Riduzione della CO₂ nella produzione del cemento: strategie industriali e ruolo degli additivi

Perché il cemento è centrale nella sfida climatica globale

L'industria del cemento è una colonna portante delle infrastrutture globali, ma è anche un'importante fonte di emissioni di anidride carbonica (CO₂​), contribuendo a circa l'5% delle emissioni globali.

Gli sforzi dell'industria del cemento europea nel ridurre la sua impronta ecologica hanno portato a una riduzione delle emissioni del 26 % nel 2023 sulla base dei livelli del 1990 secondo dati ISPRA.

La roadmap del cemento verso la neutralità carbonica

La roadmap per la neutralità carbonica al 2050 fissata dall'industria europea del cemento evidenzia l’obiettivo ambizioso di ridurre le proprie emissioni di CO₂ del 55% entro il 2030 e il raggiungimento della neutralità carbonica al 2050, in linea con quanto previsto dal Green Deal.

L'approccio 5C della tabella di marcia di Cembureau (The European Cement Association) considera come ambiti emissivi la produzione del clinker, cemento, calcestruzzo il comparto costruzioni e re-carbonatazione, fissando obiettivi per ciascuna delle fasi della filiera espresse come riduzioni delle emissioni di carbonio.

Un ruolo significativo è svolto dal cemento stesso, che rappresenta il 15% del target totale, di cui più del 60% di questa porzione sarà ottenuto abbassando il fattore clinker nel cemento.

Da dove proviene la CO₂ nel processo produttivo del cemento

Gli impatti emissivi di CO₂ nell’industria del cemento derivano dai diversi step del processo produttivo; la tabella seguente evidenzia le fasi che contribuiscono in misura maggiore alle emissioni complessive.

L’industria italiana del cemento, così come quella mondiale ed europea, attraverso le proprie associazioni di settore, sta contribuendo attivamente alla definizione di precise roadmap per il contenimento della CO₂, ispirandosi ai principi ed agli indirizzi della comunità scientifica internazionale.

Le direttrici principali applicabili, che prevedono la riduzione della CO₂, sono molteplici:

• Efficientare il processo produttivo del clinker (quello più energivoro), studiando semilavorati a minore impatto e riducendo le emissioni connesse alla combustione (responsabile tuttavia solo per ca. il 35% delle emissioni di CO₂ totali);
• ridurre il contenuto di clinker per unità di cemento con materiali alternativi grazie all’uso di additivi di macinazione che incrementano le resistenze meccaniche;
• studiare leganti di nuova composizione, che richiedono ingenti risorse in termini di ricerca, sviluppo ed adeguamenti normativi;
• attività di ricerca e sviluppo connesse con la concentrazione della CO₂ presente nei prodotti di combustione emessi nei processi a caldo, la sua cattura per il successivo stoccaggio e riutilizzo (CCS/CCU).

Come gli additivi innovativi permettono cementi a minore impronta carbonica

Tra le soluzioni menzionate per ridurre l'impronta di carbonio del cemento, gli additivi di macinazione emergono come una soluzione efficace e pratica.

L'azione degli additivi di macinazione si traduce in una serie di benefici che incidono direttamente sulla riduzione delle emissioni di CO₂:

1. Aumento dell'efficienza di macinazione, aumento della portata del molino e riduzione del consumo energetico;
2. Possibilità di sostituzione di Clinker mediante l’utilizzo di componenti secondari (SCM), e conseguente riduzione diretta della CO₂ emessa in atmosfera.

La riduzione della quantità di clinker attualmente richiesta va ben oltre qualsiasi livello che l’industria del cemento abbia mai raggiunto tant’è che per affrontare questa sfida, sono stati rilasciati i nuovi standard tecnici, come le norme europee EN 197-5 e 197-6, che estendono la famiglia dei cementi introducendo il cemento composito denominato CEM VI e le varianti di cementi Portland compositi CEM II/C-M che hanno un ridotto contenuto di clinker.

Le nuove sfide della riduzione del clinker nei cementi possono essere affrontate e vinte grazie anche all’utilizzo di additivi chimici customizzati, formulati in modo da ottenere le prestazioni migliori e in grado di adattarsi alla specificità di ogni cemento.

Per sviluppare queste nuove tecnologie Chryso Italia effettua costantemente attività di ricerca e sviluppo che hanno portato all’individuazione di nuovi prodotti chimici, nuove combinazioni di componenti per consentire una significativa riduzione di clinker e un aumento contestuale del livello di SCM nei cementi.

Questi additivi di nuova generazione sono stati identificati con la sigla EnviroAdd^®.

Un case study industriale di successo

Impianto che utilizza un additivo di recente formulazione della LINEA ENVIROADD .

La richiesta in questo studio era quella di ridurre il contenuto di clinker nel mix del cemento passando da un cemento tipo IIALL 42,5 R ad un IIBLL 42,5 R, avendo come obiettivo quello di ottenere incrementi delle resistenze caratteristiche necessarie per poter effettuare una riduzione di clinker mantenendo contestualmente le stesse caratteristiche reologiche.

Lo studio ha consentito di analizzare le sinergie e le interazioni di più di 50 formulazioni singole al fine di comprenderne le risposte e le interazioni e le non linearità tra le sostanze chimiche più reattive rispetto il sistema specifico cementizio posto in osservazione.

Dal prospetto dei grafici si evince che ci sono delle formulazioni chimiche che hanno dimostrato una buona affinità ed altre invece che non hanno dato risposte lineari ai diversi dosaggi testati.

Le nuove formulazioni (serie EnviroAdd™ 3000) A e B sono in grado di soddisfare gli obiettivi tecnici del progetto con un aumento di circa 2 MPa a 2 giorni e di oltre 4 MPa a 28 giorni rispetto a OPTEVA^®, il che significa un aumento complessivo di circa 7 MPa a 2 giorni e di circa 12 MPa a 28 giorni rispetto al cemento non trattato.

L’uso quindi della formulazione EnviroAdd^® 3000 consentirebbe di poter aggiungere fino al 6% di calcare in sostituzione del clinker.

Basandosi sulle informazioni ottenute nei test di laboratorio, si è passati alla fase industriale dove è stato testato l’EnviroAdd^®3000 selezionando la formulazione che a parità di risultati aveva un costo di trattamento minore.

I risultati riportati nella tabella mostrano che le performance ottenute con EnviroAdd^®3000 hanno consentito di ridurre il contenuto di clinker di 6,0 pti % ottenendo anche un incremento della produzione superiore al 10 % garantendo un livello di resistenza simile sia alle brevi che alle lunghe stagionature.

La riduzione del clinker nella ricetta potrebbe portare ad una riduzione di CO₂ emessa di circa 8% rispetto alla ricetta usata attualmente.

In conclusione, gli attivatori di nuova generazione sono soluzioni innovative che possono essere personalizzate per soddisfare le esigenze individuali degli impianti, garantendo una riduzione del contenuto di clinker e di emissioni di CO₂ superiore a quella ottenibile con gli attivatori tradizionali.

L'adozione di nuove metodiche e tecnologie introdotte da Chryso Italia contribuirà, insieme alle capacità dei produttori di cemento, a poter raggiungere gli obiettivi di neutralità carbonica nel 2050.