Sam­an­tekt

Nú þegar lofts­lags­breyt­ing­arnar hafa náð heims­at­hygli og ráð­staf­anir eru gerð­ar, til þess að koma til móts við sjálf­bærni­mark­mið Sam­ein­uðu þjóð­anna, gleym­ist oft að stein­steypan – mest not­aða mann­gerða efni ver­aldar – er veru­legur orsaka­valdur að útstreymi koldí­oxíðs ( CO2 ).

Fram­leiðsla á sem­enti, mik­il­væg­asta efn­inu í stein­steypunni, veldur um 7% af koldí­oxíð­losun heims­ins og er þar þriðja í röð­inni af iðn­að­ar­grein­um, á eftir orku­fram­leiðslu og málm­bræðslu. Sem­ents­fram­leið­endur ótt­ast háa gjald­töku vegna koldí­oxíð­út­streym­is­ins og hafa nú gert áætl­anir um hvernig lækka megi kolefn­is­spor sem­ents­fram­leiðsl­unn­ar.

Þegar er byrjað á íblöndun sem­ents­ins með svo­nefndum poss­óla­nefnum ( nán­ari skil­grein­ing síðar ), allt að 20% af sem­ents­þyngd­inni, sem lækkar koldí­oxíð-inni­hald sem­ents­ins. Næsta skref verður vænt­an­lega föngun koldí­oxíðs­ins úr útstreymi brennslugass sem­entsofns­ins, sem síðan verður dælt niður í tóm hol­rými eftir olíu- eða gasvinnslu.

Til lengri tíma litið eru nú gerðar til­raunir með að blanda sem­entið með meira magni af poss­óla­nefn­um, jafn­vel til helm­inga, t.d. með ýmiss konar gos­efnum með poss­ólan­eig­in­leika, svo sem móbergi eða líp­ar­íti. Stórar sem­ents­verk­smiðjur í Evr­ópu eru þegar farnar að huga að notkun gos­efna í sem­ents­fram­leiðslu sína í fram­tíð­inni eins og fram hefur komið í fréttum um útflutn­ing á móbergi til Þýska­lands.

Auglýsing

Sementsverksmiðja rík­is­ins hóf til­raunir á fram­leiðslu poss­ól­an­sem­ents með íblöndun og sam­mölun 30% af líp­ar­íti og móbergi í svo­nefnt Faxa­sem­ent um 1960 og fram­leiddi síðar sem­ent með 35% af líp­ar­íti og kís­il­ryki um 1985 fyrir bygg­ingu Blöndu­virkj­un­ar. Þetta var gert til að koma í veg fyrir frost- og alkal­í­skemmd­ir. Poss­ól­an­sem­ent hefur hæg­ari styrk­leika­myndun en venju­legt Portland­sem­ent og var hér aðal­lega notað í virkj­un­ar­fram­kvæmdir vegna hættu á alkal­í­skemmd­um. Það var aftur á móti ekki vin­sælt hjá steypu­fram­leið­endum vegna hörðn­un­ar­fer­ils­ins.

Verði af útflutn­ingi fínmal­aðs móbergs í sem­ents­fram­leiðslu erlend­is, er lík­legt að það þurfi að koma upp full­kominni möl­un­ar­stöð nærri töku­stað. Í fram­hald­inu má þá búast við, að fínmalað sem­ents­gjall verði flutt inn til Íslands og blandað móbergi hér eða að fín­möl­uðu gjalli og móbergi verði blandað sitt í hvoru lagi í steypu­stöðv­un­um. Með til­liti til þessa má telja það öfug­snú­ið, að einmitt þegar poss­ól­an­sem­ent með íslenskum poss­óla­nefnum verður talin mik­il­væg lausn á vanda­málum sem­ents­fram­leiðslu vegna loft­lags­hlýn­un­ar, skyldi íslensk sem­ents­fram­leiðsla lögð nið­ur.

