018).

La roadmap stabilisce anche uno scenario "oltre il 2C" (B2DS; linea viola tratteggiata sopra), per cui sarebbe necessaria una riduzione del 60% delle emissioni molto più alta. Qui, la proporzione delle emissioni totali di CO2 del cemento catturate dalla CCS dovrebbe più che raddoppiare rispetto allo scenario 2C, fino al 63% nel 2050, dice la tabella di marcia. Essa nota che questo "sarà difficile da raggiungere".

Chatham House nota anche che riduzioni più ripide saranno necessarie "se le ipotesi sul contributo delle tecnologie CCS si riveleranno ottimistiche". Essa dice:

"Passare oltre il 2DS richiederà un'azione di trasformazione sulla sostituzione del clinker, nuovi cementi e CCS, così come lo spiegamento di una serie di approcci dal lato della domanda oltre il settore per abbassare il consumo complessivo. Questi diventeranno anche più critici se il CCS si dimostrerà troppo difficile da scalare".

I cementi "nuovi" possono ridurre le emissioni?

Alcune aziende hanno fatto ricerche su cementi "nuovi", che eliminano del tutto la necessità del clinker di Portland. Se questi potessero competere con il costo e le prestazioni del cemento Portland, offrirebbero un modo per ridurre significativamente le emissioni.

Tuttavia, nessuno ha ancora raggiunto un uso commerciale su larga scala e sono attualmente utilizzati solo in applicazioni di nicchia. Inoltre, l'innovazione nel settore tende a concentrarsi su cambiamenti incrementali, come mostra una ricerca globale di brevetti di Chatham House, con un'attenzione limitata ai nuovi cementi.

I cementi a base di geopolimeri, per esempio, sono stati al centro della ricerca fin dagli anni '70. Questi non usano il carbonato di calcio come ingrediente chiave, induriscono a temperatura ambiente e rilasciano solo acqua. Zeobonde banahUK sonotra le aziende che li producono, con entrambe che dichiarano circa l'80-90% di riduzione delle emissioni rispetto al cemento Portland.

Ci sono anche diverse aziende che stanno sviluppando cementi "carbon-cured", che assorbono CO2, piuttosto che acqua, mentre si induriscono. Se questo assorbimento di CO2 può essere reso superiore alla CO2 rilasciata durante la loro produzione, i cementipotrebbero potenzialmente essere utilizzati come un sink di carbonio.

Blocco di cemento Solidia Concrete™. Credito: Solidia

L'azienda statunitense Solidia, per esempio, sostiene che il suo cemento emette fino al 70% in meno di CO2 rispetto al cemento Portland, compresa questa fase di sequestro. L'azienda è ora in partnership con il grande produttore di cemento LafargeHolcim.

Allo stesso modo, la start-up britannica Novacem- uno spin out dell'Imperial College di Londra - ha sostenuto nel 2008che la sostituzione del cemento Portland con il suoprodotto"carbon negative"avrebbepermesso all'industria di diventare un sink netto di emissioni di CO2. Tuttavia, l'azienda non è riuscita a raccogliere fondi sufficienti per continuare la ricerca e la produzione.

Altre aziende stanno usando materiali completamente diversi per fare il cemento. La startup Biomason, con sede nella Carolina del Nord, per esempio, usa i batteri per far crescere mattoni di cemento che, a suo dire, sono allo stessotempo altrettanto forti della muratura tradizionale e in grado di sequestrare il carbonio.

La tabella qui sotto, da Chatham House, riassume le fasi di sviluppo di diverse tecnologie alternative del cemento.

Cementi a basso contenuto di carbonio in diverse fasi del ciclo di innovazione. Fonte: Chatham House (2018).

Quali sono le barriere al cemento a basso contenuto di carbonio?

Ci sono diverse ragioni per cui i cementi a basso contenuto di cemento o i nuovi cementi non sono riusciti finora a raggiungere un uso diffuso.

Queste tecnologie sono meno collaudate del cemento Portland, che è stato usato in edilizia per secoli. Questo porta ad una resistenza da parte dei consumatori di cemento, in particolare in un settore che - per ovvie ragioni - tende a dare la massima priorità alla sicurezza. Molte di queste nuove tecnologie non sono inoltre abbastanza mature per raggiungere un uso su larga scala.

Le alternative tendono anche ad avere applicazioni più limitate, il che significa che potrebbe non esserci un unico sostituto del cemento Portland. Il loro uso significherebbe, quindi, un allontanamento dagli standard prescrittivi. Attualmente, quasi tutti gli standard, i codici di progettazione e i protocolli per testare i leganti di cemento e il calcestruzzo sono basati sull'uso del cemento Portland, nota Chatham House. Essa aggiunge:

"I nuovi approcci e specialmente i nuovi standard industriali richiedono molte discussioni e prove. Per esempio, possono passare decenni prima che un nuovo standard sia approvato e implementato nell'UE".

Tuttavia, i recenti progressi nei test sui materiali del calcestruzzo potrebbero consentire una migliore comprensione della sua chimica, dando più fiducia per l'adeguamento degli standard industriali.

I cementi alternativi devono anche essere in grado di competere con il cemento Portland sui costi, in particolare in assenza di una forte pressione normativa o politica come i prezzi del carbonio. Ma il passaggio potrebbe richiedere investimenti in nuove attrezzature o materiali più costosi, che potrebbero richiedere diversi anni per essere recuperati, dice Chatham House.

