البناء الأخضر.. تقنيات جديدة لإنتاج أسمنت أقل تلويثاً

يتعارض الطلب المتزايد على المساكن في معظم المدن الكبرى في جميع أنحاء العالم بشكل كبير مع الجهود المبذولة للحد من انبعاثات غازات الدفيئة، حيث أن لبنات البناء الفعلية – الخرسانة والأسمنت – لمشاريع البناء هي نفسها "ملوثة للغاية".

ويأتي ما يقرب من 7% من كل الانبعاثات الكربونية، اليوم، من إنتاج الأسمنت، مما يجعله واحداً من القطاعات الصناعية الأعلى انبعاثاً، وفقاً لشركة ماكينزي الاستشارية.

وقالت كلود لوريا، مديرة الأسمنت والابتكار والممارسات البيئية والاجتماعية والحوكمة في "الرابطة العالمية للأسمنت والخرسانة" جي سي سي إيه: "الخرسانة هي مادة بناء أساسية". "ثلاثة أرباع البنية التحتية التي ستكون موجودة في عام 2050، لم يتم بناؤها بعد."

وحوالي 90% من الانبعاثات في الأسمنت البورتلاندي التقليدي تأتي من إنتاج الكلنكر - وهو عنصر اللصق الذي يجمع الماء والحصى والرمل معاً - والذي يشكل ما يقرب من ثلاثة أرباع المنتج النهائي.

وعادة، يتم تصنيع الكلنكر عن طريق تسخين الحجر الجيري والطين في فرن دوار إلى درجات حرارة أعلى من 2700 درجة فهرنهايت، وغالباً ما يستخدم الفحم لتشغيل هذه الأفران. ويتم إطلاق حوالي ثلثي انبعاثات الكلنكر بواسطة الحجر الجيري عند تسخينه بينما يأتي الباقي من احتراق الوقود لتوليد الحرارة.

وتم تكرار هذه العملية منذ آلاف السنين، لكن الشركات تتطلع الآن إلى تغييرها. وتشمل مقاربات معالجة المشكلة تحسين كفاءة استخدام الطاقة، واستخدام أنواع الوقود الأنظف، واحتجاز انبعاثات الكربون الناتجة والتحول إلى مواد خام بديلة.

زيادة الكفاءة

إحدى الطرق التي تتطلع بها الصناعة إلى تحسين الاستدامة في إنتاج الأسمنت هي مكاسب الكفاءة.

وتهدف الشركة البريطانية الناشئة "كاربون ري" Carbon Re إلى تحسين استخدام الوقود من خلال توظيف الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي. وواحدة من القضايا الرئيسية في الصناعة هي هدر الوقود، وفقاً للمؤسس المشارك لشركة "كاربون ري"، إيدان أوسوليفان، الذي قال إن اختلاف خصائص الفحم يعني أن معظم المنتجين غالباً ما يستخدمون الكثير منه لإنتاج الكلنكر.

وتقوم الشركة الناشئة بتحليل الاستخدام الفعلي للوقود لعدد من المنتجين لتدريب خوارزمية التعلم الآلي الخاصة بها للتنبؤ بالوقود الأمثل اللازم لمصدر وقود معين وهدف إنتاج معين. وأوضح أوسوليفان بقوله: "نحن نتطلع إلى تحسين عملية استهلاك الوقود بحيث تستخدم ما يكفي من الطاقة للحصول على التفاعل الكيميائي الذي تحتاجه".

ويمكن لهذا التحسينات الصغيرة أن تضيف كثيراً على تأثير الانبعاثات، وقال أوسوليفان: "إن توفير الوقود بنسبة 2% يعني توفير عشرات الآلاف من الأطنان من الكربون لكل مصنع". وأضاف أن هذا التطور له آثار أوسع أيضاً: "هناك فرصة كبيرة لاستخدام تقنيات الذكاء الاصطناعي في الصناعات الثقيلة حيث تبلغ مساهمتها 20% من انبعاثات الكربون".

أنواع الوقود الجديدة

ويتطلع آخرون إلى تغيير نوع الوقود تماماً. وتعمل شركة "سيمكس" Cemex، إحدى أكبر شركات إنتاج الأسمنت في العالم، مع شركة "سينيليون" Synhelion ومقرها سويسرا لإنتاج الكلنكر باستخدام الطاقة الشمسية بدلاً من الفحم. وفي العام الماضي، قالت الشركتان إن مشروعهما التجريبي في إسبانيا أنتج الكلنكر بدون الوقود الأحفوري.

وبموجب هذا النهج، تقوم المرايا بتركيز ضوء الشمس في جهاز الاستقبال الشمسي الخاص بشركة "سينيليون" Synhelion والذي يستخدم لتسخين الفرن إلى حوالي 2700 درجة فهرنهايت لإنتاج الكلنكر بدون الوقود الأحفوري. وقال جيانلوكا أمبروسيتي، الرئيس التنفيذي المشارك والمؤسس المشارك لشركة "سينيليون": "نحن نزيل احتراق الوقود الأحفوري على الرغم من ارتفاع درجات الحرارة أيضاً".

وتعمل الشركتان الآن لمعرفة ما إذا كان من الممكن إجراء العملية في دورة مستمرة عن طريق إضافة تخزين الطاقة الحرارية إلى عمليتها، وتهدف إلى إنتاج الكلنكر بالطاقة الشمسية تجارياً بحلول عام 2030.

