セメントのリサイクルで気候問題の解決に挑む
(cam.ac.uk)- コンクリートは世界で水に次いで多く使われる材料であり、セメントの CO₂排出 を減らす技術は建設業界の気候対応に直接影響する
- Cambridge の研究チームは、鉄鋼リサイクル用の 電気アーク炉（EAF） で廃セメントを一緒に処理し、コンクリートと鉄鋼生産の排出を同時に下げる方法を開発した
- 工程の中核は、鉄鋼リサイクルで使う 石灰フラックス を廃セメントで置き換え、通常は廃棄されるスラグを新しいコンクリートに使える再生セメントへ変えることにある
- Materials Processing Institute の試験で、電気アーク炉ベースの 量産 が初めて確認され、再生可能エネルギーで EAF を稼働させれば、長期的にはゼロ排出セメントも可能になる
- Cambridge Electric Cement プロセスは、2050年までに年間 10億トン の生産を目指しており、これは現在の年間セメント生産量の約4分の1に相当する
電気アーク炉でセメントを再生する方法
- Cambridge の研究チームは、鉄鋼リサイクルに使う 電気アーク炉 を活用してセメントも一緒にリサイクルする方法を開発した
- この方法は、学術誌 Nature に掲載された Electric recycling of Portland cement at scale の研究で公開された
- 従来の鉄鋼リサイクルでは、不純物除去のために 石灰フラックス を使い、処理後の生成物は通常スラグ廃棄物になる
- 廃セメントが石灰フラックスを置き換えると、最終生成物は新しいコンクリートに使える 再生セメント になる
- この工程は、コンクリートや鉄鋼の生産に大きな追加コストをかけずに、石灰フラックスの必要量を減らし、両方の排出を下げる
セメントの排出が大きい理由
- コンクリートは砂、砂利、水、セメントで作られ、セメントは結合材の役割を果たす
- セメントはコンクリート中の割合こそ小さいが、コンクリート由来排出のほぼ 90% を占める
- 従来のセメント生産では、石灰石と原料を粉砕した後、大型キルンで約 1,450°C に加熱するクリンカリング（clinkering）工程を経る
- この過程で石灰石は石灰へと脱炭酸され、大量の CO₂ が排出される
- 科学者たちは過去10年間、フライアッシュのような代替材でコンクリート中のセメントの半分近くを置き換える方法を研究してきたが、これらの代替材は硬化のために残ったセメントの化学的活性化を必要とする
- Julian Allwood は、世界のセメント需要は年間約 40億トン であり、このような代替材だけでは物理的に十分な量を確保するのは難しいと見ている
廃コンクリートと製鋼スラグを結び付けた実験
- 古いコンクリートを砕いて砂と石を取り除いた後、セメントを加熱すれば水分が抜け、再びクリンカーを形成できるというアイデアから出発した
- クリンカリングには熱と適切な酸化物の組み合わせが必要で、廃セメントにはそれらの成分があるものの、再活性化が必要となる
- 研究チームは、解体廃棄物に石灰、アルミナ、シリカを加えてさまざまな スラグ を作り、Materials Processing Institute の EAF で溶融鉄鋼とともに処理した後、急冷した
- Cyrille Dunant によれば、セメントクリンカーと酸化鉄の組み合わせは、泡立ちやすく流動性の高い製鋼スラグになるという
- 成分のバランスを整え、スラグを十分な速さで冷却すれば、製鋼工程に追加コストをかけずに 再活性化されたセメント を得られる
- この再生セメントは従来のセメントより酸化鉄含有量が高いが、性能への影響は小さいと評価されている
2050年までに10億トン生産を目標
- Materials Processing Institute の最近の試験は、電気アーク炉で再生セメントを 大規模に生産 できることを示し、これは初の達成事例となった
- Cambridge Electric Cement プロセスは急速に規模を拡大している
- 2050年までに年間 10億トン の生産が可能になる可能性があり、これは現在の年間セメント生産量の約4分の1にあたる
