Çimento üretimi bugün küresel karbondioksit emisyonlarının yaklaşık yüzde 5 ila 8’inden sorumlu. ETH Zürih araştırmacılarının yeni çalışması ise bu yüksek emisyonlu sektörün gelecekte yalnızca daha az karbon salmakla kalmayıp, atmosferden aktif olarak CO₂ uzaklaştıran bir yapıya dönüşebileceğini gösteriyor. Araştırmaya göre doğrudan hava yakalama teknolojisinin çimento fabrikalarına entegre edilmesi, üretimin iklim üzerindeki etkisini 2050’ye kadar yüzde 78’e kadar azaltabilir.
Dünyada her yıl yaklaşık 4 milyar ton çimento üretiliyor. Ancak çimento üretimi son derece enerji yoğun bir süreç ve üretim sırasında önemli miktarda sera gazı açığa çıkıyor. Emisyonların önemli bölümü, çimentonun temel hammaddesi olan kireç taşının yüksek sıcaklıklarda parçalanması sırasında oluşuyor.
ETH Zürih’ten araştırmacılar şimdi bu sürecin aynı zamanda atmosferden karbondioksit uzaklaştırmak için kullanılabileceğini ortaya koydu.
Araştırmanın merkezinde Direct Air Capture – DAC, yani havadan doğrudan karbon yakalama teknolojisi bulunuyor. Amaç, atmosferdeki CO₂’yi kimyasal süreçlerle doğrudan havadan ayırmak ve daha sonra güvenli biçimde depolamak.
Çimento üretimi ile karbon yakalama aynı kimyaya dayanıyor
Çalışmanın en önemli noktalarından biri, çimento üretimiyle belirli bir doğrudan hava yakalama teknolojisinin aslında benzer kimyasal süreçleri kullanması.
ETH Zürih araştırmacıları çalışmalarını ABD merkezli Heirloom Carbon Technologies şirketiyle birlikte yürüttü. Şirket, “calcium looping” olarak adlandırılan, kalsiyum bileşiklerinin kimyasal döngüsüne dayalı bir DAC teknolojisi geliştiriyor.
Sürecin başlangıcında kalsiyum karbonat, yani kireç taşı bulunuyor.
Hem çimento fabrikalarında hem de kalsiyum döngüsüne dayalı DAC tesislerinde kireç taşı yüksek sıcaklıklarda ısıtılıyor. Bu işlem sonucunda kireç taşı, sönmemiş kireç ve CO₂’ye ayrılıyor. Bu işleme “kalsinasyon” adı veriliyor.
Bu benzerlik, araştırmacılara iki sistemi tek bir üretim zincirinde birleştirme fikrini verdi.
Fosil yakıt yerine elektrikli fırın
Geleneksel çimento üretimindeki önemli emisyon kaynaklarından biri de kireç taşını yüksek sıcaklıklara çıkarmak için kullanılan kömür veya doğal gaz gibi fosil yakıtlar.
Yeni modelde ise kalsinasyon işleminin elektrikle çalışan bir fırında gerçekleştirilmesi öngörülüyor.
Böylece fırından kaynaklanan doğrudan fosil yakıt emisyonları ortadan kaldırılabiliyor. Aynı zamanda kireç taşının parçalanması sırasında açığa çıkan CO₂, yanma gazlarıyla karışmadığı için daha kolay biçimde ayrıştırılıp yakalanabiliyor.
ETH Zürih araştırmacılarının hesaplamalarına göre yalnızca fırının elektrikleştirilmesi ve bu süreçte açığa çıkan CO₂’nin doğrudan yakalanması bile çimento üretiminin iklim etkisini 2050’ye kadar yüzde 78 azaltabilir.
Aynı kireç atmosferden tekrar tekrar CO₂ çekebilir
Sistemin en dikkat çekici bölümü ise bundan sonra başlıyor.
Kalsinasyon sırasında oluşan sönmemiş kirece su eklendiğinde “sönmüş kireç” elde ediliyor. Bu malzeme daha sonra havayla temas ettiğinde atmosferdeki CO₂’yi yeniden içine alıyor ve tekrar kireç taşına dönüşüyor.
Bu kireç taşı daha sonra tekrar üretim sürecine sokulabiliyor.
