El cemento en 2021 y sus emisiones contaminantes (I)

Nadie es ajeno a la realidad de que el cemento está en todas partes. En este artículo (el primero de la serie) identificamos los puntos principales que describen la fabricación del cemento portland, estándar en la industria, y cómo su producción impacta en el medio ambiente, sobre todo en lo que se refiere a emisiones de gases contaminantes.

CEO de QARTECH, Juan Bautista Tomas, en una fábrica de cemento en España

¿Cómo se fabrica el cemento?

El cemento portland es el ingrediente básico del hormigón. El hormigón se forma cuando el cemento portland crea una pasta con el agua que se une a la arena y la roca para endurecerse.

El cemento se fabrica mediante una combinación química muy controlada de calcio, silicio, aluminio, hierro y otros ingredientes.

Entre los materiales más comunes que se utilizan para fabricar cemento se encuentran la piedra caliza, las conchas y la tiza o marga, combinadas con esquisto, arcilla, pizarra, escoria de altos hornos, arena de sílice y mineral de hierro. Estos ingredientes, cuando se calientan a altas temperaturas, forman una sustancia parecida a la roca que se muele hasta obtener el polvo fino que comúnmente conocemos como cemento.

El albañil Joseph Aspdin, de Leeds (Inglaterra), fue el primero en fabricar cemento portland a principios del siglo XIX, quemando piedra caliza y arcilla en polvo en la estufa de su cocina. Con este rudimentario método, sentó las bases de una industria que cada año procesa literalmente montañas de piedra caliza, arcilla, roca de cemento y otros materiales hasta convertirlos en un polvo tan fino que pasa por un tamiz capaz de retener agua.

Los laboratorios de las fábricas de cemento comprueban cada paso de la fabricación del cemento portland mediante frecuentes pruebas químicas y físicas. Los laboratorios también analizan y prueban el producto final para garantizar que cumple con todas las normativas de la industria.

La forma más común de fabricar cemento portland es mediante el método seco. El primer paso es extraer las principales materias primas, principalmente piedra caliza, arcilla y otros materiales. Tras la extracción, la roca se tritura. Esto implica varias etapas. La primera trituración reduce la roca a un tamaño máximo de unos 15 centímetros. A continuación, la roca pasa a las trituradoras secundarias o a los molinos de martillos para reducirla a unas 3 pulgadas o menos.

La roca triturada se combina con otros ingredientes, como el mineral de hierro o las cenizas volantes, y se tritura, se mezcla y se introduce en un horno de cemento.

El horno de cemento calienta todos los ingredientes a unos 1.500 grados Celsius en enormes hornos rotatorios cilíndricos de acero revestidos con ladrillos especiales. Los hornos suelen tener hasta 4 metros de diámetro, lo suficientemente grandes como para que quepa un automóvil y, en muchos casos, más largos que la altura de un edificio de 40 pisos. Los grandes hornos se montan con el eje ligeramente inclinado respecto a la horizontal.

La materia prima finamente molida o el lodo se introduce en el extremo superior. En el extremo inferior hay una llama rugiente, producida por la combustión controlada con precisión de carbón en polvo, aceite, combustibles alternativos o gas bajo tiro forzado.

A medida que el material se desplaza por el horno, algunos elementos son expulsados en forma de gases. Los elementos restantes se unen para formar una nueva sustancia llamada clinker. El clínker sale del horno en forma de bolas grises, del tamaño de una canica.

Instantánea con fragmentos de clinker tras sucesivas reacciones químicas

El clinker sale al rojo vivo por la parte inferior del horno y, por lo general, se reduce la temperatura de manipulación en distintos tipos de enfriadores. El aire caliente de los enfriadores se devuelve a los hornos, un proceso que ahorra combustible y aumenta la eficacia de la combustión.

Una vez enfriado el clinker, las fábricas de cemento lo muelen y lo mezclan con pequeñas cantidades de yeso y piedra caliza. El cemento es tan fino que una libra de cemento contiene 150.000 millones de granos. El cemento ya está listo para ser transportado a las empresas de hormigón premezclado para ser utilizado en diversos proyectos de construcción.

Aunque el proceso seco es la forma más moderna y popular de fabricar cemento, algunos hornos alrededor del mundo utilizan un proceso húmedo. Los dos procesos son esencialmente parecidos, salvo que en el proceso húmedo las materias primas se muelen con agua antes de introducirlas en el horno.

La industria del cemento y sus emisiones

En 2015, generó alrededor de 2.800 millones de toneladas de CO2, lo que equivale al 8% del total mundial, una proporción mayor que la de cualquier otro país, salvo China o Estados Unidos.

El uso del cemento aumentará a medida que la urbanización y el desarrollo económico mundial incrementen la demanda de nuevos edificios e infraestructuras. Junto con otras partes de la economía mundial, la industria del cemento tendrá que reducir drásticamente sus emisiones para cumplir los objetivos del Acuerdo de París. Sin embargo, hasta el momento solo se han logrado avances limitados.

Alrededor de la mitad de las emisiones del cemento son emisiones de proceso derivadas de la reacción química que produce el clinker. Esta es una de las principales razones por las que las emisiones de cemento suelen considerarse difíciles de reducir: ya que el CO2 se libera por una reacción química, no puede eliminarse cambiando el combustible o aumentando la eficiencia.

