Estrazione del materiale cementizio dall’acqua di mare con cattura del carbonio

Il calcestruzzo è un materiale essenziale nel mondo moderno, con sabbia e cemento che sono in realtà tra le produzioni di materiale più massive al mondo per volume e peso.

Fonte: Visual Capitalist

La produzione di cemento è anche un’attività molto intensiva dal punto di vista energetico. È inoltre quasi esclusivamente alimentata da combustibili fossili, risultando responsabile per l’8% delle emissioni di CO2 del mondo.

Questo può essere confrontato con le emissioni di CO2 di auto e furgoni, che sono responsabili per il 10% delle emissioni totali del mondo. Quindi, rendere il calcestruzzo più sostenibile sarebbe tanto impattante quanto trasformare tutte le auto del mondo in veicoli elettrici e alimentarle solo con energia verde.

Una gran parte delle emissioni di carbonio dalla produzione di cemento proviene dall’estrazione, frantumazione, lavorazione e raffinazione delle materie prime utilizzate per produrlo. Come il calcare, le rocce ricche di carbonato di calcio (CaCO3) vengono estratte e mescolate con argilla per ottenere la materia prima che diventa calcestruzzo.

Potenzialmente esiste un’altra fonte di carbonato di calcio sulla Terra, che è l’acqua di mare. Gli oceani contengono molti minerali disciolti, con, naturalmente, il sale da tavola (ioni sodio e cloro), ma anche magnesio, calcio, potassio e persino metalli, con in particolare l’uranio, potenzialmente un giorno estratto dagli oceani del mondo invece che dalle miniere di uranio. Il CO2 disciolto sotto forma di ioni carbonato è anch’esso abbondante negli oceani, rendendoli uno dei più potenti serbatoi di carbonio della Terra.

Fonte: Advanced Sustainable Systems

Gli scienziati della Northwestern University e di CEMEX Innovation Holding AG (Svizzera) stanno ora esplorando se possano sfruttare questa abbondanza marina per produrre la materia prima del calcestruzzo catturando CO2 invece di emetterla. Hanno pubblicato i loro risultati sperimentali in Advanced Sustainable Systems¹, con il titolo “Deposizione elettrodi di minerali che intrappolano il carbonio in acqua di mare per potenziali elettrochimici variabili e iniezioni di anidride carbonica”.

Elettrolisi dell’Acqua

L’acqua (H2O) può essere scomposta nei suoi costituenti di idrogeno e ossigeno applicando una corrente elettrica potente, solitamente con qualche tipo di catalizzatore per migliorare la velocità e l’efficienza della reazione elettrochimica. Questa è la base della produzione di idrogeno verde, dove l’elettricità proviene da fonti rinnovabili.

Tuttavia, quando si esegue questa procedura con acqua non pura, e ancora di più con acqua di mare, la reazione di elettrolisi reagisce anche con i minerali disciolti nell’acqua.

Questo è generalmente una reazione indesiderata, poiché può creare depositi sugli elettrodi e deviare energia dall’obiettivo previsto della produzione di idrogeno.

Tuttavia, modificando le condizioni di elettrolisi si potrebbe trasformare questa reazione secondaria indesiderata in un nuovo modo prezioso per produrre carbonato di calcio.

Produzione di Cemento dall’Acqua di Mare

Forniture Illimitate

Questo non è necessariamente un’idea nuova, poiché CaCO3 così come il magnesio dall’acqua di mare hanno una miriade di applicazioni nelle industrie delle costruzioni, della manifattura e della bonifica ambientale, inclusa la produzione di calcestruzzo, cemento, intonaci, pitture e riempitivi.

Poiché i vasti oceani che coprono la Terra fornirebbero una fornitura praticamente illimitata di questo materiale, è stato considerato la fonte più sostenibile potenziale di questi materiali.

Finora, l’esplorazione della elettroreduzione di questi minerali non ha prodotto un modo praticabile per rendere la loro produzione dall’acqua di mare economica. È qui che i ricercatori della Northwestern University hanno introdotto un passaggio cruciale: aggiungere CO2 al processo.

Iniezione di CO2 nell’Acqua di Mare

Poiché l’acqua di mare è una miscela complessa di molti minerali, quando si applica l’elettrolisi, si verifica una rete di reazioni elettrochimiche simultanee, dalla precipitazione di ioni calcio e magnesio alla formazione di gesso da solfati, alla generazione di cloro e idrogeno, nonché a un cambiamento di acidità intorno a ciascun elettrodo.

