Para alcanzar la neutralidad de carbono al 2050, la industria del cemento debe seguir diferentes caminos para reducir sus emisiones de CO2. Si bien las medidas convencionales deben aplicarse en la mayor medida de lo posible, se necesitarán tecnologías innovadoras como la captura de carbono para reducir las emisiones de CO2 que, de otro modo, no podrían eliminarse.
La investigación sobre la captura de carbono en la industria del cemento comenzó temprano. La tecnología de postcombustión ya se encuentra en un estado maduro de aplicación potencial. ECRA, la Academia Europea de Investigación del Cemento, comenzó su trabajo sobre la combustión de oxicombustible desde el 2007. El principal desafío para la industria serán los altos costos operativos y de inversión. Desde un punto de vista técnico, queda la pregunta de cómo utilizar o almacenar el CO2 capturado.
Autor: Martin Schneider, CEO en VDZ y director general en ECRA.
Fuente: FICEM
Los productores de cemento de todo el mundo apuntan a emisiones cero netas de CO2 para 2050. Esto se refleja en las diferentes hojas de ruta para el sector, en las que se describen las palancas y medidas relevantes.
Para el sector mundial del cemento y el concreto, la GCCA (Global Cement and Concrete Association) ha desarrollado su hoja de ruta en la que se han abordado los diferentes caminos hacia las emisiones cero netas de CO2 [1]. Las principales medidas convencionales son el uso de combustibles alternativos, entre ellos la biomasa, y la reducción del factor clinker en el cemento.
A lo largo de la cadena de valor, la mejora en la tecnología del concreto, así como el ahorro de cemento y concreto en el diseño y la construcción, proporcionarán una contribución significativa a la reducción global de CO2 por parte del sector.
Todas estas medidas, incluso si se aplican en la mayor medida posible, todavía requerirán que un tercio de las futuras emisiones de CO2 se reduzcan mediante tecnología de captura de carbono. Es una tecnología emergente que hasta el momento no se ha aplicado a nivel industrial en el sector del cemento.
Se ha iniciado proyectos de investigación y demostración que han concluido que, en principio, esta tecnología se puede aplicar a las plantas de cemento. En los artículos de ECRA Technology [2] se proporciona una buena descripción general de las diferentes tecnologías, su demanda de energía y ahorro de CO2, y también sus costos.
Tecnologías de captura de carbono
Eliminar el CO2 de los gases de combustión en una planta de cemento requiere aislar el CO2 de los gases restantes. En principio, existen dos posibilidades (Figura 2), la primera es la relacionada con tecnologías de postcombustión que son aplicaciones al final del proceso, en las que se elimina el CO2 de la corriente de gas; y la segunda, la tecnología de oxicombustible que elimina el nitrógeno del aire de combustión y el horno funciona con oxígeno puro en comparación con el aire ambiente en el modo de funcionamiento convencional. Siempre que el horno sea estanco a la entrada de aire falso, los gases de escape serán principalmente CO2, en particular una vez eliminada el agua.
La tecnología de postcombustión se basa típicamente en depuradores de aminas. Esta tecnología tiene un alto nivel de madurez y ha sido aplicada en otros sectores como la industria del petróleo y el gas o la de fertilizantes. La tecnología ha sido probada en plantas de cemento y ahora se espera que se aplique a nivel industrial. Si bien desde un punto de vista técnico se considera que la depuración de aminas se encuentra en un estado avanzado, aún requiere un alto grado de energía térmica en funcionamiento. Esto implica altos costos operativos. Los proyectos de investigación actuales y futuros abordarán estos costos y cómo pueden reducirse optimizando las aminas o la tecnología de proceso.
Otras tecnologías de postcombustión son los bucles de carbonato, en los que se utiliza piedra caliza calcinada (CaO) como absorbente. El carbonato de calcio circulante y su conversión nuevamente en óxido de calcio en un sistema integrado da como resultado una corriente de gas CO2 puro. Esta tecnología está siendo abordada en los respectivos proyectos de investigación. Así mismo, existen tecnologías de postcombustión que se basan en la adsorción o membranas; estas últimas aún requerirán un mayor desarrollo para alcanzar un nivel de madurez lo suficientemente alto.
Tecnología de Oxicombustible
La tecnología de oxicombustible requiere que el horno funcione con oxígeno puro. Como consecuencia, los gases de escape del horno estarán muy concentrados en CO2, que puede procesarse de inmediato. Dado que es necesario garantizar unas buenas características de combustión del combustible, parte del CO2 de los gases de escape debe reciclarse en el quemador principal. Esto enfriará la llama apropiadamente y, al mismo tiempo, asegurará una buena transferencia de calor de la llama al material.
ECRA inició su proyecto de investigación en 2007. La línea de tiempo del proyecto se muestra en la Figura 5. Hoy en día, las empresas están aprovechando esta investigación y han iniciado sis propios proyectos.
