Rendere Sostenibile l’Insostenibile: il futuro del Calcestruzzo dopo gli Accordi di Parigi sul Clima

Da professionista attivo da un ventennio nell’ambito della progettazione, della specifica, delle prove ed indagini sul calcestruzzo, ho cominciato un bel po’ di anni fa a confrontarmi con l’impatto che l’industria in cui sono coinvolto ha sul cambiamento climatico.

Il peggioramento repentino delle condizioni climatiche a scala globale di cui siamo tutti testimoni e l’indiscutibile e dimostrata dipendenza dell’incremento della concentrazione dei gas serra (nello specifico CO2) dalle attività antropiche, dovrebbero aumentare il nostro livello di consapevolezza sull’impatto che ognuno di noi ha sul cambiamento climatico, sia come individui che come membri della comunità degli ingegneri civili.

Dovremmo infatti essere tutti consci che la nostra professione ha a che fare con processi responsabili per la produzione di un volume di emissioni di CO2 antropica secondo solo ai combustibili fossili.

Dovremmo quindi chiederci cosa significa, all’atto pratico per la nostra filiera, centrare gli obiettivi di neutralità del ciclo della CO2 fissati per il 2050 dagli accordi di Parigi del 2015.

In effetti, dovremmo anche chiederci quanto fattibile nella pratica sia rendere sostenibile l’insostenibile, e dovremmo anche porci qualche domanda su quali siano gli strumenti disponibili per questa transizione, cosa ci manca, se e quanto complesso sarà raggiungere gli obiettivi e quali sono, soprattutto, i principali ostacoli al loro raggiungimento.

Quanto segue è quindi una revisione critica (ma lungi dal volere essere esaustiva) del tema mirata a rispondere ad alcune di queste domande da parte di un professionista che dedica buona parte della sua carriera alla tecnologia del calcestruzzo ed ha avuto la fortuna di confrontarsi con sfide lavorative nei cinque continenti osservando ed elaborando quindi le notevoli differenze tecniche e di retroterra culturale che si incontrano nella nostra sfera professionale (che comprende: progettisti, imprese, direzioni lavori, committenti, laboratori, fornitori, etc.)

 

Calcestruzzo sostenibile: una contraddizione in termini?

È un dato di fatto incontrovertibile che il calcestruzzo sia stato il materiale da costruzione più di successo del 20° secolo, ed i primi vent’anni del 21° secolo non sembrano indicare nessuna inversione di tendenza. Stanti le sue peculiari proprietà, la “pietra liquida” può essere modellata allo stato fresco in innumerevoli forme, una volta indurita, fornisce protezione all’armatura e, grazie alla sua omogeneità ed isotropia, trasmette/dissipa i carichi. Per questi motivi annualmente produciamo decine di miliardi di tonnellate di calcestruzzo a scala globale.

Tuttavia, considerato che il processo di produzione del cosiddetto Cemento Portland  è un’industria altamente inquinante per quanto concerne l’immissione di CO2 nell’aria, seconda solo a quella dei combustibili fossili, dovremmo essere molto cauti nel ricevere i proclami di presunta sostenibilità dei processi manufatturieri del cemento Portland che ogni tanto emergono dalla comunità. 

Infatti, un’industria che per ogni tonnellata di clinker prodotto introduce in atmosfera tra 0.60 e 0.90 tonnellate di CO2, non può certamente definirsi realmente sostenibile, ma d’altro canto, con le tecnologie disponibili al giorno d’oggi, non abbiamo molte alternative all’aggiunta di cemento Portland per produrre la pietra liquida ai ritmi e volumi richiesti annualmente dall’industria.

Questo è il calcestruzzo come oggi noi lo conosciamo: un sistema multifase liquido allo stato fresco che necessità dell’idratazione del cemento Portland per fare presa ed indurire.

Ci sono certamente delle soluzioni promettenti, come i calcestruzzi alcali-attivati, le quali sono tuttavia ancora lontane dal diventare applicazioni industriali di larga scala su, per esempio, progetti infrastrutturali. E la ragione (o, meglio, una delle ragioni) è semplice: nessun sostituto innovativo del calcestruzzo sarà mai accettato se non è stato normalizzato prima di tutto, e se manca di esempi di applicazioni in contesti simili. Quale committente si assumerebbe oggi la responsabilità di costruire le sue strutture con materiali innovativi le cui proprietà meccaniche e di stabilità chimica e volumetrica non sono mai state messe alla prova in contesti realistici e con periodi di osservazione sufficientemente lunghi?

In altre parole quindi, il cemento Portland resterà con noi ancora per qualche decennio. Il cemento Portland agisce come fase singola che idrata, va in presa ed indurisce nel calcestruzzo “convenzionale” e/o agisce come catalizzatore di reazioni pozzolaniche multifase che coinvolgono la presa ed indurimento di materiali cementizi supplementari come le ceneri volanti e la loppa. Definiremo questi materiali come: aggiunte minerali.