Anche l'accesso a un numero sufficiente di materie prime necessarie per alcuni cementi è una considerazione importante. Per esempio, la disponibilità locale dicenere volante- un sottoprodotto della combustione del carbone e uno dei sostituti del clinker più usati - sta diminuendo con la chiusura delle centrali a carbone.

La domanda di cemento può essere ridotta?

Ridurre la domanda di cemento potrebbe anche aiutare a limitare le emissioni, in particolare neipaesi in via di sviluppo. Per esempio, Chatham House sottolinea come i progetti urbani basati su un sistema di "rete capillare" e sul camminare piuttosto che sulle auto possono usare un terzo in meno di cemento. Allo stesso modo, i principi delle cattedrali gotiche sono stati utilizzati per progettare moderni pavimenti in cemento che sono il 70%più leggeri delle controparti convenzionali.

Anche l'uso di concetti di "economia circolare" per permettere il riutilizzo di parti modulari degli edifici può giocare un ruolo, così come massimizzare la vita delle infrastrutture. La Cina, per esempio, è statacriticata per la costruzione di nuovi edifici al di sotto degli standard che possono stare in piedi solo per 25-30 anni prima di essere demoliti.

Gradini di cemento che fanno parte della diga e delle difese marine sulla spiaggia di Blackpool. Credito: Manor Photography/Alamy Stock Photo.

Il calcestruzzo negli edifici potrebbe anche esseresostituito con il legno, permettendo potenzialmente di catturare e conservare la CO2. Alcuni nuovi tipi dilegno ingegnerizzato, come il legno a strati incrociati, stanno creando più opportunità di costruzione. Tuttavia, il risparmio di carbonio dell'uso del legno piuttosto che dell'acciaio e del cemento negli edifici non ègarantito.

Il vecchio calcestruzzo può anche essere frantumato e riutilizzato in progetti come i lavori stradali. Tuttavia, il calcestruzzo perderà le sue proprietà vincolanti a meno che non venga prodotto nuovo clinker.

Le emissioni di cemento sono regolamentate?

Il cemento è spessoconsiderato troppo difficile da decarbonizzare, insieme ad altri settori come l'aviazione e l'acciaio. Come ha notato un recenterapporto, se le emissioni di cemento sono menzionate nel dibattito pubblico, "è tipicamente per notare che si può fare poco al riguardo".

Di conseguenza, l'industria del cemento ha affrontato meno pressioni politiche e commerciali rispetto al settore energetico, dice FelixPreston a Carbon Brief. Preston è senior research fellow alla ChathamHouse e co-autore del suo rapporto sul cemento. Dice che il settore è ancora dominato da una manciata di grandi aziende che controllano ampie parti del mercato. Preston aggiunge:

"[Queste aziende] sono spesso dominanti o molto influenti in un'area geografica, così come sulla scena globale. Penso che questo abbia reso difficile - ed è ancora difficile - premere per un cambiamento radicale. Non vedono necessariamente l'incentivo immediato a intraprendere un'azione ambiziosa".

L'UE ritiene che il cemento sia a rischio significativo di fughe di carbonio, ilche significa che riceve quote gratuite nel sistema di scambio delle emissioni dell'UE (EU ETS). In vista delleriforme dell'EU ETS del 2017, la commissione ambiente del Parlamento europeo (ENVI) ha propostosenza successo diporre fine a questa assegnazione gratuita. L'introduzione diprezzi minimi del carbonio -considerati in diversi stati membri - potrebbe ancora influenzare il settore, dice Chatham House.

L'ETS cinese dovrebbe espandersi per includere il cemento, anche se nella sua prima fase coprirà solo il settore energetico.

L'industria del cemento sta agendo?

Sotto il CSI, i produttoriche rappresentano il 30% della produzione globale di cemento hanno lavorato insieme per circa due decenni su iniziative di sostenibilità, compresa la riduzione delle emissioni. Allaconferenza sul clima di Parigi, il gruppo ha annunciatopiani per ridurre le sue emissioni collettive del 20-25% entro il 2030. Questo sarebbe un livello di ambizione simile allo scenario "sotto i 2C" delineato sopra.

La WorldCement Association (WCA), nel frattempo, sta sviluppando un"Piano d'azione per il cambiamentoclimatico", che sarà pubblicato alla fine di questo mese. La tecnologia attuale può fornire solo la metà dei risparmi di CO2 necessari per raggiungere l'obiettivo dei 2C dell'Accordo di Parigi, ha avvertito recentemente la WCA ai delegati del suo "Global Climate Change Forum" a Parigi. La base dei membri della WCA rappresenta più di un miliardo di tonnellate di capacità produttiva annuale di cemento.

Anche la Global Cement and Concrete Association(GCCA), lanciata di recente, vuole migliorare le credenziali ambientali del settore. E' destinataad assumere il lavoro di sostenibilità fatto dal CSI nel gennaio 2019.

Diverse aziende di cemento hanno anche già introdotto un prezzo interno del carbonio, o hanno in programma di introdurne uno.

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Informazioni sull'autore

Jocelyn Timperley ha conseguito un master in chimica ambientale presso l'Università di Edimburgo e un master in giornalismo scientifico presso la City University di Londra. In precedenza ha lavorato per BusinessGreen, occupandosi della politica delle basse emissioni di carbonio e dell'economia verde.