Pepeli kot dragocen vir v krožnem gospodarstvu

V Evropski uniji nastane pri sežiganju biomase, trdnih komunalnih odpadkov in blata iz čistilnih naprav vsako leto okrog 25 milijonov ton pepela, ki praviloma konča na deponijah.

Pogosto lahko iz pepelov izločimo kovine, nutriente, elemente redkih zemelj in mineralov, dragocenih za industrijsko uporabo. Evropska komisija je lani v okviru programa Horizon Europe odobrila financiranje projekta AshCycle: Integration of Underutilized Ashes into Material Cycles by Industry-Urban Symbiosis (www.ashcycle.eu/en/ ), ki ga koordinira finska Univerza Oulu.

V konzorciju je 28 partnerjev, med njimi tudi Zavod za gradbeništvo Slovenije (ZAG).

Glavni cilj projekta sta razvoj in demonstracija koncepta industrijsko-urbane simbioze (I-US) z uporabo pepelov iz sežiga biomase, trdnih komunalnih odpadkov in blata iz čistilnih naprav za ekstrakcijo kovin, nutrientov, redkih zemelj ter uporabo mineralnih ostankov kot sekundarnih virov v gradbeništvu. Demonstracija zajema regionalne pilotne projekte v realnem okolju, primere replikacije v virtualnem ali laboratorijskem merilu in digitalna orodja.

Piloti in replikacije bodo izvedeni na Danskem, Finskem, v Belgiji, na Nizozemskem, Hrvaškem, v Sloveniji, Švici in Južni Afriki. Pri tem bodo vključeni vsi glavni predstavniki vrednostnih verig, in sicer ponudniki pepela, predelovalci pepela, ponudniki izdelkov ter širša javnost.

ZAG sodeluje oziroma bo vključen pri:

• osnovni karakterizaciji pepelov,
• izdelavi in karakterizaciji opek z dodatkom izbranih pepelov,
• uporabi granuliranih pepelov v zemeljskih konstrukcijah,
• replikaciji tehnologije »carbstone«,
• proučevanju sekvestracijskega potenciala odpadnih pepelov,
• regulaciji in standardizaciji novih izdelkov, vključno z analizo življenjskega cikla.

Uporaba pepelov v opekarstvu

V Evropski uniji se več kot polovica razpoložljivih naravnih virov porabi v gradbeništvu, s tem povezani procesi pa prispevajo več kot 30 odstotkov v evropskem ogljičnem odtisu (1). Ker zaradi naraščajočega povpraševanja po opeki iz žgane gline v svetovnem merilu prihaja do obsežnega izčrpavanja naravnih virov, se iščejo alternativni materiali, ki v mešanici za izdelavo opek lahko nadomestijo del naravne surovine.

S projektom AshCycle želijo tudi spodbuditi krožno gospodarstvo, pri čemer bodo proučevali uporabo pepelov iz lesne biomase za izdelavo opek. V laboratorijskih eksperimentih do 15 masnih odstotkov naravne opečne gline nadomestijo s pepelom in spremljajo vpliv dodatka na plastičnost surovinske mešanice, lastnosti oblikovancev po sušenju ter končne lastnosti opek po žganju. V poznejši fazi projekta bodo za optimalno surovinsko mešanico v sodelovanju s podjetjem Goriške opekarne izvedena tudi pilotna industrijska proizvodnja serije opek z dodatkom izbranega pepela.

Sekvestracija

Koncentracija ogljikovega dioksida v ozračju se spreminja z globalno temperaturo, vendar tisočletja ni presegla 300 delcev na milijon. Leto 2016 je bilo prvo leto, ko so bile koncentracije ogljikovega dioksida v ozračju vse leto nad 400 delcev na milijon. Napovedi kažejo, da bi lahko do leta 2050 narasle nad 550 delcev na milijon, kar pomeni drastično globalno segrevanje (2). Emisije ogljikovega dioksida naraščajo za približno odstotek na leto, začasno so se zaradi pandemije ustavile le v letu 2020 in 2021. Lani je bila koncentracija atmosferskega ogljikovega dioksida spet blizu 420 delcev na milijon, napovedi pa kažejo, da bodo emisije ogljikovega dioksida v letu 2023 dosegle rekordne ravni.

Zaradi naraščajoče koncentracije atmosferskega ogljikovega dioksida so bile predlagane različne strategije, ki temeljijo na zajemanju in izkoriščanju ogljikovega dioksida (»CO2 capture and utilization«, CCU) ter zajemanju in shranjevanju ogljikovega dioksida (»CO2 capture and storage«, CCS) (3). Ena izmed metod CCS je shranjevanje ogljikovega dioksida v nekdanjih nahajališčih nafte ali plina z neprepustno kapnino pod visokim pritiskom. Čeprav so te strategije obetavne za zmanjšanje koncentracije ogljikovega dioksida v ozračju, so energetsko potratne.

V nasprotju s stroškovno intenzivnimi tehnologijami je sekvestracija ogljikovega dioksida nizkotehnološki pristop k procesu zajemanja in shranjevanja ogljika, ki v glavnem vključuje reakcijo ogljikovega dioksida z materiali, ki vsebujejo kalcijev oksid (CaO), in tvorbo kalcijevega karbonata (CaCO3): CaO (s) + CO2 (g) → CaCO3 (s) (3).