Quindi anche se oggi non possiamo certo esaltarci troppo in merito alla sostenibilità della produzione del cemento Portland, possiamo comunque discutere criticamente sui modi in cui il calcestruzzo può essere reso più sostenibile, da subito, diminuendogli per quanto possibile l’impronta ecologica , in modo da allinearsi agli obiettivi di medio termine definiti dagli accordi di Parigi.

 

Come raggiungere la neutralità della CO2

Le due tappe fondamentali del processo di raggiungimento della neutralità della CO2 secondo gli accordi di Parigi sono il 2030 (dimezzamento, sul medio termine, dei volumi attuali di CO2 immessi annualmente) ed il 2050 (neutralità), e la produzione di calcestruzzo non è certo in diminuzione, anzi.

Quindi, invece di focalizzarsi su scenari utopici dove il calcestruzzo 2.0 a ciclo della CO2 chiuso, ha rimpiazzato in pochi anni il calcestruzzo che conosciamo oggi, dovremmo pragmaticamente pensare che ogni innovazione tecnologica che fosse introdotta in questi anni inerente al calcestruzzo 2.0 diventerebbe applicabile a livello industriale solo dopo lunghissime ed elaborate procedure burocratiche che coinvolgono commissioni tecniche nazionali, enti di normazione, etc.

Incominciamo a pensare ad un Calcestruzzo 2.0

Definiamo il calcestruzzo 2.0 come un nuovo tipo di conglomerato liquido allo stato fresco che va in presa ed indurisce tramite alcali-attivazione o calore o altri meccanismi, senza l’aggiunta di cemento Portland.

Quindi, una volta che il calcestruzzo 2.0 fosse anche eventualmente approvato sotto il profilo tecnico-scientifico, i codici di progettazione dovrebbero essere aggiornati/modificati per permettere agli ingegneri di progettare con questo materiale innovativo, mettendoli anche in grado di specificarne le proprietà e definire le metodologie di prova e verifica.

Ed alla fine di tutto il processo di cui sopra, ci sarebbe anche bisogno di committenti audaci e coraggiosi che decidono di essere le cavie per il cambiamento, affidando al calcestruzzo 2.0 la costruzione delle loro infrastrutture, nonostante ci sarà, all’inizio, una scarsissima conoscenza delle leggi costitutive fondamentali e quindi una relativa incognita sulla riposta di questi materiali sul medio e lungo termine in esercizio.

Da questa breve introduzione possiamo concludere che saremmo naïve a pensare che, siccome il calcestruzzo come lo intendiamo oggi non è certo il candidato per costruire un futuro carbon-neutrale, dovremmo rimpiazzarlo al più presto possibile con il calcestruzzo 2.0. Perché “il più’ presto possibile”, nel mondo reale, potrebbe vuol dire in effetti decenni!

Allora, sviluppare il calcestruzzo 2.0 è un obiettivo di lungo termine (2050 ed oltre) che dobbiamo in ogni caso iniziare seriamente a perseguire da subito, mentre cerchiamo però già da oggi di tamponare l’emorragia di CO2 dell’industria della produzione del cemento riducendogli al massimo l’impronta climatica con la sua sostituzione parziale con materiali cementizi alternativi sostenibili. Diciamo parziale perché la stragrande maggioranza delle aggiunte minerali in uso non induriscono da sole, necessitando del cemento Portland come catalizzatore.

 

Emissioni e serbatoi: un equilibrio compromesso

Le emissioni di CO2 possono essere divise in emissioni da sistemi naturali, oppure emissioni antropiche. Emissioni naturali includono sorgenti come: foreste, incendi, oceani, paludi, permafrost, vulcani di fango, vulcani e terremoti. 

Le emissioni antropiche contavano per il circa il 55% del globale delle emissioni della CO2 nel 2016. Il sequestro naturale del carbonio attraverso serbatoi naturali (piante e oceani) bilancia del tutto soltanto le emissioni naturali, il che significa che ogni aggiunta extra di CO2 rende il sistema sbilanciato con un accumulo di CO2 nell’atmosfera. Nel nostro caso le aggiunte extra sono, appunto, quelle antropiche.

Inoltre, di pari passo con la recente crescita in frequenza ed intensità degli incendi boschivi estivi in regioni come gli USA occidentali, la Siberia, la Europa meridionale etc., l’equilibrio naturale tra emissioni e serbatoi è destinato a sbilanciarsi ulteriormente con un aumento di CO2 prodotta anche da sistemi naturali che è maggiore della loro capacità di assorbimento. Quindi, quelli che erano serbatoi naturali (le foreste) diventano essi stessi emettitori. Con il progressivo deterioramento delle foreste si rende maggiormente disponibile COper essere assorbita dagli oceani. 

