Edilizia sostenibile, si punta al taglio della CO2 nella produzione del cemento

Sebbene il legno stia venendo impiegato sempre più spesso nel settore dell’edilizia (persino per i grattacieli), in virtù della sua sostenibilità e dei vantaggi che è in grado di offrire (non solo a livello di comfort abitativo), il cemento resta il materiale cardine del settore edile.

Secondo gli esperti, sebbene aumentino le alternative più sostenibili (anche nel settore eolico, come abbiamo visto in questo articolo), la domanda di cemento è destinata ad aumentare sensibilmente nei prossimi anni. Per conciliare l’uso di questo materiale con gli obiettivi di sostenibilità che sono stati fissati, la ricerca del settore sta indagando nuovi metodi produttivi che ne riducano l’impatto ambientale.

Il cemento è intimamente legato alla CO₂, sia come fonte, sia come futuro sistema di stoccaggio; secondo i ricercatori dell’Università del Michigan, la sua produzione è responsabile dell’8% delle emissioni di anidride carbonica che annualmente finiscono in atmosfera. Questo dato rende indispensabile rendere più sostenibili i processi per produrlo e, al contempo, migliorarne la percentuale di riciclo. Nel mirino della ricerca è l’uso delle fonti fossili per alimentare i forni con cui calcare e argilla (gli “ingredienti” principali del cemento Portland, anche conosciuto con l’acronimo OPC, ad oggi il più diffuso) vengono scaldati e amalgamati.

L’uso dei combustibili fossili, secondo i ricercatori, incide per il 40% sulle emissioni di CO₂ legate alla produzione del cemento: l’altro 60% è a sua volta legato alla produzione del calore necessario per scomporre il calcare (CaCO3), in modo da ottenere ossido di calcio (CaO) e anidride carbonica (CO₂). Secondo il team di ricerca, un nuovo approccio elettrochimico (economico e scalabile) potrebbe ridurre notevolmente la quantità di anidride carbonica rilasciata dal processo di produzione del cemento.

Lo studio “Scalable electrified cementitious materials production and recycling” è stato pubblicato sulla rivista Energy & Environmental Science.

Jiaqi Li, professore associato di ingegneria civile e ambientale, scienziato presso il Lawrence Livermore National Laboratory e autore corrispondente dello studio, ha dichiarato:

Il nostro approccio di produzione di materiali elettrochimici di recente sviluppo apre una nuova area nella produzione di cemento e nel riciclaggio dei rifiuti su larga scala.

L’intuizione del team inizia dalla sostituzione del calcare naturale (responsabile, come detto, del 60% delle emissioni di CO₂ legate alla produzione di cemento) con carbonato di calcio prodotto elettrochimicamente. Questa scelta porta a un bilancio netto dell’anidride carbonica emessa, perché la CO₂ rilasciata durante la lavorazione in fornace viene compensata da quella assorbita dall’aria durante la produzione elettrochimica. In questo modo, il bilancio a fine ciclo produttivo è pari a zero.

Secondo il team, qualora questo approccio dovesse essere adottato e implementato su larga scala, le emissioni globali di anidride carbonica verrebbero ridotte di “almeno tre miliardi di tonnellate metriche, pari a tre gigatonnellate in meno ogni anno”. Per comparazione, nel 2023 sono state segnalate 37,4 gigatonnellate di emissioni globali di anidride carbonica legate all’impiego di energia prodotta da fonti fossili. Wenxin Zhang, dottorando presso il California Institute of Technology e co-autore del paper, ha commentato:

La strategia può trasformare l’industria del cemento da un emettitore di CO₂ gigatonnellate a un abilitatore su scala gigatonnellata per l’energia pulita e le tecnologie di gestione del carbonio.

L’approccio perfezionato dal team statunitense si basa su una reazione elettrochimica innescata da un sale elettrolitico neutro contenuto in una soluzione acquosa, inserita in un elettrolizzatore, ovvero un dispositivo con un elettrodo positivo posizionato a un’estremità e un elettrodo negativo all’altra, con al centro una membrana a scambio cationico.

Facendo scorrere un flusso elettrico da un polo all’altro, si ottiene l’elettrolisi dell’acqua a livello dell’anodo, che si divide in ossigeno gassoso (O₂) e protoni caricati positivamente (H+).

Sul catodo, invece, si assiste alla produzione di idrogeno gassoso (H₂) e al rilascio di ioni di idrossido con carica negativa (OH-). Questo processo comporta la creazione di un elettrolita anodico sempre più acido e un elettrolita catodico alcalino che viene sfruttato per elaborare i silicati di calcio, ovvero per scomporre il silicato di calcio e ottenere silice solida (SiO₂) e ioni calcio (Ca₂+).

Gli ioni di calcio reagiscono con la CO₂ presente nell’aria e con gli ioni idrossido presenti nell’acqua, formando un carbonato di calcio solido e carbonio-negativo. Il carbonato di calcio, come abbiamo detto prima, è il prodotto principale che alimenterà i forni per cemento, mentre la silice solida può essere miscelata al cemento, al calcestruzzo e alla malta per aumentarne resistenza e durata. Xiao Kun Lu, parlando dell’economicità di questo processo, ha dichiarato:

Poiché l’attuale strategia richiede modifiche minime o nulle agli impianti di cemento tradizionali, presenta basse barriere all’ingresso per essere adottata dalle grandi aziende del cemento.