Að lokum er mögu­legt að ný tækni, þar sem fram­leiða má sem­ent ein­göngu úr eld­fjalla -poss­óla­nefni verði fjár­hags­lega hag­kvæm. Fram­leiðsla þess­arar nýju sem­ents­teg­undar er nær laus við koldí­oxíð-út­streymi og hefur hún verið nefnd „jarð­fjöllið­unar sem­ent“ ( geopolymer cem­ent ). Hún gæti orðið til þess að alís­lensk sem­ents­fram­leiðsla verði aftur að veru­leika.

Gjall­fram­leiðslan aðal söku­dólg­ur­inn

Gjall­brennslan í sem­ents­fram­leiðsl­unni veldur 60-70% af heildar koldí­oxíð-­mynd­un­inni, hin 30-40% útstreym­is­ins koma frá elds­neyt­inu, sem notað er við brennsl­una. Við­bót­ar­þættir svo sem afkasta­geta fram­leiðsl­unn­ar, raki og brennslu­hæfni hrá­efn­anna svo og aðkoma íblönd­un­ar­efna hafa einnig áhrif á orku­nýt­ingu og kolefn­is­spor sem­ents­fram­leiðsl­unn­ar.

Gjall­fram­leiðslan er grunn­ur­inn í sem­ents­fram­leiðsl­unni og ekki hefur tek­ist enn að skipta út kalk­stein­inum ( kals­íum­kar­bónat, CaCO3 ), sem er aðal­hrá­efnið í sem­ents­gjall­inu og jafn­framt helsta orsök koldí­oxíð­los­un­ar­innar í fram­leiðslu­ferl­inu.

Mikil eft­ir­spurn er nú eftir sem­enti og hún vex vænt­an­lega í fram­tíð­inni. Þá eykst mjög þörfin á að minnka mann­gerða myndun koldí­oxíðs í sem­ents­fram­leiðsl­unni. Segja má að afkolefn­isvæð­ing ( decar­bonat­ization ) sem­ents­fram­leiðsl­unnar sé aðal­á­skor­unin sem sem­ents­fram­leið­endur standa frammi fyrir í dag og í næstu fram­tíð. Því eru í þróun margs konar aðgerðir og aðferðir til að ná því mark­miði.

Hefð­bundin sem­ents­fram­leiðsla

Til þess að gera sér betur grein fyr­ir, hvernig sem­ents­iðn­að­ur­inn hyggst minnka í áföngum útstreymi CO2 við sem­ents­fram­leiðsl­una í fram­tíð­inni , er nauð­syn­legt að gera sér grein fyrir því hvernig hefð­bund­ið, venju­legt Portland­sem­ent er og hefur verið fram­leitt hingað til .

Helstu þættir fram­leiðsl­unnar eru:

1. Öfl­un, vinnsla og mölun hrá­efn­anna
2. Brennsla hrá­efn­anna og myndun sem­ents­gjalls
3. Mölun sem­ents­gjall­s­ins.

Myndun koldí­oxíðs við fram­leiðsl­una verður aðal­lega til við brennslu sem­ents­ins (mynd 2). Hún fer fram í sem­entsofn­in­um. Hann er langur hallandi sívaln­ingur með hægum snún­ingi (snún­ings­ofn).

Við neðri enda hans er elds­neyt­inu til brennsl­unnar blásið inn í hann, en í efri enda hans er hrá­efna­inn­tak og fer for­brennsla hrá­efn­anna þar fram í röð af hverfi­hólfum (cyclon). Heitt ofn­gasið veldur þar mið­flótta­afls hring­snún­ingi á fínmal­aðri hrá­efna­blönd­unni.

Í hverfi­hólfum ofns­ins hefj­ast nið­ur­brot og efna­breyt­ingar hrá­efna­blönd­unn­ar. Hita­stigið hækkar svo frá 800-1000°C við inn­tak ofns­ins upp í 1450°C um 5 metrum frá neðra opinu, þar sem til­búið sem­ents­gjallið kemur út úr hon­um. Í sem­entsofn­inum fer efna­hvarfið fram, sem leiðir til mynd­unar sem­ents­gjall­s­ins.

