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Jul 22, 2023

Hacia un caso de negocio para la mineralización de CO2 en la industria del cemento

Communications Earth & Environment volumen 3, Número de artículo: 59 (2022) Cita este artículo 12k Accesos 20 Citas 88 Detalles de Altmetric Metrics La industria del cemento, una industria caracterizada por bajos

Comunicaciones Tierra y Medio Ambiente volumen 3, Número de artículo: 59 (2022) Citar este artículo

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La industria del cemento, una industria caracterizada por márgenes bajos, es responsable de aproximadamente el 7% de las emisiones antropogénicas de CO2 equivalente (CO2e) y tiene la mayor intensidad de carbono de cualquier industria por unidad de ingresos. Para fomentar la descarbonización completa de la industria del cemento, se deben encontrar estrategias en las que se incentiven las reducciones de emisiones de CO2e. Aquí mostramos a través de modelos tecnoeconómicos integrados que la mineralización de CO2 de minerales de silicato, con el objetivo de almacenar CO2 en forma sólida, da como resultado reducciones de emisiones de CO2e del 8% al 33% y genera ganancias adicionales de hasta 32 euros por tonelada de cemento. Para crear casos de negocios positivos de mineralización de CO2 son primordiales dos condiciones: los productos resultantes deben usarse como material complementario en mezclas de cemento en la industria de la construcción (por ejemplo, para puentes o edificios) y el almacenamiento de CO2 en minerales debe ser elegible para certificados de emisión. o similar. Además, el transporte de minerales y la composición del producto son decisivos.

La industria del cemento es responsable de aproximadamente el 7% de las emisiones antropogénicas de CO2 equivalente (CO2e)1,2, con la mayor intensidad de carbono de cualquier industria por unidad de ingresos3. Para combatir el cambio climático, los países reunidos en la Conferencia de las Partes firmaron el acuerdo climático de París en 2015, con el objetivo de limitar las emisiones de CO2e y, por tanto, el aumento de la temperatura a un máximo de 2 °C, mientras se esforzaban por alcanzar 1,5 °C4,5. Dado que el uso de cemento es fundamental para el desarrollo económico con un tamaño de mercado global proyectado de 463 mil millones de dólares6 (6,08 gigatoneladas por año (Gt a-1) de cemento7) en 2026, reducir sus emisiones incorporadas es esencial8,9,10. Aproximadamente el 60% de las emisiones de las industrias del cemento son inherentes al proceso y resultan de la reacción de calcinación de la piedra caliza11. Estas emisiones son particularmente difíciles de mitigar ya que o todo el proceso debe ser reemplazado por alternativas de bajas emisiones3,8,12,13,14,15 o las emisiones deben capturarse del proceso y almacenarse permanentemente1,3,8,10,16 ,17. Si bien la sustitución del cemento y el hormigón por materiales de construcción alternativos como la madera requeriría un cambio aparentemente irreal y rápido de toda la cadena de valor de la construcción, las tecnologías de captura y almacenamiento de carbono presentan una alternativa para la descarbonización, pero conllevan costos de producción adicionales18,19. Preferiblemente, se deben encontrar estrategias en las que las reducciones de emisiones de CO2e puedan generar ingresos adicionales en lugar de incurrir en costos.

Algunos han sugerido que el CO2 se puede capturar y hacer reaccionar con minerales activados o desechos industriales para formar minerales carbonatados estables (también conocido como mineralización de CO2)20,21,22, cuyos productos podrían valorizarse posteriormente. Estas reacciones son exotérmicas y conducen al almacenamiento a largo plazo de CO221. Los primeros hallazgos sugieren que, además del almacenamiento de CO2, los productos pueden usarse potencialmente en una variedad de aplicaciones, incluso como rellenos, aditivos poliméricos, para recuperación de tierras o como materiales cementosos suplementarios (SCM)21,23,24,25,26, potencialmente generando ingresos de entre 14 y 700 euros por tonelada de CO2 capturada21. Dependiendo del material de partida para la reacción, también se pueden separar óxidos metálicos, como óxidos de hierro, como un valioso subproducto que podría usarse como pigmentos o como mineral de hierro21,23.

Se han propuesto múltiples materias primas para la mineralización de CO2, principalmente rocas naturales que contienen minerales de silicato ricos en magnesio o calcio20,22 y residuos industriales alcalinos (p. ej., escoria de acero o cenizas volantes). Si bien las rocas naturales son atractivas porque son un recurso abundante, que podría usarse a escala global20,24,27, los desechos industriales son atractivos porque ya están disponibles en las regiones industriales. No obstante, los desechos industriales pueden presentar materias primas más complejas porque con el tiempo las composiciones y los costos de los residuos industriales pueden cambiar debido a cambios en los procesos de producción o debido a cambios en la legislación27. Para permitir una reducción sustancial de las emisiones a través de la mineralización de CO2 con una materia prima altamente predecible, nos centramos en el uso de roca natural como recurso para la mineralización de CO2 que sea sustancial y con una composición estable, al tiempo que reconocemos que los desechos alcalinos también pueden presentar materias primas adecuadas. en determinadas condiciones.

Ejemplos de minerales naturales incluyen forsterita (Mg2SiO4), presente en rocas que contienen olivino, lizardita (Mg3Si2O5(OH)4) presente en rocas que contienen serpentinas y wollastonita (CaSiO3)20. Las rocas pueden estar compuestas por entre un 50% y un 80% de estos minerales, dependiendo de la geología del sitio de extracción24,28. Las reacciones generales de mineralización de CO2 para estos minerales de ejemplo se describen en la ecuación. 1 a la ecuación. 3.

Trabajos anteriores sobre la mineralización de CO2 han demostrado que reducciones en el rango de 0,44 a 1,17 toneladas de CO2e por tonelada de CO2 almacenada son factibles bajo la combinación energética actual21 y que la implementación de la mineralización de CO2 podría (bajo ciertas condiciones) usarse para transferir la industria del cemento. de carbono positivo a carbono negativo29. Dado que la extracción de minerales naturales conlleva sus propios impactos ambientales (por ejemplo, agotamiento de metales y consumo de agua dulce), estos impactos deberían ser monitoreados y gestionados de cerca al implementar la mineralización de CO229. Las evaluaciones de la tecnoeconomía de la mineralización de CO2 han demostrado que su coste de almacenamiento de CO2 podría oscilar entre 65 y 443 euros tCO2, evitado −1,30 (excluyendo la captura de CO2)31 (Tabla complementaria 1), cuando se utilizan minerales naturales como materias primas. . Sin embargo, estos estudios ignoran el valor agregado de la venta de los productos resultantes, que puede ser fundamental para una adopción exitosa por parte de los actores de una industria caracterizada por una fuerte competencia y una alta presión sobre los precios. Por lo tanto, aquí vamos más allá de la mineralización únicamente con fines de almacenamiento y nuestro objetivo es investigar críticamente bajo qué condiciones existe un caso comercial positivo para el uso de productos de carbonatación mineral en la industria del cemento.

