Cómo afrontar los retos de la huella de carbono del hormigón
Si hay un único material en el que se basa el mundo moderno, es el hormigón. Durante los últimos cien años, la raza humana ha fabricado, vertido y, a menudo, demolido 100 000 millones de toneladas del ingrediente principal, el cemento Portland. Sigue, según la asociación gremial de la industria, vertiendo unos 14.000 millones de metros cúbicos cada año.
Incluso la pandemia de Covid apenas hizo mella en la producción de hormigón. Según la Agencia Internacional de Energía (AIE), en 2020 se produjo una caída de solo el 4 % en la producción de cemento y acero, aunque la represión de la construcción especulativa en China podría detener el crecimiento desenfrenado de las junglas de hormigón en todo el país, que ahora tiene un estimado de 90 millones de apartamentos vacíos.
En 1980, Europa y América del Norte representaron el 40 por ciento de la producción mundial de cemento de 900 millones de toneladas. Para 2017, esa proporción se había reducido a menos del 7 por ciento, según la organización benéfica ambiental estadounidense ClimateWorks Foundation. En ese momento, China e India representaban más del 60 % de la producción de cemento, produciendo unos 2600 millones de toneladas anuales. Los analistas esperan que el estatus de China como consumidor número uno disminuya en relación con India y otras naciones en desarrollo a medida que avanzan hacia un desarrollo mucho más urbano. Pero para 2030, la industria podría estar produciendo fácilmente unos 4800 millones de toneladas de cemento al año.
“Tendremos que construir en el futuro una ciudad de Nueva York cada mes”, afirmó Claude Loréa, director de cemento de la Global Cement & Concrete Association (GCCA), en una conferencia realizada en octubre pasado para anunciar los planes de la asociación para el gran problema del concreto: su prodigiosa producción de dióxido de carbono. En ese contexto, el 8 % de las emisiones de dióxido de carbono de la sociedad humana que genera el concreto anualmente puede parecer completamente esperado, pero es un 8 % que no es nada fácil de reducir.
La química del cemento hace que las emisiones de gases de efecto invernadero sean inevitables. Cuando se mezcla con arcilla y se calienta a temperaturas superiores a los 1400 °C, el carbonato de calcio de la piedra caliza se convierte en óxido de calcio, con el componente de carbonato liberado como gas de dióxido de carbono, y luego reacciona con la sílice de la arcilla para formar una mezcla compleja de silicatos en un producto llamado clínker de cemento. Este clinker luego reacciona con el agua para formar primero un mortero pegajoso que se endurece rápidamente incluso bajo el agua. El cemento no se seca. En cambio, gran parte del agua participa en una reacción de polimerización que la une a ella y a los otros materiales rocosos de la mezcla en un bloque sólido.
Las cifras de la GCCA mostraron que en 2019, cada tonelada de clínker resultó en la producción de 800 kg de dióxido de carbono, excluyendo las emisiones utilizadas por la generación de energía. Debido al intenso calor, ese componente de energía también es grande, un poco más de la mitad del proceso químico, según cifras recientes. Un cambio a la quema de hidrógeno o la calefacción eléctrica posiblemente podría eliminar las emisiones de las entradas de energía. Pero eso todavía deja el problema de la química. Sin embargo, la GCCA espera que la producción de cemento sea cero neta para 2050.
La diputada ecologista Caroline Lucas preguntó a un representante de la industria del hormigón del Reino Unido en una audiencia de un comité selecto sobre edificios sostenibles en octubre: «¿Cuánto trabajo pesado crees que hace la pequeña palabra ‘neto’ cuando hablamos de convertirnos en cero neto?»
Puede terminar haciendo más de lo que espera la GCCA, ya que puede tener sentido que esta sea una de las últimas industrias en pasar a fuentes de energía que no generan dióxido de carbono, aunque hay una serie de palancas que la industria puede usar junto con intercambiar sumideros de carbono por sus propias fuentes.
