Uttak av sementmateriale fra sjøvann mens karbon fanges

Betong er et essensielt materiale i den moderne verden, med sand og sement faktisk blant verdens mest massive materialproduksjon etter volum og vekt.

Kilde: Visual Capitalist

Produksjon av sement er også en svært energikrevende aktivitet. Den er også nesten utelukkende drevet av fossile brensler, noe som resulterer at sementproduksjon er ansvarlig for 8% av verdens CO2‑utslipp.

Dette kan sammenlignes med CO2‑utslippene fra biler og varebiler, som er ansvarlige for 10% av verdens totale utslipp. Så, å gjøre betong mer bærekraftig ville ha like stor påvirkning som å gjøre alle verdens biler om til elbiler og drive dem kun med grønn energi.

Mye av karbonutslippene fra sementproduksjon kommer fra gruvedrift, knusing, bearbeiding og raffinering av råmaterialene som brukes til å produsere den. Som kalkstein, kalkrikt bergart (CaCO3) blir utvunnet og blandet med leire for å få råmaterialet som blir til betong.

Det finnes potensielt en annen kilde til kalsiumkarbonat på jorden, nemlig sjøvann. Havene inneholder mange oppløste mineraler, selvfølgelig bordsalt (natrium‑ og kloridioner), men også magnesium, kalsium, kalium og til og med metaller, med spesielt uran, som en dag kan hentes fra verdenshavene i stedet for uranminer. Oppløst CO₂ i form av karbonioner er også rikelig i havene, noe som gjør dem til en av jordens mest kraftfulle karbonlagre.

Kilde: Advanced Sustainable Systems

Forskere fra Northwestern University og CEMEX Innovation Holding AG (Switzerland) utforsker nå om de kan utnytte denne havbaserte overfloden til å produsere betongens råmateriale samtidig som de fanger CO₂ i stedet for å slippe det ut. De publiserte sine eksperimentelle resultater i Advanced Sustainable Systems¹, under tittelen “Electrodeposition of Carbon‑Trapping Minerals in Seawater for Variable Electrochemical Potentials and Carbon Dioxide Injections”.

Vannelektrolyse

Vann (H₂O) kan brytes ned i sine bestanddeler hydrogen og oksygen ved å påføre en kraftig elektrisk strøm, vanligvis med en form for katalysator for å forbedre hastigheten og effektiviteten i den elektrokjemiske reaksjonen. Dette er grunnlaget for grønn hydrogenproduksjon, hvor elektrisiteten kommer fra fornybare kilder.

Imidlertid, når denne prosedyren utføres med ikke‑rent vann, og enda mer med sjøvann, reagerer elektrolyseprosessen også med mineralene som er oppløst i vannet.

Dette er vanligvis en uønsket reaksjon, da den kan danne avleiringer på elektrodene og avlede energi fra det tiltenkte målet om hydrogenproduksjon.

Imidlertid kan justering av elektrolyseforholdene gjøre denne uønskede biproduktreaksjonen til en verdifull ny metode for å produsere kalsiumkarbonat.

Produksjon av sement fra sjøvann

Ubegrensede forsyninger

Dette er ikke nødvendigvis en ny idé, da CaCO₃ samt magnesium fra sjøvann har en mengde anvendelser i bygge‑, produksjons‑ og miljøremedieringsindustriene, inkludert produksjon av betong, sement, gips, maling og fyllstoffer.

Ettersom de enorme havene som dekker jorden ville gi en praktisk talt ubegrenset forsyning av dette materialet, har dette blitt ansett som den mest bærekraftige potensielle kilden til disse materialene.

Så langt har kun utforskning av elektroreduksjon av disse mineralene ikke gitt en levedyktig måte å gjøre produksjonen fra sjøvann økonomisk. Dette er hvor forskerne ved Northwestern University la til et kritisk ekstra trinn: å tilføre CO₂ til prosessen.

Injeksjon av CO₂ i sjøvann

Fordi sjøvann er en kompleks blanding av mange mineraler, oppstår det ved elektrolyse en rekke elektrokjemiske prosesser samtidig, fra utfelling av kalsium‑ og magnesiumioner til dannelse av gips fra sulfater, generering av klor‑ og hydrogengass, samt en endring i surhetsgrad rundt hver elektrode.