Mostramos que, dadas las circunstancias adecuadas, existen casos comerciales positivos cuando se pueden generar ingresos mediante el uso de productos de mineralización como SCM. Creamos modelos tecnoeconómicos integrados de dos procesos de carbonatación para producir material cementante suplementario que permiten un análisis en profundidad de las interacciones del proceso y el desempeño económico. Al utilizar estos modelos para probar posibles casos de negocio en diferentes escenarios futuros, encontramos escalas y procesos de producción óptimos en términos de costos, y el análisis de incertidumbre global aclaró los principales impulsores de los costos y beneficios.

En esta contribución, investigamos la producción y el uso de productos de mineralización de CO2 para un mercado de gran volumen, es decir, el reemplazo del cemento como SCM, ya que otros mercados para productos de mineralización de CO2 como el carbonato de magnesio (MgCO3), el carbonato de calcio (CaCO3) y la sílice ( es decir, dióxido de silicio, SiO2) (Ec. 1 a Ec. 3), no coinciden con la escala de emisiones de CO2e de la producción de cemento (Nota complementaria 1). Investigamos la producción de cemento con carbonatación mineral integrada, donde el CO2 se captura del horno de cemento (capacidad: 1,4 millones de toneladas de cemento por año32) y se carbonata inmediatamente en el sitio (Fig. 1 y Nota complementaria 2). Nuestras investigaciones encontraron que se puede esperar que hasta el 25% del cemento Portland ordinario sea reemplazado por SCM, mientras que tasas más altas de sustitución conducirían a problemas de rendimiento (es decir, tiempo de curado, demanda de agua, resistencia) (Nota complementaria 3). Con este fin, comparamos dos procesos de carbonatación diferentes y desarrollamos aún más los diagramas de flujo del proceso para estos (Nota complementaria 4, Figura complementaria 2, Tabla complementaria 3). Como generalmente las rutas de mineralización de CO2 se pueden agrupar en directas (es decir, los minerales se hacen reaccionar con CO2 gaseoso en un tanque agitado presurizado usando una suspensión acuosa con aditivos) e indirectas (es decir, los óxidos de metales alcalinotérreos se extraen primero y en un paso posterior se hacen reaccionar con CO2 a través de un portador de CO2) sistemas de carbonatación mineral, propusimos una ruta de proceso directa y una indirecta (Figura complementaria 2). La ruta de proceso directo propuesta utiliza mayor presión y temperatura para lograr la carbonatación en un solo paso, mientras que la ruta de proceso indirecto propuesta utiliza múltiples pasos y aditivos para extraer MgSO4 del mineral de materia prima, que debe reactivarse usando calor20,33,34. Incorporamos la separación por clasificación (es decir, por tamaño de partícula) para garantizar la calidad de reemplazo del cemento del producto carbonatado (SCMCCU) (Nota complementaria 4). Se supone que el material que no se puede utilizar como SCMCCU se almacena en la cantera de piedra caliza cercana (Fig. 1). Como los minerales forrajeros no abundan en todas partes de Europa, suponemos que el transporte de minerales forrajeros es de 1200 km (Nota complementaria 2).

Industria sin cambios etiquetada en gris/rojo. Proceso CCUM etiquetado en azul claro/azul oscuro. Ilustración diseñada por Wernerwerke, Cordes + Werner GbR ©2021.

Definimos tres escenarios (pesimista, medio y optimista) para factores que tienen grandes impactos en la captura y utilización de CO2 a través de la mineralización (en adelante, CCUM) (Tabla 1). En el escenario optimista, utilizamos supuestos que presumimos favorecen particularmente la economía de la mineralización de CO2, mientras que en el escenario pesimista utilizamos supuestos que presumimos que los desfavorecen. Como la sílice es el ingrediente reactivo en los SCM, incluimos el contenido de sílice (es decir, la proporción de sílice en SCMCCU) para capturar múltiples composiciones posibles para el material cementoso suplementario producido, en adelante SCMCCU, que puede usarse como reemplazo del cemento (Nota complementaria 3). . Aunque la sílice es un ingrediente reactivo necesario en SCMCCU, los mayores contenidos de sílice en SCMCCU requieren mayores esfuerzos de purificación y costos de producción porque los procesos de mineralización producen más carbonatos que sílice. En consecuencia, el escenario optimista presenta el menor contenido de sílice. Incluimos la participación de SCMCCU en cemento, presentándose la participación más alta en el escenario optimista. Como posibles fuentes de ingresos incluimos el precio del cemento (πcemento) y el precio del sistema europeo de comercio de emisiones (es decir, el precio del ETS (πETS)). El precio del cemento determina los ingresos provenientes de la sustitución del cemento por el SCMCCU producido, mientras que se pueden esperar ingresos adicionales al reducir la carga de los derechos de emisión de CO2 en virtud del ETS. El Tribunal Supremo europeo ha concedido la elegibilidad al RCDE para producir carbonato de calcio precipitado a partir de CO235, pero aún no para los carbonatos de magnesio. Sin embargo, se puede esperar que el argumento del almacenamiento duradero también se aplique a los carbonatos a base de magnesio, debido a las propiedades similares de almacenamiento de CO2 en minerales estables36. En el escenario pesimista, no se asumió ninguna elegibilidad para el ETS.