Las emisiones de clínker no son del todo inamovibles. La combinación de piedra caliza y arcilla se puede utilizar en proporciones comparativamente bajas con otros minerales, como la escoria de los hornos siderúrgicos. La variación en las emisiones de la producción, según los datos recopilados en 2020 por Jane Anderson y Alice Moncaster en la Open University, puede oscilar entre menos de 300 kg de equivalentes de CO2 por tonelada para algunas formas del grado CEM III, que pueden contener más del 50 por escoria y ceniza de alto horno, hasta casi 1.200 kg para los cementos blancos que se utilizan a menudo para revestir los edificios.
La sabiduría convencional ha considerado durante los últimos dos siglos que agregar grandes cantidades de cenizas volantes y escoria conduce a un cemento debilitado. CEM III no se utiliza para estructuras que necesitan alta resistencia. El concreto debilitado no es inevitable; Los arquitectos romanos se dieron cuenta de esto mucho antes de que Joseph Aspdin produjera la receta del cemento Portland de uso generalizado en la actualidad.
A pesar de su ubicuidad, la química del cemento y sus ramificaciones para la resistencia estructural no se conocen bien, en gran parte porque la química implica la interacción de tantos elementos diferentes, incluso cuando el material se ha endurecido. La demanda de hormigón más ecológico ha reavivado el trabajo de comparación de las propiedades de los cementos antiguos para ver si hay secretos que descifrar, y parece que los hay.
Investigadores de la Universidad de California en Berkeley concluyeron en 2017 que la receta romana es superior, gracias al mismo tipo de ceniza que enterró a Pompeya. El equipo de UC Berkeley usó rayos X para analizar mortero de 2000 años de antigüedad en los soportes de un muelle que queda en Orbetello, a medio camino entre Pisa y Roma, para encontrar que la inclusión de ceniza volcánica junto con agua de mar en el original no solo ayudar a endurecer la construcción pero continuar haciéndolo en el tiempo.
Plinio el Viejo, quien más tarde murió en un encuentro cercano con las cenizas de la erupción del Vesubio del año 79 d. C., notó el efecto: “Tan pronto como entra en contacto con las olas del mar y se sumerge, [se] convierte en una sola masa de piedra , inexpugnable al oleaje y cada día más fuerte.”
Las sales en el agua de mar y la roca volcánica pulverizada (puzolana) parecen haber promovido una segunda reacción química alrededor de los hidratos de aluminio y sílice que contenía: esos compuestos llevaron a que crecieran diminutas fibras duras y placas en el mortero que actúan como refuerzo.
Al trabajar en recetas que aprovechan procesos similares a los de las recetas puzolánicas romanas, los químicos podrían encontrar formas novedosas de reducir la proporción de piedra caliza en el clínker y, a su vez, reducir las emisiones generales. Sin embargo, es esta tendencia de los cementos, tanto antiguos como nuevos, a mantener reacciones químicas en estado sólido durante muchos años lo que hace que el análisis de la huella de carbono general del hormigón sea más difícil de evaluar de lo que podría parecer a primera vista.
Los óxidos de calcio y los silicatos del cemento fraguado son menos estables químicamente que los carbonatos de la roca caliza original. Esa inestabilidad permite que el concreto repare parte del daño causado por su fabricación: el cemento reabsorbe el dióxido de carbono a medida que el óxido se transforma en carbonato. Un estudio publicado hace cinco años argumentó que hasta el 40 por ciento del dióxido de carbono emitido durante la producción podría ser reabsorbido por los edificios durante un período de 80 años.
Como parte de su programa para lograr emisiones netas de carbono cero, la GCCA ha asumido una cifra más conservadora del 6 % de las emisiones del ciclo de vida completo de la producción, lo que equivaldría a una recuperación de hasta el 15 % del carbono liberado. en las reacciones de calcio en el horno.
También es poco probable que el reciclaje de hormigón sea un gran contribuyente al ahorro de emisiones. Los derribos dejan inevitablemente una pila de escombros indiferenciados que es necesario clasificar para encontrar un hormigón apto para su incorporación a la edificación, y el resultado final puede no tener la misma resistencia que el material virgen, lo que limitará su uso a sectores donde la madera puede ser la opción más sostenible.
