Desarrollan un método para reciclar cemento en los hornos de arco eléctrico de las acerías

El sistema ideado por investigadores de la Universidad de Cambridge, que lo califican de «auténtico milagro», podría tener un enorme impacto en la reducción de emisiones de CO2 generadas en la producción de hormigón.

Investigadores de la Universidad de Cambridge han desarrollado un método para producir a gran escala hormigón de muy bajas emisiones. El método, que según los investigadores es «un auténtico milagro», utiliza los hornos de arco eléctrico empleados en el reciclado del acero para reciclar el cemento, el componente del hormigón que más carbono emite.

El hormigón es el segundo material más utilizado del planeta, después del agua, y es responsable de aproximadamente el 7,5% de las emisiones antropogénicas totales de CO₂. Uno de los mayores retos de la descarbonización es encontrar una forma escalable y rentable de reducir las emisiones del hormigón y, al mismo tiempo, satisfacer la demanda mundial.

Los investigadores de Cambridge descubrieron que el cemento usado es un sustituto eficaz del fundente de cal, que se utiliza en el reciclado del acero para eliminar impurezas y normalmente acaba como un residuo conocido como escoria. Pero al sustituir la cal por cemento usado, el producto final es cemento reciclado que puede utilizarse para fabricar hormigón nuevo.

El método de reciclado de cemento desarrollado por los investigadores de Cambridge, del que se informa en la revista Nature, no añade ningún coste significativo a la producción de hormigón o acero y reduce significativamente las emisiones tanto del hormigón como del acero, debido a la menor necesidad de fundente de cal.

Cemento con cero emisiones

Pruebas recientes llevadas a cabo por el Instituto británico de Procesamiento de Materiales, socio del proyecto, han demostrado por primera vez que el cemento reciclado puede producirse a escala en un horno de arco eléctrico (EAF). Con el tiempo, este método podría producir cemento con cero emisiones, si el horno de arco eléctrico se alimentara con energía renovable.

«Celebramos una serie de talleres con miembros de la industria de la construcción sobre cómo podríamos reducir las emisiones del sector», explica el profesor Julian Allwood, del Departamento de Ingeniería de Cambridge, que dirigió la investigación. «De esos debates surgieron muchas ideas estupendas, pero algo que no podían o no querían considerar era un mundo sin cemento».

El hormigón se fabrica con arena, grava, agua y cemento, que sirve de aglutinante. Aunque es una pequeña proporción del hormigón, el cemento es responsable de casi el 90% de las emisiones de este material. El cemento se fabrica mediante un proceso llamado clinkerización, en el que la piedra caliza y otras materias primas se trituran y se calientan a unos 1.450 °C en grandes hornos. Este proceso convierte los materiales en cemento, pero libera grandes cantidades de CO₂ a medida que la piedra caliza se descarbonata y se convierte en cal.

En la última década, los científicos han investigado sustitutos del cemento y han descubierto que aproximadamente la mitad del cemento del hormigón puede sustituirse por materiales alternativos, como las cenizas volantes, pero estas alternativas necesitan ser activadas químicamente por el cemento restante para endurecerse.

«También es una cuestión de volumen: físicamente no tenemos suficientes alternativas para satisfacer la demanda mundial de cemento, que ronda los 4.000 millones de toneladas al año», explica Allwood. «Ya tenemos al alcance de la mano la forma de utilizar menos cemento mediante una mezcla y combinación cuidadosas, pero para llegar hasta las emisiones cero, tenemos que empezar a pensar de forma innovadora».

«Tenía la vaga idea, por trabajos anteriores, de que si fuera posible triturar el hormigón viejo, sacando la arena y las piedras, calentando el cemento se eliminaría el agua y se volvería a formar clinker», explica el primer autor del trabajo, el Dr. Cyrille Dunant, también del Departamento de Ingeniería de Cambridge. «Un baño de metal líquido ayudaría a esta reacción química, y un horno de arco eléctrico, utilizado para reciclar acero, parecía una gran posibilidad. Teníamos que intentarlo».

Escoria siderúrgica

El proceso de clinkerización requiere calor y la combinación adecuada de óxidos, todos ellos presentes en el cemento usado, pero que hay que reactivar. Los investigadores probaron una serie de escorias, fabricadas a partir de residuos de demolición y a las que añadieron cal, alúmina y sílice. Las escorias se procesaron en el EAF del Instituto de Procesamiento de Materiales con acero fundido y se enfriaron rápidamente.

«Descubrimos que la combinación de clínker de cemento y óxido de hierro es una excelente escoria siderúrgica porque forma espuma y fluye bien», explica Dunant. «Y si se consigue el equilibrio adecuado y se enfría la escoria con suficiente rapidez, se obtiene cemento reactivado, sin añadir ningún coste al proceso de fabricación del acero».

El cemento fabricado mediante este proceso de reciclado contiene niveles más altos de óxido de hierro que el cemento convencional, pero los investigadores afirman que esto afecta poco al rendimiento.

El proceso de Cambridge Electric Cement se ha ido ampliando rápidamente, y los investigadores afirman que podrían llegar a producir mil millones de toneladas al año en 2050, lo que representa aproximadamente una cuarta parte de la producción anual actual de cemento.

«Producir cemento con cero emisiones es un auténtico milagro, pero también tenemos que reducir la cantidad de cemento y hormigón que utilizamos», afirma Allwood. «El hormigón es barato, resistente y se puede fabricar casi en cualquier sitio, pero usamos demasiado. Podríamos reducir drásticamente la cantidad de hormigón que utilizamos sin merma alguna de la seguridad, pero hace falta voluntad política para lograrlo».

«Además de suponer un gran avance para la industria de la construcción, esperamos que Cambridge Electric Cement sea también una señal que ayude al Gobierno a reconocer que las oportunidades de innovación en nuestro camino hacia las emisiones cero se extienden mucho más allá del sector energético».

Los investigadores han presentado ya una patente sobre el proceso para apoyar su comercialización.