La Figura 2a muestra que tanto la ruta del proceso directo como la indirecta proporcionan un caso de negocio positivo en el escenario optimista. La implementación de CCUM genera un beneficio de aproximadamente 129 tSCMccu-1 (directo) y 117 tSCMccu-1 (indirecto), lo que genera un beneficio adicional de 44 M€ y 39 M€ al año por planta de cemento. Esto se traduce en un beneficio adicional de 32 y 29 euros por tonelada de cemento vendida. En el escenario medio, los procesos CCUM alcanzan el punto de equilibrio con un pequeño beneficio de 3 tSCM-1 (directo) y 5 tSCM-1 (indirecto). En el escenario pesimista, donde se supone que CCUM no será reconocido por el ETS, ambas rutas de proceso generan una pérdida para el productor de cemento de 108 tSCMccu-1 (directa) y 80 tSCMccu-1 (indirecta), lo que genera costes adicionales de 10 €. y 8 euros por tonelada de cemento. Esto resalta la importancia de incluir CCUM como medio de reducción de emisiones de CO2e en el ETS. La Figura 2a también muestra que la economía limita la capacidad económica máxima de las plantas CCUM en la producción de cemento, lo que en consecuencia también limita la cantidad de CO2 que se puede mineralizar. Las capacidades de planta económicamente óptimas para las plantas de mineralización que maximizan las ganancias para los escenarios pesimista, medio y optimista son 136 kilotoneladas SCMCCU por año (ktSCM a-1), 272 ktSCM a-1 y 340 ktSCM a-1 (tanto para el proceso indirecto, la rodilla en la curva de ingresos). En el escenario optimista, se puede presentar un caso de negocio positivo hasta una capacidad SCMCCU de 940 ktSCM a-1 (directa) y 780 ktSCM a-1 (indirecta). Dado que las capacidades económicas máximas de las plantas CCUM se producen cuando la capacidad de las CCUM coincide con la proporción de cemento reemplazado (por ejemplo, el 10% de la producción total de cemento son 136 kt), esto muestra que los ingresos de los certificados ETS por sí solos no cubren los costos de las mineralización. Los valores aquí calculados para las reducciones de costos y emisiones de CO2e son consistentes con estudios previos, teniendo en cuenta que se utiliza una mezcla de inerte y sílice para producir SCMCCU21,31.

a Comparación del costo nivelado del producto (línea continua de color beige) y los ingresos (línea discontinua verde), áreas rentables marcadas en verde, áreas no rentables marcadas en beige. b Reducción de emisiones de CO2e calculada utilizando dos escenarios de emisiones de la red: considerando la combinación de redes eléctricas de Europa (2016) (línea de puntos azul) y considerando la descarbonización de la electricidad y la calefacción (línea de puntos verde). a, b Los supuestos para los cálculos se proporcionan en las tablas complementarias 3 a 13; los resultados adicionales se muestran en las figuras complementarias. 5–7. b Tenga en cuenta que para calcular las reducciones de emisiones de CO2e en el escenario descarbonizado, no se han modificado las emisiones de fondo provenientes de la producción de materias primas.

Al investigar las reducciones de emisiones de CO2e proporcionadas por CCUM (Fig. 2b), queda claro que, dependiendo del escenario, la implementación de la mineralización de CO2 conduciría a una emisión de CO2e del 15% al ​​33% (directa) y del 8% al 23% (indirecta). reducción en comparación con el cemento Portland ordinario en las capacidades de planta económicamente óptimas. Este valor puede superar el 33% para el proceso directo en el escenario optimista al ir más allá de la capacidad de la planta económicamente óptima, pero a expensas de una economía menos favorable (aunque todavía positiva): a capacidades de planta más altas que la capacidad de la planta económicamente óptima, más CO2 se almacena, pero no se puede utilizar una mayor parte del SCMCCU resultante como reemplazo del cemento, que en consecuencia debe almacenarse, lo que genera menores ingresos y costos de transporte ligeramente mayores en estas capacidades (Fig. 2a). Esto es diferente para el proceso indirecto: sufre altas emisiones de la producción de aditivos, así como una alta demanda de electricidad y gas natural para la regeneración de aditivos. Como resultado, la reducción de emisiones de CO2e se deteriora cuando se supera la capacidad óptima en lugar de aumentar aún más. La Figura 2b también muestra el efecto de una mayor descarbonización de los sectores de electricidad y calefacción en la reducción de emisiones de CO2e de los procesos de mineralización. Con la descarbonización total alcanzada en los sectores de electricidad y calefacción (lo que significa que se suponen cero emisiones para la electricidad y el calor), la implementación de la mineralización de CO2 conduciría a reducciones de emisiones de CO2e ligeramente mayores, del 17% al 36% (directas) y del 12% al 28% (indirectas) en comparación. al cemento Portland ordinario en las capacidades de planta económicamente óptimas.

El resultado comparativamente peor de reducción de emisiones de CO2e del proceso indirecto también se refleja en unos menores ingresos procedentes de los certificados ETS. Una investigación más detallada del impacto de estos certificados revela que, dependiendo del escenario, el proceso directo alcanzará el punto de equilibrio a precios del RCDE que oscilan entre 99 tCO2-1 euros en el escenario pesimista hasta un nivel tan bajo como el que no se necesita apoyo del RCDE en el escenario optimista. , mientras que el enfoque indirecto requerirá 123 tCO2-1 euros en el escenario pesimista y ningún apoyo del RCDE en el escenario optimista (Fig. 3a).

a–c Comparación del costo nivelado del producto (línea continua de color beige) y los ingresos (línea discontinua verde), áreas rentables marcadas en verde, áreas no rentables marcadas en beige. Se mantienen los supuestos para cada escenario, excepto el parámetro que varía en el eje x. Como capacidades, se supone la capacidad óptima para cada escenario: pesimista 136 ktSCM a-1, media 272 ktSCM a-1, optimista 340 ktSCM a-1 (derivada de la Fig. 2a). a Efecto del precio del ETS (πETS). b Efecto de la distancia de transporte de la materia prima mineral: la línea de puntos beige indica el uso de camión (máx. 60 km) y tren, la línea continua indica el uso de camión (máx. 60 km), tren (máx. 200 km) y barco para transporte. c Efecto del contenido de sílice en SCMCCU.

El análisis de la importancia del transporte de materia prima mineral aclara que los ingresos obtenidos en el escenario optimista podrían compensar los costos por encima de 2000 km, lo que significa que, dadas las condiciones favorables subyacentes en este escenario, la materia prima podría transportarse a distancias muy largas, manteniendo al mismo tiempo un caso de negocio positivo. Pero en el escenario intermedio, con menores ingresos y mayores costos nivelados de transporte del producto, el costo de transporte se convierte en un factor decisivo, aquí el material sólo puede transportarse hasta 450 km (cuando se transporta en camión y tren) o 2000 km (cuando se transporta en camión, tren y barco). ) antes de que el caso de negocio se vuelva negativo (Fig. 3b). Esto sugiere que ingresos suficientes provenientes del reemplazo del cemento y de los certificados ETS podrían hacer que la mineralización de CO2 sea económicamente viable incluso cuando los minerales no se extraen muy cerca de la planta de cemento. También queda claro que el transporte por barco es inevitable para distancias más largas (Fig. 3b), lo que podría obstaculizar la implementación de la mineralización de CO2 en algunos lugares.