Otro 40% de las emisiones de cemento procede de la quema de combustibles fósiles para calentar los hornos a las altas temperaturas necesarias para este proceso de calcinación. El último 10% de las emisiones procede de los combustibles necesarios para extraer y transportar las materias primas.

Por lo tanto, las emisiones del cemento dependen en gran medida de la proporción de clinker utilizada en cada tonelada de cemento. El tipo de combustible y la eficiencia de los equipos utilizados durante la producción de clinker también influyen.

Mientras tanto, se prevé que la superficie de los edificios del mundo se duplique en los próximos 40 años. Esto significa que la producción de cemento crecerá hasta alcanzar unos 5.000 millones de toneladas en 2030, lo que supone un aumento del 25% con respecto a la actualidad, llegando a cuadruplicar los niveles de 1990.

Por tanto, el aumento de la eficiencia no bastará para reducir significativamente las emisiones del sector.

¿Qué países producen mayores emisiones por producción de cemento?

China es, con diferencia, el mayor productor de cemento, seguido de lejos por India y el conjunto de países de la UE, como muestra el siguiente gráfico de un reciente informe de Chatham House. Tres cuartas partes de la producción de cemento desde 1990 se produjeron en China, que utilizó más cemento entre 2011 y 2013 que Estados Unidos en todo el siglo XX.

 

China también tiene altos niveles de producción de cemento en términos per cápita, ya que experimenta una rápida urbanización, con muchas personas que se mudan a edificios altos o bajos hechos de cemento. Sin embargo, el consumo chino podría estar a punto de estabilizarse.

Por el contrario, el consumo de la India aumentará de forma significativa a medida que se vaya urbanizando y construyendo infraestructuras. Se espera que la mayor parte del crecimiento futuro se produzca en la India y otros mercados emergentes.

En Europa, las instalaciones de hornos existentes son capaces de satisfacer la futura demanda de cemento, según Chatham House. Los productores de cemento europeos son también de los más avanzados en cuanto al uso de combustibles alternativos, añade. Sin embargo, los equipos más antiguos los sitúan por detrás de India y China en cuanto a eficiencia energética.

Asimismo, Estados Unidos, cuarto consumidor de cemento, está por detrás de otros grandes productores en cuanto a eficiencia energética y proporción de clinker.

¿Se han reducido las emisiones de la producción cementera?

La intensidad media de CO2 de la producción de cemento -las emisiones por tonelada de producción- ha disminuido un 18% a nivel mundial en las últimas décadas, según Chatham House. Sin embargo, las emisiones del sector en su conjunto han aumentado considerablemente, ya que la demanda se ha triplicado desde 1990.

Hasta ahora, los avances se han producido en tres ámbitos principales. En primer lugar, los hornos de cemento más eficientes han hecho que la producción sea menos intensiva en energía. Esto puede mejorar aún más: la media mundial de uso de energía por tonelada de cemento sigue siendo alrededor de un 20% superior a la producción con la mejor tecnología y práctica disponibles actualmente.

En segundo lugar, el uso de combustibles alternativos también ha reducido las emisiones, por ejemplo, utilizando biomasa o residuos en lugar de carbón. Este es el caso, sobre todo, de Europa, donde alrededor del 43% del consumo de combustible procede de alternativas, según Chatham House.

En tercer lugar, la reducción de la proporción de clinker portland en el cemento también ha reducido las emisiones. «Según Chatham House, los cementos de alta mezcla pueden reducir las emisiones por kilogramo hasta cuatro veces. El clinker puede sustituirse por otros materiales similares al cemento, incluidos los residuos de la combustión del carbón y la fabricación de acero. Sin embargo, esto puede afectar a las propiedades del cemento, por lo que sólo es adecuado para algunos usos finales.

La media mundial de la proporción de clinker (clinker a cemento) se redujo a 0,65 en 2014, con una amplia gama que va de 0,57 en China a 0,87 en Eurasia.

Después de varias décadas de progreso, la intensidad de CO2 del cemento cambió poco de 2014 a 2016, según la Agencia Internacional de la Energía (AIE). Esto se debe a que las mejoras en la eficiencia energética fueron compensadas por un ligero aumento en la proporción de clinker, dice.

No obstante, las emisiones globales de cemento se mantuvieron estables o disminuyeron en los últimos años, ya que la demanda en China se estabilizó.

Resumen

En el siguiente artículo de esta serie de publicaciones que QARTECH Innovations le trae en exclusiva sobre el análisis e impacto de las emisiones de la industria del cemento exploraremos cuáles son los avances que se están produciendo al respecto y cómo la I+D+I está progresivamente ayudando a ello.

En QARTECH Innovations somos clientes de grandes empresas cementeras, proporcionándoles nuestros avanzados dispositivos de sensorización de calidad del aire para llevar a cabo una monitorización en continuo de todas las variables asociadas a las emisiones durante la producción del cemento. Si quiere saber por qué empresas del tamaño de LafargeHolcim nos han contratado, póngase en contacto con nosotros aquí.