Klinkerhelyettesítés a cementiparban
CEMBUREAU ÁLLÁSFOGLALÁS
Gyakran Ismételt Kérdések
Az érdekelt felek megvitatták az alacsony szén-dioxid-kibocsátású cementek, és különösen a klinker helyettesítése a cementekben témaköröket. Ez a vita azonban különösen összetett, és néha megalapozatlan állítások merültek fel, amelyek oka a probléma részletes megértésének a hiánya. E dokumentum célja, hogy megvilágítsa a témát, és világos áttekintést nyújtson a klinker helyettesítésével kapcsolatos lehetőségekről és kihívásokról.
Mi a klinker és miért próbál a cementipar kevesebb klinkert használni?
A klinker a cement fő összetevője. Lényegében mészkő és más ásványok keveréke, amelyeket kemencében körülbelül 1.450 °C hőmérsékleten hevítenek, és hővel összetett reaktív ásványi anyagokká alakítanak. A cement előállításához az előzőek szerint létrehozott klinkert finomra őrlik, és általában gipsszel, valamint más alternatív összetevőkkel (nyersanyagokkal vagy melléktermékekkel) keverik1.
A klinker előállítása CO2-igényes. Amikor a mészkő klinkerré alakul, a mészkő karbonátjaiból származó CO2 szabadul fel (ezeket a kibocsátásokat technológiai kibocsátásnak nevezik, és a cementgyártásból származó teljes kibocsátás körülbelül kétharmadát teszik ki). Ezenkívül a kémiai reakciók elindításához 1 A klinker-, cement- és betongyártási folyamatok átfogó leírását lásd a CEMBUREAU „A cementgyártás története” című dokumentumában, 2021. január és fenntartásához jelentős mennyiségű hőre van szükség a különböző tüzelőanyagok elégetéséből, ami további CO2-kibocsátáshoz vezet (ezeket a kibocsátásokat égetési kibocsátásnak nevezik, és a teljes kibocsátás körülbelül egyharmadát teszik ki).
Tekintettel a klinkergyártáshoz kapcsolódó CO2-kibocsátás jelentőségére, a cementágazat folyamatosan keresi a klinkerhasználat minimalizálásának és optimalizálásának módjait.
A klinker–cement arány csökkentése az egyetlen módja a cementgyártás szén-dioxid-mentesítésének?
Nem. Amint azt a CEMBUREAU szén-dioxid-semlegességi ütemterve meghatározza, az ipar dekarbonizációja különböző eszközök kombinációját teszi szükségessé, amelyek magukban foglalják a kemencék hőenergiájának javítását; a fosszilis tüzelőanyagoktól való függés csökkentését és tisztább alternatívákra való átállást az égetésből származó kibocsátások csökkentése érdekében; a klinker–cement arány csökkentése; valamint a szén-dioxid-leválasztás alkalmazása a technológiai kibocsátások kezelése érdekében.
Fontos hangsúlyozni, hogy a dekarbonizáció minden egyes mozgatórugójának megvannak a maga kihívásai: a szén-dioxid-leválasztáshoz erős értékláncra és jelentős beruházásokra, valamint az (elektromos) energiafelhasználás jelentős növelésére van szükség; a fosszilis tüzelőanyagok használatának csökkentéséhez alacsonyabb CO2-kibocsátású alternatív üzemanyagokra és fenntartható biomasszára van szükség; és a hagyományos klinkerhelyettesítők elérhetősége nem egyenletesen oszlik meg az EU-ban, középtávon korlátozott lesz, ami jelentős méretezhetőségi problémákat okoz.
A cementégető kemencék földrajzi elhelyezkedése is nagyban befolyásolja az adott üzem által végrehajtandó dekarbonizációs beruházások típusát. Például egy ipari területen található üzem jobban hozzáférhet a klinkerhelyettesítőkhöz; vagy az Északi-tenger mellett található üzem a CO2-tárolóhelyek közelsége miatt választhatja a szén-dioxid-leválasztást.
Műszaki szempontból hogyan csökkenthető a cement klinkertartalma?