La proporción de sílice utilizada en la SCMCCU presenta una compensación inesperada (Fig. 3c): como las reacciones de carbonatación producen más carbonato que sílice (Ec. 1 y Ec. 2), lograr proporciones más bajas de sílice en la SCMCCU requiere menos materia prima. mineral a carbonatar, que por lo tanto es menos costoso de producir (es decir, se necesitan plantas de menor tamaño y/o menores esfuerzos de separación para obtener SCMCCU con menores contenidos de sílice), pero también a que se almacene menos CO2, lo que crea una compensación entre el ingresos de los certificados ETS y costo de producción de la SCMCCU.

El modelo muestra que proporciones más bajas de sílice en el producto deseado (SCMCCU) mejorarán la viabilidad económica de la carbonatación de CO2. En el escenario, por lo demás pesimista, se necesitarían cuotas de sílice inferiores al 15% (directa) y al 21% (indirecta) en la SCMCCU para alcanzar el punto de equilibrio. En el escenario, por lo demás optimista, las economías de escala, así como los mayores ingresos derivados del aumento del precio del cemento y el ETS compensarán los costos de la carbonatación hasta proporciones de sílice del 85% (directo) y del 68% (indirecto). Las diferencias entre el proceso directo e indirecto pueden explicarse en parte por la composición de los costos (Figura complementaria 6), que muestra compensaciones para cada ruta del proceso. Mientras que el proceso directo depende de una planta separada de captura de CO2 y compresión con pretratamiento y postratamiento intensivo, lo que genera mayores costos de capital, el proceso indirecto requiere más servicios públicos, principalmente para el paso de regeneración aditiva. Por lo tanto, dependiendo de la preferencia del productor de cemento por mayores costos de capital o mayores costos operativos, cualquiera de las rutas podría considerarse preferida.

Los procesos de mineralización de CO2 aún están en desarrollo y es posible que muchos mecanismos fisicoquímicos aún no se comprendan completamente, lo que genera incertidumbre en el desempeño tecnoeconómico. Utilizando un análisis de incertidumbre global, investigamos qué factores inciertos tienen el mayor impacto en el desempeño económico, y también destacamos direcciones para reducir costos. La Figura 4 ilustra que el proceso directo muestra un rango más pequeño en el costo nivelado calculado del producto, con un valor medio general más bajo en comparación con el proceso indirecto. Los diagramas de dispersión revelan que, para ambos procesos, el precio de la electricidad y el tipo de interés general se encuentran entre los factores más influyentes (Fig. 4, las variables con mayor impacto en el coste nivelado del producto están marcadas con un recuadro): ambos procesos requieren grandes cantidades de energía, ya sea para la molienda de materia prima mineral y la compresión de CO2 (proceso directo), o para la regeneración de aditivos (proceso indirecto). Es necesario señalar que el segundo portador de energía utilizado por estos procesos, el gas natural, tiene un impacto menor en la viabilidad económica que la electricidad debido a su menor variación de precio (Figura 9 complementaria y Tabla 13 complementaria). Como se analizó anteriormente, ambos conceptos de carbonatación requieren mucho capital, lo que los hace sensibles al interés sobre el capital, así como a la tasa de aprendizaje esperada, lo que reducirá el costo mediante, por ejemplo, el aprendizaje práctico cuando se construyen varias plantas. Estos efectos son más fuertes para el proceso directo debido a una mayor intensidad de capital en general. El proceso indirecto muestra su mayor sensibilidad hacia el precio del aditivo sulfato de amonio, que está directamente relacionado con la posible tasa de reciclaje de los aditivos (cuanto más se puede reciclar, menos alimentación se requiere). Debido a las menores concentraciones de aditivos utilizados en el proceso directo, el costo de los aditivos, así como la frecuencia con la que se pueden reciclar, juegan un papel menor en su estructura de costos en la del proceso indirecto. Como se ha informado que las reacciones de mineralización de CO2 son lentas20, incorporamos la cinética de reacción, representada por la constante de velocidad de reacción, en el análisis de sensibilidad global. La cinética de reacción parece jugar un papel menor en el coste global de los procesos de carbonatación en comparación con otros factores analizados (por ejemplo, precio de la electricidad y tasa de interés), porque influyen principalmente en los costes de capital de los reactores de carbonatación. Incluso en el proceso directo que requiere más capital, estos representan aproximadamente el 30% de los costos de capital totales, lo que se traduce en aproximadamente el 6% del costo nivelado general del producto (SCMCCU) (Figura complementaria 6). Finalmente, ambos procesos reducen sustancialmente los costos cuando se utilizan concentraciones más altas de mineral (es decir, relación sólido/líquido), ya que el exceso de agua debe calentarse mediante intercambiadores de calor y separarse mediante centrífugas y requiere equipos de mayor tamaño.

a Proceso directo (dispersiones verdes y líneas de regresión lineal verdes). b Proceso indirecto (dispersiones beige y líneas de regresión lineal beige). a, b Frecuencias derivadas de la simulación Monte Carlo usando 10 000 ejecuciones con parámetros de entrada cambiantes: recuperación de aditivos (Rec. de aditivos) [fracción], pureza mineral [fracción], constante de velocidad de reacción (kreacción) [s], relación sólido-líquido en el reactor (XS/L) [fracción], Número de plantas que alcanzarán la madurez (No de plantas) [número natural], Tasa de aprendizaje sobre costos de capital (Tasa de aprendizaje) [fracción], contingencias combinadas del proceso y del proyecto (Contingencias) [fracción], tipo de interés sobre el capital (i) [fracción], horas de operación al año (tooperando) [h], precio de la electricidad (πelectricidad) [€ MWh−1], precio del gas natural (πgas natural) [€ MWh−1], precio del mineral (πmineral) [€ t−1], Precio del bicarbonato de sodio (πNaHCO3) [€ t−1], Precio del cloruro de sodio (πNaCl) [€ t−1], Precio de la monoetanolamina (πMEA) [€ t−1], Sulfato de amonio precio (π(NH4)2SO4) [€ t−1]. Las variables de entrada con mayor impacto en el costo nivelado del producto están marcadas con cuadros rojos. Las frecuencias de las variables de entrada muestreadas se muestran en la figura complementaria 9.