Dolayısıyla aynı kalsiyum malzemesi çimento üretimine girmeden önce bu döngüden birden fazla kez geçirilebiliyor.
Araştırmacılara göre kalsiyum bu “hava temas döngüsünden” ne kadar fazla geçirilirse sistem atmosferden o kadar fazla CO₂ uzaklaştırabiliyor. Yeterli sayıda döngü gerçekleştirildiğinde çimento üretiminin net olarak karbon negatif hale gelmesi bile mümkün olabilir.
Burada önemli bir ayrıntı bulunuyor: Atmosferden alınan CO₂ çimentonun içinde depolanmıyor. Yakalanan karbondioksit sıkıştırılıyor ve daha sonra yeraltındaki jeolojik depolama alanlarına taşınıyor.
Araştırmada gerçek tesis verileri kullanıldı
Çalışmayı önemli kılan unsurlardan biri de yalnızca teorik laboratuvar hesaplamalarına dayanmaması.
Araştırmacılar, Heirloom Carbon Technologies’in gerçek ticari tesislerinden elde edilen verilerden yararlandı.
Şirket, Kaliforniya’da 2023’ten bu yana yılda yaklaşık 1.000 ton CO₂ yakalama kapasitesine sahip bir tesis işletiyor. Louisiana’da ise önümüzdeki yıllarda çok daha büyük bir tesis kurulması planlanıyor.
Araştırmanın başyazarı ve ETH Zürih Enerji ve Proses Sistemleri Mühendisliği grubunda doktora öğrencisi olan Vittoria Bolongaro, şirketle yapılan iş birliğinin araştırmaya gerçek endüstriyel veriler sağladığını belirtiyor.
Böylece araştırmacılar gelecekteki büyük tesislere ilişkin senaryolarını yalnızca teorik varsayımlarla değil, mevcut ticari sistemlerden alınan birincil sektör verileriyle oluşturabildi.
İlk kez tüm yaşam döngüsü incelendi
ETH Zürih’e göre çalışma, endüstriyel ölçekte kalsiyum döngüsüne dayalı doğrudan hava yakalama teknolojisi için gerçekleştirilen ilk ileriye dönük yaşam döngüsü analizi niteliğinde.
Araştırmacılar yalnızca tesisin çalışırken ne kadar enerji harcadığını incelemedi.
Hammaddelerin çıkarılmasından tesisin inşasına, işletilmesinden yakalanan CO₂’nin depolanmasına kadar tüm süreç zincirinin çevresel etkileri hesaba katıldı.
Araştırmanın ilk sorusu şuydu:
Büyük ticari tesisler, tüm yaşam döngüsü boyunca neden olduklarından daha fazla CO₂’yi atmosferden gerçekten uzaklaştırabilir mi?
İkinci soru ise karbon emisyonlarının azaltılmasının su tüketimi veya arazi kullanımı gibi başka çevresel sorunları artırıp artırmayacağıydı.
En kritik unsur enerji kaynağı
Araştırma sonucunda sistemin çevresel ayak izindeki en büyük faktörün enerji tüketimi olduğu görüldü.
Atmosferdeki CO₂ konsantrasyonu görece düşük olduğu için karbondioksiti doğrudan havadan ayırmak oldukça enerji yoğun bir işlem. Bu durum yalnızca kalsiyum döngüsüne değil, diğer DAC teknolojilerine de özgü temel bir sorun.
Bu nedenle araştırmacılar farklı enerji senaryolarını karşılaştırdı.
Tesislerin mevcut ABD elektrik şebekesiyle çalışması, büyük ölçüde rüzgâr ve güneş enerjisine dayalı düşük karbonlu bir elektrik sistemiyle işletilmesi ve tamamen bağımsız güneş enerjisi ile batarya depolama sistemleri kullanması ayrı ayrı modellendi.
Sonuçlara göre teknoloji, ticari ölçekte bile net negatif karbon bilançosuna ulaşabiliyor.
Yani tesisler, yapımı ve işletilmesi sırasında ortaya çıkan toplam emisyonlardan daha fazla CO₂’yi atmosferden uzaklaştırabiliyor.
