Udtrækning af cementmateriale fra havvand mens kulstof fanges

Beton er et essentielt materiale i den moderne verden, hvor sand og cement faktisk er blandt verdens mest omfattende materialproduktion målt i volumen og vægt.

Kilde: Visual Capitalist

Cementproduktion er også en meget energikrævende aktivitet. Den drives næsten udelukkende af fossile brændstoffer, hvilket betyder, at i cementproduktion, der er ansvarlig for 8 % af verdens CO2‑udledninger.

Dette kan sammenlignes med CO2‑udledningen fra biler og varevogne, som er ansvarlige for 10 % af verdens samlede udledninger. Så at gøre beton mere bæredygtig ville have samme effekt som at omdanne alle verdens biler til elbiler og kun drive dem med grøn energi.

En stor del af CO2‑udledningen fra cementfremstilling stammer fra udvinding, knusning, forarbejdning og raffinering af de råmaterialer, der anvendes til produktionen. Ligesom kalksten udvindes calciumcarbonat‑rige bjergarter (CaCO3) og blandes med ler for at få det råmateriale, der bliver til beton.

Der findes potentielt en anden kilde til calciumcarbonat på Jorden, nemlig havvand. Oceanerne indeholder mange opløste mineraler, naturligvis bordsalt (natrium‑ og chlorid‑ioner), men også magnesium, calcium, kalium og endda metaller, herunder bemærkelsesværdigt uran, som en dag potentielt kan udvindes fra verdenshavene i stedet for fra uranminer. Opløst CO2 i form af carbonat‑ioner er også rigeligt i oceanerne, hvilket gør dem til en af Jordens mest kraftfulde kulstofopsamlinger.

Kilde: Advanced Sustainable Systems

Forskere fra Northwestern University og CEMEX Innovation Holding AG (Schweiz) undersøger nu, om de kan udnytte denne havbaserede overflod til at producere betonens råmateriale, mens de fanger CO2 i stedet for at udlede det. De offentliggjorde deres eksperimentelle resultater i Advanced Sustainable Systems¹ under titlen “Elektrodeponering af kulstoffangende mineraler i havvand for variable elektrokemiske potentialer og kuldioxidinjektioner”.

Vandelektrolyse

Vand (H2O) kan nedbrydes til sine bestanddele hydrogen og oxygen ved at påføre en kraftig elektrisk strøm, typisk med en form for katalysator for at forbedre hastigheden og effektiviteten af den elektrokemiske reaktion. Dette er grundlaget for produktion af grønt hydrogen, hvor elektriciteten kommer fra vedvarende energikilder.

Dog, når denne procedure udføres med ikke‑rent vand, og i endnu højere grad med havvand, reagerer elektrolyseprocessen også med de mineraler, der er opløst i vandet.

Dette er generelt en uønsket reaktion, da den kan danne aflejringer på elektroderne og aflede energi fra det tilsigtede mål om hydrogenproduktion.

Dog kan justering af elektrolyseforholdene omdanne denne uønskede biproduktreaktion til en værdifuld ny metode til at producere calciumcarbonat.

Produktion af cement fra havvand

Ubegrænsede forsyninger

Dette er ikke nødvendigvis en ny idé, da CaCO3 samt magnesium fra havvand har utallige anvendelser inden for bygge-, fremstillings- og miljørenoveringsindustrier, herunder produktion af beton, cement, pudser, malinger og fyldstoffer.

Da de enorme oceaner, der dækker Jorden, ville give en praktisk ubegrænset forsyning af dette materiale, betragtes dette som den mest bæredygtige potentielle kilde til disse materialer.

Indtil videre har blot udforskning af elektroreduktionen af disse mineraler ikke givet en levedygtig måde at gøre deres produktion fra havvand økonomisk. Her tilføjede forskerne fra Northwestern University et afgørende ekstra skridt: at tilsætte CO2 til processen.

Injektion af CO2 i havvand

Da havvand er en kompleks blanding af mange mineraler, forekommer der ved elektrolyse en række elektrokemiske processer samtidigt, fra udfældning af calcium‑ og magnesium‑ioner til dannelse af gips fra sulfater, generering af klor‑ og brintgas samt en ændring i surhedsgraden omkring hver elektrode.