- EAF が再生可能エネルギーで稼働すれば、この方法は長期的に ゼロ排出セメント の生産につながり得る
- 研究チームは商用化を支援するため、このプロセスに関する特許を出願した
技術と同じくらい重要なコンクリート使用量の削減
- Allwood は、ゼロ排出セメントの生産は「absolute miracle」だが、セメントとコンクリートの使用量も減らすべきだと語る
- コンクリートは安価で強く、ほぼどこでも作れるが、現在の使用量は過剰だという立場だ
- 安全性を損なうことなくコンクリート使用量を大幅に減らせるが、そのためには 政治的意思 が必要になる
- Cambridge Electric Cement は建設業界のブレークスルーであるだけでなく、ゼロ排出への移行におけるイノベーションの機会がエネルギー分野を超えて広がっていることを示すシグナルにもなり得る
1件のコメント
Hacker Newsのコメント
驚くべきことに、鉄鋼リサイクルで使われる大型の電気アーク炉でコンクリートをリサイクルしている。太陽光でアーク炉を動かせば、排出ゼロのコンクリートも可能だと思う
現在、コンクリートは人為的な炭素排出の**7.5%**を占めているので、大きな差を生み出せる可能性がある。アーク炉は膨大なエネルギーを消費するが、太陽光が2年ごとに倍増すれば、日中の特定時間帯には扱いきれないほど電力が余るようになり、アーク炉はマイナスの電力スポット価格を吸収する良い手段になる
https://ourworldindata.org/grapher/electricity-prod-source-s...によると、世界の再生可能電力は2021年に10,700TWh、2023年に11,600TWhで、2023年の粗鋼生産量は15億トン、そのうち30%が電炉で生産されている。この30%のうち20%がすでに再生可能電力だと仮定しても、24%、つまり3.6億トンがグリーン電力を必要とし、3.6億 × 0.4MWh = 144TWhが必要になる。この仮定を外すと152TWh程度なので、理論上は世界の再生可能電力の約1.5%を投入すれば、粗鋼の電炉生産分の24%を置き換えられる。世界の再生可能電力の増加率は+5%だったので、鉄鋼生産のグリーン化は理論上1年で可能に見え、数字が100%間違っていても2年程度だ。ただし、その5%が石炭・ガス消費の5%減少を伴わなければ意味がなく、現実はそうではない
規模が大きくなっても、7.5%を少し減らす程度である可能性が高い
https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=50357
水を淡水化したり、暗号通貨を採掘したりもできるし、人間レベルの能力を持つロボットが登場すれば、あらゆるものの生産を際限なく増やせる
とても素晴らしい発見だが、現在でも使用済みセメントがそのまま埋立地に行くわけではない
セメントの大半はコンクリートになり、さまざまなサイズに砕かれたコンクリートは、道路建設などで砕石より安い骨材として使われる価値ある資材だ。私の住む地域では、砕いたコンクリートの販売広告を見て電話すると、すでに売れていることが多い。周辺の土壌が粘土と砂なので、こうした資材は常に不足しているようだ
コンクリートがらは現場でも回収価値がある。この方法でリサイクルするには、製粉所へ運び、破砕し、分離し、再び溶鉱炉へ運んでから、ようやく記事に出てくる工程が始まる
「できるなら大きなこと」なのは、コンクリートを水和セメントペーストに戻す部分にあるように見える
実際の論文: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07338-8
論文には、回収セメントペースト（RCP）は現在商業規模では供給されておらず、改良された回収骨材の価値が追加処理コストを賄うほど高くないため、RCPは現在埋め立てられているとある。ただし、大規模なRCP生産に必要なノウハウと技術は存在するとし、[22]を引用している
22. Thermomechanical beneficiation of recycled concrete aggregates (RCA): https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S095006182...
