Investigadores del MIT encuentran una forma de eliminar las emisiones de carbono de la producción de cemento, una importante fuente mundial de gases de efecto invernadero.
Es bien sabido que la producción de cemento, el material de construcción líder en el mundo, es una importante fuente de emisiones de gases de efecto invernadero, que representan alrededor del 8 por ciento de todas esas emisiones. Si la producción de cemento fuera un país, sería el tercer mayor emisor del mundo.
Un equipo de investigadores del MIT ha ideado una nueva forma de fabricar este material que podría eliminar por completo estas emisiones e incluso producir otros productos útiles en el proceso.
Los hallazgos se publican hoy en la revista PNAS en un artículo de Yet-Ming Chiang, catedrático Kyocera de Ciencia e Ingeniería de Materiales en el MIT, junto con la posdoctoranda Leah Ellis, el estudiante de posgrado Andres Badel y otros colaboradores.
“Hoy en día, se libera alrededor de 1 kilogramo de dióxido de carbono por cada kilogramo de cemento fabricado”, afirma Chiang. Esto suma entre 3 y 4 gigatoneladas (miles de millones de toneladas) de cemento y de emisiones de dióxido de carbono producidas anualmente en la actualidad, y se prevé que esta cantidad siga aumentando. Se espera que el número de edificios en todo el mundo se duplique para 2060, lo que equivale a “construir una nueva ciudad de Nueva York cada 30 días”, señala. Además, el producto básico es actualmente muy barato de producir: cuesta solo unos 13 centavos por kilogramo, lo que, según él, lo hace más barato que el agua embotellada.
Por ello, encontrar formas de reducir las emisiones de carbono del material sin que resulte demasiado caro supone un verdadero desafío. Chiang y su equipo han dedicado el último año a buscar enfoques alternativos y han dado con la idea de utilizar un proceso electroquímico para reemplazar el sistema actual, que depende de los combustibles fósiles.
El cemento Portland ordinario, la variedad estándar más utilizada, se fabrica triturando piedra caliza y luego cociéndola con arena y arcilla a alta temperatura, lo que requiere quemar carbón. El proceso genera dióxido de carbono de dos maneras distintas: por la combustión del carbón y por los gases liberados por la piedra caliza durante el calentamiento. Cada una de estas fuentes aporta contribuciones aproximadamente iguales a las emisiones totales. Según Chiang, el nuevo proceso eliminaría o reduciría drásticamente ambas fuentes. Aunque el equipo ha demostrado el proceso electroquímico básico en laboratorio, será necesario seguir trabajando para escalarlo a nivel industrial.
En primer lugar, el nuevo enfoque podría eliminar el uso de combustibles fósiles en el proceso de calentamiento, sustituyéndolos por electricidad generada a partir de fuentes limpias y renovables. “En muchas regiones, la electricidad renovable es hoy la electricidad de menor coste que tenemos, y su precio sigue bajando”, afirma Chiang. Además, el nuevo proceso produce el mismo producto cementicio. El equipo se dio cuenta de que intentar lograr la aceptación de un nuevo tipo de cemento, algo que muchos grupos de investigación han abordado de diferentes maneras, sería una tarea muy difícil, teniendo en cuenta lo extendido que está el uso de este material en todo el mundo y lo reacios que pueden ser los constructores a probar materiales nuevos y relativamente poco ensayados.
El nuevo proceso se basa en el uso de un electrolizador, un dispositivo que muchas personas han conocido en las clases de química del instituto, donde una batería se conecta a dos electrodos en un vaso de agua, produciendo burbujas de oxígeno en un electrodo y burbujas de hidrógeno en el otro, mientras la electricidad separa las moléculas de agua en sus átomos constituyentes. Es importante señalar que el electrodo del electrolizador que desprende oxígeno produce ácido, mientras que el que desprende hidrógeno produce una base.
En el nuevo proceso, la piedra caliza pulverizada se disuelve en el ácido de un electrodo y se libera dióxido de carbono de alta pureza, mientras que el hidróxido de calcio, conocido generalmente como cal, precipita como sólido en el otro. El hidróxido de calcio puede procesarse después en otro paso para producir el cemento, que está compuesto en su mayoría por silicato de calcio.
El dióxido de carbono, en forma de corriente pura y concentrada, puede almacenarse fácilmente o aprovecharse para producir productos de valor añadido, como un combustible líquido que sustituya a la gasolina, o utilizarse en aplicaciones como la recuperación de petróleo o incluso en bebidas carbonatadas y hielo seco. Según Chiang, el resultado es que no se libera dióxido de carbono al medioambiente durante todo el proceso. En cambio, el dióxido de carbono emitido por las plantas de cemento convencionales está muy contaminado con óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre, monóxido de carbono y otros materiales, lo que hace impracticable “depurarlo” para que el dióxido de carbono pueda utilizarse.
Los cálculos muestran que el hidrógeno y el oxígeno también emitidos en el proceso podrían recombinarse, por ejemplo, en una pila de combustible, o quemarse para producir energía suficiente para alimentar todo el resto del proceso, afirma Ellis, produciendo únicamente vapor de agua.
En su demostración de laboratorio, el equipo llevó a cabo los pasos electroquímicos clave necesarios, produciendo cal a partir del carbonato de calcio, aunque a pequeña escala. El proceso se parece un poco a agitar una bola de nieve de cristal, ya que genera una nube de partículas blancas en suspensión dentro del recipiente de vidrio a medida que la cal precipita de la solución.
Aunque la tecnología es sencilla y, en principio, podría escalarse fácilmente, una planta de cemento típica produce hoy alrededor de 700.000 toneladas de este material al año. “¿Cómo se penetra en una industria así y se consigue meter un pie en la puerta?”, pregunta Ellis, autora principal del artículo. Un enfoque, explica, consiste en tratar de reemplazar solo una parte del proceso a la vez, en lugar de todo el sistema de una vez, y añadir gradualmente otras partes “de forma escalonada”.
El sistema inicial propuesto por el equipo no se presenta “porque necesariamente creamos que tenemos la estrategia exacta” para el mejor enfoque posible, afirma Chiang, “sino para que las personas del sector electroquímico empiecen a pensar más en ello” y generen nuevas ideas. “Es un primer paso importante, pero todavía no es una solución completamente desarrollada”.
La investigación contó en parte con el apoyo del Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo.