A klinker–cement arány csökkentéséhez kiegészítő cementkötésű anyagok (Supplementary Cementitious Materials – SCM-ek) használata szükséges. Az SCM-eket már régóta használja a cementipar. Hozzájárulnak a cement és a beton teljesítményéhez, és olyan cementek és betonok előállítására is felhasználják, amelyek a dedikált alkalmazásokhoz szükséges tulajdonságokat mutathatnak.
Az EU-ban leggyakrabban használt SCMek a pernye (a széntüzelésű erőművek mellékterméke) és a granulált kohósalak (az acélipar mellékterméke) – amennyiben használatuk lehetővé teszi mind a CO2-kibocsátás csökkentését, mind a körforgásos megközelítés biztosítását a más iparágakból származó másodlagos anyagok felhasználásával.
Más összetevők, köztük a mészkő, a természetes puccolánok (kovasavas és alumínium anyagok), valamint a kalcinált agyag is rendelkezésre áll, és alkalmasak a salak és a pernye SCM-jekénti használatra. Az építési és bontási hulladék szétválasztásából és kezeléséből származó újrahasznosított beton finomszemcsés frakciók szintén ígéretes SCM-ek. Ezenkívül néhány más anyag cementgyártásra való alkalmasságának vizsgálata is folyamatban van, például az alumínium- és üveggyártás melléktermékei.
Ez úgy hangzik, mint egy egyszerű módja a kibocsátások rövid távú csökkentésének. Vannak korlátozások?
Igen, jelentős kihívások merülnek fel a klinkerhelyettesítéssel kapcsolatban. Ezek a következőkre vonatkoznak:
- Az SCM-ek rendelkezésre állása: az acél- és más energiaigényes ágazat dekarbonizációjával a granulált kohósalak és a pernye idővel elkerülhetetlenül kevésbé lesz elérhető. Külső források alapján a CEMBUREAU feltételezi, hogy:
- Az európai salakfogyasztás a 2020. évi körülbelül 13 millió tonnáról (a cementtartalom 8%- a) 2050-re legfeljebb 4 millió tonnára (a cementtartalom kevesebb mint 2%-a) csökken.
- Európában a pernyefogyasztás a 2020. évi mintegy 3 millió tonnáról (a cementtartalom 2%-a) 2050-re kevesebb mint 1 millió tonnára (a cementtartalom kevesebb mint 1%-a) csökken.
Az EU cementágazata ezért folyamatosan keresi az SCM-ek új forrásait (pl. hulladéklerakókból történő visszanyerés), valamint az alternatív SCM-eket (kalcinált agyag, újrahasznosított beton finomszemcsék, természetes puccolánok stb.). A CEMBUREAU megbízást adott egy külön tanulmány elkészítésére, amely az SCM-ek és alternatív nyersanyagok elérhetőségét vizsgálja Európában2 . Néhány más forrás hasonló, de nem egyenlő kihívásokat jelez az anyagok rendelkezésre állásával kapcsolatban.
- Az SCM-ek tulajdonságai: az SCMeket tartalmazó cementek eltérő tulajdonságokkal és jellemzőkkel rendelkeznek, ezért felhasználásukat eseti alapon kell értékelni a végső kijuttatástól és a környezeti feltételektől függően. A lehetséges új SCM-eket tesztelni kell (a cementgyártás kémiai fenntarthatósága, hidraulikus és puccolán tulajdonságaik, tartósságuk és fenntarthatóságuk szempontjából) annak biztosítása érdekében, hogy a cement és végső soron a beton megőrizze szilárdságát és tartósságát. Nem minden lehetséges SCM helyettesítheti a klinkert a felhasznált beton tartósságára és szilárdságára vonatkozó kockázatok nélkül, vagy külön rendelkezések (betonburkolat, betonkeverék tervezése és kivitelezése) nélkül. Mindig jelentős mennyiségű klinkerre lesz szükség cementtonnánként, a felhasznált SCM-ek mennyisége egyedi minőségüktől és tulajdonságaiktól függ.
