V&A: Waarom cementemissies van belang zijn voor klimaatverandering

Een bouwvakker stort nat beton van een cementtruck in de fundering van een groot gebouw. Credit: Peter Righteous/Alamy Stock Photo.

Voor het eerst hier gepubliceerd.

Als de cementindustrie een land was, zou het de op twee na grootste uitstoter ter wereld zijn.

In 2015 produceerde zijongeveer 2,8 miljard ton CO2, wat overeenkomt met 8% van het wereldtotaal - een groter aandeel dan enig ander land dan China of de VS.

Het gebruik van cement zal naar verwachting stijgen naarmate de wereldwijde verstedelijking en economische ontwikkeling de vraag naar nieuwe gebouwen en infrastructuur doet toenemen. Samen met andere delen van de wereldeconomie zal de cementindustrie haar emissies drastisch moeten verlagen om de temperatuurdoelstellingen van de Overeenkomst van Parijs te halen. Tot nu toe is echter slechts beperkte vooruitgang geboekt.

Vermindering van de uitstoot van cement. Infographic door RosamundPearce voor Carbon Brief.

Wat is cement?

Cement wordt in de bouw gebruikt om andere materialen aan elkaar te binden. Het wordt gemengd met zand, grind en water ombeton te maken, het meest gebruikte bouwmateriaal ter wereld.Elk jaar wordt meer dan 10 miljard ton beton gebruikt.

De norm in de industrie is een type datportlandcement wordt genoemd. Dit werd in het begin van de jaren 1800uitgevonden en genoemd naar een bouwsteen die in die tijd in Engeland op grote schaal werd gebruikt. Het wordt vandaag wereldwijdin 98% van het beton gebruikt, met een productie van 4 miljard ton per jaar.

De productie vanportlandklinker, die als bindmiddel fungeert, is een cruciale stap bij het maken van portlandcement. Kalksteen (CaCO3) wordt bij hoge temperaturen in een cementoven "gecalcineerd" om kalk (CaO) te produceren, waarbij afval-CO2 vrijkomt. In het algemeen verloopt de volgende reactie:

<iframe src="https://s3.eu-west-2.amazonaws.com/ai2html-cb/cement-equation/equation.html" name="vergelijking" width="450px" height="80px" frameborder="no" scrolling="no"></iframe>

Waarom stoot cement zoveel CO2 uit?

Ongeveer de helft van de emissies van cement zijn procesemissies die het gevolg zijn van de bovenstaande reactie. Dit is een van de belangrijkste redenen waarom cementemissies vaak als moeilijk terug te dringen worden beschouwd: aangezien deze CO2 vrijkomt bij een chemische reactie, kan deze niet worden geëlimineerd door een andere brandstof te gebruiken of de efficiëntie te verhogen.

Nog eens 40% van de cementemissies is afkomstig van de verbranding van fossiele brandstoffen om de ovens te verwarmen tot de hoge temperaturen die voor dit calcinatieproces nodig zijn. De laatste 10% van de emissies is afkomstig van brandstoffen die nodig zijn om de grondstoffen te delven en te vervoeren.

De cementemissies hangen dus grotendeels af van het aandeel klinker dat in elke ton cement wordt gebruikt. Het soort brandstof en de efficiëntie van de apparatuur die bij de klinkerproductie wordt gebruikt, zijn ook van invloed.

Ondertussen wordtverwacht dat het vloeroppervlak van de gebouwen in de wereld in de komende 40 jaarzal verdubbelen. Dit betekent dat de cementproductie zal toenemen totongeveer 5 miljard ton in 2030, een stijging van 25% ten opzichte van nu en meer dan vier keer het niveau van 1990.

Efficiëntieverbeteringen alleen zullen dus niet volstaan om de uitstoot van de sector aanzienlijk terug te dringen.

Welke landen hebben een hoge cementuitstoot?

China is veruit de grootste cementproducent, op ruime afstand gevolgd door India en de landen van de EU samen, zoals blijkt uit onderstaande grafiek uit een recentrapport van Chatham House. Driekwart van de cementproductie sinds 1990vond plaats in China, dat tussen 2011 en 2013 meercement gebruikte dan de VS in de hele 20e eeuw.

Cementproductie en -emissies van 2010 tot 2015. Bron: Analyse van Olivier et al. (2016) door ChathamHouse.

China heeft ook hoge niveaus van cementproductie per hoofd van de bevolking, omdat het een snelleverstedelijking doormaakt, waarbij veelmensen verhuizen naar hoog- of laagbouw gemaakt van cement. Het Chinese verbruik staat echter op het punt af te vlakken.