Demostramos que es necesario generar suficientes ingresos mediante el uso del SCMCCU producido como reemplazo del cemento y que en muchos casos se necesita el apoyo del ETS para crear un caso de negocio positivo. Para todos los cálculos de costos de capital, seguimos el enfoque híbrido desarrollado recientemente por Rubin et al.37,38 que proporciona un método metodológicamente consistente para calcular el costo de la planta enésima de su tipo (es decir, comercial). Supusimos que se deben construir 20 plantas para llegar a este estado39 (Métodos, sección Cálculo de gastos de capital). Después de la construcción de la primera planta, los efectos del aprendizaje reducirán los costes con cada planta adicional que se construya. Esto significa que las primeras plantas serán más caras, un coste de desarrollo que hay que recuperar. En el escenario medio, las primeras 11 plantas (directas) y 3 plantas (indirectas) necesitan apoyo adicional para alcanzar un caso de negocio positivo, mientras que en los escenarios pesimista y optimista las primeras 20 plantas serán económicamente inviables, respectivamente viables (Fig. 5). ). Este resultado respalda el argumento reciente40 de que en muchos casos el ETS, o impuestos al CO2, por sí solos no son suficientes para ayudar al mercado a avanzar hacia soluciones bajas en carbono, sino que es necesario implementar otros mecanismos, por ejemplo programas de subsidios, como ha sido el caso. para energía eólica y solar. Esta es una observación crítica, ya que significa que los gobiernos pueden necesitar invertir mucho en plantas con bajas emisiones de carbono que sean pioneras.

Costo nivelado del producto (columnas beige) calculado en función del número de plantas construidas y comparado con los ingresos resultantes (línea discontinua verde).

Como se deben considerar múltiples estrategias para la reducción de emisiones en la industria del cemento8,10, comparamos la mineralización de CO2 con otras estrategias sugeridas con frecuencia: combustibles alternativos (aquí, biocombustibles), otros materiales cementosos complementarios alternativos (aquí, arcilla calcinada), captura y almacenamiento de carbono ( aquí, captura de poscombustión de monoetanolamina con almacenamiento geológico de CO2 en alta mar (MEA CCS) y combustión de oxicombustible con almacenamiento geológico de CO2 en alta mar (CCS de oxicombustible)) (Nota complementaria 5, Figura complementaria 4, Tablas complementarias 14 y 15). Como todas las estrategias conllevan diferentes potenciales de reducción de emisiones de CO2e y diferentes costos inherentes, un factor decisivo para elegir una estrategia podría depender de su capacidad para minimizar los costos para alcanzar una descarbonización completa8. Los resultados revelan, en primer lugar, que con el aumento de los precios del RCDE41, el coste de producir cemento Portland ordinario aumentará en 0,85 billones de euros por cada 1tCO2-1 de aumento en el precio del RCDE, si no se toman medidas de reducción de emisiones. En segundo lugar, la mineralización de CO2 es competitiva con todas las demás estrategias evaluadas, en particular con la otra estrategia que utiliza sus productos como SCM, es decir, cementos de arcilla calcinada (Fig. 6). Con mayores reducciones de emisiones de CO2e alcanzables en el escenario optimista (Fig. 2b), la mineralización de CO2 y la arcilla calcinada parecen proteger a la industria del cemento de los altos precios del ETS (Fig. 6) en un asunto similar, pero mientras que los cementos de arcilla calcinada requieren participaciones del 50%. de SCM42 en cemento para lograr estas reducciones de emisiones de CO2e, la mineralización de CO2 produce reducciones de emisiones de CO2e similares con participaciones del 25% de SCMCCU en cemento. A los altos precios del ETS, ambas medidas se ven socavadas por la CAC y oxicombustible, debido al mayor potencial de esta estrategia para reducir las emisiones de CO2e del cemento. Para comprender el efecto de implementar conceptos de reducción de emisiones simultáneamente8,10, también investigamos la combinación de mineralización de CO2 con MEA-CCS o CCS con oxicombustible, en la que el CO2 capturado se almacena parcialmente geológicamente y se utiliza parcialmente como materia prima para la mineralización de CO2. La combinación de ambas estrategias conducirá a una reducción general de los costes añadidos para la descarbonización de la industria del cemento, en la que incluso con precios del RCDE de hasta 200 €tCO2-1, los costes de producción de cemento sólo aumentarían aproximadamente un 30% en comparación con los actuales. precio (alrededor de 78-172 €t cemento-1 43,44). Tenga en cuenta que estos cálculos se realizaron utilizando las emisiones actuales de la red para electricidad y gas natural. Aunque está fuera del alcance de este estudio, con la disminución de las emisiones provenientes de los insumos de energía, se puede esperar que los costos de todas las tecnologías de reducción de emisiones (excepto el uso de combustibles alternativos) también disminuyan.

Comparación de diferentes estrategias de reducción de emisiones: Línea base de producción de cemento convencional (línea continua color beige), uso de biocombustibles (área verde claro con bordes sólidos), captura y almacenamiento geológico de carbono (CAC) con captura postcombustión MEA (área verde oscuro con bordes discontinuos) , CCS con oxicorte (área azul con bordes punteados), cemento de arcilla calcinada (área violeta con bordes discontinuos y punteados), CCS con captura postcombustión MEA y mineralización de CO2 (área beige con bordes sólidos), CCS con oxicombustible combustión y mineralización de CO2 (área roja con bordes discontinuos) y mineralización de CO2 (línea discontinua negra). Supuestos de transporte: para CAC, transporte de 100 a 2 000 km de tubería costa afuera; para cemento de arcilla calcinada, transporte de minerales de alimentación de 100 a 2 000 km; para la mineralización de CO2 se utilizan los mismos supuestos que a lo largo de este documento, transporte de 1200 km de minerales de alimentación (Tabla complementaria 15).