Kilde: Advanced Sustainable Systems

Injektionen af CO2 tilføjer yderligere kompleksitet, da den sænker pH‑værdien i havvandet. pH‑faldet fra CO2 kompenseres delvist af produktionen af OH−‑ioner fra den elektriske energi.

Opløsning eller udfældning af calciumcarbonat afhænger i sig selv af vandets surhed. Dette er et fænomen, der bekymrer forskere, da atmosfæren bliver rigere på CO2, og oceanerne bliver mere sure.

Hvis den elektriske strøm er kraftig nok, og dermed produktionen af OH−‑ioner, kan den være tilstrækkelig til at holde pH over 8,5.

Ved disse surhedsgrader fanger de kemiske reaktioner CO2 og omdanner det til opløste bikarbonat‑ioner (HCO3‑).

Kilde: Advanced Sustainable Systems

Disse bikarbonat‑ioner reagerer derefter med calcium og udfældes som calciumcarbonat, det grundlæggende materiale til betonproduktion.

Optimering af kulstofsekvestrering

I denne type reaktion vil produktionen af calciumcarbonat, der kan anvendes i cementindustrien, fange den injicerede CO2 i stedet for at udlede CO2 til atmosfæren.

For ethvert givet energiforbrug findes der en optimal indsprøjtning af CO2, som minimerer den forbrugte energi, mens den maksimerer udbyttet af mineralproduktionen. En koncentration på 0,30 sccm CO2 viste sig at være dette optimale punkt, hvor et lavere energiniveau stadig giver en stor masse af udfældet mineral.

Kilde: Advanced Sustainable Systems

Skabelse af en brugbar aflejring

Et problem ved at omsætte dette koncept til industriel anvendelse er det samme problem, der opstår ved calciumcarbonat‑udfældning under hydrogenproduktion via elektrolyse.

Ofte vil calciumaflejringen tilstoppe overfladen af elektroden, beskadige det samlede system og gøre det mindre effektivt over tid.

Dog medførte de højere energiniveauer, der blev brugt i dette eksperiment, i kombination med CO2‑injektion, yderligere reaktioner, som fik det udfældte calciumcarbonat til at løsne sig fra elektroden.

Samlet set vil denne metode kunne producere carbonatet på en måde, der gør det let at indsamle som en mineralaflejring i bunden af tanken, uden at tilstoppe elektroden.

Vækst af mineralkrystaller

Afhængigt af betingelserne dannes forskellige mineralaggregater med forskellige krystalforhold, især calciumcarbonatkrystaller (calcit og aragonit) og magnesiumkrystaller (brucit).

Kilde: Advanced Sustainable Systems

Generelt kan det resulterende materiale bestå af krystaller flere centimeter lange (1‑2 tommer) og er også meget porøst.

Sammensætningen, porøsiteten og størrelsen af de aggregater, der er syntetiseret ved hjælp af den foreslåede metode, opfylder de gældende standarder for deres anvendelse i materialer som beton.

Konklusion

Samlet set viser denne publikation, at produktionen af kulstofnegativt cementmateriale ikke kun er en teoretisk mulighed, men også en levedygtig løsning, når der anvendes kulstofinjektion under elektrolyse af havvand.

Andre kritiske parametre, såsom hårdhed og slidstyrke, skal stadig undersøges for fuldstændigt at bekræfte, at det resulterende materiale er anvendeligt til byggeprojekter.

Denne proces er i sig selv skalerbar, uden åbenlyse begrænsninger fra sjældne materialers tilgængelighed, overdreven energiforbrug eller lave udbytter.

Ved at forestille sig et netværk af sammenkoblede, skalerbare reaktorer har denne tilgang potentialet til at blive implementeret i industriel skala og integreret med eksisterende infrastruktur, såsom kystnære industrielle anlæg.

Yderligere fremskridt i reaktordesignet bør kunne øge den samlede økonomi‑ og energieffektivitet, for eksempel ved at optimere elektrodegeometri, materialer og flowdynamik.

Endelig kunne vandet, hvori calciumcarbonatet er udvundet, måske også være et interessant materiale til et sekundært trin i hydrogenproduktion fra havvand, da den lavere ionkoncentration bør hjælpe med at reducere problemerne med mineralaflejringer på elektroden.

Investering i bæredygtigt cement

CRH Plc

Som en af verdens førende inden for cementproduktion vil CRH spille en afgørende rolle i at gøre cementbyggeri til en mere bæredygtig industri. Det er nummer 1 i samlet volumen af byggematerialer leveret på både det amerikanske og europæiske marked.

