Çimento geri dönüşümüyle iklim sorununu çözme girişimi

 (cam.ac.uk)
1 puan yazan GN⁺ 2024-05-25 | 1 yorum | WhatsApp'ta paylaş
  • Beton, dünyada sudan sonra en çok kullanılan malzeme olduğu için çimentonun CO₂ emisyonlarını azaltan teknolojiler, inşaat sektörünün iklimle mücadele çabalarını doğrudan etkiliyor
  • Cambridge araştırmacıları, çelik geri dönüşümünde kullanılan elektrik ark ocağında (EAF) atık çimentoyu birlikte işleyerek beton ve çelik üretiminin emisyonlarını aynı anda azaltan bir yöntem geliştirdi
  • Sürecin özü, çelik geri dönüşümünde kullanılan kireç flaksını atık çimentoyla değiştirerek normalde atığa giden cürufu yeni betonda kullanılabilecek geri dönüştürülmüş çimentoya çevirmek
  • Materials Processing Institute testlerinde elektrik ark ocağı tabanlı ölçekli üretim ilk kez doğrulandı; EAF yenilenebilir enerjiyle çalıştırılırsa uzun vadede sıfır emisyonlu çimento da mümkün olabilir
  • Cambridge Electric Cement süreci, 2050’ye kadar yılda 1 milyar ton üretimi hedefliyor; bu da mevcut yıllık çimento üretiminin yaklaşık dörtte birine karşılık geliyor

Elektrik ark ocağında çimentoyu yeniden üretme yöntemi

  • Cambridge araştırmacıları, çelik geri dönüşümünde kullanılan elektrik ark ocağından yararlanarak çimentoyu birlikte geri dönüştürmenin bir yolunu geliştirdi
  • Bu yöntem, Nature dergisinde yayımlanan Electric recycling of Portland cement at scale çalışmasıyla duyuruldu
  • Mevcut çelik geri dönüşümünde safsızlıkları gidermek için kireç flaksı kullanılıyor ve işlem sonucu ortaya çıkan ürün genellikle cüruf atığı oluyor
  • Atık çimento kireç flaksının yerini aldığında nihai ürün, yeni betonda kullanılabilecek geri dönüştürülmüş çimento haline geliyor
  • Bu süreç, beton veya çelik üretimine anlamlı bir maliyet eklemeden kireç flaksı ihtiyacını azaltıyor ve her iki taraftaki emisyonları düşürüyor

Çimento emisyonlarının yüksek olmasının nedeni

  • Beton; kum, çakıl, su ve çimentodan üretilir; çimento bağlayıcı görevi görür
  • Çimento, beton içindeki miktar olarak küçük bir paya sahip olsa da beton kaynaklı emisyonların neredeyse %90’ından sorumludur
  • Geleneksel çimento üretiminde, kireç taşı ve ham maddeler öğütüldükten sonra büyük fırınlarda yaklaşık 1.450°C’ye ısıtılan klinkerleşme (clinkering) sürecinden geçer
  • Bu süreçte kireç taşı kirece dönüşürken dekarbonasyona uğrar ve büyük miktarda CO₂ açığa çıkar
  • Bilim insanları son 10 yılda uçucu kül gibi alternatiflerle betondaki çimentonun yaklaşık yarısını ikame etme yöntemlerini araştırdı; ancak bu alternatiflerin sertleşmesi için geride kalan çimentonun kimyasal aktivasyonuna ihtiyaç vardır
  • Julian Allwood, küresel çimento talebinin yılda yaklaşık 4 milyar ton olduğunu belirterek bu tür ikamelerle fiziksel olarak yeterli miktara ulaşmanın zor olduğunu düşünüyor

Atık beton ile çelik üretimi cürufunu birleştiren deney

  • Fikir, eski betonu kırıp kum ve taşları ayırdıktan sonra çimentoyu ısıtınca suyun uzaklaşacağı ve yeniden klinker oluşturabileceği düşüncesinden yola çıktı
  • Klinkerleşme için ısı ve uygun oksit kombinasyonu gerekir; atık çimentoda bu bileşenler bulunur ancak yeniden etkinleştirme gerekir
  • Araştırmacılar, yıkım atıklarına kireç, alümina ve silika ekleyerek çeşitli cüruflar oluşturdu; bunları Materials Processing Institute’un EAF’sinde erimiş çelikle birlikte işledikten sonra hızla soğuttu
  • Cyrille Dunant’a göre çimento klinkeri ve demir oksit kombinasyonu, iyi köpüren ve iyi akan bir çelik üretimi cürufuna dönüşüyor
  • Bileşen dengesi sağlanıp cüruf yeterince hızlı soğutulursa, çelik üretimi sürecine maliyet eklemeden yeniden etkinleştirilmiş çimento elde edilebiliyor
  • Bu geri dönüştürülmüş çimentonun demir oksit içeriği geleneksel çimentodan daha yüksek olsa da performansa etkisinin küçük olduğu değerlendiriliyor

