Extracción de material cementicio del agua de mar mientras se captura carbono

El hormigón es un material esencial en el mundo moderno, y la arena y el cemento se encuentran entre la producción de materiales más masiva del planeta por volumen y peso.

Fuente: Visual Capitalist

La producción de cemento también es una actividad muy intensiva en energía. Además, se alimenta casi exclusivamente con combustibles fósiles, lo que hace que la producción de cemento sea responsable del 8 % de las emisiones de CO₂ del mundo.

Esto puede compararse con las emisiones de CO₂ de automóviles y furgonetas, que son responsables del 10 % de las emisiones totales del planeta. Por lo tanto, hacer que el hormigón sea más sostenible tendría un impacto comparable a convertir todos los automóviles del mundo en vehículos eléctricos y alimentarlos únicamente con energía verde.

Gran parte de las emisiones de carbono de la fabricación de cemento provienen de la extracción, trituración, procesamiento y refinado de las materias primas utilizadas para producirlo. Al igual que la piedra caliza, las rocas ricas en carbonato de calcio (CaCO₃) se extraen y se mezclan con arcilla para obtener la materia prima que se convierte en hormigón.

Potencialmente existe otra fuente de carbonato de calcio en la Tierra, que es el agua de mar. Los océanos contienen una gran cantidad de minerales disueltos, por supuesto la sal de mesa (iones de sodio y cloro), pero también magnesio, calcio, potasio e incluso metales, con notablemente uranio, que podría algún día extraerse de los océanos del mundo en lugar de minas de uranio.

Fuente: Advanced Sustainable Systems

Científicos de la Universidad Northwestern y CEMEX Innovation Holding AG (Suiza) están investigando si pueden aprovechar esta abundancia marina para producir la materia prima del hormigón mientras capturan CO₂ en lugar de emitirlo. Publicaron sus resultados experimentales en Advanced Sustainable Systems¹, bajo el título “Electrodeposition of Carbon‑Trapping Minerals in Seawater for Variable Electrochemical Potentials and Carbon Dioxide Injections”.

Electrólisis del agua

El agua (H₂O) puede descomponerse en sus componentes de hidrógeno y oxígeno aplicando una corriente eléctrica potente, generalmente con algún tipo de catalizador para mejorar la velocidad y eficiencia de la reacción electroquímica. Esta es la base de la producción de hidrógeno verde, donde la electricidad proviene de fuentes renovables.

Sin embargo, al realizar este proceso con agua no pura, y aún más con agua de mar, la reacción de electrólisis también interactúa con los minerales disueltos en el agua.

Generalmente, esta es una reacción no deseada, ya que puede crear depósitos en los electrodos y desviar energía del objetivo previsto de producir hidrógeno.

Sin embargo, ajustar las condiciones de la electrólisis podría convertir esta reacción secundaria no deseada en una nueva forma valiosa de producir carbonato de calcio.

Producción de cemento a partir del agua de mar

Suministros ilimitados

No es necesariamente una idea nueva, ya que el CaCO₃ y el magnesio del agua de mar tienen una multitud de aplicaciones en las industrias de la construcción, la fabricación y la remediación ambiental, incluyendo la producción de hormigón, cemento, yesos, pinturas y rellenos.

Dado que los vastos océanos que cubren la Tierra proporcionarían un suministro prácticamente ilimitado de este material, se ha considerado la fuente potencial más sostenible de estos materiales.

Hasta ahora, solo explorar la electroreducción de estos minerales no ha generado una forma viable de hacer económica su producción a partir del agua de mar. Aquí es donde los investigadores de la Universidad Northwestern añadieron un paso crucial extra: incorporar CO₂ al proceso.

Inyección de CO₂ en el agua de mar

Debido a que el agua de mar es una mezcla compleja de muchos minerales, al aplicar la electrólisis se produce una malla electroquímica simultánea, desde la precipitación de iones de calcio y magnesio hasta la formación de yeso a partir de sulfatos, la generación de gases cloro e hidrógeno, así como un cambio en la acidez alrededor de cada electrodo.