Nýjar áherslur afhjúpa gamlan vanda

Vandi sem­ents­fram­leið­enda vegna mik­ils útblást­urs CO2 varð fyrst ljós í lok 20. ald­ar­inn­ar, sér­stak­lega eftir alþjóð­legu lofts­lags­ráð­stefn­una í Kyoto 1997. Þá skuld­bundu ríki heims­ins sig til að minnka útblást­ur­inn í áföngum næstu ára­tug­ina.

Reyndar hafði þessi þróun haf­ist fyrr hjá nokkrum sem­ents­fram­leið­end­um, en af öðrum orsök­um. Þeir fóru smám saman að nota úrgangsolíu og annan brenn­an­legan úrgang sem elds­neyti, sem lækk­aði í raun CO2 -út­streymið. Svo var einnig í byrjun hjá Sem­ents­verk­smiðju rík­is­ins, sem eftir 1970 fór líka að bæta óbrenndum efn­um, svo­nefndum poss­ól­an-efnum ( líp­ar­íti og kís­il­ryki ) í sem­ent­ið. Við það minnk­aði gjall­hluti þess og þar með CO2 -mynd­unin per tonn af sem­enti.

Poss­óla­nefnin eru mörg og mis­mun­andi

Poss­óla­nefni eða efni með „poss­ólan­eig­in­leika" eru mis­mun­andi efni, ýmist af nátt­úru­legum upp­runa eða úrgangur frá iðn­að­ar­fram­leiðslu. Þeim er það sam­eig­in­legt að inni­halda ál og sil­is­í­um. Þau má nýta sem stað­geng­ils­efni í sem­ent. Stað­geng­ils­efni í sem­enti eru efni, sem koma í stað­inn fyrir sem­ents­gjall í sem­ent­inu. Meðal þeirra eru t.d. fluga­ska, kís­il­ryk, járn­gjall, metaka­ol­in, nátt­úru­poss­ól­anar og kalk­steinn. Flest þess­ara efna eru í dag iðn­að­ar­úr­gang­ur, sem þarf að fjar­lægja og því ákjós­an­leg til nýt­ingar sem íblöndun í sem­ent.

Nýir tímar kalla á nýja hugsun

Eftir því sem lofts­lags­um­ræðan þró­að­ist áfram í byrjun nýrrar aldar komu afleið­ingar hlýn­unar Jarðar smám saman betur í ljós og menn átt­uðu sig á því að aðgerðir til að draga úr losun koldí­oxíðs væru nauð­syn­leg­ar. Lagt var á ráðin um marg­vís­legar aðgerðir til að hamla gegn losun og áætlað að fjár­magna þær með skatt­lagn­ingu á los­un­ina ( gjald á hvert tonn CO2 ).

Þar sáu sem­ents­fram­leið­endur fram á mikla hækkun fram­leiðslu­kostn­að­ar, ef skatt­lagn­ingin yrði veru­leg. Það myndi hækka sem­ents­verð og veikja þar með stöðu sem­ents­ins gagn­vart ýmissi sam­keppn­is­vöru, svo sem timbri, sem stóð betur að vígi með til­liti til koldí­oxíð-los­unar og lofts­lags­á­hrifa.

Fyrsta við­bragðið var eins og áður var sagt íblöndun úrgangs­efna með poss­ólan­eig­in­leika í sem­entið við mölun þess. Helst var þar um að ræða iðn­að­ar­-poss­ól­ana svo sem flug­ösku ( ryk úr útblæstri kola­orku­vera) eða fínmalað járn­gjall (gjall sem mynd­ast við stál­bræðslu). Með full­komn­ari tækni við mölun sem­ents­gjalls og við­bót­ar­efna reynd­ist mögu­legt að blanda allt að 20% af þessum óbrenndu efnum í sem­entið án mik­illar styrk­leika­minnk­un­ar, sem þótti góð byrj­un, þar sem hlið­stæð minnkun á CO2 útstreymi náð­ist.