2050’de 1 milyar ton üretim hedefi

  • Materials Processing Institute’un son testleri, geri dönüştürülmüş çimentonun elektrik ark ocağında ölçekli üretilebileceğini gösterdi; bu ilk kez başarılan bir örnek
  • Cambridge Electric Cement süreci hızla ölçek büyütüyor
  • 2050’ye kadar yılda 1 milyar ton üretim mümkün olabilir; bu, mevcut yıllık çimento üretiminin yaklaşık dörtte biri
  • EAF yenilenebilir enerjiyle çalıştırılırsa bu yöntem uzun vadede sıfır emisyonlu çimento üretimine yol açabilir
  • Araştırmacılar, ticarileşmeyi desteklemek için bu süreç için patent başvurusunda bulundu

Teknoloji kadar önemli olan beton kullanımını azaltmak

  • Allwood, sıfır emisyonlu çimento üretiminin “absolute miracle” olduğunu, ancak çimento ve beton kullanımının da azaltılması gerektiğini söylüyor
  • Beton ucuz, güçlü ve neredeyse her yerde üretilebilir; ancak mevcut kullanımın aşırı yüksek olduğu görüşünde
  • Güvenlikten ödün vermeden beton kullanımı büyük ölçüde azaltılabilir; ancak bunun için siyasi irade gerekir
  • Cambridge Electric Cement yalnızca inşaat sektörü için bir dönüm noktası olmakla kalmayıp, sıfır emisyon dönüşümünde inovasyon fırsatlarının enerji sektörünün ötesine geçtiğinin de bir işareti olabilir

İlgili okumalar

1 yorum

 
GN⁺ 2024-05-25
Hacker News yorumları

  • Şaşırtıcı biçimde, betonu çelik geri dönüşümünde kullanılan büyük elektrik ark fırınlarıyla geri dönüştürüyorlar. Ark fırını güneş enerjisiyle çalıştırılırsa sıfır emisyonlu betonun da mümkün olabileceği düşünülüyor.
    Beton şu anda insan kaynaklı karbon emisyonlarının %7,5'ini oluşturduğu için bu büyük fark yaratabilir. Ark fırınları muazzam enerji tüketir, ama güneş enerjisi her iki yılda bir ikiye katlanırsa günün belirli saatlerinde başa çıkılamayacak kadar fazla elektrik kalır; ark fırınları da negatif spot elektrik fiyatlarını soğurmak için iyi bir araç olur.

    • Elektrik ark fırını rakamlarını kabaca hesaplarsak, Wikipedia'ya göre 1 ton çelik için teorik olarak 1,44 GJ (0,4 MWh) gerekiyor; 300 ton için 132 MWh ve yaklaşık 37 dakikalık elektrik verme süresi gerekiyor.
      https://ourworldindata.org/grapher/electricity-prod-source-s... verilerine göre küresel yenilenebilir elektrik üretimi 2021'de 10.700 TWh, 2023'te 11.600 TWh idi; 2023 ham çelik üretimi 1,5 milyar tondu ve bunun %30'u elektrik fırınlarında üretildi. Bu %30'un %20'sinin zaten yenilenebilir elektrik olduğunu varsaysak bile %24, yani 360 milyon ton yeşil elektriğe ihtiyaç duyar; 360 milyon × 0,4 MWh = 144 TWh gerekir. Bu varsayımı çıkarırsak yaklaşık 152 TWh eder; teoride küresel yenilenebilir elektriğin yaklaşık %1,5'i kullanılarak ham çeliğin elektrik fırını üretimindeki %24'lük bölüm ikame edilebilir. Küresel yenilenebilir elektrik artış oranı +%5 olduğuna göre, çelik üretimini yeşilleştirmek teoride 1 yılda mümkün görünüyor; rakamlar %100 yanlış olsa bile bu 2 yıl düzeyinde. Ancak bu %5, kömür ve gaz tüketiminde %5 düşüşle birlikte gelmezse bunun anlamı yok; gerçeklik de böyle değil.
    • Artan güneş elektriğini kullanmaya çalışırken sık yaşanan sorun, o elektriği tüketecek tesisin sermaye maliyetinin çok yüksek olması; günün diğer saatlerinde boş kalırsa ekonomik olmuyor. Tuzdan arındırma tesisleri buna bir örnek; bu tür ark fırınlarında da aynı sorun olur mu merak ediyorum.
    • Burada önemli olan, bu teknolojinin yalnızca beton geri dönüşümü yapması. %7,5'lik emisyonun büyük kısmı yeni yollar ve yeni binalar gibi toplam beton kullanımını artıran yeni inşaattan geliyor; eski bina ya da yolları yıkıp yerine yenisini yapmaktan gelen pay çok küçük.
      Ölçek büyüse bile %7,5'i muhtemelen ancak biraz azaltır.
    • “Güneş enerjisi her iki yılda bir ikiye katlanırsa yakında başa çıkılamayacak kadar fazla elektrik olur” sözündeki yakında ne kadar yakın, merak ediyorum.
      https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=50357
    • Elektrik fazlası yalnızca kısa vadeli olur. İnsanlar elektriği kullanmanın bir yolunu çabucak bulur. O kadar çok enerji yoğun iş var ki insanlığın uzun süre elektriğe doyması mümkün olmayacak.
      Suyu tuzdan arındırabilir veya kripto para madenciliği yapabilirsiniz; insan seviyesinde yeteneklere sahip robotlar ortaya çıkarsa her şeyin üretimini durmaksızın artırabilirsiniz.

