Среди прорывных технологий, направленных на борьбу с изменением климата, можно встретить водородные самолеты, роботов для подводной добычи и реакторы термоядерного синтеза. Каждое из этих направлений способно существенно сократить выбросы парниковых газов.
Однако решение климатических проблем кроется не только в громких инновациях. Вспомните строительные материалы. Цемент, самый используемый материал в мире по массе, является настоящим климатическим кошмаром, ответственным примерно за 8% глобальных выбросов парниковых газов.
Хорошая новость в том, что небольшая группа компаний активно работает над исправлением этого положения. Возможно, у них нет зрелищности роботов, но я замечаю по-настоящему увлекательные инновации в этой консервативной сфере, с несколькими важными анонсами за последние недели. Давайте погрузимся в мир цемента, разберемся, почему он так важен для климата, и рассмотрим глубокие технологии, которые могут его изменить.
Основы
Прежде чем углубляться в детали, определимся с терминами. Цемент – это, по сути, клей для зданий. Его задача — связывать материалы, чтобы мы могли возводить конструкции. Цемент смешивают с водой и песком или гравием, получая бетон, который затвердевает и используется для строительства зданий или мощения дорог.
Есть две основные причины, по которым цемент является климатической катастрофой. Первая – процесс его производства требует экстремально высоких температур, около 1400 °C. Для достижения такого жара обычно сжигается ископаемое топливо, например, уголь. С этой проблемой сталкиваются и другие тяжелые отрасли, например, производство стали.
Но вторая, не менее важная проблема, связана с фундаментальной химией извести, одного из ключевых ингредиентов цемента. (Оставайтесь с нами, это того стоит для понимания!)
При производстве цемента обычно начинают с известняка, который состоит из кальция, кислорода и углерода. Чтобы получить материал, способный вступать в реакцию с водой и другими компонентами и затвердевать, необходимо превратить известняк в известь (оксид кальция), то есть в соединение кальция и кислорода.
Углерод, содержавшийся в известняке, высвобождается в процессе в виде углекислого газа – того самого печально известного парникового газа.
Для тех, кто предпочитает формулы, картина выглядит так:
CaCO3 (известняк) + тепло → CaO (известь) + CO2 (углекислый газ)
Производство цемента таким образом неминуемо влечет за собой выделение CO2 – парниковые газы буквально «впечены» в сам процесс.
Решения
Один из основных подходов к снижению климатического следа цемента заключается в использовании меньшего количества извести. Здесь нужно действовать осторожно, чтобы не снизить прочность и долговечность конечного продукта. Однако добавление небольшого количества заполнителей может помочь сократить долю извести без ущерба для эксплуатационных характеристик.
Интересный метод, связанный с добавками, предлагает компания CarbonCure. Они вводят часть CO2 в бетон в процессе смешивания. Углекислый газ вступает в реакцию с компонентами смеси и затвердевает – этот процесс называется минерализацией.
По сути, вы делаете обратное тому, что происходило при производстве цемента: закачиваете CO2 обратно. Контролируемое добавление может помочь зафиксировать часть углекислого газа, одновременно уменьшая количество извести в конечном продукте. (Подробнее о минерализации CO2 можно прочитать в нашем материале годичной давности о предприятии, которое применяет схожий процесс под землей).
На прошлой неделе CarbonCure объявила, что им удалось произвести цемент с использованием CO2, извлеченного напрямую из атмосферы – процесс, известный как прямое улавливание из воздуха (DAC). Для этого компания добавила CO2 в сточные воды, которые в противном случае были бы слишком реактивными для повторного использования.
В этом демонстрационном проекте CarbonCure сотрудничала с калифорнийским стартапом Heirloom, который и занялся улавливанием CO2. Компании утверждают, что это первый случай использования атмосферного углекислого газа для производства цемента.
Этот процесс пока очень маломасштабный, и остается много вопросов о том, как сделать DAC дешевым и эффективным. Тем не менее, подход CarbonCure может помочь сократить часть загрязнений, связанных со строительством, а также поучаствовать в очистке уже имеющихся в атмосфере выбросов.
Переосмысление
Другие группы работают над полным пересмотром основ производства цемента.
