Verlaging van CO 2-emissie van beton is nog niet zo eenvoudig CO 2 -reductie: opties voor cement Beton bestaat hoofdzakelijk uit toeslagmateriaal, water en cement, waarbij het cement verantwoordelijk is voor meer dan 80% van het totale CO 2-profiel van beton. Het CO 2-profiel van cement verlagen of alternatieven voor cement maken is echter nog niet zo eenvoudig. In dit artikel beschrijven we waarom niet, wat er wél kan en waarom we waarschijnlijk nog wel even met beton op basis van portlandcementklinker werken. O mdat de Nederlandse mix van cementsoorten al het laagste CO 2-profiel ter wereld heeft, hoofd- zakelijk door het hoge aandeel hoog- ovencement, zijn grote innovaties nodig voor verdere verlaging. Alvorens op de ontwikkeling van nieuwe cementsoorten en alternatieve bind- middelen in te gaan, wordt eerst ach- tergrondinformatie gegeven over de ontwikkeling van het huidige cement en de hiervoor gebruikte grondstoffen. Deze achtergrondinformatie geeft inzicht in de mogelijkheden en beper- kingen voor de ontwikkeling en toepas- sing van nieuwe bindmiddelen. Tot slot wordt ingegaan op de mogelijkheden voor het afvangen van CO 2. Van gedroogde klei tot portlandcement Ongeveer 10.000 jaar geleden kwam adobe op als steenachtig bouwmateri- aal. Adobe, stenen van ongebakken gedroogde klei, werd een populair bouw- materiaal vanwege de levensduur en andere gunstige eigenschappen in verge- lijking met de toen beschikbare alterna- tieve bouwmaterialen en technieken als tenten van dierenhuiden. Adobe wordt nog steeds toegepast in landen in Afrika (foto 1) en Azië. Het is een milieuvrien- delijk bouwmateriaal, maar adobe vraagt veel onderhoud en heeft een beperkte levensduur. Vanwege de lage druksterkte (ongeveer 2 MPa) zijn ook de construc- tieve mogelijkheden zeer beperkt. 1 Bouw van een muur van adobe in Burkina Faso (bron: Wikimedia Commons) 10 VAKBLAD I 3 2019 auteur ir. Edwin Vermeulen MBA Betonhuis BV3-2019_1 cementsoorten.indd 10 23-09-19 15:50 -reductie: opties voor cement veel sneller reagerende C 3S (tricalcium- silicaat of aliet) bevat. Portlandcement bestaat uit portlandcementklinker waar- aan een paar procent gips als bindtijd- regelaar is toegevoegd. Portlandcement- klinker wordt net als hydraulische kalk gemaakt door hoofdzakelijk kalksteen (80 ? 90%) en klei (10 ? 15%) te bran- den, maar op een veel hogere tempera- tuur: circa 1450 °C in plaats van circa 1100 °C (fig. 3). De klei levert naast silicium ook aluminium en ijzer. Door de aanwezigheid van aluminium en ijzer kunnen de calciumsilicaten C 2S en C 3S bij deze relatief lage temperatuur wor- schappen zit het tussen luchtkalk en cement in. Ook vóór 1800 werd vaak onbewust hydraulische kalk geproduceerd, door het branden van onzuivere kalksteen dat naast calciumcarbonaat ook klei of andere siliciumhoudende mineralen bevat. Oude gebouwen gemaakt met kalkmortels bevatten naast kalksteen (CaCO 3) dan ook vaak CSH-gel. Rond 1850 werd het moderne portland- cement geïntroduceerd, dat naast C 2S (dicalciumsilicaat of beliet) vooral het verharding door carbonatatie kalksteen branden bij 1000 C gebrande kalk blussen met water luchtkalk mengen met zand en water kalkmortel H 2O CO 2 CaCO 3 CO 2 CaO Ca(OH) 2 Waarschijnlijk werd rond 4000 v.Chr. in het Midden-Oosten (voor het eerst) uit- gevonden hoe van zuivere kalksteen een bindmiddel kon worden gemaakt: luchtkalk (fig. 