Este estudio demostró que la mineralización de CO2 puede reducir las emisiones de CO2e de la producción de cemento entre un 8% y un 33% y al mismo tiempo generar un caso de negocio positivo si se cumplen al menos dos condiciones: 1) SCMCCU debe ser ampliamente aceptado y estandarizado como reemplazo del cemento y 2) la producción de SCMCCU debe ser elegible para créditos ETS o similares. Además, el número de casos de negocio positivos aumentó cuando los minerales de materia prima están disponibles en una proximidad relativamente cercana (<~450 km sin transporte por barco o 2000 km cuando el transporte por barco está disponible) y cuando el reemplazo del cemento producido no requiere altas proporciones de sílice. Demostramos que SCMCCU puede tener una ventaja competitiva sobre muchas otras medidas de reducción de emisiones de CO2e, ya que conllevan una carga económica, mientras que SCMCCU genera ingresos potenciales.

Considerando la primera condición, si bien los estudios iniciales sugieren que el uso de SCMCCU mezclado con cemento Portland ordinario es factible (Nota complementaria 3), se necesitan mezclas exactas que satisfagan los requisitos de la industria de la construcción (por ejemplo, resistencia a la compresión, demanda de agua, tiempo de curado). ser formulados, probados y estandarizados. Demostramos que las rutas de proceso sugeridas podrán proporcionar una variedad de mezclas, lo que debería permitir flexibilidad para producir exactamente las formulaciones requeridas. En cuanto al transporte de minerales de alimentación, si bien demostramos que los costos del transporte de minerales pueden compensarse con los ingresos generados, la viabilidad económica se deteriora cuando los minerales no están disponibles en las proximidades, lo que limita el despliegue de SCMCCU especialmente a estos lugares donde los minerales se pueden extraer regionalmente. , por ejemplo, cerca de Noruega, Italia, Grecia o España20,24,45, entre otros. Además, los costos de transporte podrían reducirse si la materia prima se puede reemplazar parcial o totalmente con desechos alcalinos de otras industrias, lo cual debe abordarse en futuras investigaciones. Si bien demostramos que las mezclas de cemento SCMCCU pueden reducir económicamente las emisiones en comparación con el cemento Portland ordinario, se deben realizar más investigaciones sobre las implicaciones económicas y ambientales de reemplazar cementos de menor calidad, como el cemento Portland de escoria de acero, por mezclas de cemento con SCMCCU.

Para alcanzar la descarbonización completa de la industria del cemento (es decir, más allá de lo que SCMCCU puede lograr económicamente), es posible que sea necesario implementar múltiples enfoques en paralelo8,10. Esto puede generar sinergias o barreras para SCMCCU. Demostramos que se puede crear una sinergia importante combinando CCUM con la captura de CO2 y el almacenamiento geológico al compartir las plantas de captura y compresión de CO2, aprovechando las economías de escala y reduciendo la carga de costos de capital específicos para CCUM. Por el contrario, una posible barrera para SCMCCU podría surgir de la introducción simultánea de otros SCM como medio de reducción de emisiones, como la arcilla calcinada. Las fases de sílice en los otros SCM8,46 podrían competir con las existentes en SCMCCU, limitando potencialmente la efectividad de estas combinaciones. Por lo tanto, debido a que para ambos conceptos (es decir, arcilla calcinada y CCUM) el costo de transporte de la materia prima tiene un alto impacto en la viabilidad económica general, la selección de estas tecnologías basada en la ubicación podría ser beneficiosa (por ejemplo, se pueden encontrar minerales como materia prima para la mineralización de CO2). en Noruega, Italia, Grecia o España20,24,45 y la materia prima para arcillas calcinadas se puede encontrar en la República Checa, Hungría, Polonia o el sur de Alemania47). Podrían surgir sinergias adicionales de CCUM con otras estrategias de reducción de emisiones, por ejemplo con el curado de concreto con CO2, donde un estudio reciente48 mostró que en la mayoría de los casos el uso de SCM con contenidos de sílice similares a los del SCMCCU investigado en este estudio, podría aumentar la probabilidad de lograr emisiones. Reducciones del hormigón curado. Esto sugiere que SCMCCU podría aplicarse junto con enfoques de curado con CO2. De manera similar, se puede esperar que las reducciones de emisiones de CO2e exploradas aquí sean complementarias a las estrategias que consideran las reacciones del CO2 al final del ciclo de vida49. Aún no se ha analizado mediante un análisis riguroso del ciclo de vida si estas combinaciones conducirían a reducciones generales de emisiones. Otra barrera crítica es la estandarización y aceptación de mezclas de cemento utilizando SCMCCU, donde la experiencia de la introducción de nuevas mezclas de cemento con el propósito de reducir las emisiones (por ejemplo, cementos de piedra caliza) en el pasado sugiere que podrían pasar años o décadas para alcanzar una amplia gama de aplicaciones. penetración en el mercado50,51, razón de más para empezar a formalizar estas mezclas ahora.

En cuanto a la economía, el análisis mostró que el rendimiento técnico del proceso, especialmente la cinética de carbonatación, es un determinante menor de los costos de producción finales en nuestras rutas de proceso sugeridas, lo que significa que la investigación adicional debería centrarse en las áreas menos maduras del proceso ( es decir, la separación de productos). Si bien el pretratamiento de los minerales (trituración y molienda) puede considerarse maduro (nivel de preparación tecnológica (TRL) 9), los procesos de mineralización se basan en diseños de procesos conceptuales validados en entornos de escala de laboratorio33,34,52,53 ( TRL 4). Sugerimos un nuevo proceso de separación de productos basado en investigaciones básicas y de laboratorio limitadas54 (TRL 2-3, Nota complementaria 4) que necesita la mayor parte de los esfuerzos de investigación.

Otros parámetros económicos, por ejemplo, los altos costos de la electricidad, podrían convertirse en una barrera para el despliegue de procesos de mineralización de CO2 en la industria del cemento. Uno a tener en cuenta en particular podría ser el tipo de interés, al que nuestros resultados fueron muy sensibles: para las nuevas tecnologías, las empresas (a través del retorno sobre el capital) así como los prestamistas tienden a solicitar tipos más altos, lo que significa que las primeras plantas (hasta que estén completamente sin riesgos) puede ser más caro de lo que nuestro análisis encuentra. Los préstamos garantizados por el gobierno pueden eludir esto, al igual que los subsidios gubernamentales directos, además de la elegibilidad para el ETS antes mencionada.