Daarentegen zal het verbruik in India aanzienlijktoenemen door de snelle verstedelijkingen de aanleg van infrastructuur. Verwacht wordt dat de meeste toekomstige groei in India en andere opkomende markten zal plaatsvinden.

Man die pan met cement op een steiger tilt, Punjab, 2011. Krediet: imageBROKER/Alamy Stock Photo.

In Europa kunnen de bestaande oveninstallaties aan de toekomstige vraag naar cement voldoen, aldus Chatham House. Europese cementproducenten behoren ook tot de meest vooruitstrevende wat betreft het gebruik van alternatieve brandstoffen, voegt het Chatham House eraan toe. Door hun oudereuitrusting lopenzij echter achter op India en China wat energie-efficiëntie betreft.

Ook de VS, de op drie na grootste cementverbruiker, loopt achter op andere grote producenten wat betreft energie-efficiëntie en klinkergehalte.

Zijn de cementemissies verminderd?

De gemiddelde CO2-intensiteit van de cementproductie - de uitstoot per ton productie - is volgens Chatham House de afgelopen decennia wereldwijd met 18% gedaald. Deemissies van de sector als geheel zijn echter aanzienlijk gestegen, aangezien de vraag sinds 1990 verdrievoudigd is.

Tot dusver is vooral op drie gebieden vooruitgang geboekt:

• Ten eerste hebben efficiëntere cementovens de productie minder energie-intensief gemaakt. Dit kan nog verder verbeteren: het mondiale gemiddelde energieverbruik per ton cement ligt nog steedsongeveer 20% hoger dan bij productie met de huidige beste beschikbare technologie en praktijken.
• Ten tweede heeft ook het gebruik van alternatieve brandstoffen de uitstoot verminderd - bijvoorbeeld door het gebruik van biomassa of afval in plaats van steenkool. Dit is vooral het gevalin Europa, waar nu ongeveer 43% van het brandstofverbruik afkomstig is van alternatieven, aldus Chatham House.
• Ten derde heeft ook het verminderen van het aandeel portlandklinker in cement de uitstoot teruggedrongen. "High-blend" cementen kunnen de uitstoot per kilogram tot viermaal verminderen, aldus Chatham House. Klinker kan worden vervangen door andere cementachtige materialen, waaronder afval van kolenverbranding en staalproductie. Dit kan echter de eigenschappen van het cement beïnvloeden, zodat het slechts voor bepaalde eindtoepassingen geschikt is.

De gemiddelde klinkerverhouding (klinker:cement) in de wereld is in2014 gedaald tot 0,65, met een grote spreiding van 0,57 in China tot 0,87 in Eurazië.

Na enkele decennia van vooruitgang is de CO2-intensiteit van cementvolgens het Internationaal Energieagentschap (IEA) van 2014 tot 2016 weinig veranderd. Dit komt doordat verbeteringen in energie-efficiëntie teniet werden gedaan door een lichte stijging van de klinkerverhouding, aldus het agentschap.

Niettemin waren de totale cementemissies de afgelopen jaren vlak of daalden ze, omdat de vraag in China afvlakte.

BioMason gebruikt bacteriën om cementstenen te kweken die naar eigen zeggen koolstof kunnen sekwestreren. Credit: bioMASON, Inc.

Hoe ver kan de uitstoot van cement worden teruggedrongen?

Het IEAen het door de industrie geleide Cement Sustainability Initiative (CSI) hebbenonlangs een nieuwe routekaart naar een koolstofarme economie gepubliceerd, waarin wordt aangegeven hoe volgens het IEA de uitstoot kan worden verminderd volgens een "2C"-scenario en een "minder dan 2C"-scenario. De routekaart gaat ervan uit dat de vraag naar cement tegen 2050 met 12-23% zal stijgen.

Voor een 2C-scenario - in overeenstemming met de 50% kans om de wereldwijde temperatuurstijging tegen 2100 te beperken tot 2C boven het pre-industriële niveau - is volgens de routekaart een vermindering van de cementemissies met 24% nodig. (Dit is overigens niet in overeenstemming met deOvereenkomst van Parijs, waarin is bepaald dat de temperatuurstijging ten minste "ruim onder" de 2°C moet blijven).

De routekaart is gebaseerd op vier actiegebieden voor deze emissiereducties.