Her bir ton CO₂ için 40 ila 150 kilogram emisyon
Araştırmacıların 2050 senaryolarına göre kullanılan enerji karışımına bağlı olarak sistemin CO₂ uzaklaştırma verimliliği yüzde 85 ile 96 arasında değişiyor.
Başka bir ifadeyle, atmosferden yakalanıp kalıcı olarak depolanan her 1 ton CO₂ için, sistemin tüm yaşam döngüsü boyunca yaklaşık 40 ila 150 kilogram CO₂ emisyonu meydana geliyor.
ETH Zürih araştırmacıları bunun diğer doğrudan hava yakalama sistemleriyle karşılaştırılabilir bir performans olduğunu belirtiyor.
En yüksek verim ise tesislerin yenilenebilir enerjiyle çalıştırıldığı senaryolarda elde ediliyor.
En büyük avantaj: Mevcut çimento sektörüne uyarlanabilir
Araştırmacılara göre kalsiyum döngüsüne dayalı DAC sistemlerinin önemli avantajlarından biri, çimento endüstrisinde zaten kullanılan proseslere çok benzemesi.
Bu nedenle teknolojinin tamamen yeni bir sanayi altyapısı kurmak yerine mevcut çimento üretim süreçlerine entegre edilmesi mümkün olabilir.
Bolongaro’ya göre gerekli değişiklikler görece sınırlı.
Öncelikle atmosferdeki CO₂’yi absorbe edebilmek için ek hava temas ünitelerinin kurulması gerekiyor. Ayrıca kireç taşını yüksek sıcaklıklarda parçalayan fırının düşük karbonlu veya tamamen karbonsuz enerjiyle çalıştırılması gerekiyor.
Araştırmacılar, bu yaklaşımın mevcut endüstriyel tedarik zincirlerine uyum sağlayabilmesi nedeniyle ölçeklenebilir bir çözüm olma potansiyeli taşıdığını düşünüyor.
Ekonomik olup olmayacağı henüz bilinmiyor
Bununla birlikte ETH Zürih ekibi önemli belirsizliklere de dikkat çekiyor.
Araştırmadaki temel hesaplamalar 2050’ye kadar uzanan gelecek senaryolarına dayanıyor ve elektrik üretiminin önemli ölçüde karbonsuzlaştırılacağını varsayıyor.
Ayrıca sistem için gerekli bazı teknolojiler henüz büyük endüstriyel ölçekte kullanılmıyor.
Özellikle dolaylı olarak ısıtılan elektrikli kalsinasyon fırınlarının büyük ölçekli ticari uygulamaları henüz yaygın değil.
Bu nedenle sistemin teknik açıdan mümkün görünmesi, ekonomik açıdan da rekabetçi olacağını garanti etmiyor. Araştırmada ayrıntılı bir maliyet analizi yapılmadığı için bu yöntemin ticari ölçekte ekonomik olup olmayacağı henüz açık değil.
Çimento sektörü kirleticiden karbon gidericiye dönüşebilir
Araştırmanın ortaya koyduğu tablo, dünyanın en yüksek emisyona sahip endüstrilerinden biri açısından dikkat çekici.
Bugün küresel CO₂ emisyonlarının yüzde 5 ila 8’ine neden olan çimento üretimi, aynı kimyasal süreçlerden yararlanılarak gelecekte atmosferden karbon uzaklaştıran tesislerle birleştirilebilir.
ETH Zürih ekibine göre sonuçlar henüz bu sistemin kısa sürede ticari hale geleceği anlamına gelmiyor. Ancak çalışma, mevcut çimento üretim altyapısının karbondan arındırılmasıyla doğrudan hava yakalama teknolojisinin aynı endüstriyel süreç içinde bir araya getirilebileceğini gösteriyor.
Eğer teknoloji ekonomik ve teknik ölçekte uygulanabilir hale gelirse, bugün iklim değişikliğine önemli ölçüde katkıda bulunan çimento fabrikaları gelecekte yalnızca emisyonlarını azaltan değil, atmosferden net olarak CO₂ uzaklaştıran tesislere dönüşebilir. Bu son değerlendirme, çalışmanın ortaya koyduğu net-negatif üretim potansiyelinden yapılan bir çıkarımdır.
