مهندسی عمران, مهندسی معماری

بتن پر مصرف ترین ماده بعد از آب!

ناپایدار: بتن و سیمان

به اشتراک گذاری بینش خود در مورد بزرگترین چالش های پایداری که محیط ساخته شده ما با آن مواجه است. با پست امروز، پایه های محیط ساخته شده را بررسی می کنیم: بتن و سیمان.

مشکل

بعد از آب، ما بیش از هر ماده دیگری روی کره زمین از بتن استفاده می کنیم. مصرف جهانی بتن ما هر سال حدود 30 میلیارد تن است که بر اساس تولید سالانه بیش از 4 میلیارد تن سیمان، عنصر اصلی اتصال بتن است.

اما اعتیاد انبوه ما به سیمان و بتن هزینه کربن قابل توجهی دارد. صنعت سیمان مسئول انتشار 2.5 Gt CO2 در سال است که معادل 7٪ از انتشار CO2 است. اگر صنعت سیمان یک کشور بود، پس از چین و آمریکا سومین تولیدکننده گازهای گلخانه ای در جهان بود. بتن همچنین به منابع طبیعی زیادی نیاز دارد، به عنوان مثال، تقریباً 10 درصد از مصرف آب صنعتی را به خود اختصاص می دهد.

مجری کده مجموعه مجری ذیصلاح , لیست مجریان نظام مهندسی اراک

سیمان اغلب به سختی کربن زدایی می شود. اما با توجه به اینکه سیمان در حال حاضر مسئول چنین درصد بالایی از انتشار جهانی است و انتظار می رود مصرف سیمان در آینده تا سال 2050 حدود 10 تا 20 درصد رشد کند و به 4.7 تا 5.1 میلیارد تن برسد، این مشکلی است که باید فوراً حل شود.

انتشار در طول زنجیره ارزش

سیمان عنصر کلیدی چسب مانند در بتن است که شن و ماسه را به یکدیگر متصل می کند تا بتن جامد را تشکیل دهد.
منبع: انجمن سیمان پرتلند (n.d.)

در حالی که سیمان فقط 7 تا 15 درصد بتن را تشکیل می دهد، تولید آن مسئول 80 تا 90 درصد انتشار بتن است. سیمان از گرم کردن سنگ آهک همراه با سایر مواد مانند خاک رس و شیل تا دمای بسیار زیاد (~ 1450 درجه سانتیگراد) برای تولید کلینکر، ماده ای سنگ مانند که به پودر تبدیل می شود و سیمان می شود، ساخته می شود. این فرآیند دو منبع اصلی انتشار دارد:

وقتی سنگ آهک – ترکیبی از کلسیم، کربن و اکسیژن – در دمای بسیار گرم گرم می شود، تجزیه شده و CO2 آزاد می کند. این “انتشارهای فرآیند” صرفاً بخشی از واکنش شیمیایی استفاده از سنگ آهک برای ساخت سیمان است و بیش از 50٪ از ردپای کلی CO2 سیمان را تشکیل می دهد.
برای اینکه کوره به چنین دماهای بالایی برسد، این فرآیند معمولاً توسط سوخت‌های فسیلی تأمین می‌شود که حدود 40 درصد از کل ردپای CO2 سیمان را تشکیل می‌دهند.
کمتر از 10 درصد باقیمانده ردپای CO2 سیمان از منابع دیگری مانند حمل و نقل، آسیاب، اختلاط و غیره می آید.

راه حل در امتداد زنجیره ارزش

مک کینزی پیش بینی می کند که انتشار CO2 از صنعت سیمان می تواند تا سال 2050 تا 75٪ کاهش یابد. با این حال، تنها بخش کوچکی (20٪) از پیشرفت های عملیاتی حاصل می شود، در حالی که بقیه باید از نوآوری های تکنولوژیکی ناشی شود.
منبع: McKinsey (2019)

با توجه به چالش، مجموعه‌ای از راه‌حل‌ها در امتداد زنجیره ارزش ظاهر می‌شوند، با راه‌حل‌هایی که حتی قبل از کوره سیمان شروع می‌شوند (به عنوان مثال، ساخت سنگ آهک منفی کربن یا جایگزینی کامل کوره سیمان) و تا پس از تخریب (مثلاً بازیافت) گسترش می‌یابند. بتن به عنوان سنگدانه یا بازیافت و استفاده مجدد از سیمان هیدراته نشده):
منبع: اقتباس و اصلاح شده از Chatham House (2018)

بازار

با توجه به مصرف انبوه سیمان و بتن در سطح جهان، اینها بازارهای بزرگی هستند – در مقیاس 300 میلیارد دلار برای سیمان و 1 تریلیون دلار برای بتن. در سطح جهانی، بزرگترین بخش بازار بتن آماده است که امروزه حدود 50 درصد سیمان استفاده می شود، رقمی که می تواند تا سال 2030 به 67 درصد افزایش یابد. ، اما سهم بازار سیمان کیسه ای با افزایش تولید ناخالص داخلی سرانه کاهش می یابد و بنابراین انتظار می رود در آینده کاهش یابد. در نهایت، بتن پیش ساخته حدود 4 درصد از تولید سیمان را مصرف می کند. با این حال، سهم بازار پیش ساخته با حمایت از کاهش هزینه و ضایعات در مقایسه با بتن آماده در حال رشد است و می تواند تا سال 2030 به 6 درصد مصرف سیمان برسد.