Ágætis byrjun en meira þurfti til

Fimmt­ungs minnkun á losun dugði þó skammt, því mark­miðið er kolefn­is­hlut­laus sem­ents­fram­leiðsla árið 2050. Sem­ents­fram­leið­endur sáu fram á að því mark­miði yrði ekki náð með þess­ari íblöndun poss­óla­nefna einni sam­an, því erfitt yrði að blanda meira en 20% af poss­óla­nefnum í sem­entið án minnk­unar á byrj­un­ar­styrk­leik. Því var ráð­ist í þróun fleiri aðferða og aðgerða til að minnka CO2-út­streymið.

Aðalatriðin í þessum aðgerðum eru tækni­breyt­ingar í fram­leiðslu­ferl­inu, t.d. notkun óhefð­bund­ins elds­neytis ( t.d.raf­orku ), notkun óhefð­bund­inna hrá­efna við fram­leiðslu sem­ents­gjall­s­ins og notkun stað­geng­ils­efna (supplem­ent­ary cem­enti­ous mater­i­als, skamm­stafað: SCM ) í steypu­blöndur í stað sem­ents eða gjalls.

Þá hefur athyglin beinst mjög að föngun þess koldí­oxíðs, sem streymir út við gjall­fram­leiðsl­una og síðan flutn­ingur á því og geymsla í tæmdum jarð­rým­um, t.d. eftir olíu eða gas ( car­bon capt­ure stora­ge, CCS). Þetta er aðferð, sem almennt er horft til í dag í hvers konar iðn­aði, þar sem CO2 útstreymi er vanda­mál. Óvíst er þó hversu lengi þessi rými taka við vax­andi magni CO2 og kostn­aður við aðferð­ina lítt þekktur enn­þá.

Raf­orkan reynd

Auk þess­ara föng­un­ar­tækni var reynt að nota umhverf­is­væna raf­orku beint við brennslu sem­ents­gjall­s­ins. Til­raun var t.d. gerð hjá Iðn­tækni­stofnun Íslands á vegum Sem­ents­verk­smiðju rík­is­ins um 1980, til þess að brenna íslensku hrá­efna­blönd­una með ljós­boga­tækni, sams konar tækni og notuð er við fram­leiðslu kís­il­járns. Sú til­raun tókst ágæt­lega og fram­leitt var sem­ents­gjall með góðun eig­in­leik­um. Kostn­að­ur­inn var hins vegar allt of hár í sam­an­burði við nýt­ingu jarð­efna­elds­neyt­is.

Nú hefur aftur á móti tek­ist að lækka kostnað við fram­leiðslu á grænni raf­orku (vatns- sól­ar- og vind­orku). Síðan eru t.d. nýlega hafnar til­raunir við beina brennslu sem­ents­hrá­efna með plasma-­tækni ( háhita­tækni með raf­magns­upp­hitun lofts ) hjá sem­ents­fyr­ir­tæk­inu Cem­enta í Sví­þjóð (Cemz­ero verk­efn­ið).

Fram­tíðin er í stað­geng­ils­efnum

Leiðin til að afkolefn­isvæða sem­ents­fram­leiðsl­una til lengri fram­tíðar hlýtur þó að fel­ast í íblöndun stað­geng­ils­efna í miklu magni í stað hins kalkríka sem­ents­gjalls við mölun sem­ents­ins. Nú er 20% íblöndun að verða algeng. Meiri íblöndun hefur ein­göngu verið í sér­sem­ent, poss­ólan sem­enti, sem hefur lengri hörðn­un­ar­tíma en Portland­sem­ent, en nær aftur á móti meiri þétt­leika og end­ingu. Það hentar illa hrað­anum við venju­legar hús­bygg­ingar og er því aðal­lega notað í mann­virki, þar sem utan­að­kom­andi áraun er mik­il, svo sem í virkj­an­ir, hafnir og önnur vatns­mann­virki. .