Los principales hallazgos del proyecto de investigación se pueden consultar en el sitio web de ECRA [3]. Si bien la tecnología de oxicombustión no es una tecnología de final de ciclo, requiere que se adapte el horno. Sin embargo, el objetivo principal de la investigación de ECRA fue garantizar que los hornos existentes se puedan adaptar. Las principales características de la tecnología de oxicombustible se muestran en la Figura 6.
La próxima generación de tecnología de oxicombustible está en desarrollo y no requerirá el reciclaje de CO2. Esto conducirá a hornos de dimensiones mucho más pequeñas y, como consecuencia, menores costos de material [4]. El enfoque general es muy prometedor, aunque la tecnología no se puede aplicar a los hornos existentes.
Las primeras estimaciones de costos realizadas por ECRA siguen siendo válidas. Muestran costos más altos por tonelada de CO2 evitada para las tecnologías de postcombustión en comparación con la tecnología de oxicombustible. Esto se debe básicamente a la mayor demanda de energía para la postcombustión, a pesar de los costos que se basan en el suministro de oxígeno requerido para los hornos de oxicombustión (Figura 7).
Utilización y almacenamiento
Una vez que se ha capturado el CO2, se puede almacenar o utilizar. El almacenamiento de CO2 tiene una larga tradición en campos de petróleo y gas agotados. La experiencia y las respectivas pruebas de demostración han confirmado que el CO2 se puede almacenar de forma segura. Los campos de petróleo y gas agotados tienen la ventaja que ya existen, lo que significa que no es necesario encontrar sitios de almacenamiento adecuados.
Por otro lado, los sitios de almacenamiento existentes a menudo no están ubicados cerca de las plantas de cemento y, en muchos casos, se encuentran en alta mar. Esto requeriría una infraestructura de CO2 para conectar las plantas de cemento a estos sitios. Si bien el transporte ferroviario podría verse como una posible solución provisional, la construcción de una red de oleoductos adecuada, sin duda, deberá desarrollarse a largo plazo. La tecnología de tuberías está muy avanzada en este sentido.
Recicalr el CO2 en productos químicos o combustibles sintéticos será otra solución. Ya existen bastantes caminos tecnológicos. Sin embargo, todavía se necesitan proyectos de investigación y demostración para reducir la demanda de energía y convertir aún más el CO2. Los procesos más comunes se basan en el uso de hidrógeno, el cual debe producirse mediante energía renovable. El uso de hidrógeno permitirá producir metanol, metano y otroshidrocarburos en un reactor apropiado con los respectivos catalizadores.
Dado que la demanda total de energía para la utilización de CO2 es bastante alta, los proyectos de investigación se centran en integrar el proceso de cemento con el proceso de conversión de CO2. Además, mediante la integración del calor los procesos individuales pueden optimizarse. Asimismo, el oxígeno de la hidrólisis del agua se puede utilizar en un horno de oxicombustión.
Este tipo de proyectos aún se encuentran en una etapa muy temprana, sin embargo, el sector químico ha abordado su necesidad de reemplazar sus propias materias primas fósiles por otras fuentes de carbono. Esta será una oportunidad para los productores de cemento de todo el mundo. En particular, esto se puede combinar con la disponibilidad de energía verde/hidrógeno a bajo costo.
Conclusiones
La tecnología de captura de carbono seguirá desarrollándose en la industria del cemento mundial. Brinda la oportunidad en los próximos años de reducir las emisiones de CO2 de las plantas de cemento, lo que permite a los productores alcanzar cero emisiones netas de CO2 para 2050.
La captura de carbono requiere inversión y costos operativos, además, se acumulan costos adicionales por el transporte del CO2 y el almacenamiento o la utilización, respectivamente. La Figura 8 muestra ciertos anchos de banda para las diferentes etapas del camino. Está claro que esto tendrá un efecto tremendo en la estructura de costos de la producción de cemento. La aplicación de la captura de carbono en la industria del cemento seguramente requerirá un marco político adecuado, apoyo financiero y también la respectiva aceptación social.
Bibliografía
[1] Global Cement and Concrete Association, GCCA, Ed., “Concrete Future – The GCCA 2050 Cement and Concrete Industry Roadmap for Net Zero Concrete”. London, 2021. Available at: https://gccassociation.org/concretefuture/wp-content/uploads/2021/10/GCCA-Concrete-Future-Roadmap-Document-AW.pdf
[2] European Cement Research Academy, ECRA, Ed., “Development of State of the Art Techniques in Cement Manufacturing – Trying to Look Ahead. CSI/ECRA Technology Papers”. Duesseldorf, Geneva, 2017. Available at: https://ecra-online.org/research/technology-papers
[3] European Cement Research Academy, ECRA, Ed., “Our mission is to advance innovation in te cement industry – Website”. https://ecra-online.org
[4] thyssenkrupp Industrial Solutions, Ed., “polyisus® pure oxyfuel – A gateway to climate neutral cement”, Available at: https://www.thyssenkrupp-industrial-solutions.com/en/products-and-services/cement-plants/green-polysius/oxyfuel