2). Luchtkalk (calciumhydroxide, Ca(OH) 2) verhardt door een reactie met de in de lucht aanwezige CO 2 tot kalksteen (CaCO 3). Dit is een traag proces en levert (bij omgevingstemperatuur en druk) lage sterkten op, maar het was een aanzienlijke stap vooruit in vergelij- king met adobe. De Romeinen wisten het bindmiddel sterk te verbeteren door aan de lucht- kalk gemalen vulkanische as toe te voe- gen en later ook wel gemalen gebakken klei. Dit bindmiddel kon ook onder water verharden en leverde veel betere eigenschappen op. De gebakken klei en vulkanische as kennen we nu onder de soortnaam puzzolaan. Puzzolanen zijn silicarijke materialen die met calcium- hydroxide kunnen reageren tot CSH- gel, de belangrijkste component van cementsteen. Rond 1800 werd hydraulische kalk uit- gevonden, de voorloper van portland- cement. Hydraulische kalk wordt gemaakt door kalk samen met klei te branden op circa 1100 °C en daarna te blussen met een beperkte hoeveelheid water. Naast Ca(OH) 2 ontstaat hierbij ook het klinkermineraal beliet (2CaO·SiO 2 of afgekort C 2S). Hydrauli- sche kalk reageert hierdoor gedeeltelijk (de C 2S) met water (waarbij CSH-gel ontstaat) en niet uitsluitend met CO 2 uit de lucht zoals luchtkalk. Hydrauli- sche kalk levert in vergelijking met luchtkalk een sneller verhardende en sterkere mortel op. Wat betreft eigen- massa temperatuur (C) CO 2 CaCO 3 CaO SiO 2 AI2O3 C2S C 3S C 3A Fe 2O3 C4AF 200 400 600 800 1000 1200 1400 2 De kalkcyclus 3 Vorming van klinker- mineralen als functie van de temperatuur 11 VAKBLAD I 3 2019 BV3-2019_1 cementsoorten.indd 11 23-09-19 15:50 den gevormd. Naast C 2S en C 3S bevat portlandcementklinker hierdoor C 3A (tricalciumaluminaat) en C 4AF (tetracal- ciumaluminaatferriet), componenten die nauwelijks sterkte leveren (fig. 4). Ook zonder aluminium en ijzer kunnen C 2S en C 3S worden gevormd, maar wel bij een nog hogere temperatuur. Grondstoffen Wanneer we zoeken naar alternatieven voor de huidige op portlandcement- klinker gebaseerde cementsoorten is het van belang te kijken naar de beschikbaarheid van de benodigde grondstoffen. De wereldwijde vraag naar cement is namelijk gigantisch: circa 4,7 miljard ton per jaar [1]. Hier- mee wordt meer beton geproduceerd dan alle andere materialen bij elkaar. Daarnaast is het wenselijk dat de grond- stoffen regionaal beschikbaar zijn. Schaarse en kritieke materialen komen daarom niet in aanmerking voor de ont- wikkeling van nieuwe cementsoorten voor grootschalige toepassing. Portlandcementklinker, de basis voor alle reguliere cementsoorten, is gebaseerd op de elementen calcium, silicium, aluminium en ijzer. De belangrijkste grondstof is kalksteen. Hiervan is jaar- lijks wereldwijd ongeveer 1,5 km 3 nodig ( fig. 5). Dit is een haast onvoorstelbare hoeveelheid, maar kalksteen is gelukkig onbeperkt beschikbaar. Kalksteen is overigens vrijwel volledig biologisch gevormd door skeletten van plankton; jaarlijks wordt in de oceanen zo'n 5 mil- jard ton kalksteen gevormd [3] (waarbij CO 2 wordt vastgelegd), wat meer is dan voor de cementproductie wordt gewonnen. De elementen silicium, aluminium en ijzer worden in de regel geleverd door klei, een eveneens regionaal en onbe- perkt beschikbare grondstof. In de prak- tijk worden naast kalksteen en klei (of de in de natuur voorkomende meng- vorm mergel) vaak ook kleine hoeveel- heden van andere materialen gebruikt om tot