セメントの大量の炭素問題を解決する

新しい技術と新しい成分により、セメントとコンクリートの製造からの膨大な炭素排出量を大幅に削減できます

コンクリートは、建物、道路、歩道、橋、想像できるほぼすべての構造物の基礎など、あらゆる場所に存在します。 私たちは地球上の他のどの材料よりも多くのコンクリートを製造しており、その量は世界的な発展、特に中国とインドのおかげで増加しています。 セメント（コンクリート内の砂や砕石を結合する粉末状の結合剤）は、地球上で最もエネルギーを消費する製品の 1 つです。 使用される石灰石は、ほぼ化石燃料のみを使用する巨大な窯で最高 1,450 度 (華氏 2,640 度) で焼かれます。 関与する化学反応により、副生成物としてさらに多くの二酸化炭素が生成されます。 1 キログラムのセメントを製造すると、1 キログラムの CO2 が大気中に排出されます。 毎年、世界中でセメントとコンクリートの生産により、人間による CO2 排出量の 9% もの量が排出されます。

社会は 1 世紀にわたって、ほぼ同じ方法でセメントとコンクリートを製造してきました。 試験では、混合物中のセメントの一部を、焼成（燃焼）粘土、または飛灰やスラグなどの廃棄物から作られた成分に置き換えることができ、強度を損なうことなく排出量を削減できることが示されています。 需要を満たすのに十分な供給はありませんが、このような代替手段により CO2 をある程度削減できます。

他の代替材料やプロセスにより、排出量を大幅に削減できます。 すでに広まっているものもある。 他は実験的なものです。 ほとんどのセメントとコンクリートは、使用場所に近い地元または地域で製造されるため、代替材料の入手可能性、それらの使用を可能にする改訂された建築基準、設備変更のための資本コスト、および市場での受け入れはすべて現実的な課題です。

セメント製造では大量のエネルギーが消費され、その多くは CO2 を排出する化石燃料からのものです。 特定のステップでも、特に石灰の生成 (ステップ 3) とその後の硬化剤であるクリンカーの生成 (ステップ 4) で CO2 が直接排出されます。 化石燃料を再生可能エネルギー源に置き換え、生産全体の効率を高めることで、二酸化炭素排出量を最大 40% 削減できる可能性があります。 クリンカーに異なる原材料を使用すると、炭素排出量の残りの 60% を大幅に削減できる可能性があります。 (ここで示したプロセスは、いわゆる乾式キルンのものです。乾式キルンは、より多くのエネルギーを消費する湿式キルンに広く取って代わられています。)

1. 石灰石の採掘と粉砕

使い方：石灰石やチョークなどの炭酸カルシウムを含む鉱床は採石場から採掘されますが、これにはシリコン、アルミニウム、または鉄を含む少量の粘土が含まれる場合があります。 原料を10センチメートル以下の大きさに砕き、製粉して生粉と呼ばれる粉末にします。

改善の余地:石灰石の代わりに玄武岩から始めるか、廃棄物 CO2 から生成される「カーボンネガティブ石灰石」を使用し (ステップ 2)、排出量を最大 60 ～ 70% 削減します。

2. 生食を予熱する ...

使い方：窯の上の部屋にある生の食事は、窯の高温の渦巻く排気ガスによって 700 度もの高温に加熱され、水分が蒸発します。

改善の余地:酸素が豊富な空気を燃焼させて CO2 排出量を削減します。 CO2 を回収する装置を追加すると、排出量を最大 60% 削減できる可能性があります。 廃棄CO2を使用してカーボンネガティブ石灰石を製造します（ステップ1）。 化石燃料の代わりにバイオマスや廃棄物を燃やして窯を加熱します。

3. ...そして食事をライムに変える

使い方：予熱された粉は、窯の上部のすぐ上と内側の燃焼室で 750 ～ 900 ℃で燃焼され、炭酸カルシウムが酸化カルシウム (生石灰) と CO2 に変換されます。 このステップは、原材料から排出される CO2 の 60 ～ 70 パーセントを占め、セメント製造プロセス全体で使用される全燃料の約 65 パーセントを消費します。

改善の余地:酸素が豊富な空気を燃焼させて CO2 排出量を削減します。 CO2を回収する装置を追加します。 再生可能エネルギーで稼働する電気窯を使用し、ステップ 2、3、4 の排出量を 30 ～ 40% 削減します。

4. 石灰をクリンカーに変換する

使い方：石灰は、1分間に3～5回回転する窯の中で最高1,450℃で燃焼されます。 このプロセスにより、石灰がポルトランド セメント クリンカー (直径 3 ～ 25 ミリメートルの濃い灰色の小塊) に焼結 (溶融) され、より多くの CO2 が排出されます。 クリンカーは、セメントが水と反応して硬化する結合剤です。