- A termékek minőségének és biztonságának fenntartása érdekében értékelni kell az új SCM-ek – amelyek gyakran más iparágak melléktermékei – környezeti, egészségügyi és biztonsági szempontjait is.
Sikerült-e néhány cementgyártó cégnek nagyon alacsony klinkertartalmú cementeket előállítania, és ezek a termékek ma méretezhetők-e?
Mind a hagyományos uniós cementbeszállítók, mind más gazdasági szereplők sikeresen gyártottak nagyon alacsony klinkercementeket. Ez főként az acélgyártókkal kötött egyedi partnerségek révén valósult meg, hogy kiváltságos hozzáférést biztosítsanak a kiváló minőségű granulált kohósalakhoz, ami nagyon alacsony klinker–cement arányt és jelentősen csökkentett CO2-kibocsátást tesz lehetővé.
Tényszerűen helytelen azonban azt állítani, hogy az ilyen megoldások ma méretezhetők. A fent említettek szerint az SCM-ek rendelkezésre állása jelentős méretezhetőségi problémákat okoz, és az ilyen nagyon alacsony klinkertartalmú cementek nem tudták kielégíteni az EU cementkeresletét (például az alacsony klinkertartalmú cementek egyik kiemelkedő gyártója össztermelése körülbelül 2,4 millió tonna, szemben az EU évi 170–180 millió tonna cementigényével).
Az alacsonyabb klinkertartalmú cement használata alacsonyabb CO2-kibocsátású betont vagy alacsonyabb CO2-kibocsátású szerkezetet jelent?
Nem feltétlenül, és több okból is:
- A betonba ágyazott CO2 mennyisége a beton köbméterére jutó cement mennyiségétől függ. Például az alacsony klinkertartalmú cementek használata olyan helyzethez vezethet, amelyben a beton szilárdságának és tartósságának megőrzése érdekében köbméterenként több cementet használnak fel. Ez viszont azt jelenti, hogy a beton CO2-hatása az épületekben hasonló vagy még nagyobb lesz, mint magasabb klinkercement használata esetén.
- Az alacsony klinkertartalmú anyagok nem mindig vezetnek alacsony széndioxid-kibocsátású szerkezetekhez. Nemcsak az anyag, hanem a szerkezet teljes elemzését is el kell végezni. Sok esetben az építmények karbonlábnyoma csökkentésének legjobb módja a karcsú szerkezetek tervezése, hogy a felhasznált beton mennyisége alacsony legyen, ezáltal csökkentve a hatásokat. A beton rendkívül hatékony felhasználásához azonban általában nagy teljesítményű, nagy mennyiségű betonra van szükség, nemcsak cementre, hanem klinkerre is. Ezekben az esetekben a beton klinkertartalma 1 m³-enként magas, csakúgy, mint a szénlábnyoma. A szerkezet szénlábnyoma azonban alacsony, mert a szerkezetben felhasznált beton mennyisége nagyon alacsony
Befolyásolja-e a klinkertartalom csökkentése a cement és a beton teljesítményét?
A cement klinkertartalma és az alkalmazott SCM típusa befolyásolja a cement teljesítményét. Ez hatást gyakorol a beton szilárdságára és tartósságára (pl. vaskorrózió elleni védelem, vízhatlanság, fagyállóság, kémiai korrózió / vegyi korrózió szembeni ellenállás). Ezek a hatások legalább részben kompenzálhatók a szerkezeti tervezés (pl. betonfedés), a betonkeverék tervezése (pl. a víz–cement tényező beállítása) vagy a kivitelezés (beton elhelyezése és szilárdulása) egyéb paramétereinek módosításával.