een optimale verhouding van calcium, silicium, aluminium en ijzer te komen, zoals zand en secundaire materialen als poederkoolvliegas. In figuur 6 worden de in de aardkorst meest voorkomende elementen weer- gegeven, die daarmee in principe in aanmerking komen voor de ontwikke- ling van een alternatief voor portland- cementklinker. Daarbij is wel de voor de productie benodigde concentratie van belang: ijzer en aluminium zijn onbe- perkt beschikbaar, maar wel in de vorm van onder andere klei; ijzererts en in mindere mate bauxiet zijn niet onbeperkt beschikbaar. IJzer in de vorm van ijzererts kan als schaars worden beschouwd met een verwachte uitputting over 300 jaar. Aluminium in de vorm van bauxiet wordt als niet-schaars beschouwd omdat uitputting (bij het huidige ver- bruik en een groeiscenario) pas over 20.000 jaar zal plaatsvinden [2]. Wan- neer bauxiet echter grootschalig voor de productie van cement zou worden ingezet, zou de uitputting veel eerder plaatsvinden dan over 20.000 jaar. Fosfor komt helaas niet in figuur 6 voor. Er worden op basis van fosfor hydrauli- sche cementen geproduceerd voor specifieke toepassingen, maar er is maar net genoeg fosfor voor de productie van meststoffen. Wanneer de productie van op fosfor gebaseerd cement wezenlijk zou worden opgeschaald, zou er een probleem ontstaan voor de landbouwsector. Zwavel komt ook niet in figuur 2 voor, maar is wel een essentieel element in druksterkte [MPa] tijd [dagen] 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 60 120 180 240 360 300 C3S C 2S C 3A C 4AF 1,15 km rest < 2% O Si AI Fe Ca Na K Mg 4 Sterkteontwikkeling van de klinkermineralen 5 Voor de wereldwijde cementproductie is veel kalksteen nodig: jaar- lijks een kubus met een ribbe van bijna 1,2 km 6 De samenstelling van de aardkorst. Naast genoemde elementen komen waterstof en koolstof veel voor, in de oceanen, de atmosfeer en het aardoppervlak. Van andere elementen is te weinig beschikbaar om als basisgrondstof voor de productie van regulier cement te kunnen dienen 12 VAKBLAD I 3 2019 BV3-2019_1 cementsoorten.indd 12 23-09-19 15:50 cement in de vorm van de bindtijdrege- laar calciumsulfaat. Het aandeel van zwavel in de aardkorst is slechts circa 0,03%, maar de mineralen met calci- umsulfaat, te weten gips (calciumsul- faat dihydraat, CaSO 4·2H 2O) en anhy- driet (calciumsulfaat, CaSO 4) komen desondanks zeer algemeen voor, terwijl ook grote hoeveelheden gips vrijkomen bij andere industriële processen als rookgasontzwaveling. Vervanging van portlandcementklinker De makkelijkste stap om het CO 2-profiel van cement te verlagen, is door een deel van de portlandcementklinker te vervangen door geschikte alternatieven zoals hoogovenslak en poederkool- vliegas. Nederland is hierin al decennia koploper en het in Nederland toege- paste cement (inclusief import) heeft daardoor ook het laagste CO 2-profiel ter wereld: een bijdrage aan de totale CO 2-emissie in Nederland van circa 1,2% in plaats van 7% wereldwijd. Wereldwijd wordt hoogovenslak al voor circa 90% gegranuleerd (snel afgekoeld waardoor het glasachtig blijft en daar- mee reactief is) en toegepast in cement en beton, maar het totale volume aan hoogovenslak vormt slechts ongeveer 8% van de totale behoefte aan cement. Het aandeel aan geschikte vliegassen is wereldwijd in dezelfde orde van grootte. Het aanbod aan hoogovenslak en poederkoolvliegas is