  • Çok harika bir keşif, ama bugün de kullanılmış çimento doğrudan düzenli depolama sahasına gitmiyor.
    Çimentonun çoğu betona dönüşür; çeşitli boyutlarda kırılan beton ise yol inşaatı vb. işlerde kırma taştan daha ucuz agrega olarak kullanılan değerli bir malzemedir. Yaşadığım bölgede kırılmış beton satış ilanı görüp aradığımda çoğu zaman çoktan satılmış oluyor. Çevredeki toprak kil ve kum olduğu için böyle malzemeler hep kıt gibi görünüyor.

    • Burada yapılardan ve kaplamalardan çıkan yıkım betonunu yeni geliştirme sahalarında yapısal dolgu malzemesi olarak kullanmak yaygın. Bazen aynı sahada yeniden kullanılıyor; bazı kurumlar da kalan değeri olduğu için yüklenicinin sahadan çıkarmasına izin vermiyor.
      Beton molozunun sahada bile geri kazanım değeri var. Bu yöntemle geri dönüştürmek için önce değirmene taşımak, kırmak, ayırmak ve tekrar ergitme fırınına taşımak gerekiyor; makalede anlatılan süreç ancak bundan sonra başlıyor.

  • “Mümkünse büyük olay” olan kısım, betonu hidrate çimento hamuruna geri döndürmek gibi görünüyor.
    Asıl makale: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07338-8
    Makalede geri kazanılmış çimento hamurunun (RCP) şu anda ticari ölçekte tedarik edilmediği; iyileştirilmiş geri kazanılmış agreganın değerinin ek işleme maliyetini karşılayacak kadar yüksek olmaması nedeniyle RCP'nin şu anda depolandığı belirtiliyor. Bununla birlikte büyük ölçekli RCP üretimi için gereken know-how ve teknolojinin mevcut olduğu söyleniyor ve [22]'ye atıf yapılıyor.
    22. Geri dönüştürülmüş beton agregalarının (RCA) termomekanik zenginleştirilmesi: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S095006182...
    Ancak atıf yapılan makale, betonu RCP'ye geri dönüştürme teknolojisinin mevcut olduğu iddiasını desteklemiyor. O makale, geri dönüştürülmüş beton agregasından (RCA) yapışık harcın (AM) uzaklaştırılmasını ele alıyor.

  • Bu konunun HN’deki bayraklama sürecinden geçmesine rağmen ayakta kalmasına sevindim
    Sondaj jeotermali gibi diğer umut vadeden karbonsuz enerji kaynaklarının da tartışılması iyi olurdu. Biraz konu dışı ama sıradan insanlar NET-ZERO == MAX-CO2 == MAX-HEAT dediğinizde sık sık şaşırıyor. Net sıfır emisyona ulaştığınızda görevin tamamlandığını düşünmek kolay; ama asıl önemli olan eğrinin altındaki alan, yani atmosfere gönderdiğimiz toplam CO2/sera gazı eşdeğeri miktarı ve bunlar uzun süre kalıyor
    Şu anda zaten +1,5°C’ye yaklaşıyoruz ve emisyonların yüksek bir plato halinde sürdüğü mevcut koşullarda sıcaklık her 10 yılda yaklaşık 0,25~0,3°C artarsa, 2050 civarında net sıfır emisyona ulaştığımızda büyük olasılıkla +2,5~+3,0°C aralığında olacağız. +2,5°C’nin büyük nüfuslar için yaşanabilir olup olmadığından emin olmadığım için güneş radyasyonu yönetimi (SRM) gibi şeylere kadar bakmaya başlıyorum. Örneğin kükürt parçacıkları göndererek bulutluluğu artırmak ve okyanusun emdiği güneş ışığını azaltıp net bir soğutma etkisi yaratmak gibi. Yakın zamana kadar konteyner gemisi yakıtlarındaki kükürt böyle bir etki yaratıyordu, ancak daha sonra yakıtların kükürt içeriği düşürülecek şekilde düzenlendi
    Sonuçta, CO2’si yüksek sıcak bir biyosferi jeomühendislikle yaratarak bu karmaşaya girdik; çıkarken de mühendisliğe ihtiyaç duyacak gibiyiz. Yine de karbon yakıtların yerini alabilecek, enerjiyi depolayabilecek ve ısıyı azaltabilecek gibi görünen çok sayıda teknolojinin olması sevindirici