Una parte della CO2 assorbita dagli oceani è essenziale per il sostentamento degli organismi a guscio calcareo. La concentrazione di equilibrio della CO2 negli oceani è sempre stata tale, almeno negli ultimi 12'000, anni da favorire la deposizione del calcare. Ma se la concentrazione cresce, le acque diventano acide per aumento della concentrazione di acido carbonico ed i calcari diventano instabili sciogliendosi, mettendo a rischio interi ecosistemi quali le barriere coralline e mettendo a disposizione del sistema oceanico un eccesso di CO2. Questo eccesso favorisce, oltre alla acidificazione, anche la proliferazione di alghe unicellulari che traggono sostentamento dalla CO2 a sfavore però della ossigenazione degli ambienti in cui proliferano, che diventano quindi anossici e mortali per altre specie viventi.

La CO2 atmosferica è rimasta stabile a circa 280 ppm per tutto l’Olocene. Durante questo periodo relativamente stabile l’umanità è fiorita in condizioni ambientali prevedibili (le famose stagioni di una volta) che hanno permesso di programmare raccolti, colonizzare nuove nicchie, etc. Proprio la stabilità di questo periodo ha culminato nella prima rivoluzione industriale dei primi decenni del 19° secolo, seguita dal boom economico successivo al termine del secondo conflitto mondiale.

I modelli previsionali climatici di lunga durata di cui disponiamo oggi richiedono un dimezzamento della concentrazione della CO2 del 50% entro il 2030, e la neutralità al ciclo del carbonio entro il 2050 per contenere l’aumento della temperatura di massimo 2.0°C entro il 2100 (ma con un obiettivo di non superare 1.5°C). Questo obiettivo è stato sancito dagli stati che hanno aderito agli accordi di Parigi del 2015.

Mancare questi obiettivi vorrebbe dire raggiungere un potenziale punto di non ritorno, da cui le risposte del sistema climatico diventano marcatamente non lineari facendo diventare i nostri modelli poco robusti sotto il profilo previsionale.

Se infatti lo stare dentro un incremento di 1.5°C permette in qualche modo di attenderci risposte lineari e prevedibili sul lungo termine, il superamento di questo limite potrebbe condurre ad un comportamento del clima di tipo caotico. In altre parole quelli che oggi prevediamo essere gli scenari peggiori per i prossimi decenni sulla base degli input dei modelli climatici attuali, potrebbero in realtà essere gli scenari migliori di uno spettro di eventi estremi che potrebbero anche includere la riduzione irreversibile dell’habitat di homo sapiens a causa di calore estremo persistente in alcune zone geografiche oggi abitabili, l’innalzamento estremo del livello marino, eventi climatici estremi sulle zone costiere (onde di maree anomale, uragani), geo-pericoli etc.

Senza contare, in tutto questo, l’incertezza legata alla, del tutto possibile e non prevedibile, manifestazione nei prossimi decenni di eventi naturali quali super-eruzioni vulcaniche su scala globale, che nulla hanno a che vedere con il cambiamento climatico, ma che ad esso contribuiscono immettendo in aria in pochi giorni quantità enormi di gas serra. Ovvero non ci sarebbe limite al peggio se, oltre ad esserci già fatti molto male da soli nell’uso smodato delle risorse naturali negli ultimi 200 anni, ci si aggiungessero anche fenomeni naturali catastrofici a scala globale da qui a fine secolo.

 

Emissioni antropiche

Sono stati identificati più di 7500 grandi emettitori, ma soltanto una piccola frazione di questi contribuisce a circa il 99.6% delle emissioni antropiche.

Questi sono riportati in figura 1. La filiera dei combustibili fossili è di gran lunga, con il suo 78.8%, il principale contribuente delle emissioni antropiche, seguito dall’industria cementiera (6.79%), raffinerie (5.97%) e dalla produzione siderurgica (2.83%).

il futuro del Calcestruzzo dopo gli Accordi di Parigi sul Clima

Figura 1.


Il grafico in figura 2 confronta le emissioni nel 2019 (espresse in milioni di tonnellate, Mton) pubblicato da Global Carbon Project per alcune nazioni industrializzate del primo mondo e delle economiche emergenti. Queste nazioni, vuoi per il fatto di essere fortemente industrializzate (quali: USA, Giappone, Australia e gli stati della comunità europea, per esempio), oppure perché sono soggette ad una forte espansione demografica possono essere prese come esempi di quanto contribuiscono singolarmente alle emissioni annuali di CO2.