Pepeli, ki vsebujejo veliko kalcijevega oksida (CaO), so tako potencial za vezavo ogljikovega dioksida v stabilno obliko karbonatov. Količina prostega CaO je odvisna od narave goriv, pa tudi od procesa zgorevanja (na primer zvrtinčena plast). S poznejšo (pospešeno) karbonacijo je pepel bolj stabilen in ga je preprosto uporabiti naprej. Sekvestracijo je mogoče koristno uporabiti tudi za proizvodnjo betonskih izdelkov, vezanih s karbonati (tehnologija »carbstone«). Tak postopek bi lahko postal del sežigalnic in zagotavlja dve koristi; stabiliziran pepel in zmanjševanje emisij ogljikovega dioksida oziroma dolgoročno uporabo pepela. V študiji, ki je del novega evropskega projekta AshCycle, je ZAG prevzel vodilno nalogo za vzpostavitev metodologije sekvestracijskega potenciala odpadnih pepelov - pepela iz sežiga trdnih komunalnih odpadkov in blata čistilnih naprav ter pepela lesne biomase.

S karbonizacijo lahko zmanjšamo vrednosti kritičnih parametrov, kot sta alkalnost in topnost, ki omejujejo odlaganje odpadnih pepelov na odlagališčih. Ker je spontana karbonizacija zaradi nizke vsebnosti ogljikovega dioksida v zraku (0,04 odstotka) precej počasna in slabo učinkovita, jo lahko izboljšamo s pospešeno karbonatizacijo, z neposredno izpostavljenostjo ogljikovega dioksida v zaprti komori, s čimer dosežemo večjo stopnjo karbonatizacije in večjo zmogljivost skladiščenja ogljikovega dioksida. Na hitrost pospešene reakcije karbonatizacije vplivajo pogoji, kot so velikost delcev (reakcijska ploskev materiala), relativna vlažnost (od 50 do 70 odstotkov), temperatura, čas in koncentracija ogljikovega dioksida.

Glavne prednosti karbonatizacije so visoka stabilnost glavnega produkta (CaCO3), saj je nastali mineral naravno stabilen. Pri tem se ogljikov dioksid ne more znova izpustiti v okolje. Reakcija je eksotermna, brez potrebe po dodatnem vnosu energije, zato je tudi stroškovna učinkovitost visoka. Prednost je tudi velika razpoložljivost pepela kot stranskega produkta pri zgorevanju trdnega goriva (4). Kljub temu ni vsak pepel primeren za proces sekvestracije, zato je bilo treba razviti metodologijo za oceno tega potenciala.

Takšna metodologija vključuje kombinacijo tehnik, od teoretičnih izračunov do uporabe tehnik:

• rentgentske fluorescence (X-ray fluorescence, XRF),
• rentgenske praškovne difrakcije (X-ray powder diffraction, XRD),
• diferenčne termične oziroma termogravimetrične analize (Differential thermal analysis, DTA/ Thermogravimetric analysis, TG) in
• kalcimetričnega določanja CO2.

Izračunano učinkovitost karbonatizacije določimo kot razmerje med eksperimentalno določenim in teoretično izračunanim ogljikovim dioksidom. V študiji je uporabljen naslednji pristop: pepel je izpostavljen pogojem pospešene karbonatizacije (štirje odstotki v/v CO2, 60-odstotna relativna vlažnost, 20 °C) v zaprti karbonatizacijski komori za različna časovna obdobja, dokler ne dosežemo maksimalnega privzema ogljikovega dioksida. Preliminarni izsledki študije so pokazali, da je pepel iz lesne biomase kot s kalcijem bogat pepel in z 72-odstotno učinkovitostjo karbonatizacije najbolj privlačen kandidat za sekvestracijo ogljikovega dioksida. Ugotovitve bodo pomembno pripomogle k doseganju krožnega in podnebno nevtralnega gospodarstva v Evropi.

Zaključki

Gradbeni sektor porabi ogromno naravnih resursov, prav tako proizvede več odpadkov kot katerikoli drug industrijski sektor in že zato lahko razmeroma majhne spremembe v tej panogi privedejo do velikih okoljskih izboljšav. Tehnološke rešitve v vseh segmentih krožnega pristopa so že na voljo oziroma so predmet raziskav številnih mednarodnih in nacionalnih projektov, vendar je na poti do uveljavitve principov krožnega gospodarstva tudi kar nekaj ovir.

Med drugim so to ovire z ekonomskega vidika, saj okoljsko prijazne rešitve niso vedno tudi finančno najugodnejše, nadalje gre za pomanjkanja poenotene regulativne in tudi nezadostno ozaveščenost javnosti o varnosti in okoljski sprejemljivosti končnih izdelkov, proizvedenih na podlagi odpadkov. Prav zato so projekti, kot je AshCycle, tako pomembni, saj poleg tehničnega vidika naslavljajo tudi vključevanje skupnosti v ukrepe, ki povečujejo družbeno sprejemljivost novih rešitev in zagotavljajo širše razumevanje novih tehnologij v konceptu industrijsko-urbane simbioze.

Sara Tominc, Lea Žibret, Vilma Ducman so zaposlene na Zavodu za gradbeništvo Slovenije

Reference:

1 IEA and UNEP, 2019 Global Status Report for Buildings and Construction, 2019.

2 N. Stern, “The economics of climate change: The stern review,” Econ. Clim. Chang. Stern Rev., pp. 1–692, 2006, doi: 10.1017/CBO9780511817434.

3W. Xie, H. Li, M. Yang, L. He, and H. Li, “CO2 capture and utilization with solid waste,” Green Chem. Eng., vol. 3, no. 3, pp. 199–209, 2022, doi: 10.1016/j.gce.2022.01.002.

4 R. Koch, G. Sailer, S. Paczkowski, S. Pelz, J. Poetsch, and J. Müller, “Lab-Scale Carbonation of Wood Ash for CO2 -Sequestration,” Energies, vol. 14, p. 7371, 2021, doi: doi.org/10.3390/en14217371.