Недавно я беседовал с Йет-Мин Чиангом и Лией Эллис, основателями бостонского цементного стартапа Sublime Systems, который недавно привлек $40 миллионов финансирования. Оба специалиста имеют опыт в разработке аккумуляторов и решили применить свои знания для переосмысления цемента.
Помните две причины, по которым цемент так вреден для климата – высокая температура и химия? Sublime пытается устранить обе.
Во-первых, они пытаются заменить тепло в процессе производства цемента электричеством. В рамках работы в MIT Чианг и Эллис обнаружили, что могут преобразовывать известняк в известь без использования высоких температур или ископаемого топлива: они смогли провести аналогичные реакции с помощью электричества.
Если это электричество поступает из возобновляемых источников, Sublime может сократить выбросы от производства цемента на 70%.
Что касается выбросов, обусловленных самой химией цемента, есть несколько возможных решений. Во-первых, как объясняет Эллис, CO2, выделяющийся в их процессе, будет легче уловить и либо использовать, либо хранить, поскольку он будет концентрированным и относительно холодным. Это означает, что им не потребуется то дорогостоящее оборудование, которое обычно используется в системах улавливания и хранения углерода.
В будущем их процесс также может использовать другие исходные материалы, в том числе те, которые не содержат углерода, что позволит полностью исключить выделение CO2.
Впереди долгий путь для Sublime и любой компании, стремящейся к перестройке тяжелой промышленности. Как говорит Эллис: «Это будет сложно. Мы занимаемся этим не потому, что это легко».
Сегодня мощность установки компании позволяет производить около 100 тонн цемента в год. Для конкуренции по цене Sublime необходимо выйти на тот же масштаб, что и коммерческие заводы, которые могут производить около миллиона тонн цемента в год. Sublime планирует достичь этой цели к 2028 году.
Если вы хотите глубже изучить проблемы тяжелой промышленности в контексте изменения климата, вот несколько материалов из нашего архива:
- Heirloom использует минералы для улавливания CO2 из атмосферы.
- Электричество и водород могут очистить сталелитейную, цементную и химическую промышленность.
- Boston Metal стремится переосмыслить выплавку стали с использованием электричества.
- Charm Industrial использует другой подход: биомасло для производства стали.
Ещё кое-что
Большие размеры — не всегда преимущество, когда речь идет об атомной энергетике. Новое движение, направленное на уменьшение размеров ядерных реакторов, может упростить процесс их строительства… в теории. Проблема в том, что эти так называемые малые модульные реакторы (ММР) разрабатываются уже почти два десятилетия.
Наконец, одна из ведущих компаний по производству ММР преодолела одно из последних регуляторных препятствий для строительства своих реакторов в США. Так что же на самом деле потребуется для перезагрузки атомной энергетики? Подробности в моем материале на эту тему.
Следим за климатом
Корма для домашних животных могут иметь высокую климатическую цену. Альтернативы могут снизить углеродный след наших пушистых друзей. (Bloomberg)
Установление цели удержать глобальное потепление ниже 1,5 °C было довольно произвольным. Однако тот факт, что эта цель ускользает, по-прежнему очень важен. (The Atlantic)
Китай построил крупнейшую в мире сеть зарядных станций для электромобилей. Ключевыми элементами успеха стали государственные субсидии и стандартизация технологий. (Grid)
→ Вот где расположены все быстрые зарядные станции в США. (MIT Technology Review)
Европа следует климатическому законодательству США со своим собственным «Промышленным планом «Зеленого курса», который предусматривает расходы в размере $270 миллиардов. (Grist)
→ Подробности о плане США, который был принят в прошлом году и предусматривает $370 миллиардов расходов. (MIT Technology Review)
→ Часть этих денег предназначена для частных лиц: вот руководство о том, как вы можете воспользоваться преимуществами. (New York Times)
Ускорение согласования энергетических проектов могло бы ускорить внедрение возобновляемых источников энергии. Так что же происходит с этой драмой вокруг реформы разрешительной документации? (Inside Climate News)
Мировой спрос на электроэнергию продолжает расти ежегодно. Хорошая новость в том, что возобновляемые источники покроют почти весь этот растущий спрос. (Международное энергетическое агентство)
От оплаты людям за снижение потребления электроэнергии до использования их аккумуляторов – эти стартапы помогают домохозяйствам поддерживать работу энергосистемы. (Canary Media)