Kilde: Advanced Sustainable Systems

Injeksjon av CO₂ tilfører ytterligere kompleksitet ved at den senker pH‑verdien i sjøvannet. Nedgangen i pH fra CO₂ kompenseres delvis av produksjonen av OH⁻‑ioner fra den elektriske energien.

Oppløsning eller utfelling av kalsiumkarbonat avhenger i seg selv av vannets surhetsgrad. Dette er et fenomen som er av bekymring for forskere, da når atmosfæren blir rikere på CO₂, blir havene mer sure.

Hvis den elektriske strømmen er kraftig nok, og dermed produksjonen av OH⁻‑ioner, kan den være høy nok til å holde pH over 8,5.

Ved disse surhetsnivåene fanger de kjemiske reaksjonene CO₂ og omdanner det til oppløste bikarbonat‑ioner (HCO₃⁻).

Kilde: Advanced Sustainable Systems

Disse bikarbonat‑ionene reagerer deretter med kalsium og utfelles som kalsiumkarbonat, basismaterialet for betongproduksjon.

Optimalisering av karbonsekvestrering

I denne typen reaksjon vil produksjonen av kalsiumkarbonat som kan brukes i sementindustrien fange den injiserte CO₂ i stedet for å slippe CO₂ ut i atmosfæren.

For ethvert gitt energinivå finnes det en optimal strømning av injisert CO₂ som minimerer energiforbruket samtidig som mineralutbyttet maksimeres. En konsentrasjon på 0,30 sccm CO₂ viste seg å være et slikt optimalt punkt, hvor et lavere energinivå fortsatt gir en høy masse av mineralutfelling.

Kilde: Advanced Sustainable Systems

Skape et brukbart avsetning

Et problem med å omsette dette konseptet til industriell anvendelse er det samme problemet som oppstår ved kalsiumkarbonatutfelling under hydrogenproduksjon via elektrolyse.

Ofte vil kalsiumavleiringen tette overflaten på elektroden, skade systemet og gjøre det mindre effektivt over tid.

Imidlertid førte de høyere energinivåene som ble brukt i dette eksperimentet, kombinert med CO₂‑injeksjon, til ytterligere reaksjoner som fikk den utfelte kalsiumkarbonaten til å løsne fra elektroden.

Dermed vil denne metoden kunne produsere karbonatet på en måte som gjør det enkelt å samle som et mineralavsetning på bunnen av tanken, uten å tette elektroden.

Vekst av mineralkrystaller

Avhengig av forholdene dannes ulike mineralaggregater med forskjellige krystallforhold, spesielt kalsiumkarbonatkrystaller (kalsitt og aragonitt) og magnesiumkrystaller (brucitt).

Kilde: Advanced Sustainable Systems

Totalt kan det resulterende materialet bestå av krystaller flere centimeter lange (1‑2 tommer), og er også svært porøst.

Sammensetningen, porøsiteten og størrelsen på aggregatene som syntetiseres ved bruk av den foreslåtte metoden, oppfyller gjeldende standarder for deres bruk i materialer som betong.

Konklusjon

Alt i alt viser denne publikasjonen at produksjon av karbonnegativt sementmateriale ikke bare er en teoretisk mulighet, men et levedyktig alternativ når karboninjeksjon brukes under elektrolyse av sjøvann.

Andre kritiske parametere, som hardhet og slitasjemotstand, må fortsatt undersøkes for fullstendig bekreftelse på at det resulterende materialet er egnet for byggeprosjekter.

Denne prosessen er iboende skalerbar, uten åpenbare begrensninger fra sjeldne materialer, overdreven energiforbruk eller lave avkastninger.

Ved å forestille seg et nettverk av sammenkoblede, skalerbare reaktorer, har denne tilnærmingen potensial til å bli implementert i industriell skala og integrert med eksisterende infrastruktur, som kystnære industrifasiliteter.

Videre fremgang i reaktordesignet bør kunne øke den samlede økonomiske og energimessige effektiviteten, for eksempel ved å optimalisere elektrodegeometri, materialer og strømningsdynamikk.

Til slutt kan vannet som kalsiumkarbonatet er ekstrahert fra muligens også være et interessant materiale for et sekundært trinn i hydrogenproduksjon fra sjøvann, da den lavere ionekonsentrasjonen bør bidra til å redusere problemene knyttet til mineralavleiringer på elektroden.