bovendien afhankelijk van respectievelijk de ruwijzer- productie en de elektriciteitsproductie in kolengestookte elektriciteitscentrales. De verwachting is dat op termijn het aanbod van zowel slak als poederkool- vliegas zal afnemen. Buiten Nederland worden de pijlen gericht op ongebrande kalksteen, gecalcineerde klei of een combinatie van deze twee. Ongebrande kalksteen is vrijwel inert, maar het kan desondanks een deel van portlandcementklinker vervangen zonder een evenredig sterkteverlies. Bij de klei gaat het om de kleisoort kaolien (Chinese klei) die rijk is aan het mineraal kaoliniet (Al 2O3·2SiO 2·2H 2O). Bij circa 600 °C wordt de aluminium- silicaat omgezet in metakaolien: het kristalwater wordt eruit gestookt en er ontstaat een complexe min of meer amorfe structuur, waarmee het puzzo- lane eigenschappen krijgt. Onderzoeken wijzen op mogelijkheden om in combi- natie met kalksteen het klinkergehalte in cement te verlagen tot zo'n 50%. Omdat kalksteen en kaolien wereldwijd praktisch onbeperkt en regionaal beschikbaar zijn, is de ontwikkeling van een cementsoort op basis van gecalci- neerde klei en kalksteen een kansrijke optie voor reductie van het CO 2-profiel van cement. Voor Nederland biedt deze ontwikkeling echter voorlopig geen toegevoegde waarde. Regionaal hebben we een groot aanbod aan hoogovenslak en in Nederland is hoog- ovencement CEM III/B met slechts 30% klinker het meest toegepaste cementtype. Het gemiddelde klinkergehalte in de in Nederland toegepaste mix van cement- soorten is ongeveer 50%. Wereldwijd is het klinkergehalte met gemiddeld circa 75% een stuk hoger, waarbij verwacht wordt dat dit kan dalen naar zo'n 70% in 2050. Chemische mogelijkheden Het ruim beschikbaar zijn van grond- stoffen is uiteraard niet de enige voor- waarde voor de ontwikkeling van een nieuw bindmiddel. Uitgaande van een hydraulisch bindmiddel moeten de deeltjes kunnen oplossen in water, het reactieproduct moet een groter volume hebben dan het volume van de oplos- sende cementdeeltjes en het reactie- product moet slecht oplosbaar zijn in water. Daarnaast moet de reactie vol- doende snel verlopen. Op basis van de beschikbaarheid van de grondstoffen en de chemische moge- lijkheden blijven er dan drie groepen mineralen over: ? calciumsilicaten, zoals C 2S (beliet) en C 3S (aliet), de hoofdbestanddelen in portlandcement; ? calciumaluminaten, zoals CaO·Al 2O3 of afgekort CA (monocalciumalumi- naat), het hoofdbestanddeel in aluminiumcement; ? calciumsulfoaluminaten, zoals 4CaO·3Al 2O3·SO 3 of afgekort C 4A3$ (ye'elimite). Omdat bij de productie van portlandce- mentklinker de meeste CO 2 vrijkomt bij de calcinatie van kalksteen (de omzetting van calciumcarbonaat in calciumoxide en CO 2), zijn klinkersoorten met een rela- tief laag aandeel aan calcium interessant (fig. 7). Verder kan winst worden geboekt wanneer een nieuwe klinkersoort bij een lagere temperatuur ontstaat. Alternatieven portlandcementklinker In het navolgende beschrijven we de belangrijkste ontwikkelingen ten aan- zien van alternatieve bindmiddelen. Belietrijk portlandcement Belietrijk portlandcement bestaat zoals de naam al aangeeft vooral uit beliet (C 2S) in plaats van aliet (C 3S). Waar reguliere portlandcementklinker voor zo'n 65% bestaat uit C 3S en voor 15% uit C 2S, is bij belietcement het aandeel C 2S meer dan 50%. De productiewijze is vergelijkbaar met die van reguliere