Drie daarvan zijn de strategieën die de cementindustrie eerder al volgde om de emissies te beperken, namelijk verbeterde energie-efficiëntie, brandstoffen met een lagere uitstoot en lagere klinkerpercentages.

Zo wordt in de routekaart als streefcijfer een gemiddelde wereldwijde klinkerratio van 0,60 tegen 2050 genoemd, tegen 0,65 nu. Dit is een aanzienlijke uitdaging: Chatham House merkt op dat er tegen 2050 ongeveer 40% meer klinkervervangers nodig zouden zijn dan vandaag, op een moment dat de beschikbaarheid van traditionele vervangingsmiddelen - vliegas en hoogovenslakken - waarschijnlijk zal beginnen af te nemen.

Het vierde gebied is "innovatieve technologieën", wat in wezen een verkorte benaming is voor emissiereductie door middel van koolstofafvang en -opslag(CCS). Deze techniek is nog niet in de cementindustrie toegepast (op proeven na), maar in de routekaart wordt ervan uitgegaan dat de integratie van CCS in de cementsector tegen 2030 op commerciële schaal zal gebeuren. De onzekerheidover het potentieel om CCS snel op te schalen en de hoge kosten ervan zijn belangrijkehinderpalen voor het gebruik ervan bij de vermindering van betonemissies.

Onderstaande grafiek toont een analyse door Chatham House van de routekaart voor cement van het IEA en CSI. De rode stippellijn toont de emissiereductie van 24% in overeenstemming met het 2C-scenario (2DS) tegen 2050.

Manieren om de cementemissies te verminderen die leiden tot een "Parijs-compatibel" traject. Er worden drie scenario's getoond: "referentietechnologiescenario" (RTS), "2C-scenario" (2DS) en "scenario na 2C" (B2DS). Bron: ChathamHouse-analyse van deTechnology Roadmap van het IEA en CSI(2018).

De routekaart bevat ook een "beyond 2C"-scenario (B2DS; paarse stippellijn hierboven), waarbij een veel grotere emissiereductie van 60% vereist zou zijn. In dat geval moet het aandeel van de door CCS afgevangen CO2 in de totale cementemissies meer dan verdubbelen ten opzichte van het 2C-scenario, tot 63% in 2050, aldus de routekaart. Er wordt opgemerkt dat dit "een uitdaging zal zijn om te bereiken".

Chatham House merkt ook op dat sterkere reducties nodig zullen zijn "als de aannames over de bijdrage van CCS-technologieën optimistisch blijken te zijn". Het zegt:

"Om verder te kunnen gaan dan 2DS zijn ingrijpende maatregelen nodig op het gebied van vervanging van klinkers, nieuwe cementsoorten en CCS, alsmede de toepassing van een reeks maatregelen aan de vraagzijde buiten de sector om het totale verbruik te verlagen. Deze maatregelen worden ook van kritiek belang als CCS te moeilijk op te schalen blijkt te zijn.

Kan 'nieuw' cement de uitstoot verminderen?

Sommige bedrijven hebben onderzoek gedaan naar "nieuwe" cementsoorten, waarvoor helemaal geen portlandklinker nodig is. Als deze cementsoorten qua kosten en prestaties kunnen concurreren met portlandcement, zouden ze een manier bieden om de emissies aanzienlijk te verminderen.

Geen van deze cementsoorten is echter al op grote schaal commercieel toegepast en wordt momenteel alleen in nichetoepassingen gebruikt. Bovendien is de innovatie in de sector meestal gericht op incrementele veranderingen, zo blijkt uit een wereldwijd octrooionderzoek van Chatham House, met een beperkte focus op nieuwe cementsoorten.

Cementen op basis van geopolymeren, bijvoorbeeld, zijn sinds de jaren 1970 het voorwerp van onderzoek geweest. Zeobonden banahUK behorentot de bedrijven die deze cementsoorten produceren en die beweren allebei 80-90% minder uitstoot te veroorzaken dan portlandcement.

Er zijn ook verschillende bedrijven die "koolstofgeharde" cementen ontwikkelen, die CO2 opnemen in plaats van water, wanneer ze uitharden. Als deze CO2-absorptie groter kan worden gemaakt dan de CO2 die vrijkomt bij de productie, kan cementmogelijk worden gebruikt als koolstofput.

Solidia Concrete™ sintelblok. Krediet: Solidia

Het Amerikaanse bedrijf Solidia beweertbijvoorbeeld dat zijn beton tot 70% minder CO2 uitstoot dan Portlandcement, inclusief deze sekwestratiestap. Het bedrijf is nu een partnerschap aangegaan met de grote cementproducent LafargeHolcim.

