Цементная промышленность производит около 8% мировых выбросов CO₂ — больше, чем авиация и судоходство вместе взятые. Значительная часть этих выбросов возникает не от сжигания топлива, а непосредственно из сырья: при нагреве известняка (карбоната кальция) он разлагается на оксид кальция и CO₂. Именно эту химическую реакцию предлагают устранить авторы новой работы, опубликованной в журнале Communications Sustainability.
Вместо известняка исследователи рассматривают базальт — вулканическую породу, широко распространённую на всех континентах. Базальт содержит кальций в форме силикатных минералов, а не карбонатов, поэтому его переработка в оксид кальция — ключевой компонент портландцемента — не сопровождается прямым выбросом CO₂. Процесс предполагает кислотное или иное химическое выщелачивание породы с последующим восстановлением реагентов для повторного использования. Вся цепочка может работать на электричестве, что принципиально отличает её от традиционных печей, требующих сжигания топлива.
| Параметр | Традиционный метод (известняк) | Базальтовый метод (текущие технологии) | Базальтовый метод (теоретический предел) |
|---|---|---|---|
| Прямые выбросы CO₂ от сырья | Высокие (карбонатное разложение) | Отсутствуют | Отсутствуют |
| Относительное энергопотребление | Базовый уровень (1×) | ~2× выше базового | ~0,5× базового |
| Снижение выбросов vs. известняк (обычная сеть) | — | ~30% | Более 30% |
| Снижение выбросов vs. известняк (чистая энергия) | — | Большая часть выбросов устранена | Почти полное устранение |
| Побочные продукты | Нет | Fe, Mg, Al, силикатный остаток | Fe, Mg, Al, силикатный остаток |
Главная проблема — энергоэффективность. Термодинамика обещает, что извлечение оксида кальция из базальтовых минералов должно требовать примерно вдвое меньше энергии, чем из известняка. На практике существующие технологии настолько далеки от теоретического предела, что реальное энергопотребление оказывается вдвое выше, чем в традиционном производстве. Авторы признают: разрыв между тем, что возможно по законам физики, и тем, что достижимо в промышленных условиях сегодня, остаётся огромным.
Весь процесс может работать на электричестве, что открывает путь к декарбонизации через возобновляемую энергию.
Тем не менее даже при удвоенном расходе энергии и работе на угольно-газовой электросети выбросы сокращаются почти на 30% — за счёт исключения карбонатного разложения. Если электричество поступает из возобновляемых источников, большая часть оставшихся эмиссий также исчезает. Исследователи указывают, что в лабораторных условиях уже существуют методы, способные существенно повысить эффективность процесса, однако их масштабирование до промышленного уровня пока не продемонстрировано.
Экономику проекта могут улучшить побочные продукты. Базальт — сложная порода: помимо кальция, он содержит железо, магний и алюминий, которые можно извлекать и продавать отдельно. Силикатный остаток после переработки пригоден в качестве добавки к портландцементу — аналога летучей золы от сжигания угля, которую сейчас используют в строительстве. Совместное производство нескольких ценных материалов способно сделать процесс экономически конкурентоспособным.
Авторы подчёркивают, что их работа — аналитическая, а не технологическая демонстрация. Цель — обозначить, какие условия необходимы для того, чтобы базальтовый путь стал реальной альтернативой. Цементная отрасль традиционно считается одной из наиболее сложных для декарбонизации: здесь нет простого способа заменить химию процесса, как это можно сделать в электроэнергетике или транспорте. Поэтому даже теоретически обоснованный маршрут к снижению выбросов представляет практический интерес для отрасли и регуляторов.