port- landcementklinker, waarbij er minder kalk wordt gebruikt en de brandtempe- ratuur met circa 1350 °C wat lager ligt. Ten opzichte van portlandcement is er sprake van een ongeveer 10% lagere 10% 55% 35% cementmaling calcinatie Fossiele brandstofen 7 CO 2-emissies bij de productie van portland- cement (CEM I) 13 VAKBLAD I 3 2019 BV3-2019_1 cementsoorten.indd 13 23-09-19 15:50 CO 2-emissie. Voor deze bescheiden winst moet genoegen worden geno- men met een veel tragere sterkteont- wikkeling (fig. 4), al biedt de eveneens lagere warmteontwikkeling ook voor- delen voor toepassing in massabeton. Belietrijk portlandcement wordt vooral in China toegepast in bepaalde niche- markten (foto 8). Belietcement is wat gevoeliger voor carbonatatie dan portlandcement door het lagere gehalte aan calciumhydroxide. Bij de hydratatie van C 3S ontstaat (in massaverhoudingen) ruim tweemaal zoveel calciumhydroxide als bij de hydratatie van C 2S: 2C 3S + 6H ? C 3S2H3 + 3Ca(OH) 2 2C 2S + 4H ? C 3S2H3 + Ca(OH) 2 Calciumsulfoaluminaat-belietcement Bij calciumsulfoaluminaat-belietcement (CSA-B) wordt de trage sterkteontwikke- ling van beliet gecompenseerd door de aanwezigheid van het calciumsulfoalu- minaat ye'elimite (C 4A3$). Bij hydratatie van ye'elimite ontstaat ettringiet, dat sterkte levert en de hydratatie van beliet versnelt. CSA-B betreft een brede groep van cementsoorten, waarbij het gehalte aan ye'elimite kan variëren tussen 15 en meer dan 35% en het gehalte aan beliet varieert tussen circa 40 en 75%. Daar- naast bevat CSA-B nog enkele andere mineralen waaronder C 4A F. Er zijn meerdere varianten van CSA-B in ontwikkeling, met verschillende metho- den, om naast de aanwezigheid van ye'elimite, de hydratatie van beliet te versnellen. Doordat er minder calcium nodig is en door de lagere brandtempe- ratuur van circa 1250 °C is er sprake van een CO 2-reductie van circa 25 tot 30% ten opzichte van portlandcement, terwijl de sterkteontwikkeling vergelijk- baar is. Het productieproces is ook vergelijkbaar met dat van portlandcementklinker en in principe zou CSA-B regulier cement moeten kunnen vervangen in (con- structief) beton. Voor de productie is echter een aluminiumrijke grondstof nodig. Dat kan een secundair materiaal als poederkoolvliegas zijn, maar bij opschaling zal bauxiet nodig zijn, wat het zeer kostbaar maakt. Op de zeer lange termijn zal er, bij grootschalige vervanging van portlandcement, bovendien ook schaarste aan bauxiet optreden. Voor de korte en middellange termijn kan het echter wel een wezen- lijke bijdrage leveren aan een verlaging van de CO 2-emissie. Het hydratatieproces van CSA-B wordt minder goed begrepen dan de hydrata- tie van regulier portlandcement, maar duidelijk is wel dat er, net als bij belie- trijk portlandcement, minder calcium- hydroxide vrijkomt. De pH van CSA-B is hierdoor circa 11 tot 12 in plaats van 13,5 bij portlandcement. Hierdoor en door de lagere kalkbuffer is de weer- stand van CSA-B tegen carbonatatie lager dan die bij portlandcement. Wollastoniet Naast de bekende klinkermineralen C 3S en C 2S kan er ook CS (wollastoniet) wor- den geproduceerd. Wollastoniet is, in tegenstelling tot aliet en beliet, ook een in de natuur veel voorkomend mineraal. Net als olivijn (magnesiumsilicaat 2MgO·SiO 2) kan het reageren met CO 2 tot carbonaat en (amorf) siliciumdi- oxide, maar de reactie verloopt sneller. Wollastoniet kan met de gebruikelijke grondstoffen en installaties worden geproduceerd, waarbij naast CS ook C 2S en C 3S2 (rankiniet) ontstaan. CS, C 2S en C 3S2 reageren met CO 2 tot calci- 8 In de Drieklovendam in China (1994 ? 