Ook het Britse Novacem, een spin-off van het Imperial College London, beweerde in 2008dat de vervanging van portlandcement door zijn "koolstofnegatieve"productde industrie in staat zou stellen een nettobron van CO2-emissies te worden. Het bedrijf slaagde er echter niet in voldoende fondsen te werven om het onderzoek en de productie voort te zetten.

Andere bedrijven gebruiken totaal andere materialen om cement te maken. Het in North Carolina gevestigde bedrijf Biomason, bijvoorbeeld, gebruikt bacteriën om cementstenen te kweken die naar eigen zeggen even sterk zijn als traditioneel metselwerk en koolstofvastleggend.

Onderstaande tabel, van Chatham House, geeft een overzicht van de ontwikkelingsstadia van verschillende alternatieve cementtechnologieën.

Koolstofarme cementen in verschillende stadia van de innovatiecyclus. Bron: Chatham House (2018).

Wat zijn de belemmeringen voor koolstofarm cement?

Er zijn verschillende redenen waarom cement met een laag klinkergehalte of nieuwe cementsoorten er tot nu toe niet in geslaagd zijn om een wijdverspreid gebruik te bereiken.

Deze technologieën zijn minder beproefd dan portlandcement, dat al eeuwenlang in de bouw wordt gebruikt. Dit leidt tot weerstand bij de cementverbruikers, vooral in een sector die - om voor de hand liggende redenen - de neiging heeft veiligheid als een hoge prioriteit te beschouwen. Veel van deze nieuwe technologieën zijn ook nog niet rijp genoeg om op grote schaal te worden toegepast.

Alternatieven hebben ook de neiging beperktere toepassingen te hebben, hetgeen betekent dat er wellicht niet één vervanger voor Portlandcement is. Het gebruik ervan zou dan ook betekenen dat men afstapt van prescriptieve normen. Momenteel zijn bijna alle normen, ontwerpcodes en protocollen voor het testen van cementbindmiddelen en beton gebaseerd op het gebruik van portlandcement, merkt Chatham House op. Het voegt daaraan toe:

"Nieuwe benaderingen en vooral nieuwe industriële normen vergen veel discussie en tests. Het kan bijvoorbeeld tientallen jaren duren voordat een nieuwe norm in de EU is goedgekeurd en ingevoerd."

De recente vooruitgang op het gebied van materiaaltesten voor beton zou het echter mogelijk kunnen maken de chemie van beton beter te begrijpen, waardoor meer vertrouwen ontstaat voor de aanpassing van industrienormen.

Alternatieve cementen moeten ook op het vlak van de kosten kunnen concurreren met portlandcement, vooral als er geen sterke regelgevende of beleidsmatige druk is, zoals koolstofprijzen. Maar omschakeling kan investeringen in nieuwe apparatuur of duurdere materialen vergen, die pas na enkele jaren kunnen worden terugverdiend, aldus Chatham House.

De toegang tot voldoende grondstoffen voor sommige cementsoorten is ook een belangrijke overweging. Zo is bijvoorbeeldvliegas - een bijproduct van de verbranding van steenkool en een van de meest gebruikte klinkervervangers - plaatselijk steeds minder beschikbaar naarmate kolengestookte elektriciteitscentrales worden gesloten.

Kan de vraag naar cement worden verminderd?

Een vermindering van de vraag naar cement kan ook helpen om de uitstoot te beperken, vooral inontwikkelingslanden. Chatham House benadrukt bijvoorbeeld hoe stadsontwerpen die gebaseerd zijn op een "capillair web" en op lopen in plaats van auto's, een derde minder beton kunnen gebruiken. Evenzo zijn de beginselen van gotische kathedralen gebruikt om moderne betonnen vloeren te ontwerpen die 70%lichter zijn dan conventionele vloeren.

Het gebruik van "circulaireeconomie"-concepten om het hergebruik van modulaire onderdelen van gebouwen mogelijk te maken kan ook een rol spelen, net als het maximaliseren van de levensduur van infrastructuur. China, bijvoorbeeld, is bekritiseerdvoor het bouwen van nieuwe gebouwen die niet aan de normen voldoen en die misschien maar 25 tot 30 jaar blijven staan voordat ze worden gesloopt.

Betonnen trappen die deel uitmaken van de zeemuur en de zeewering op het strand van Blackpool. Credit: Manor Photography/Alamy Stock Photo.