Parece que hay margen para reducir la contribución de carbono de los materiales que van a las carreteras en general, aunque no a los puentes ni a los pasos elevados, centrándose en materiales y hormigones alternativos con mayores proporciones de escoria en las carreteras menos utilizadas, reservando los cementos de mayor calidad para las autopistas. . Tomando como ejemplo a China, esto dejaría abiertos a sustitutos cerca de dos tercios del volumen de material destinado a las carreteras del país. La proporción es aún mayor en los EE. UU., donde la construcción de autopistas es mucho menos intensiva que en el pasado.
La construcción de carreteras, sin embargo, representa una proporción relativamente pequeña del uso de hormigón, especialmente en el mundo en desarrollo, donde la demanda de cemento está aumentando más rápidamente. Incluso en los EE. UU. centrados en las autopistas, la construcción residencial por sí sola durante la crisis financiera provocada por las hipotecas de 2008-2010 demostró ser un mayor consumidor de hormigón, según datos recopilados por ClimateWorks.
El secuestro y el reciclaje conducirán a algunos ahorros en las emisiones del ciclo de vida. Pero la GCCA considera que el mayor componente de una reducción neta es la captura y el almacenamiento de carbono durante la producción, con más énfasis en la captura que en el almacenamiento.
Magali Anderson, directora de sostenibilidad e innovación del proveedor suizo de materiales Holcim, dijo en el evento de lanzamiento de cero emisiones netas de GCCA: “Veo el carbono como un recurso y ese recurso puede transformarse, ayudando a otras industrias a descarbonizarse.
“El precio del carbono, el modelo económico será absolutamente crucial en los próximos años”, agregó, señalando el suministro de dióxido de carbono a los productores de combustibles de aviación y plásticos con hidrógeno verde como fuente de energía como un objetivo principal.
Una gran ventaja que tiene la producción de cemento sobre otras industrias en lo que respecta a la captura de carbono es que la reacción química produce una mayor concentración del gas que la que se encuentra en el escape de las turbinas de gas o incluso en los hornos de fabricación de hierro. Eso hace posible utilizar métodos más baratos y sencillos para extraer el dióxido de carbono. La investigación realizada hace poco más de cinco años por investigadores del Imperial College de Londres descubrió que la captura de la fabricación de hierro y la refinación de petróleo podría costar fácilmente el doble que la de los hornos de cemento, aunque el cambio de tecnología puede reducir este diferencial.
Aunque el uso de combustibles residuales y biomasa para la producción de cemento ha crecido para mover la parte energética de la ecuación a cero neto, puede tener sentido poner más énfasis en la captura de carbono del gas natural a corto y mediano plazo. El uso de residuos y biomasa como combustible sigue estando por debajo del 20 %, incluso en EE. UU., donde los productores comenzaron a adoptarlo hace más de 30 años. China ahora calienta alrededor del 10 por ciento de la producción de su horno utilizando combustibles residuales, pero el resto es casi en su totalidad carbón. Un gran problema para cualquiera de las industrias intensivas en calor es que el precio del carbono aumentará la competencia por estos combustibles, lo que naturalmente hará que los precios suban. La industria de la aviación de EE. UU. por sí sola podría consumir fácilmente los desechos más fácilmente convertibles en sus propios combustibles sostenibles (ver E&T de julio de 2021) y ser más capaz de absorber los precios más altos de las materias primas.
La industria podría responder al continuar dependiendo de los combustibles fósiles por más tiempo que otros y enfocarse aún más en la captura de carbono. Se están realizando investigaciones sobre métodos para carbonatar las escorias y otros desechos industriales que podrían mezclarse con el clinker. Estos materiales no se carbonatan rápidamente en condiciones normales, pero si se calientan en una atmósfera de dióxido de carbono casi completo, absorberán el gas.
El gran problema con la captura de carbono como estrategia es que si no se desarrolla un mercado para el dióxido de carbono para los combustibles sintéticos y los productos químicos, el almacenamiento a largo plazo puede resultar antieconómico para los fabricantes de cemento a la escala requerida.