改善の余地:フッ化カルシウムや硫酸カルシウムなどの鉱化剤を加えて石灰の焼結温度を下げ、エネルギーを節約します。

5. クリンカーを冷却して保管する

使い方：熱いクリンカーは、送風機で約 100 ℃ まで冷却される火格子を通過します。冷却されるとサイロに保管され、劣化せずに長期間保存できるため、それ自体の商品として販売される場合があります。

改善の余地:初期冷却のために、ステップ 3 の廃熱でプロセスまたはパイプに通電します。

6. クリンカーと石膏をブレンドする

使い方：クリンカーは石膏と20または25：1の割合で混合されます。

改善の余地:プロセスを電動化します。

7. ブレンドを粉砕してポルトランドセメントにする

使い方：ローラー ミルまたはボール ミルは、クリンカーと石膏を粉砕して、ポルトランド セメントとして知られる細か​​い灰色の粉末になります。

改善の余地:細かく粉砕した石灰石を加えてセメントの最大 35 パーセントを置き換え、初期の生産ステップで発生する排出量を削減します。 この混合物はポートランド石灰石セメントとして知られています。 フライアッシュ (20 ～ 40 パーセント)、スラグ (30 ～ 60 パーセント)、または焼成粘土 (20 ～ 30 パーセント) を加えて「ブレンド セメント」を作成し、クリンカーとセメントの比率を下げ、同様の割合で排出量を削減します。

8. サイロのハウスセメント

使い方：粉末は全体が均一になるように完全に混合され、サイロに保管されます。 小売用に袋に詰められるか、コンクリート混合施設に向かうトラックに積み込まれます。

改善の余地:特定の用途については、ポルトランドセメントの低炭素代替品を検討してください。 これらの代替品には、アルカリ活性化セメント、藻類や微生物によって生成されるバイオセメント、さらにリン酸マグネシウム、アルミン酸カルシウム、またはスルホアルミン酸カルシウムから作られたセメントが含まれます。 このようなオプションにより、プロセス全体の排出量を 40% 以上削減できます。

コンクリートは通常、建設現場またはその近くで作られます。 構造設計を最適化すると、必要なコンクリートの量を減らすことができます (ステップ 3)。 解体後にコンクリートを再利用および処理すると (ステップ 4)、大気から CO2 を吸収し、元のセメント生産からの排出の一部を相殺できます。

1. セメント、水、骨材を混ぜる

使い方：セメントは、所望の流体粘稠度に達するまで、周囲温度で特定量の水および砂、砂利、砕石などの骨材と混合されます。 混合物の約 80% は骨材です。

改善の余地:コンベヤーとミキサーを再生可能電力で稼働するように変更し、排出量を大幅に削減します。 バイオ炭や藻類などの添加剤を加えてコンクリートの強度を高めたり、作業性や硬化時間を調整したりして、排出量を 1 ～ 5% 以上削減します。

2. 現場への輸送

使い方：コンクリートはドラムミキサー車の中で混合され、建設現場に輸送されます。

改善の余地:電気トラックに切り替えます。 廃コンクリートを最小限に抑え、収集し、高速道路のバリアなどの他のプレキャスト材料にアップサイクルします。

3. 構造を構築する

使い方：建築設計は、必要なコンクリート要素の形状、体積、強度を決定します。

改善の余地:コンクリートが無駄にならないように構造設計を最適化します。 コンクリート中のセメントの最小量を要求する仕様から、特定の圧縮強度を要求する仕様に切り替えると、必要なセメント含有量を減らすことができます。 建築基準法を変更して、新しいセメント、代替セメント、および混合セメントを許可します。 一般的な 1 か月ではなく 2 か月または 3 か月で圧縮強度を指定することで、時間の経過とともに強度が高まるコンクリートの能力を利用し、必要な材料の量を減らすことができます。

4. サポート終了の計画

使い方：取り壊されたコンクリートは多くの場合、埋め立て地に投棄されるか、破砕されて道路や高速道路の基礎材料として使用されます。

改善の余地:解体を考慮した設計により、コンクリートの要素の全体または一部を再利用できます。 コンクリートを破壊する場合は、表面積を最大にするためにコンクリートを粉砕して薄く広げ、できるだけ長く空気にさらして CO2 を吸収します。 コンクリートは、何年にもわたって暴露されると、そのコンクリート用のセメントの製造時に排出された CO2 の 17 パーセントも吸収する可能性があります。

編集者注記 (2023 年 3 月 30 日): この記事は、石灰がどのようにクリンカーに変換されるかについての説明を修正するために、投稿後に編集されました。

この記事はもともと「Concrete Cure」というタイトルで Scientific American 328、2、52-55 (2023 年 2 月) に掲載されました。

土井:10.1038/scientificamerican0223-52

石の船。 RGスケレット。 1917 年 11 月 17 日。

マーク・フィスケッティサイエンティフィック・アメリカンの上級編集者です。 彼は持続可能性のあらゆる側面をカバーしています。 Twitter @markfischetti で彼をフォローしてください クレジット: Nick Higgins

ニック・ボッケルマンイラストレーター兼グラフィックデザイナーです。

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