2006; 2,7 miljoen m 3 beton) is belietrijk portland- cement toegepast (bron: Wikimedia Commons) 14 VAKBLAD I 3 2019 BV3-2019_1 cementsoorten.indd 14 23-09-19 15:50 umcarbonaat en amorf siliciumdioxide. De reactie voor wollastoniet verloopt als volgt: CaO·SiO 2 + CO 2 + H 2O ? CaCO 3 + SiO 2 + H 2O Water dient dus alleen als medium en doet niet mee in de reactie. De cement- steen bestaat uit niet-gereageerde CS- deeltjes met een schil van siliciumdi- oxide in een matrix van kalksteen (fig. 9). Doordat er veel minder kalk wordt gebruikt en door de lagere brandtem- peratuur van circa 1250 °C wordt er tijdens de productie ongeveer 30% minder CO 2 uitgestoten in vergelijking met de productie van portlandcement- klinker. Daarnaast wordt er tijdens de verharding circa 30% CO 2 opgenomen, waarmee de totale besparing ten opzichte van portlandcement circa 60% bedraagt. De sterkteontwikkeling is zeer snel: na 24 uur wordt een sterkte bereikt die met portlandcement pas na 28 dagen wordt bereikt. Al deze voordelen maken wollastoniet een zeer interessante ontwikkeling. Er zijn echter ook de nodige nadelen: omdat er CO 2 moet kunnen indringen, zijn de haalbare afmetingen beperkt tot een dikte van circa 200 mm. Verder is de pH van ongeveer 9 te laag voor toepas- sing in constructief beton. Tot slot vraagt de verwerking van wollastoniet een spe- ciaal productieproces, met een klimaat- kamer met zuiver CO 2, wat ook de nodige veiligheidsvoorzieningen vraagt. Voor betonwaren lijkt het echter een serieus alternatief voor regulier cement. De genoemde calcium- en magnesium- silicaten komen overigens ook voor in de slak die vrijkomt bij de recycling van roestvaststaal. Uit die slak wordt sinds enige tijd ook een bindmiddel vervaar- digd dat verhardt met CO 2. Gehydrateerd calciumsilicaat Calciumoxide en siliciumdioxide kunnen bij lage temperatuur in combinatie met stoom reageren tot een calciumsilicaat- hydraat. Het calciumsilicaathydraat kan vervolgens weer deels van water worden ontdaan, waarmee een calciumsilicaat ontstaat dat weer met water kan reage- ren tot CSH-gel. Het productieproces is globaal als volgt. Eerst wordt er net als bij de productie van portlandcementklinker calciumoxide geproduceerd bij circa 1000 °C. Het cal- ciumoxide reageert vervolgens in een autoclaaf bij circa 200 °C met siliciumdi- oxide (zand) en water tot een gehydra- teerd calciumsilicaat (C xSH met x tussen 1 en 2). De C xSH ontstaat hierbij op het oppervlak van de zandkorrels. De C xSH kan vervolgens worden geactiveerd en gedeeltelijk worden gedehydrateerd door het te malen samen met zand of door het te verhitten. Uiteindelijk ont- staat er een product dat iets weg heeft van beliet maar wel veel reactiever is. De ontwikkeling van dit type bindmiddel bevindt zich nog in de laboratoriumfase. Het is een interessante ontwikkeling omdat de gebruikelijke grondstoffen kalksteen en zand worden gebruikt, terwijl er een forse CO 2-besparing van circa 50% ten opzichte van portland- cement wordt gerealiseerd. Het resulte- rende bindmiddel kan bovendien op dezelfde wijze worden toegepast als regulier cement. Het productieproces is echter zeer complex en