Ny metod kan ge cement utan koldioxidutsläpp

Medvetenheten kring cementens klimatpåverkan är hög. Svenska Cementa har en vision om att nå klimatneutralitet till år 2030. I Cementas plan för minskade utsläpp ingår bland annat koldi-oxidavskiljning och biobränslen. Men nu föreslår forskare vid MIT, Massachusetts Institute of Technology, i USA en helt ny tillverkningsmetod. Slutprodukten blir vanlig hederlig Portlandcement, men den nya tillverkningsprocessen ska enligt forskarna kunna ske helt utan koldioxidutsläpp.

Forskarna har demonstrerat principen för den nya tillverkningen i liten skala i labbet och tror att den kan skalas upp i stora anläggningar som producerar flera hundra tusen ton cement per år, så som dagens cementfabriker gör.

Vid traditionell cementtillverkning hettar man upp kalksten och sand till över tusen grader i en så kallad cementugn. I ugnen sker en kemisk reaktion med slutprodukten klinker, som sedan mals ner till cement. I den kemiska processen bildas också koldioxid som en restprodukt. Ungefär hälften av koldioxidutsläppen från cementtillverkning kommer från den kemiska processen, den andra hälften kommer från det bränsle, oftast olja eller kol, som krävs för att hetta upp cementugnen. I Cementas svenska tillverkning, där man satsat hårt på energieffektivisering och ersätter en del av de fossila bränslena med biobränslen, är fördelningen snarare 60 procent utsläpp från den kemiska processen och 40 procent från upphettningen.

Forskarna vid MIT föreslår en ny tillverkningsprocess, där cement-ugnen delvis ersätts av elektrolys. Elektrolys är en process som många känner igen från kemilektionerna i skolan. En strömkälla kopplas till två elektroder som placeras i en vätska som leder ström, till exempel saltvatten. I stället för att hetta upp kalkstenen placerar man den i elektrolysbadet. Då bildas kalcium-hydroxid samtidigt som syre, väte och koldioxid släpps ut i gasform.

Elektrolys i labmiljö. Forskarna på MIT har demonstrerat principen för cementtillverkning med elektrolys i liten skala i labbet, men tror att den kan skalas upp Foto: Felice Frankel

I ett andra steg placeras kalciumhydroxiden i en ugn tillsammans med sand, och slutprodukten blir då samma klinker som vid traditionell cementtillverkning. Skillnaden mot en vanlig cementugn är att det inte krävs lika hög temperatur. Dessutom föreslår forskarna ett system där vätet och syret som är en biprodukt från elektrolysen kan användas i bränsleceller och till förbränning för att skapa el och värme för uppvärmningen av ugnen.

Forskarteamet på MIT visar en princip där den enda energi som behöver tillföras systemet är el till elektrolysen. Om den tas från förnybara källor blir tillverkningen fossilfri – förutsatt att koldioxiden som uppstår som en restprodukt i den kemiska processen inte släpps ut i atmosfären. Eftersom koldioxiden som uppstår vid elektrolysen är helt ren – vid tillverkning i cementugn är den uppblandad med en rad andra gaser – är den lättare att fånga upp för lagring eller för att använda i industriella processer.

En fördel med elektrolysmetoden som forskarna lyfter fram jämfört med andra alternativ till traditionell cementtillverkning är att slutprodukten blir vanlig Portland cement. Det krävs med andra ord ingen förändring av dagens byggteknik eller arbetsmetoder, vilket borde göra det lättare att få acceptans för den nya tillverkningsprocessen, resonerar artikelförfattarna.

Staffan Hansen, professor emeritus vid Centrum för analys och syntes vid Lunds universitet, tycker den nya metoden är intressant.

– Det här är publicerat i en av världens ledande vetenskapliga tidskrifter för naturvetenskap. Så forskningsresultaten är väl granskade, och ur det perspektivet är det en realistisk metod. Om det är praktiskt genomförbart är en annan fråga. Att det fungerar bra på labbänken är inte samma sak som att det fungerar bra i produktionen.

Vilka svårigheter ser du med att implementera metoden i produktionen?

– Såvitt jag kan se ersätter man den traditionella cementugnen med tre enheter: elektrolysen, en bränslecell och en ugn. I stället för en enhet blir produktionen beroende av tre enheter som måste fungera ihop utan driftstopp samtidigt som de hanterar gigantiska volymer. Jag är ingen expert på att bygga fabriker, men jag tror att det kan bli en utmaning.

Ser du några fördelar med metoden?

– Det är självklart en enorm fördel att ersätta de fossila bränslena med förnybara alternativ. Rapportförfattarna föreslår att elektrolysen drivs med el från förnybara källor. Rent principiellt kan man tänka sig traditionell cement-tillverkning med icke-fossila bränslen, och då får man samma klimatvinst. Ytterligare en -fördel med metoden är att koldioxiden från den kemiska processen kommer i en ren ström som man då lätt kan hindra från att släppas ut i -atmosfären. Det är svårt vid traditionell tillverkning eftersom koldioxiden då är så utspädd.

Tror du det här är vägen till klimatneutral cement?

– Det är bra och viktigt att man tänker i nya banor kring cementtillverkning. Men hur man än gör kommer man inte undan kemin och termodynamiken. Om du utgår från samma råvaror, och vill ha samma slutprodukt, så måste du alltid tillföra samma energi – grovt räknat – och du får alltid samma koldioxidutsläpp från den kemiska processen. Alternativet är att hitta en helt annan typ av cement, något annat klister som fungerar att bygga med men kräver mindre energi i produktionen. Det har man jobbat på de senaste 100 åren utan att lyckas. Men det är inte samma sak som att man inte kan lyckas i framtiden.