Fonte: Advanced Sustainable Systems

L’iniezione di CO2 aggiunge ulteriore complessità poiché diminuisce il pH dell’acqua di mare. La diminuzione del pH dovuta al CO2 è parzialmente compensata dalla produzione di ioni OH− dall’energia elettrica.

La dissoluzione o precipitazione del carbonato di calcio dipende dall’acidità dell’acqua. Per questo motivo, è un fenomeno che preoccupa gli scienziati: man mano che l’atmosfera si arricchisce di CO2, gli oceani diventano più acidi.

Se la corrente elettrica è sufficientemente potente, e quindi la produzione di ioni OH−, può essere abbastanza alta da mantenere il pH sopra 8,5.

A questi livelli di acidità, le reazioni chimiche catturano il CO2 e lo trasformano in ioni bicarbonato disciolti (HCO3‑).

Fonte: Advanced Sustainable Systems

Questi ioni bicarbonato poi reagiscono con il calcio e precipitano formando carbonato di calcio, il materiale base per la produzione di calcestruzzo.

Ottimizzazione della Sequestro del Carbonio

In questo tipo di reazione, la produzione di carbonato di calcio utilizzabile per l’industria del cemento catturerebbe il CO2 iniettato invece di emettere CO2 nell’atmosfera.

Per qualsiasi livello di potenza utilizzato, esiste un flusso ottimale di CO2 iniettato che minimizza l’energia consumata massimizzando al contempo la resa della produzione minerale. Una concentrazione di 0,30 sccm di CO2 è risultata essere il punto ideale, dove un livello di potenza più basso produce ancora una grande massa di minerale precipitato.

Fonte: Advanced Sustainable Systems

Creazione di un Deposito Utilizzabile

Un problema nel trasformare questo concetto in applicazione industriale è lo stesso problema che si verifica nella precipitazione di carbonato di calcio durante la produzione di idrogeno tramite elettrolisi.

Più spesso di quanto si pensi, il deposito di calcio ostruirà la superficie dell’elettrodo, danneggiando l’intero sistema e rendendolo meno efficiente nel tempo.

Tuttavia, i livelli di potenza più elevati usati in questo esperimento, combinati con l’iniezione di CO2, hanno causato reazioni aggiuntive, facendo sì che il carbonato di calcio precipitato si stacchi dall’elettrodo.

Quindi, complessivamente, questo metodo potrebbe produrre il carbonato in modo da renderlo facile da raccogliere come deposito minerale sul fondo del serbatoio, senza ostruire l’elettrodo.

Crescita di Cristalli Minerali

A seconda delle condizioni, si formano diversi aggregati minerali con differenti condizioni cristalline, in particolare cristalli di carbonato di calcio (calcite e aragonite) e cristalli di magnesio (brucite).

Fonte: Advanced Sustainable Systems

Nel complesso, il materiale risultante può essere costituito da cristalli lunghi diversi centimetri (1‑2 pollici) ed è anche molto poroso.

La composizione, la porosità e le dimensioni degli aggregati sintetizzati con l’approccio proposto soddisfano gli standard attuali per il loro utilizzo in materiali come il calcestruzzo.

Conclusione

Nel complesso, questa pubblicazione dimostra che la produzione di materiale cementizio a impatto carbonico negativo non è solo una possibilità teorica ma un’opzione praticabile quando si utilizza l’iniezione di carbonio durante l’elettrolisi dell’acqua di mare.

Altri parametri critici, come la durezza e la resistenza all’abrasione, devono ancora essere investigati per una conferma completa che il materiale risultante sia utilizzabile per progetti di costruzione.

Questo processo è intrinsecamente scalabile, senza limitazioni evidenti dovute alla disponibilità di materiali rari, al consumo eccessivo di energia o a basse rese.

Immaginando una rete di reattori interconnessi e scalabili, questo approccio ha il potenziale di essere implementato su scala industriale e integrato con le infrastrutture esistenti, come gli impianti industriali costieri.

Ulteriori progressi nella progettazione dei reattori dovrebbero poter aumentare l’efficienza economica ed energetica complessiva, ad esempio ottimizzando la geometria degli elettrodi, i materiali e la dinamica dei flussi.

In definitiva, l’acqua da cui è stato estratto il carbonato di calcio potrebbe anche essere un materiale interessante per una fase secondaria di generazione di idrogeno dall’acqua di mare, poiché la minore concentrazione ionica dovrebbe aiutare a ridurre i problemi legati ai depositi minerali sull’elettrodo.