    • Kükürt enjeksiyonunun gerekebileceğine katılıyorum, ancak iki şeyle sıkı biçimde bağlantılı olmalı. Birincisi, CO2 ve metan gibi gazların zorunlu azaltımı eşlik etmeli. SRM sorunu ertelemektir ve daha fazla kirlilik için geçici bir çözüm haline gelmemeli
      İkincisi, sürekli finansman garanti altına alınmalı. 20 yıl SRM yapıp sonra aniden durursanız, 20 yıllık iklim değişikliği artışı bir anda ortaya çıkar. Ayrıca neredeyse tüm ülkelerin katılması için insanlık tarihinin en büyük diplomatik hamlesi gerekir. Tüm ülkeler etkileneceği için, uzlaşma olmadan bu çatışmaya yol açabilir. Örneğin Rusya daha yüksek sıcaklıklar ve daha uzun ürün yetiştirme dönemleri bekliyor

  • Bir başka yol da 10 yıl sonra yıkılması gereken şeyler inşa etmemek. Şehirlerdeki büyük beton binaların önemli bir bölümü 20 yıl dolmadan yıkıldı; bazıları 10 yıl içinde ortadan kalktı
    Bu epey savurganca, bu yüzden planlama ve öngörüyle mutlaka daha iyi bir yol olmalı

  • Çelik geri dönüşümünde kullanılan flaksı atık betonla değiştirip, işe yaramaz cüruf yerine geri dönüştürülmüş çimento elde etme yöntemi
    Gerçekten iyi bir fikir, ama dünyadaki tüm çelik üretimi bu yönteme geçse bile çimento üretimi üzerindeki etkisinin sınırlı olacağını akılda tutmak gerek. Çelik yaklaşık 100 milyon ton/yıl, çimento ise yaklaşık 4 milyar ton/yıl ölçeğinde

    • Sanırım bir ülkenin üretimini dünya üretimi sanmış olabilirsiniz
      https://www.statista.com/statistics/267264/world-crude-steel...
      2022’de dünya ham çelik üretimi yaklaşık 1,9 milyar tondu. Yine de çimento üretimi üzerindeki etkinin küçük olacağı yönündeki sezginiz doğru
      Bu rapora göre cevherden yeni çelik üretirken 1 ton çelik başına yaklaşık 270 kg kireçtaşı, elektrik ark ocağında çelik geri dönüştürürken ise 88 kg gerekiyor
      https://worldsteel.org/wp-content/uploads/Fact-sheet-raw-mat...
      Küresel çelik üretiminin yaklaşık %35’i geri dönüşümden, %65’i cevher bazlı üretimden geliyor. Dolayısıyla geri dönüştürülmüş çeliğe uygulanan bu Cambridge çalışması yaklaşık 59 milyon ton kireçtaşı tüketiminin yerini alabilir. Küresel çimento tüketiminin milyarlarca ton olduğu düşünülürse küçük, ancak elektrik ark ocağına sahip yerel yönetimler için bölgesel olarak anlamlı olabilir

  • Cambridge araştırmacıları, kullanılmış çimentonun kireç flaksı için etkili bir ikame olduğunu keşfetmiş. O halde bu betonun çelik üretimi sırasında yalnızca ikame malzeme olarak “geri dönüştürüldüğünü” düşünüyorum
    Bu yöntemi ölçeklendirmek zor. Geri dönüştürmek istediğiniz betonun yalnızca %1’ini bile işlemek için muazzam miktarda daha fazla çelik üretmek gerekir

    • Öyle değil. Kireç flaksının yerini alıyor; yan etki olarak çimento yeniden etkinleşip klinker oluşuyor ve bu da yeni betonda tekrar kullanılabiliyor
      Oldukça havalı bir hack
    • Bu %1 rakamından ne kadar emin olduğunuzu merak ediyorum. %20 ya da %50 olmadığından emin misiniz?
    • Aynı çeliği tekrar tekrar kullanıp çimentoyu büyük ölçekte işlememek için bir neden var mı merak ediyorum

  • Çimento üretimi, küresel karbondioksit emisyonlarının önemli bir nedeni. Etkili çimento geri dönüşüm yöntemlerinin geliştiriliyor olması şaşırtıcı