Sem­ent með háu íblönd­un­ar-hlut­falli poss­óla­nefna (40% og meir ) þarfn­ast sér­stakrar tækni­legrar þró­un­ar, til þess að ná sama hörðn­un­ar­hraða og styrk­leika og Portland­sem­ent. Þar skiptir mestu máli efna­sam­setn­ing poss­óla­nefn­anna og flókin möl­un­ar­tækni, þar sem heppi­leg korna­stærð­ar­dreif­ing hrá­efn­anna, sem­ents­gjalls og poss­óla­nefna, er nýtt.

Nýrra efna er þörf

Sem­entið nemur 45% af heild­ar­kostn­aði við stein­steypu­gerð. Því er það mik­ils vert að finna efni, sem geta komið í stað hefð­bund­ins sem­ents sem bindi­efni, ekki ein­göngu út frá umhverf­is­vernd­ar­sjón­ar­miðum heldur einnig til að fram­leiða ódýr­ari steypu.

Fram­leiðsla og notkun sem­ents með hárri poss­ól­aní­blöndun var reynd í Sem­ents­verk­smiðju rík­is­ins. Var fyrst um að ræða til­rauna­sem­ent við gerð Reykj­nes­brautar á sjö­unda ára­tug tutt­ug­ustu ald­ar­inn­ar, sem nefnt var Faxa­sem­ent. Voru 30 % af þvi poss­óla­nefni ( líp­arít og móberg ). Þá var fram­leitt sér­stakt poss­ól­an-­sem­ent í virkj­an­ir; Sig­öldu­sem­ent ( 25% líp­arít ) í Sig­öldu­virkjun og Blöndu­sem­ent ( 25% líp­arít og 10% kís­il­ryk ) í Blöndu­virkj­un. Síðan var fram­leitt til­rauna­sem­ent í skólp­dælu­stöð Reykja­vík­ur­borgar við Kletta­garða ( 40% járn­blend­is­gjall og 5% kís­il­ryk ). Þessar til­raunir reynd­ust vel og styrk­leika­þró­unin var við­un­andi, sem staf­aði af kornafín­leika kís­il­ryks­ins, sem notað var í íslenska sem­ent­ið.

Hörðn­un­ar­tím­inn mun senni­lega verða erf­ið­astur við aðlögun poss­ól­an­sem­ents með hárri íblönd­un­ar­pró­sentu að því verk­lagi, sem tíðkast í nútíma steypu­gerð. Lík­legt er að það verði reynt með breyt­ingum á möl­un­ar­tækni sem­ents­ins og e.t.v. hröð­un­ar­hvöt­um, það er að segja efnum sem flýta hörðn­un­ar­ferl­inu.

Áhugi á útflutn­ingi gos­efna

Áhugi evr­ópskra sem­ents­fram­leið­enda á þess­ari nýju fram­leiðslu­tækni hefur þegar komið í ljós við nýlegar athug­anir þeirra á mögu­leikum á útflutn­ingi gos­efna héð­an. Fari svo að þær athug­anir leiði til útflutn­ings gos­efna er lík­legt að þau verði möluð hér og blönduð gjall­dufti í erlendum sem­ents­verk­smiðj­um. Þá myndi inn­flutt sem­ent notað hér á landi inni­halda íslensk poss­óla­nefni, sem flutt hafa verið út og aftur heim. Inn­flutn­ingi á gjall­dufti erlendis frá og bygg­ing blönd­un­ar­stöðva hér gætu verið fram­hald­ið.