Investire nel Cemento Sostenibile

CRH Plc

Essendo uno dei leader mondiali nella produzione di cemento, CRH sarà fondamentale per trasformare la costruzione in cemento in un’industria più sostenibile. È il numero 1 per volume totale di materiale da costruzione fornito sia negli Stati Uniti che nei mercati europei.

L’azienda è attiva in 28 paesi e 3.390 sedi, impiega 78.500 persone, con CRH Americas che genera il 65% delle vendite globali.

Fonte: CRH

L’azienda prevede che la spesa robusta dei governi occidentali in infrastrutture aiuterà a far crescere il suo business. Le tendenze di reindustrializzazione e di delocalizzazione della produzione ad alta tecnologia dovrebbero inoltre contribuire.

Sostenibilità

CRH ha compiuto progressi seri nella sostenibilità con una serie di iniziative:

• È il più grande riciclatore in Nord America, con 43,9 milioni di tonnellate di rifiuti e sottoprodotti di altre industrie riciclati nel 2023.
• Ha ridotto le sue emissioni di CO2 dell’8% nel 2023, grazie all’uso del 36% di combustibili alternativi nei suoi impianti di cemento.
• Mira a una riduzione delle emissioni del 30% entro il 2030 (rispetto alle emissioni del 2021).

Ciò è lodevole di per sé ma può essere visto come troppo poco, troppo tardi.

Fortunatamente, CRH è anche un promotore di cambiamenti più fondamentali nell’industria. In particolare, ha investito 75 milioni di dollari nella società di cemento a basso contenuto di carbonio Sublime, insieme al gigante europeo del calcestruzzo Holcim.

Sublime Systems è nata dal MIT nel 2020 per utilizzare un elettrolizzatore per produrre cemento a temperature ambientali, sostituendo i forni ad alta intensità energetica e di combustibili fossili. Consente inoltre l’uso di fonti di calcio come materiale di ingresso, evitando il rilascio di CO2 dall’uso di calcare.

L’impianto commerciale di Sublime a Holyoke, Massachusetts, dovrebbe aprire già nel 2026. Se dimostrato con successo, potrebbe rappresentare il vero punto di svolta per l’industria del cemento e aprire la strada a calcestruzzo a basse emissioni scalabili.

“Sublime è una forza dirompente nella produzione di cemento. La sua tecnologia unica attraversa l’intero processo produttivo, dall’uso di elettricità pulita a materie prime prive di carbonio. Siamo entusiasti del suo potenziale e felici di collaborare per portarlo sul mercato su larga scala. Questo investimento è pienamente in linea con la strategia di Holcim per accelerare la decarbonizzazione delle costruzioni scalando le tecnologie più innovative.”

Officer Nollaig Forrest – Chief Sustainability di Holcim

CRH ha inoltre investito in altre startup di decarbonizzazione e sostenibilità:

• €23,7 milioni in Cool Planet Technologies, che sviluppa soluzioni di cattura del carbonio per industrie tradizionalmente difficili da decarbonizzare.
• $34,7 milioni da CRH e altri investitori in Carbon Upcycling Technologies, che utilizza una soluzione di mineralizzazione totalmente elettrica per immagazzinare permanentemente CO2 in sottoprodotti e minerali industriali, come cemento, plastica, prodotti di consumo, fertilizzanti e prodotti farmaceutici.
• AICrete, una piattaforma ‘recipe‑as‑a‑service’ che collabora con i produttori locali di calcestruzzo, ottimizzando i materiali locali e riducendo la quantità di cemento utilizzata grazie a analisi AI, riducendo sia l’impronta di CO2 sia il costo della produzione di calcestruzzo.
• Il finanziamento Series B di FIDO AI è una startup che utilizza l’AI per ridurre il consumo d’acqua e aumentare il risparmio idrico.

Nel complesso, CRH è un leader redditizio nell’industria del calcestruzzo e si sta preparando attivamente alla decarbonizzazione del settore, sia direttamente negli impianti esistenti sia come principale fornitore di capitale a startup innovative che creano la prossima generazione di tecnologie per la produzione di cemento e calcestruzzo.

Ultime notizie su CHR

Studi citati:

^{1. Devi, N., Gong, X., Shoji, D., Wagner, A., Guerini, A., Zampini, D., Lopez, J., & Rotta Loria, A. F. (2025). Deposizione elettrodi di minerali che intrappolano il carbonio in acqua di mare per potenziali elettrochimici variabili e iniezioni di anidride carbonica. Advanced Sustainable Systems, 9(3), 2400943. https://doi.org/10.1002/adsu.202400943}