Beton in gebouwen kan ook wordenvervangen door hout, waardoor CO2 mogelijk kan worden opgevangen en opgeslagen. Sommige nieuwe soortenkunsthout, zoals kruislings gelamineerd hout, creëren meer bouwmogelijkheden. De koolstofbesparingen van het gebruik van hout in plaats van staal en beton in gebouwen zijn echter nietgegarandeerd.

Oud beton kan ook worden vergruisd en hergebruikt in projecten zoals wegenwerken. Het beton zal echter zijn bindende eigenschappen verliezen tenzij nieuwe klinker wordt geproduceerd.

Zijn cementemissies gereguleerd?

Cement wordt vaakals te moeilijkbeschouwd om koolstofarm te maken, samen met andere sectoren zoals de luchtvaart en destaalindustrie. In een recentrapport werd opgemerkt dat als er in het publieke debat al over cementemissies wordt gesproken, "het meestal de opmerking is dat er weinig aan te doen is".

Als gevolg daarvan heeft de cementindustrie minder politieke en commerciële druk ondervonden dan de energiesector, vertelt FelixPreston aan Carbon Brief. Preston is senior research fellow bij ChathamHouse en co-auteur van het cementrapport. Volgens hem wordt de sector nog steeds gedomineerd door een handvol grote bedrijven die grote delen van de markt in handen hebben. Preston voegt daaraan toe:

"Deze bedrijven zijn vaak dominant of zeer invloedrijk in een bepaald geografisch gebied, maar ook op het wereldtoneel. Ik denk dat het daardoor moeilijk is geweest - en nog steeds is - om aan te dringen op radicale verandering. Zij zien niet noodzakelijk de onmiddellijke prikkel om ambitieuze actie te ondernemen."

Volgens de EU loopt cement een aanzienlijk risico op koolstoflekkage,wat betekent dat het gratis rechten krijgt in het EU-emissiehandelssysteem (EU ETS). In de aanloop naar dehervormingen van het EU-ETS in 2017 heeft de milieucommissie van het Europees Parlement (ENVI)zonder succes voorgesteld deze gratis toewijzing tebeëindigen. De invoering vanbodemprijzen voor koolstof -die in verschillende lidstaten worden overwogen - kan nog steeds gevolgen hebben voor de sector, aldus Chatham House.

HetChinese ETS zal naar verwachting worden uitgebreid tot de cementsector, hoewel het in de eerste fase alleen de elektriciteitssector zal bestrijken.

Neemt de cementindustrie maatregelen?

In het kader van de CSI werken producentendie samen goed zijn voor 30% van de wereldwijde cementproductie al zo'n twee decennia samen aan duurzaamheidsinitiatieven, waaronder uitstootvermindering. Op deklimaatconferentie van Parijsheeft de groepplannen aangekondigd om haar gezamenlijke emissies tegen 2030 met 20-25% te verminderen. Dit zou een vergelijkbaar ambitieniveau zijn als het hierboven geschetste "minder dan 2C"-scenario.

De WorldCement Association (WCA) ontwikkelt intussen een"Climate Change Action Plan", dat later deze maand zal worden gepubliceerd. De huidige technologie kan slechts de helft van de CO2-besparingen opleveren die nodig zijn om de 2C-doelstelling van de Overeenkomst van Parijs te halen, zo waarschuwde de WCA onlangs de afgevaardigden op haar "Global Climate Change Forum" in Parijs. De WCA-leden vertegenwoordigen meer dan een miljard ton aan jaarlijkse cementproductiecapaciteit.

Ook de onlangs opgerichte Global Cement and Concrete Association(GCCA) wil de milieuprestaties van de sector verbeteren. Het is de bedoelingdat de GCCA in januari 2019het duurzaamheidswerk van de CSI overneemt.

Verscheidene cementbedrijven hebben ook al een interne koolstofprijs ingevoerd, of zijn van plan er een in te voeren.

_____________

Verwante artikelen

• Zijn ZNE-ready manufactured homes in het verschiet? Door Offshore Wind Journal
• De verborgen voordelen van zonne-energie. Door Kerry Kilpatrick
• De volgende golf van hernieuwbare energie? Door Chris Bentley

Blijf op de hoogte! Beste ideeën voor energie-efficiëntie en energietransitie...

Over de auteur

Jocelyn Timperley behaalde een doctoraal in milieuchemie aan de Universiteit van Edinburgh en een MA wetenschapsjournalistiek aan de City University London. Eerder werkte ze bij BusinessGreen, waar ze zich bezighield met koolstofarm beleid en de groene economie.