しかし、引用された論文は、コンクリートをRCPとしてリサイクルする技術が存在するという主張を裏付けていない。その論文は、再生コンクリート骨材（RCA）から付着モルタル（AM）を除去する内容を扱っている
HN のフラグ付けプロセスを経てもこの話題が生き残っていてよかった
掘削地熱のような、ほかの有望な非炭素エネルギー源についても議論されるといいと思う。少し話はそれるが、一般の人に NET-ZERO == MAX-CO2 == MAX-HEAT だと言うと、よく驚かれる。ネットゼロに到達すれば任務完了だと考えがちだが、実際に重要なのは曲線下面積、つまり大気中に送り込んだ CO2/温室効果ガス等価量の総量であり、それらは長く残る
すでに現在 +1.5°C に近づいており、排出量が高い高原状態のまま維持される現状では、気温が 10 年ごとに約 0.25〜0.3°C 上がると、2050 年ごろにネットゼロへ到達する時点では +2.5〜+3.0°C の範囲になっている可能性が高い。+2.5°C が大規模な人口にとって生存可能なのか確信がないので、太陽放射管理（SRM）のようなものまで目を向けることになる。たとえば硫黄粒子を上空に送り、雲量を増やして海が吸収する日光を減らし、正味の冷却効果を出す方法だ。最近までコンテナ船燃料の硫黄がこうした効果をもたらしていたが、その後、燃料中の硫黄含有量を低くするよう規制された
結局、私たちは CO2 の多い高温の生物圏をジオエンジニアリングで作り出してこの大混乱に入り込んだのであり、抜け出すときにも工学が必要になりそうだ。それでも、炭素燃料を置き換え、エネルギーを貯蔵し、熱を減らせそうな技術が多くあるのは幸いだ
第二に、継続的な資金提供が保証されなければならない。20 年間 SRM を行ったあと突然止めれば、20 年分の気候変動の進行が一気に現れる。また、ほぼすべての国が参加するよう、人類史上最大の外交的推進が必要になる。すべての国が影響を受けるため、同意がなければ衝突につながり得る。たとえばロシアは、より高い気温とより長い作物栽培期間を期待している
もう一つの方法は、10 年後に取り壊さなければならないものを建てないことだ。都市の大型コンクリート建築物のかなりの数が 20 年もたたずに取り壊され、一部は 10 年で消えた
かなり無駄が多いので、計画と先見性さえあれば、もっと良い方法は必ずあるはずだ
鉄鋼リサイクルで使うフラックスを廃コンクリートで置き換え、役に立たないスラグの代わりにリサイクルセメントを得る方式だ
本当に良いアイデアだが、世界の鉄鋼生産量全体がこの方式に切り替わったとしても、セメント生産量への影響はわずかだという点は覚えておくべきだ。鉄鋼は約 1 億トン/年、セメントは約 40 億トン/年の規模だ
https://www.statista.com/statistics/267264/world-crude-steel...
2022 年の世界の粗鋼生産量は約19 億トンだった。ただし、セメント生産への影響は小さいだろうという直感は正しい
この報告書によると、鉱石から新たに鉄鋼を作る場合は鉄鋼 1 トンあたり約 270kg の石灰石が必要で、電気アーク炉で鉄鋼をリサイクルする場合は 88kg が必要だ
https://worldsteel.org/wp-content/uploads/Fact-sheet-raw-mat...
世界の鉄鋼生産は約 35% がリサイクル、65% が鉱石由来だ。したがって、リサイクル鉄鋼に適用される今回の Cambridge の研究は、約 5,900 万トンの石灰石消費を置き換えられる。世界のセメント消費が数十億トン規模であることと比べれば小さいが、電気アーク炉を持つ自治体には地域的な意味があるかもしれない
Cambridge の研究者たちは、使用済みセメントが石灰フラックスの有効な代替材であることを発見した。だとすると、このコンクリートは鉄鋼製造中の代替材料としてだけ「リサイクル」されるのではないかと思う
その方式は規模を拡大しにくい。リサイクルしたいコンクリートの 1% だけを処理しようとしても、途方もなく多くの鉄鋼を作らなければならないはずだ
かなり見事なハックだ
セメント生産は世界の二酸化炭素排出の大きな要因だ。効果的なセメントリサイクル方法が開発されているとは驚きだ