Virksomheden er aktiv i 28 lande og 3.390 lokationer, beskæftiger 78.500 medarbejdere, og CRH Americas står for 65 % af de globale salg.

Kilde: CRH

Virksomheden forventer, at kraftige investeringer fra vestlige regeringer i infrastruktur vil hjælpe med at vækste forretningen. Tendenserne med re‑industrialisation og hjemflytning af højteknologisk produktion bør også hjælpe.

Bæredygtighed

CRH har gjort betydelige fremskridt inden for bæredygtighed med en række initiativer:

• Det er den største genanvender i Nordamerika, med 43,9 millioner ton affald og biprodukter fra andre industrier genanvendt i 2023.
• Det reducerede sine CO2‑udledninger med 8 % i 2023 takket være brugen af 36 % alternative brændstoffer i sine cementanlæg.
• Det sigter mod en reduktion af udledninger med 30 % inden 2030 (sammenlignet med udledningerne i 2021).

Dette er prisværdigt i sig selv, men kan betragtes som for lidt, for sent.

Heldigvis er CRH også en drivkraft for mere grundlæggende ændringer i industrien. Bemærkelsesværdigt har de investeret 75 millioner dollars i det lav‑kulstof cementfirma Sublime, sammen med den europæiske betongigant Holcim.

Sublime Systems blev afspundet fra MIT i 2020 for at anvende en elektrolyseapparat til at producere cement ved stuetemperatur, hvilket erstatter energi‑ og fossile brændstof‑intensive ovne. Det muliggør også brug af calciumkilder som inputmateriale, hvilket undgår frigivelse af CO2 fra kalkstensinput.

Sublimes første kommercielle anlæg i Holyoke, Massachusetts, forventes at åbne allerede i 2026. Hvis det viser sig at være succesfuldt, kan det blive den reelle game‑changer for cementindustrien og åbne vejen for skalerbart lav‑emissions beton.

“Sublime er en disruptiv kraft i cementfremstilling. Dens unikke teknologi gennemtrænger hele produktionsprocessen, fra brug af ren elektricitet til CO2‑fri råmaterialer. Vi er begejstrede for dens potentiale og glade for at samarbejde om at bringe den på markedet i stor skala. Denne investering er fuldt i overensstemmelse med Holcims strategi om at accelerere afkarboniseringen af byggeri ved at skalere de mest innovative teknologier.”
Officer Nollaig Forrest – Holcims Chief Sustainability

CRH har også investeret i andre dekarboniserings‑ og bæredygtigheds‑startups:

• 23,7 millioner € i Cool Planet Technologies, som udvikler kulstoffangst‑løsninger til industrier, der traditionelt har været svære at dekarbonisere.
• 34,7 millioner $ fra CRH og andre investorer i Carbon Upcycling Technologies, der bruger en fuldt elektrisk mineraliseringsløsning til permanent at lagre CO2 i industrielle biprodukter og mineraler, såsom cement, plast, forbrugerprodukter, gødning og farmaceutiske produkter.
• AICrete, en ‘opskrift‑som‑en‑tjeneste’-platform, der samarbejder med lokale betonproducenter, optimerer lokale materialer og minimerer mængden af cement, der anvendes ved hjælp af AI‑analyser, hvilket reducerer både CO2‑aftrykket og omkostningerne ved betonproduktion.
• FIDO AI’s Series B‑finansiering er en startup, der bruger AI til at reducere vandforbruget og øge vandbesparelser.

Samlet set er CRH en profitabel leder i betonindustrien og forbereder sig meget aktivt på industriens dekarbonisering, både direkte i eksisterende anlæg og ved at være en førende kapitaludbyder til innovative startups, der skaber næste generation af cement‑ og betonproduktions‑teknologi.

Seneste om CHR

Studier refereret:

^{1. Devi, N., Gong, X., Shoji, D., Wagner, A., Guerini, A., Zampini, D., Lopez, J., & Rotta Loria, A. F. (2025). Elektrodeponering af kulstoffangende mineraler i havvand for variable elektrokemiske potentialer og kuldioxidinjektioner. Advanced Sustainable Systems, 9(3), 2400943. https://doi.org/10.1002/adsu.202400943}