Valójában a cementszabványok (EN 197) maguk is a cementek klinkertartalma és az összetevők típusa köré épülnek. Cementtonnánként mindig jelentős mennyiségű klinkerre lesz szükség, a felhasznált SCMek mennyisége az egyedi minőségétől és tulajdonságaitól függően az alábbiak szerint alakul:
- CEM I Portlandcement (>95% klinker)
- CEM II Portland-kompozit cement (50–94% klinker)
- CEM III Kohócement (5–64% klinker)
- CEM IV Puccolán cement (45–89% klinker)
- EMC V kompozit cement (20–64% klinker)
- EMC VI kompozit cement (35–49% klinker)
Néhányan azt állítják, hogy a cementszabványok akadályozzák az alacsony klinkertartalmú cementek felhasználását az EU-ban, és hogy az EU cementipara ellenzi ezek bármilyen megváltoztatását. Igaz ez?
Mindkét állítás helytelen.
Mint már említettük, a cementszabványok már lehetővé teszik az alacsony klinkertartalmú cementek használatát, és ezeket jelenleg az EU piacán használják. Az építési termékekről szóló rendeletre vonatkozó uniós vívmányok folyamatának részeként ezeket a cementszabványokat – amelyek hatékonyságuk bizonyított és világszerte alkalmazzák – az elkövetkező években felülvizsgálják az alacsony szén-dioxid-kibocsátású cementek alkalmazásának további támogatása érdekében.
Ami az iparág helyzetét illeti, az uniós cementbeszállítók ténylegesen vezető szerepet vállaltak egy nem harmonizált útvonal támogatásával, hogy felgyorsítsák az EN 197-5 (CEM II/C-M portlandcement és CEM VI kompozitcement) és EN 197-6 (újrahasznosított építőanyagokkal készült cement) új szabványok rendelkezésre állását az új, alacsony szén-dioxid-kibocsátású cementek uniós piacon történő forgalomba hozatalához.
A cementszabványok közelgő felülvizsgálatának részeként a CEMBUREAU támogatja a kettős megközelítés elfogadását, megtartva a jelenlegi rendszert, miközben ezzel párhuzamosan egy kiegészítő, teljesítményalapú rendszert vezet be. Egy ilyen kettős megközelítésnek még inkább elő kell segítenie az új, alacsony szén-dioxid-kibocsátású termékek szabványosítását, miközben biztosítania kell az európai piacon forgalomba hozott cementek biztonságát és megbízhatóságát (lásd a CEMBUREAU „A szabványosítás új lendülete” című állásfoglalását, 2023. október).
Mi a jelenlegi klinker–cement arány Európában? Miért magasabb, mint néhány Európán kívüli országban?
A klinker–cement arány az EU-ban 2021- ben 77,3% volt (GCCA, Getting the numbers right database), ami 0,6%-os csökkenést jelent 2020-hoz képest.
Néhány ország valóban e szint alatt teljesít, de a nemzetközi összehasonlítás során fontos szem előtt tartani a következő pontokat:
- Egyes országok jelentős mennyiségű klinkerhelyettesítőhöz férnek hozzá (jellemzően Kína és India, ahol a széntüzelésű energiatermelés és a kohászati ágazatok fontossága miatt bőséges a pernye).
- Néhány EU-27-en kívüli ország statisztikailag alacsony klinker–cement arányt ér el, de amint azt fentebb kifejeztük, általában több cementet használnak fel beton köbméterére, negatív CO2-kibocsátási eredménnyel.
- Ezzel szemben egyes régiók inkább a magas klinkertartalmú cementeket részesítik előnyben építési piacuk szükségessége miatt (pl. szeizmikus feltételekhez való alkalmazkodás).
Melyek az EU cementiparának célkitűzései a klinker/cement arány csökkentésével kapcsolatban?
A szén-dioxid-semlegességi ütemterv részeként a CEMBUREAU célja, hogy 2030- ra elérje a cement 75%-os klinkertartalmát (ami az EU cementgyártásához felhasznált természetes nyersanyagok évi 5 millió tonnás csökkentésének felel meg), 2050-re pedig 65%-ot (a természetes nyersanyagok évi 20 millió tonnás csökkentése). A CEMBUREAU jelenleg felülvizsgálja ütemtervét, és frissíteni fogja a különböző dekarbonizációs eszközöket, beleértve a klinker–cement arány csökkentését is.