Fuente: Advanced Sustainable Systems

La inyección de CO₂ añade más complejidad, ya que disminuye el pH del agua de mar. La disminución del pH causada por el CO₂ se compensa parcialmente con la producción de iones OH⁻ a partir de la energía eléctrica.

La disolución o precipitación del carbonato de calcio depende de la acidez del agua. En este sentido, es un fenómeno que preocupa a los científicos, ya que a medida que la atmósfera se enriquece en CO₂, los océanos se vuelven más ácidos.

Si la corriente eléctrica es lo suficientemente potente, y por tanto la producción de iones OH⁻, puede ser lo bastante alta como para mantener el pH por encima de 8,5.

A estos niveles de acidez, las reacciones químicas capturan el CO₂ y lo convierten en iones bicarbonato disueltos (HCO₃⁻).

Fuente: Advanced Sustainable Systems

Estos iones bicarbonato luego reaccionan con el calcio y precipitan como carbonato de calcio, el material base para la producción de hormigón.

Optimización del secuestro de carbono

En este tipo de reacción, la producción de carbonato de calcio utilizable para la industria del cemento capturaría el CO₂ inyectado en lugar de emitir CO₂ a la atmósfera.

Para cualquier nivel de potencia utilizado, existe una tasa de flujo óptima de CO₂ inyectado que minimiza la energía consumida mientras maximiza el rendimiento de producción mineral. Una concentración de 0,30 sccm de CO₂ resultó ser ese punto óptimo, donde un nivel de potencia más bajo aún produce una gran masa de mineral precipitado.

Fuente: Advanced Sustainable Systems

Creación de un depósito utilizable

Un problema al convertir este concepto en una aplicación industrial es el mismo que ocurre en la precipitación de carbonato de calcio durante la producción de hidrógeno mediante electrólisis.

Con frecuencia, el depósito de calcio obstruye la superficie del electrodo, dañando el sistema en su conjunto y reduciendo su eficiencia con el tiempo.

Sin embargo, los niveles de potencia más altos utilizados en este experimento, combinados con la inyección de CO₂, provocaron reacciones adicionales, haciendo que el carbonato de calcio precipitado se desprenda del electrodo.

En conjunto, este método podría producir el carbonato de forma que sea fácil de recolectar como un depósito mineral en el fondo del tanque, sin obstruir el electrodo.

Crecimiento de cristales minerales

Dependiendo de las condiciones, se forman diferentes agregados minerales con distintas características cristalinas, especialmente cristales de carbonato de calcio (calcita y aragonita) y cristales de magnesio (brucita).

Fuente: Advanced Sustainable Systems

En general, el material resultante puede estar compuesto por cristales de varios centímetros de longitud (1‑2 pulgadas) y también es muy poroso.

La composición, porosidad y tamaño de los agregados sintetizados mediante el enfoque propuesto cumplen con los estándares actuales para su uso en materiales como el hormigón.

Conclusión

En conjunto, esta publicación demuestra que la producción de material cementicio con emisiones negativas de carbono no es solo una posibilidad teórica, sino una opción viable al utilizar la inyección de carbono durante la electrólisis del agua de mar.

Otros parámetros críticos, como la dureza y la resistencia a la abrasión, aún deben investigarse para confirmar plenamente que el material resultante es utilizable en proyectos de construcción.

Este proceso es inherentemente escalable, sin limitaciones evidentes relacionadas con la disponibilidad de materiales raros, consumo excesivo de energía o bajos rendimientos.

Al imaginar una red de reactores interconectados y escalables, este enfoque tiene el potencial de desplegarse a escala industrial e integrarse con la infraestructura existente, como instalaciones industriales costeras.

Un mayor avance en el diseño de los reactores debería poder mejorar la eficiencia económica y energética global, por ejemplo optimizando la geometría de los electrodos, los materiales y la dinámica de flujo.

En última instancia, el agua de la que se ha extraído el carbonato de calcio podría también ser un material interesante para una segunda etapa de generación de hidrógeno a partir del agua de mar, ya que la menor concentración iónica debería ayudar a reducir los problemas vinculados a los depósitos minerales en el electrodo.

Inversión en cemento sostenible

Como uno de los líderes mundiales en producción de cemento, CRH será fundamental para convertir la construcción con cemento en una industria más sostenible. Es el número 1 en volumen total de material de construcción suministrado tanto en los mercados de EE. UU. como en los europeos.