Otras recomendaciones, como las realizadas por ClimateWorks, se centran mucho más en la eficiencia aguas abajo en comparación con el enfoque de la GCCA en la captura. En un escenario de «sistema completo», donde los mercados finales se adaptan para usar menos concreto y sustituirlo por materiales como la madera diseñada, la contribución de la captura de carbono se vuelve mucho menos significativa. Sin embargo, hay pocos otros materiales que puedan competir con la capacidad de ser vertidos para formar carreteras, soportes de puentes o muros de soporte para edificios altos.
Tomando a China como ejemplo. El análisis de consumo de ClimateWorks mostró que fácilmente dos tercios del consumo anual reciente del país de 690 millones de toneladas de cemento ha sido para grandes edificios urbanos de hormigón y acero en lugar de construcciones más pequeñas. Dado que se trata de un uso más eficiente del material, concreto por metro cuadrado de área habitable, el rápido aumento de la vida en las ciudades en el mundo en desarrollo sugiere que estos países se desarrollarán de manera similar.
Los investigadores del grupo REBEL (Resource Efficient Built Environment Lab) de la Universidad Edinburgh Napier concluyeron que los pisos de madera laminada cruzada podrían reducir el uso de concreto y las emisiones de carbono en la construcción de edificios altos. Aquí es donde entran en juego otras consideraciones. Sam Liptrott, director de la consultora de riesgos e incendios OFR, advirtió al comité selecto de la Cámara de los Comunes en octubre que, tras el desastre de la Torre Grenfell, existe una renuencia en el Reino Unido a utilizar madera de forma tan generalizada en grandes edificios hasta que se aclare la legislación de seguridad.
Específicamente para las emisiones, la madera en sí tiene un posible aguijón en la cola: la quema o la eliminación en vertederos hace que al menos parte de la madera libere gases de efecto invernadero a la atmósfera. El vertedero puede ser peor porque puede provocar que la celulosa se descomponga en metano, que tiene un efecto peor que el dióxido de carbono que se produciría principalmente al quemarlo. Incluso con los efectos de la descomposición, que también serán exhibidos por los árboles muertos en los bosques, la liberación será al menos durante escalas de tiempo significativamente más largas que las observadas con la fabricación de concreto. Pero nuevamente proporciona una complicación adicional al problema de determinar qué resultado es mejor.
Las preguntas sobre el uso de la tierra también entrarán en juego si los constructores intensifican el uso de la madera. Los países donde la madera es relativamente escasa, como China, tendrán que importar cantidades significativas, mientras que localmente pueden producir enormes cantidades de cemento. El efecto que estas decisiones tienen sobre las emisiones es difícil de medir.
Tomando como ejemplo el crecimiento de los abetos en el sur de Suecia, Michele De Rosa de LCA Associates y sus colegas de las universidades de Aarhus y Aalborg realizaron evaluaciones del ciclo de vida bajo diferentes suposiciones, como cuándo ocurren las emisiones dentro del ciclo de vida, y descubrieron que cumplieron ampliamente diferentes resultados que van desde el secuestro efectivo de 24 kg de dióxido de carbono por metro cúbico de madera hasta más de tres toneladas de emisiones por metro cúbico.
El tiempo continúa jugando un papel importante si nos alejamos y consideramos el panorama general. Utilizando estadísticas del Reino Unido de 2008, en su informe para Chatham House, Johanna Lehne y Felix Preston demostraron que el papel del hormigón en las emisiones palidece en comparación con las emisiones generadas durante la vida útil de un edificio a través de la calefacción y el aire acondicionado y que incluso en la fase de construcción, la alta demanda de energía del acero y el vidrio y el transporte de larga distancia de materiales especializados pasan factura. El mayor impacto bien podría provenir de echar un vistazo a los excesos financieros que hicieron que gran parte del derroche de construcción de China fuera tan inútil y dañino, por lo tanto, hacer mucho más para que tanto los bancos como los desarrolladores piensen dos veces si es una buena idea verter algo de concreto. en primer lugar.