Ösztönözve van-e az EU cementipara a klinker–cement arány csökkentésére? Segítene-e az EU ETS referenciaértékekre vonatkozó szabályainak felülvizsgálata?
Az uniós ipart a meglévő uniós szabályozási keret erőteljesen ösztönzi a klinker/ cement arány csökkentésére:
- Mivel a klinker CO2-intenzív, a cementipari vállalatokat az EU kibocsátáskereskedelmi rendszere (ETS) természetesen arra ösztönzi, hogy csökkentsék kibocsátásaikat és csökkentsék szén-dioxidkibocsátási költségeiket, amelyek a globális cementgyártási költségek jelentős részét teszik ki. Ezek az ösztönzők tovább fognak növekedni, mivel a tervek szerint az importált fogyasztási cikkek karbonintenzitását ellensúlyozó uniós mechanizmus (CBAM) bevezetésével fokozatosan megszűnik a térítésmentes kiosztás.
- Az uniós taxonómiai követelmények a „kategóriájában legjobb” 65%-os klinker/cement arányt és alacsony kibocsátási küszöbértékeket alkalmaznak a tevékenység zöld beruházási szempontból fenntarthatóként való meghatározásához.
Ami az ETS referenciaértéket illeti, a CEMBUREAU szilárd meggyőződése, hogy ezen erős ösztönzők fényében nincs szükség felülvizsgálatra. Az uniós jogszabályok nem kényszeríthetik az ágazatot arra, hogy egy bizonyos dekarbonizációs utat válasszon (a klinker cementté alakításának csökkentése) szemben a cementipar kibocsátás-csökkentésének más eszközeivel, például a biomaszsza-tüzelőanyagok használatával, a megújuló energia használatával, az energiahatékonyság növelésével, a szén-dioxid-leválasztással stb. Különösen azért, mert az első lehetőség skálázhatósága megkérdőjelezhető. E tekintetben fontos, hogy az ETS technológiasemleges maradjon, lehetőséget hagyva a gyártóknak arra, hogy megválasszák, melyik dekarbonizációs útvonal felel meg sajátos helyzetüknek.
Milyen szakpolitikai intézkedések támogathatnák a klinker/cement arány csökkentését?
Mint fentebb említettük, a klinker–cement arány csökkentésének fő akadályai az SCM-ek korlátozott rendelkezésre állásában, valamint a klinker, a cement és a beton közötti összetett kölcsönhatásban rejlenek. A CEMBUREAU ezért úgy véli, hogy:
- A hulladéklerakókban való elhelyezést vagy be kell tiltani az egész EU-ban, vagy a tagállamoknak magas adót kell kivetniük, és minimálisra kell csökkenteniük a hulladék EU-n kívülre irányuló kivitelét. Az uniós és nemzeti szakpolitikáknak lehetővé kell tenniük a régi hulladéklerakók megnyitását és helyreállítását, amelyek a hagyományos SCM-ek forrásai lehetnek.
- A hulladékgazdálkodás egyszerűsítése, az erőforrás-áramlás hatékonyságának javítása és a másodlagos anyagokhoz való jobb hozzáférés biztosítása érdekében létre kell hozni az elkülönített hulladékgyűjtés uniós szintű, harmonizált modelljét. Továbbá fokozni kell az együttműködést az építési és bontási hulladékokból származó, új összetevőként felhasználandó anyagok további vizsgálata érdekében.
- Az uniós cementszabványokat az uniós CPR vívmányok alapján gyorsan felül kell vizsgálni, és folyamatosan frissíteni kell az új SCM-ek befogadása érdekében. További információkért lásd a CEMBUREAU „A szabványosítás új lendülete” című állásfoglalását.
- A tagállamoknak meg kell tenniük a szükséges intézkedéseket annak érdekében, hogy szerkezeti szabályzataikban és nemzeti műszaki jogszabályaikban elfogadják az alacsony szén-dioxid-kibocsátású új cementeket, valamint közbeszerzési intézkedéseket kell elfogadniuk az alacsony szén-dioxid-kibocsátású anyagok ezen új generációja használatának ösztönzésére.
(fotó: Beton újság)