Nýjasta nýtt

Að lokum skal nefnd ný teg­und steypu­bindi­efn­is, sem er nefnd jarð­fjölliðu -sem­ent eða geopolymer sem­ent. Þessi nýja sem­ents­teg­und harðnar á annan hátt en Portland­sem­ent. Það harðnar þegar steypu­steindir krist­all­ast (nálakrist­all­ar) við vötnun sem­ents­ins og gefa steyp­unni þannig styrk. Jarð­fjöllið­unin eða jarð­steypan (geopolymer concrete) verður aftur á móti til við ólíf­ræna fjölliðun ( geo-polymer­ization ) álsilikata, sem fyrir hendi eru í margs konar jarð­efn­um, t.d.ýmsum leir­teg­und­um, en einnig í gos­efnum og úrgangs­efnum frá iðn­aði.

Þessi efni hafa öll poss­ól­aniska eig­in­leika og eru í stórum dráttum þau sömu og þau poss­óla­nefni sem notuð eru í poss­ól­an­sem­ent. Þessi bindi­efni hafa einnig verið nefnd alkali­virk bindi­efni, þar sem hörðnun þeirra verður til við fjölliðun í upp­lausn af sterkum alka­lílút (natr­íum- eða kal­íum-hydroxíð).

Kolefna­laus og umhverf­is­væn!

Stein­steypa gerð með jarð­fjölliðun er að mestu kolefna­laus og því umhverf­is­væn. Hún nær góðum styrk og er þolin gegn áhrifum salts og sýru. Fram­leiðsla hennar krefst lægra hita­stigs ( um750°C ) og þar með minni orku en fram­leiðsla Portland­sem­ents (1450°C). Þar sem bindi­efnið mynd­ast án kalk­steins (kals­íum­kar­bónats) verður CO2 myndun hverf­andi ( 80-90% minni ) miðað við fram­leiðslu Portland­sem­ents.

Jarð­fjöllið­un­ar-­sem­ent harðnar mjög hratt og nær strax góðum styrk. Hingað til hefur það einkum verið notað í mann­virki, sem þurfa að ná fullum styrk á skömmum tíma ( t.d. við hern­að­ar­að­stæður ).

Banda­ríska sem­ents­fyr­ir­tækið Lone Star Industries hóf fram­leiðslu á geopolymer-­sem­enti undir nafn­inu Pyra­ment á níunda ára­tug síð­ustu aldar og var það notað að mestu sem blendi­efni með Portland­sem­enti í ýmsar fram­kvæmdir á vegum Banda­ríkja­hers. Fyrstu til­raunir með jarð­fjöllið­unar -bindi­efni hér á landi fóru fram hjá Nýsköp­un­ar­mið­stöð Íslands fyrir nokkrum árum og var notuð gosaska frá gos­inu í Eyja­fjalla­jökli sem grunnefni.

Spenn­andi mögu­leiki fyrir íslenskan iðnað

Þar sem til­raunir og reynsla af jarð­fjölliðun sem­ents eru ennþá skammt á veg komin og reynsla af stein­steypu með henni einnig, er örð­ugt að spá fyrir fram­tíð hennar sem bindi­efn­is. Fyrir Ísland er hún þó veru­lega áhuga­verð, þar sem hrá­efnin eru vel aðgengi­leg hér og til í miklu magni.

Aftur á móti er erfitt að spá fyrir um hvernig til tekst um sam­keppn­ina við Portland­sem­ents -kerf­ið, sem byggir á alda­gam­alli tækni­þekk­ingu og reynslu. Þó hafa vissir steypu­fram­leið­end­ur, sér­stak­lega í Ástr­al­íu, þegar hafið notkun á jarð­fjöllið­un­ar­sem­enti og þá einkum í til­bún­ar, steyptar ein­ingar fyrir hús og mann­virki með lágu kolefn­is­spori.

Verði sam­keppnin hag­stæð­ari fyrir þessa nýju sem­ents­teg­und en nú er, er hreint ekki úti­lokað að alís­lensk sem­ents­fram­leiðsla geti með tím­anum aftur orðið að veru­leika, þó að mark­að­ur­inn sé lít­ill.

Höf­undur er fyrr­ver­andi fram­kvæmda­stjóri tækni­mála hjá Sem­ents­verk­smiðju rík­is­ins.