Investering i bærekraftig sement

CRH Plc

Som en av verdens ledende aktører innen sementproduksjon vil CRH være avgjørende for å gjøre sementkonstruksjon til en mer bærekraftig industri. De er nummer 1 i totalvolum av byggematerialer levert både i USA og i de europeiske markedene.

Selskapet er aktivt i 28 land og 3 390 lokasjoner, med 78 500 ansatte, og CRH Americas står for 65 % av de globale salgene.

Kilde: CRH

Selskapet forventer at robuste investeringer fra vestlige regjeringer i infrastruktur vil bidra til å øke virksomheten. Trendene med re‑industrialisering og hjem‑produksjon av høyteknologisk produksjon bør også hjelpe.

Bærekraft

CRH har gjort betydelige fremskritt innen bærekraft med en rekke initiativer:

• Det er den største resirkulereren i Nord-Amerika, med 43,9 millioner tonn avfall og biprodukter fra andre industrier resirkulert i 2023.
• Det reduserte sine CO₂‑utslipp med 8 % i 2023, takket være bruk av 36 % alternative brensler i sine sementanlegg.
• Det har som mål å redusere utslippene med 30 % innen 2030 (sammenlignet med utslippene i 2021).

Dette er prisverdig i seg selv, men kan oppfattes som for lite, for sent.

Heldigvis er CRH også en pådriver for mer grunnleggende endringer i industrien. Spesielt har de investert 75 millioner dollar i lavkarbonsement-selskapet Sublime, sammen med den europeiske betonggiganten Holcim.

Sublime Systems ble spin‑out fra MIT i 2020 for å bruke en elektrolyser til å produsere sement ved romtemperatur, og erstatte energikrevende og fossile brensel‑intensive ovner. Den gjør også bruk av kalsiumkilder som råmateriale mulig, og unngår utslipp av CO₂ fra kalkstein.

Sublimes første kommersielle anlegg i Holyoke, Massachusetts, forventes å åpne allerede i 2026. Hvis det viser seg å lykkes, kan det bli den virkelige spillveksleren for sementindustrien og åpne veien for skalerbar lavutslippsbetong.

«Sublime er en disruptiv kraft i sementproduksjon. Deres unike teknologi påvirker hele produksjonsprosessen, fra bruk av ren elektrisitet til karbonfrie råmaterialer. Vi er begeistret for potensialet og glade for å samarbeide om å bringe den til markedet i stor skala. Denne investeringen er fullt i tråd med Holcims strategi om å akselerere avkarboniseringen av byggesektoren ved å skalere opp de mest innovative teknologiene.»

Officer Nollaig Forrest – Holcims Chief Sustainability

CRH har også investert i andre avkarboniserings‑ og bærekraft‑oppstartsbedrifter:

• 23,7 millioner € i Cool Planet Technologies, som utvikler karbonfangstløsninger for industrier som tradisjonelt har vært vanskelige å avkarbonisere.
• 34,7 millioner $ fra CRH og andre investorer i Carbon Upcycling Technologies, som bruker en hel‑elektrisk mineraliseringsløsning for å lagre CO₂ permanent i industrielle biprodukter og mineraler, som sement, plast, forbruksvarer, gjødsel og legemidler.
• AICrete, en ‘oppskrift‑som‑tjeneste’-plattform som samarbeider med lokale betongprodusenter, optimaliserer lokale materialer og minimerer mengden sement som brukes ved hjelp av AI‑analyser, og reduserer både CO₂‑avtrykket og kostnadene ved betongproduksjon.
• FIDO AIs Series B‑finansiering er en oppstartsbedrift som bruker AI for å redusere vannforbruket og øke vannbesparelser.

Alt i alt er CRH en lønnsom leder i betongindustrien, og forbereder seg aktivt på avkarboniseringen av industrien, både direkte i eksisterende anlegg og som en viktig kapitalleverandør til innovative oppstartsbedrifter som skaper neste generasjon av sement‑ og betongproduksjonsteknologi.

Siste om CHR

Studier referert til:

^{1. Devi, N., Gong, X., Shoji, D., Wagner, A., Guerini, A., Zampini, D., Lopez, J., & Rotta Loria, A. F. (2025). Electrodeposition of carbon‐trapping minerals in seawater for variable electrochemical potentials and carbon dioxide injections. Advanced Sustainable Systems, 9(3), 2400943. https://doi.org/10.1002/adsu.202400943}