هر دو بازار سیمان و بتن با توجه به هزینه های حمل و نقل بالا و نسبت ارزش به وزن کم، تمایل به فعالیت محلی دارند. در واقع، در اروپا، سیمان معمولاً در شعاع حداکثر 150 تا 250 کیلومتری از محل تولید عرضه می‌شود. در سطح جهانی، “تنها 5 درصد از مصرف جهانی سیمان معامله می شود.” امروزه چین بزرگترین تولیدکننده سیمان است که 55 درصد از تولید جهانی را به خود اختصاص داده است، پس از آن هند با 8 درصد، اتحادیه اروپا با 4 درصد و ایالات متحده با 2 درصد قرار دارند (داده های 2019 از IEA، CEMBUREAU). در آینده، انتظار می رود که هند، «سایر آسیا پاسیفیک» و آفریقا به طور فزاینده ای تولید جهانی سیمان را هدایت کنند.
منبع: IEA (2018)

چالش ها

راه حل های موفق باید بر تعدادی از چالش ها غلبه کنند:

• رقابت. صنعت سیمان کالایی است و از ظرفیت مازاد رنج می برد (استفاده از ظرفیت در سطح جهانی <75٪ است). در نتیجه بازار به شدت رقابتی است. هزینه ها – از جمله هزینه های نوآوری های کربن زدایی – به سختی قابل تحمل است.
• هزینه. حتی با وجود تمایز محصول، سیمان کم کربن همچنان باید رقابتی باشد. اگرچه پایدار است

y در حال تبدیل شدن به یک نگرانی رو به رشد شرکتی و اجتماعی است، بیشتر کسب و کارها هنوز بر اساس هزینه ها هدایت می شوند.
Capex. سیمان یک صنعت فشرده است. برای ساخت یک کارخانه سیمان با اندازه متوسط ​​صدها میلیون دلار نیاز است. در این زمینه، بسیاری از راه حل ها احتمالاً سنگین هستند.
مقررات. استانداردهای صنعتی و مقررات ساختمانی باید برای سیمان های جدید مورد بازنگری قرار گیرند تا به طور گسترده مورد پذیرش قرار گیرند. همانطور که توسط Chatham House (2018) اشاره شده است، “تقریباً تمام استانداردها، کدهای طراحی و پروتکل‌ها برای آزمایش چسباندن سیمان و بتن بر اساس استفاده از سیمان پرتلند است.” به عنوان مثال، سیمان های ژئوپلیمری بر اساس مقررات ساختمانی در برخی کشورها به دلیل عدم وجود استانداردهای حمایتی مجاز نیستند (EC, 2021). با این حال، برخی از حمایت های نظارتی در حال ظهور است، سوئد، دانمارک، فرانسه، فنلاند و هلند مقرراتی را در مورد کربن تجسم یافته معرفی کرده اند
زیرساخت های موجود طول عمر معمولی برای یک کوره سیمان 40 سال است، در حالی که میانگین سنی کوره های سیمان نصب شده در سراسر جهان 15 سال است . با کوره های سیمان نسبتاً جوان در سطح جهانی، مقیاس پذیرترین راه حل ها یا (1) با زیرساخت های موجود سازگار هستند و/یا (2) صرفه جویی قابل توجهی در هزینه نسبت به روش های موجود ارائه می دهند.

منبع: IEA (2020)

کربن زدایی بتن و سیمان

با توجه به مقیاس تریلیون دلاری و استفاده مداوم جهانی، کربن زدایی سیمان و بتن هم یک فرصت تجاری عظیم و هم احتمالاً یکی از قابل اجراترین و مقیاس پذیرترین روش ها برای کاهش انتشار جهانی CO2 است.

کربن زدایی سیمان و بتن به مجموعه ای از راه حل ها در مقابل یک راه حل نیاز دارد که به طور کامل انتشار این بخش را از بین می برد. با سرمایه گذاری خود در CarbonCure، ما پخت بتن را هدف قرار دادیم، جایی که عمل آوری CO2 فرصتی فوری برای تأثیر کربن زدایی با اقتصاد مطلوب است که به پذیرش کمک می کند. با بیوماسون که کوره سیمان را با یک بیورآکتور جایگزین کرد و انتشار CO2 را در مقایسه با OPC حدود 90 درصد کاهش داد.