La empresa está presente en 28 países y 3 390 ubicaciones, emplea a 78 500 personas, y CRH Americas genera el 65 % de sus ventas globales.

Fuente: CRH

La compañía espera que el sólido gasto de los gobiernos occidentales en infraestructura ayude a impulsar su negocio. Las tendencias de reindustrialización y de relocalización de la fabricación de alta tecnología también deberían contribuir.

Sostenibilidad

CRH ha logrado avances serios en sostenibilidad con una serie de iniciativas:

• Es el mayor reciclador número 1 en Norteamérica, con 43,9 millones de toneladas de residuos y subproductos de otras industrias reciclados en 2023.
• Redujo sus emisiones de CO₂ en un 8 % en 2023, gracias al uso de un 36 % de combustibles alternativos en sus plantas de cemento.
• Apunta a una reducción de emisiones del 30 % para 2030 (en comparación con las emisiones de 2021).

Esto es encomiable en sí mismo, pero puede considerarse insuficiente y tardío.

Afortunadamente, CRH también es impulsor de cambios más fundamentales en la industria. En particular, ha invertido 75 millones de dólares en la empresa de cemento bajo en carbono Sublime, junto con el gigante europeo del hormigón Holcim.

Sublime Systems se creó a partir del MIT en 2020 para utilizar un electrolizador que produzca cemento a temperaturas ambiente, sustituyendo los hornos intensivos en energía y combustibles fósiles. También permite el uso de fuentes de calcio como materia prima, evitando la liberación de CO₂ proveniente de la piedra caliza.

Se espera que la primera instalación comercial de Sublime en Holyoke, Massachusetts, abra sus puertas ya en 2026. Si se demuestra exitosa, podría ser el verdadero cambio de juego para la industria del cemento y abrir el camino a hormigón de bajas emisiones a escala.

“Sublime es una fuerza disruptiva en la fabricación de cemento. Su tecnología única abarca todo el proceso de producción, desde el uso de electricidad limpia hasta materias primas libres de carbono. Estamos entusiasmados con su potencial y encantados de asociarnos para llevarla al mercado a gran escala. Esta inversión está totalmente alineada con la estrategia de Holcim de acelerar la descarbonización de la construcción mediante la ampliación de las tecnologías más innovadoras.”
Oficial Nollaig Forrest – Directora de Sostenibilidad de Holcim

CRH también invirtió en otras startups de descarbonización y sostenibilidad:

• 23,7 millones de euros en Cool Planet Technologies, que desarrolla soluciones de captura de carbono para industrias que tradicionalmente han sido difíciles de descarbonizar.
• 34,7 millones de dólares por parte de CRH y otros inversores en Carbon Upcycling Technologies, que utiliza una solución de mineralización totalmente eléctrica para almacenar permanentemente CO₂ en subproductos industriales y minerales, como cemento, plásticos, productos de consumo, fertilizantes y productos farmacéuticos.
• AICrete, una plataforma de ‘receta como servicio’ que colabora con productores locales de hormigón, optimizando los materiales locales y minimizando la cantidad de cemento utilizado mediante análisis de IA, reduciendo tanto la huella de CO₂ como el costo de producción del hormigón.
• La ronda Serie B de FIDO AI es una startup que utiliza IA para reducir el consumo de agua y aumentar el ahorro hídrico.

En conjunto, CRH es un líder rentable en la industria del hormigón y se está preparando activamente para la descarbonización del sector, tanto directamente en sus instalaciones existentes como siendo un proveedor principal de capital para startups innovadoras que crean la próxima generación de tecnología de producción de cemento y hormigón.

Últimas noticias sobre CRH

Estudios citados:

^{1. Devi, N., Gong, X., Shoji, D., Wagner, A., Guerini, A., Zampini, D., Lopez, J., & Rotta Loria, A. F. (2025). Electrodeposición de minerales atrapadores de carbono en agua de mar para potenciales electroquímicos variables e inyecciones de dióxido de carbono. Advanced Sustainable Systems, 9(3), 2400943. https://doi.org/10.1002/adsu.202400943}