Possiamo osservare che la Cina, seguita dagli USA, India, Russia e Giappone conducono la classifica con oltre 1.000 Mton di CO2 prodotta annualmente nel 2019. La Turchia ed Iran, che non hanno nemmeno ratificato i patti di Parigi peraltro, sono anch’esse tra i principali contribuenti alle emissioni di CO2 secondo quanto presentato in figura 2.

Emissioni antropiche di CO2

Figura 2.

 

Otteniamo uno scenario un po’ diverso invece se normalizziamo le emissioni di CO2 per abitante dividendo la produzione annuale per la popolazione censita al 2019 in queste stati (fonte: Global Carbon Project).

I risultati sono riportati in figura 3. Osserviamo che l’impronta ecologica per abitante per anno più alta è quella degli USA con una popolazione di 329,064,917 abitanti e che questa è doppia ed addirittura otto volte quella della Cina ed India rispettivamente, nazioni con approssimativamente 1.5 miliardi di abitanti.

È anche interessante notare che due nazioni con popolazione confrontabile quali Canada (37,411,047) ed Arabia Saudita (34,628,528) sono in cima alla classifica vicine agli USA. Ancora più interessante risulta il fato che gli Emirati Arabi Uniti, che hanno una popolazione di soli 9,977,529 abitanti, hanno una produzione di CO2 annuale per abitante superiore agli USA. La Svizzera, che per numero di abitanti (8,591,365) è confrontabile agli Emirati possiede un’impronta ecologica che è cinque volte inferiore per esempio.

Per quanto concerne le nazioni della comunità Europea (Italia inclusa) osserviamo che le emissioni pro-capite si attestano sui 4.0 e 8.0 kg/CO2/abitante/anno.

emissioni pro-capite di CO2

Figura 3.

Rendere sostenibile l’insostenibile

Per poter raggiungere gli obiettivi di Parigi dovremmo considerare che, mediamente, ogni contribuente di tipo antropico deve essere ridotto di almeno la metà entro il 2030 e diventare carbon-neutrale entro il 2050. Vediamo dove siamo con il calcestruzzo.

Dal momento che il clinker è prodotto dalla combustione del calcare (CaCO3) per produrre calce (CaO) ed anidride carbonica, e dal momento che la CO2 prodotta nel processo non è riutilizzata per produrre nuovo clinker, fino a che il cemento sarà prodotto in questo modo, la sua impronta ecologica non diminuirà.

Abbiamo visto che la produzione di cemento è un importante contribuente alle emissioni di CO2 antropica, seconda solo ai combustibili fossili, trasporti compresi. Ovviamente il calcestruzzo è prodotto e trasportato con l’ausilio di combustibili fossili che si aggiungono quindi all’impronta ecologica dei suoi componenti, ma qui ci soffermeremo solamente sull’analisi dell’impatto dei componenti del calcestruzzo.

I processi corollari di miscelazione, trasporto, messa in opera etc. dovranno, ovviamente, perseguire gli stessi obiettivi degli accordi di Parigi.

Un esempio d’impronta ecologica per alcuni processi associati alla produzione del calcestruzzo è il seguente:

  • Impianto di betonaggio: 0.18 kg CO2/m3
  • Betoniera (agitatore): 0.07 kg CO2/km
  • Pompa: 0.74 kg CO2/m3
  • Vibratore: 0.04 CO2 kg/m3

Se l’obiettivo è quello di ridurre del 50% le emissioni antropiche, dobbiamo di conseguenza ridurre le emissioni per ognuno dei contribuenti della figura 1. Alcuni settori potrebbero vedere riduzioni di più del 50% ed altri meno, ma in media ogni contribuente dovrebbe ridurre le emissioni in modo che, globalmente, esse siano meno del 50% delle attuali entro il 2030, per raggiungere la neutralità al ciclo della CO2 entro il 2050.

Ci chiediamo quindi come possiamo rendere più sostenibile un materiale prodotto con un componente (il cemento Portland) che è uno dei principali contribuenti alle emissioni globali di CO2.

L’impronta ecologica di ognuno dei componenti del calcestruzzo può essere trovata in varie pubblicazioni sul tema.

La tabella 1 riporta un sommario dei valori rappresentativi per cemento, aggregati etc. presenti in letteratura. L’impronta si esprime come kilogrammi di anidride carbonica richiesti per la produzione di un kilogrammo di componente.

esempio d’impronta ecologica


Prenderemo qui in considerazione soltanto le aggiunte minerali quali la loppa d’altoforno granulata, un sottoprodotto dell’industria siderurgica, e le ceneri volanti, un sottoprodotto della combustione del carbone nelle centrali termiche e di alcuni tipo di materia organica selezionata negli inceneritori, come esempi di aggiunte minerali che possono ridurre l’impronta ecologica del calcestruzzo.

....CONTINUA.

Per leggere l'intero articolo scarica il PDF, cosi potrai archiviarlo, stamparlo e condividerlo con altri.