kostbaar. Daar- naast wordt de meeste winst geboekt door het lage aandeel calcium in het bindmiddel. Bij de hydratatie ontstaat er geen calciumhydroxide, waardoor er geen hoge pH ontstaat en dit bindmid- del vooralsnog niet geschikt lijkt voor constructief beton. Mogelijk wordt door de lage concentratie aan Ca 2+- en OH - -ionen in het poriewater de CSH-gel ook snel aangetast door carbonatatie, met negatieve consequenties voor de levensduur. Anderzijds zal de zeer dichte poriestructuur die bij dit bind- middel ontstaat de carbonatatie wel vertragen. Geopolymeren Geopolymeren zijn alkalisch geacti- veerde bindmiddelen. Materialen zoals poederkoolvliegas en hoogovenslak worden hierbij niet geactiveerd met portlandcementklinker maar met een sterke base zoals natronloog en/of waterglas. Bij grondstoffen die hoofdza- kelijk silicium bevatten, zoals poeder- koolvliegas, kan er hierbij een min of meer polymeerachtige structuur ont- staan. Bij materialen die ook veel cal- cium bevatten, zoals hoogovenslak, ontstaat er net als bij regulier cement hoofdzakelijk een CSH-gel. Dat er met geopolymeren gebouwd kan worden, weten we uit ervaringen in de afgelopen decennia. Geopolymeren kunnen ook bijdragen aan een CO 2- reductie. Voorwaarde hiervoor is wel dat er geen gebruik wordt gemaakt van grondstoffen die nu al volledig worden toegepast in de cement- en betonin- dustrie, zoals slak en poederkoolvliegas. Net als bij het in een bepaald werk toe- passen van hoge gehalten aan slak of calciumcarbonaat ongereageerde cementkorrel silicagel 9 Schematische weer- gave microstructuur cementsteen wollastoniet 15 VAKBLAD I 3 2019 BV3-2019_1 cementsoorten.indd 15 23-09-19 15:50 10 Nieuwe bindmiddelen op basis van grond- stoffen die al volledig worden toegepast in de cement- en beton- industrie leveren geen milieuwinst op. In het geval van geopolymeer- beton nemen de milieu- kosten landelijk zelfs toe door de toevoeging van activatoren aan de betonketen poederkoolvliegas, bijvoorbeeld in de vorm van een hoogovencement CEM III/C met meer dan 80% slak, lijkt er op projectniveau wel sprake van milieuwinst, maar landelijk is dat niet het geval. Er is alleen sprake van een verschuiving van grondstoffen (fig. 10). Geopolymeren kunnen dus alleen een bijdrage leveren als er gebruik wordt gemaakt van materialen die we nu nog niet toepassen in beton. Dat kan een kunstmatig vervaardigde slak zijn maar ook andere secundaire materiaalstro- men dan poederkoolvliegas en slak. In het geval van alternatieve secundaire materiaalstromen zijn de beschikbare volumes meestal helaas beperkt. Gecal- cineerde klei kan wel onbeperkt gepro- duceerd worden en als grondstof voor geopolymeerbeton worden gebruikt. Carbon capture Uit het voorgaande blijkt dat er welis- waar veel mogelijkheden zijn om de CO 2-emissie te verlagen, maar groot- schalige vervanging van portlandce- mentklinker is niet eenvoudig. Naast verdere inzet van alternatieve brand- stoffen wordt er door de cementindus- trie daarom ook sterk ingezet op afvang en vervolgens opslag of gebruik van CO 2. Uit de 'Technology Roadmap Low-Carbon Transition in the Cement Industry' [5], blijkt dat in 2050 het grootste deel van de vereiste CO 2- reductie gerealiseerd moet worden door het afvangen van CO 2. Voor het nuttig toepassen van CO 2 zijn diverse mogelijkheden waaronder de productie van brandstoffen en het kwe- ken van algen. Opslag van CO 2 kan in oude gasvelden maar wellicht is opslag in mineralen (zoals door een reactie met een magnesiumsilicaat als olivijn) ook mogelijk. Zowel bij opslag als bij gebruik zal de CO 2 geconcentreerd moeten worden afgevangen. Hiervoor zijn meer- dere technieken in ontwikkeling: 1 Door in de oven geen lucht maar zui- vere zuurstof te gebruiken, kan de hoe- veelheid gas worden beperkt en kan er een hoge concentratie CO 2 in de uitgaande gasstroom worden bereikt. 