احتجاز الكربون

وتتطلع شركة "سينيليون" Synhelion أيضاً إلى إضافة احتجاز الكربون إلى نموذجها لامتصاص ثاني أكسيد الكربون الصادر عن الحجر الجيري، إلى جانب خفض تلك الانبعاثات من الاحتراق لإنتاج الحرارة.

وتعتبر وكالة الطاقة الدولية احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه وسيلة لتقليل الانبعاثات في الصناعة، لكن امتصاصه كان بطيئًا في الوقت الحالي. وفي سيناريو صافي الانبعاثات الصفرية بحلول عام 2050، تقول وكالة الطاقة الدولية: "يجب تخزين 8% من ثاني أكسيد الكربون الناتج عن القطاع عالميًا بحلول عام 2030، ارتفاعًا من مستويات لا تذكر، اليوم. لكن التقدم في الانتشار والاستثمار في هذا المجال لا يزال محدوداً، حيث لا تزال هذه التقنيات في مراحل مبكرة نسبياً من التطوير، اليوم.

وتتطلع شركة "هايدلبرغ" Heidelberg Materials، إحدى أكبر شركات إنتاج الأسمنت في العالم، إلى تغيير ذلك الوضع. وتقوم شركة هايدلبرغ حالياً ببناء منشأة لاحتجاز الكربون وتخزينه لتشغيلها إلى جانب مصنعها في بريفيك بالنرويج. ويهدف المشروع إلى البدء في التقاط الانبعاثات من الإنتاج بحلول نهاية العام المقبل مع القدرة على استيعاب ما يقرب من 400 ألف طن سنوياً عند التشغيل الكامل، وسيكون هذا أول موقع واسع النطاق لاحتجاز الكربون في العالم في مصنع للأسمنت.

وقد اختارت "هايدلبرغ" ما يسمى باحتجاز الأمينات (احتجاز الكربون القائم على الأمينات)، والذي يستخدم المذيبات الكيميائية لالتقاط وامتصاص انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من خلال تفاعل كيميائي. ويتم بعد ذلك تسييل ثاني أكسيد الكربون وشحنه بواسطة شراكة جديدة بين شركات شل وتوتال وإكوينور ليتم تخزينه تحت قاع البحر بالقرب من مدينة بيرغن.

وقال كريستوف بيوميلبيرج، مدير الاتصالات في هايدلبرغ: "في الأساس، عندما ننظر إلى كيفية إزالة الكربون، فهي أداة كبيرة في صناعة الأسمنت". وأضاف: "إذا كنا نرغب في معالجة تلك الانبعاثات، فإن تقنية احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه هي إحدى التقنيات التي نحتاج إلى إلقاء نظرة عليها".

مواد جديدة

هناك فكرة أخرى تستكشفها الصناعة وهي التخلص من المواد التقليدية تماماً، وبالتالي تجنب عملية الكلنكر.

تتجنب شركة "بارتانا" Partanna، ومقرها ولاية ديلاوير، استخدام الأسمنت البورتلاندي كمادة لاصقة وتعتمد بدلاً من ذلك على الكيمياء الطبيعية. وتأسست الشركة في عام 2020 من قبل لاعب الاتحاد الوطني لكرة السلة السابق ريك فوكس، وتستخدم الشركة مزيجاً من المياه المالحة من محطات تحلية المياه ومنتجات النفايات الناتجة عن إنتاج الصلب تسمى ركام المعادن أو (الخبث) لإنشاء شكل جديد من الأسمنت.

وقال فوكس: "نأخذ الخبث ونأخذ محلول ملحي، وهما مادتان معاد تدويرهما، ونجمعهما معاً ونمزجهما في درجات الحرارة المحيطة فقط، لذلك لا نحتاج إلى الحرارة الزائدة المستخدمة في توليد الأسمنت". بالإضافة إلى إنشاء أسمنت بديل، تمتص العملية أيضاً ثاني أكسيد الكربون أثناء تفاعل المادتين.

وتقول شركة "بارتانا" إن الأسمنت الجديد قوي مثل شكل البورتلاند التقليدي، ولأنه يستخدم محلول ملحي كمادة خام، فإنه يصبح أقوى إذا تعرض لمياه البحر - وهي سمة مفيدة بشكل خاص للجدران البحرية والدفاعات ضد الفيضانات والجدران في المناطق المتضررة من العواصف أو الأعاصير.

وقال فوكس، المولود في جزر البهاما، إن آثار إعصار دوريان في عام 2019 على جزره سلطت الضوء على الحاجة إلى مواد بناء أقوى في المناطق الفقيرة الأكثر عرضة لآثار تغير المناخ. "لقد زاد اهتمامي بالموضوع عبر جهودي للبقاء على قيد الحياة كمواطن من جزر البهاما يريد أفهم أين كنا في العالم بشأن تأثيرات المناخ."

وتعمل بارتانا حالياً مع حكومة جزر البهاما لبناء 1000 منزل بأسعار معقولة باستخدام الأسمنت، وتجري أيضاً محادثات مع أحد أصحاب الفنادق في لاس فيغاس لتوفير الأسمنت لمشروع جديد.