2 CO 2 kan worden afgevangen door de luchtstroom uit de oven door een amineoplossing te leiden, waarbij de CO 2 zich bindt aan de amine. Wan- neer de oplossing vervolgens tot 120 °C wordt verhit, komt de CO 2 weer vrij en kan worden afgevangen, waarna de oplossing weer opnieuw kan worden gebruikt. 3 Enigszins vergelijkbaar met punt 2 is het gebruik van kalk als medium om CO 2 op te vangen uit de gasstroom bij circa 650 °C en geconcentreerd weer vrij te geven bij circa 900 °C. 4 De meeste CO 2 komt vrij bij de calci- natie van kalksteen. Door de calcinatie in een separate buis te laten plaats- vinden, die uitwendig wordt verhit, kan deze CO 2 apart en dus gecon- centreerd worden opgevangen. In de eerdergenoemde 'Technology Roadmap' wordt voorzien dat CO 2- afvang pas vanaf ongeveer 2035 voor een belangrijk deel van de CO 2-reductie zal zorgen. Tot slot Het CO 2-profiel van beton is laag in vergelijking met andere bouwmaterialen [6], maar door de enorme vraag naar beton en daarmee naar cement levert de productie van cement een forse bij- drage aan de totale CO 2-emissie. De noodzakelijke verlaging van de CO 2- emissie zal moeten worden gerealiseerd door een breed scala aan nieuwe cementsoorten en vooral door CO 2- afvang. Dit vraagt echter nog de nodige technologische ontwikkelingen. Voor de komende jaren zijn de mogelijkheden voor cement daarom beperkt en moet verlaging van het CO 2-profiel van beton vooral worden gezocht in betontechno- logische maatregelen als optimalisatie van de korrelpakking. Literatuur 1 Activity Report 2017, mei 2018, CEMBUREAU, Brussel. 2 Mineral resources: Geological scar- city, market price trends, and future generations, Elsevier 2016. 3 Contribution of Calcareous Plankton Groups to the Carbonate Budget of South Atlantic Surface Sediments, Baumann et al. Universität Bremen, Fachbereich Geowissenschaften, 2004. 4 Eco-efficient cements: Potential, eco- nomically viable solutions for a low- CO 2, cement-based materials indus- try, Karen L. Scrivener, Vanderley M. John, Ellis M. Gartner, United Nations Environment Programme, Paris 2016. 5 Technology Roadmap Low-Carbon Transition in the Cement Industry, International Energy Agency / World Business Council for Sustainable Development, 2018. 6 Making Concrete Change ? Innova- tion in Low-carbon Cement and Concrete, Johanna Lehne and Felix Preston, Chatham House Report, June 2018. Nederlands beton zonder geopolymeren: Nederlands beton met volledige toepassingvan slak en vliegas in geopolymeerbeton: activatoren portlandcement vliegasslak 14 miljoen m 3 regulier beton op basis van een mix van verschillende cementsoorten en vulstofen (gemiddeld 50% klinker, 40% slak en 10% vliegas) extra: activatoren 7 miljoen m 3 regulier beton op basis van portlandcement 7 miljoen m 3 geopolymeerbetonop basis van slak, vliegas én activatoren 16 VAKBLAD I 3 2019 BV3-2019_1 cementsoorten.indd 16 23-09-19 15:50