La evaluación tecnoeconómica (TEA) (ver lista de abreviaturas en la Tabla complementaria 16) y el modelo de ingresos se especificaron en MATLAB, lo que nos permite comparar fácilmente diferentes escenarios y evaluar rigurosamente rangos de supuestos: Las tecnologías de bajo TRL, incluida la mineralización de CO2, son inherentemente De naturaleza incierta, a menudo aún no se ha formalizado el diseño detallado del proceso y es posible que los mecanismos fisicoquímicos aún no se comprendan completamente, lo que requiere grandes estudios paramétricos y/o de sensibilidad para determinar posibles diseños económicos y condiciones operativas55. El modelo MATLAB primero resuelve los balances de masa y energía de los procesos, después de lo cual el equipo se dimensiona automáticamente para derivar los costos de capital (CAPEX) o el capital total requerido (TCR), seguido de los cálculos de los gastos operativos (OPEX) y el costo nivelado de producto (LCOP), así como los ingresos esperados (R). Esta secuencia se repitió varias veces para que un nuevo conjunto de supuestos derivara puntos críticos de costos e ingresos de manera iterativa (Figura complementaria 3).

Calculamos el costo nivelado de producción descontando los costos de capital utilizando la vida útil esperada de la planta L y el interés general i incorporando los intereses de la deuda \({{{{\rm{i}}}}}_{{{{\rm {deuda}}}}}\), la relación deuda-capital DER, así como el rendimiento sobre el capital ROE, que refleja el interés que debe pagarse por los préstamos, así como el interés esperado por los accionistas de la empresa (consulte la ecuación .4 a la ecuación 6). Tenga en cuenta que el factor de nivelación \(\alpha \), que permite una fácil anualización de los costos de capital, supone que la planta se construye en un año. Esta es una simplificación que se utiliza con frecuencia56 y la utilizamos aquí para permitir el cálculo analítico del TCR anualizado.

Para evaluar la viabilidad económica de una tecnología madura, pretendemos estimar el TCR sobre la base de una planta enésima de su tipo siguiendo el enfoque postulado recientemente por Rubin et al.37,38 adhiriéndose a directrices para evaluaciones tecnoeconómicas de tecnologías de captura y utilización de carbono57. Comenzamos estimando los costos de la planta, la primera en su tipo (FOAK), de abajo hacia arriba y utilizamos tasas de aprendizaje para determinar el costo de la enésima clase (NOAK). Este enfoque es necesario aquí, porque nuestro objetivo es responder a una pregunta de qué tipo, es decir, cuáles serán los costos de una tecnología de mineralización madura37, de modo que podamos comparar esto con los ingresos esperados.

Usamos la suma de los costos directos totales (TDC) de todas las unidades de proceso como base para derivar los costos totales de la planta (TPC) en los que se basa el TCR (ver Ec. 7).

Donde \({f}_{{{{\rm{indirecto}}}}}\), \({f}_{{{{\rm{proceso}}}}}\), \({f} _ {{{{\rm{proyecto}}}}}\) tiene en cuenta los costos indirectos, las contingencias del proceso y las contingencias del proyecto. Calculamos el requerimiento de capital total (TCR, incluidos los costos del propietario y los intereses durante la construcción) para la planta NOAK con base en el TPC de la planta FOAK (ver Ec. 8):

Aquí N representa el número de plantas necesarias para llegar a NOAK, E el factor de experiencia, i el interés durante la construcción, \({t}_{{{{\rm{construcción}}}}}\) el tiempo estimado para la construcción y \({f}_{{{{\rm{propietario}}}}}\) influye en el costo de los propietarios. La capacidad de producción de SCM de la planta está representada por \({\dot{m}}_{{{{\rm{SCM}}}}}\). Como la tasa de aprendizaje (LR) de un factor se define como la reducción (o aumento) de costos mediante la duplicación de la capacidad de producción acumulada, derivamos el factor de experiencia de la siguiente manera56 (ver Ec. 9):

Obtuvimos tasas de aprendizaje para procesos novedosos como la carbonatación de CO2 a partir de un proceso comparable donde las curvas de aprendizaje a partir de datos históricos o estimaciones de la literatura estaban disponibles. Seleccionamos el ciclo combinado de gasificación integrada y la combustión de carbón pulverizado con CCS (ambos utilizan captura de CO2 a base de solventes e incluyen procesamiento sustancial de sólidos). Rubin et al.58 informaron que una tasa de aprendizaje para estos procesos estaba entre el 1,1% y el 20%. Es necesario hacer una suposición sobre cuándo se alcanzará NOAK, es decir, cuántas plantas realmente implementarán la tecnología hasta que podamos asumir que la tecnología está madura. Siguiendo a Greig et al.39, utilizamos 20 plantas como estimación para alcanzar la madurez, lo que se traduce en una cuota de mercado del 10% en Europa occidental, ya que hay 193 plantas de cemento integradas en Europa occidental59 que producen clinker por sí mismas y, por lo tanto, podrían ser Adecuado para utilizar la mineralización de CO2. Los supuestos utilizados para las estimaciones de costos capitales se muestran en la Tabla complementaria 11.

Se utilizaron dos enfoques para estimar el costo directo total: un enfoque ascendente, donde las funciones de costo de un equipo (bombas, intercambiadores de calor, etc.) se derivaron del Estimador de costos de capital de Aspen (Tabla complementaria 8). Esto se hizo ejecutando muchas combinaciones diferentes de valores de diseño (presión, temperatura, flujo, etcétera) y ajustando los puntos de datos resultantes a una curva que podría implementarse en nuestro modelo TEA; y en segundo lugar, un enfoque de arriba hacia abajo, utilizando métodos factoriales con estimaciones de TCR de plantas existentes o literatura abierta. Como existen varias estimaciones detalladas de costos para la captura y compresión de CO2, utilizamos el enfoque de arriba hacia abajo para estas operaciones. Para todas las demás operaciones unitarias, calculamos el TPC utilizando el enfoque ascendente. El enfoque de arriba hacia abajo se muestra en la ecuación. 10, donde \({\dot{{{{\rm{m}}}}}}_{{{{\rm{i}}}}}\) representa la capacidad de la planta, n el factor de escala y I el capital índice de costos para un año determinado para tener en cuenta la inflación60:

Para todas las operaciones unitarias calculadas utilizando el enfoque ascendente, utilizamos el Estimador de costos de capital de Aspen para obtener estimaciones consistentes, comparables y actualizadas de los costos de capital. Debido a que el Estimador de costos de capital de Aspen solo puede evaluar un conjunto discreto de combinaciones de valores de diseño, creamos un conjunto de puntos de datos para cada uno de los equipos propuestos y utilizamos regresiones para derivar curvas de costos que se pueden implementar en el modelo TEA. El objetivo de estas curvas de costos es poder predecir los costos de los puntos de datos que se encuentran entre los puntos discretos calculados en Aspen. Para la extrapolación, estas funciones sólo deben usarse con mucho cuidado, ya que se puede suponer que si la entrada está fuera de los límites del Estimador de costos de capital de Aspen, podría haber limitaciones técnicas para construir el equipo (por ejemplo: tamaño del reactor y pared). problemas de estabilidad). Basamos los enfoques de regresión en el método ampliamente utilizado de la curva de costos que se puede encontrar en libros de texto como Towler y Sinnott60, que ampliamos cuando fue necesario. Usamos la ecuación. 11 cuando los parámetros de diseño se pueden asumir independientes, Ec. 12 cuando los parámetros de diseño no son independientes y la Ec. 13 cuando la influencia de una variable aumenta en la dirección opuesta a la de la otra.

Como base para la estimación del TDC utilizando el enfoque ascendente, el modelo dimensiona el equipo. Si bien para algunos equipos esto no es exigente (por ejemplo, para un molino de bolas), algunos equipos necesitaban describirse con más detalle (por ejemplo, intercambiadores de calor). El modelo selecciona el número de piezas de equipo idénticas con una heurística iterativa simple: primero se dimensiona el equipo; posteriormente se evalúa si el equipo excede el tamaño máximo para esta unidad (tomado de Aspen Capital Cost Estimator). Si el diseño calculado excede los criterios, la tarea se divide entre unidades de equipo idénticas hasta que ninguna pieza exceda el tamaño máximo.

Varios investigadores han investigado los pasos del pretratamiento del mineral, trituración y molienda. Gerdemann et al. publicaron un análisis en profundidad. quienes informan que son necesarios 2 kWh tmineral-1 para la trituración y entre 81 y 97 kWh tmineral-1 para la molienda a fin de activar los minerales para la reacción de carbonatación28 (Tabla complementaria 7). Para el proceso se consideran trituradoras de mandíbulas y molinos de bolas debido a sus bajos costos y al amplio uso en la industria del cemento hasta el momento. Dimensionamos la trituradora según el rendimiento del material y el molino de bolas según los requisitos de energía (Tabla complementaria 8).

El modelo TEA se basa en valores bibliográficos para la velocidad de reacción para diferentes procesos y condiciones. Todos los estudios utilizaron datos informados para un proceso en autoclave en un proceso por lotes28,33,34,61,62. Como se espera que los procesos a gran escala con su gran cantidad de materia prima requerida se realicen como una reacción continua, el modelo utiliza reactores de tanque con agitación continua (CSTR). Usamos el espacio-tiempo \({{{\rm{\tau }}}}\) para derivar el tamaño de los reactores CSTR. Bajo el supuesto de que la densidad del sistema no cambia durante la reacción, el volumen de CSTR (V) y el espacio tiempo \({{{\rm{\tau }}}}\) se define de la siguiente manera (ver Ec. 14 y Ec. 15)63, siendo \({\dot{v}}_{o}\) el flujo volumétrico, \({c}_{Ao}\) la concentración inicial del educto A, X la extensión de la reacción y rA la velocidad de reacción del educto A:

Calculamos el volumen de los reactores bajo un supuesto de reacción de primer orden (ver Ec. 16 y Ec. 17).

Una vez calculado el volumen total de reacción, fue necesario diseñar cada unidad de reactor individual. Los costes de equipamiento de los reactores de carbonatación se calcularon basándose en un recipiente a presión. Primero, derivamos la altura del reactor h y el radio r, con el área de superficie mínima (más cercana a la esfera), para reducir los costos de material.

En segundo lugar, calculamos el espesor de la pared tw siguiendo a Towler y Sinnott60:

Para determinar el tamaño y la cantidad de reactores, utilizamos los criterios de espesor mínimo de pared de acuerdo con la tensión máxima permitida típica64, espesor máximo de pared y tamaño máximo del reactor para derivar el número y los tamaños de los CSTR.

Para la separación del mineral sin reaccionar y los productos de reacción en la ruta del proceso directo, proponemos utilizar hidrociclones. El proceso de separación se simuló en Aspen Plus; los supuestos se muestran en la Tabla complementaria 9. Para dimensionar los hidrociclones, realizamos estudios paramétricos en Aspen Plus para obtener puntos del espacio de diseño en los que ajustamos las curvas. El número de ciclones N depende del flujo másico (\(\dot{m}\)) del mineral separado y de la eficiencia de separación (η), mientras que el diámetro (d) es función de η. El mejor ajuste se encontró con la siguiente relación:

La simulación de Aspen mostró que pequeños cambios en la distribución de minerales causados ​​por diferentes tasas de conversión (por ejemplo, conversión de 0,5 en lugar de 0,7) no cambiarán sustancialmente el diseño o la eficiencia de la separación (entre 0,07% y 0,3% de diferencia), por lo que se descuidaron en Este modelo.

Para la deshidratación utilizamos centrífugas de cubeta sólida. Como se informa en la literatura, las centrífugas de recipiente sólido podrían ser viables para la separación ultrafina; en este caso es necesario considerar altas velocidades de rotación (>3000 rpm)65. La deshidratación se simuló en Aspen Plus y se realizó un estudio paramétrico utilizando diferentes diámetros, longitudes y velocidades de rotación. Seleccionamos un diseño óptimo para cada punto, donde según la simulación, no se pierde material en la corriente húmeda. Las funciones derivadas se pueden describir de la siguiente manera, siendo d el diámetro, rpm la velocidad centrífuga y l la longitud (ver Ec. 24 y Ec. 25):

La clasificación del producto se utiliza en el proceso de carbonatación directa. La clasificación tiene como objetivo separar la Sílice (0-1 µm) del MgCO3 (1-5 µm). La simulación de Aspen Plus mostró que una centrífuga de discos era suficiente para esta tarea. Los tamaños para diferentes rendimientos se obtuvieron mediante estudios paramétricos en Aspen Plus. Se utilizó una regresión para determinar una función de diseño (ver Ec. 26).

Los tamaños del intercambiador de calor y del horno se calcularon utilizando el calor transferido (\({\dot{Q}}_{HE,i}\)), que se derivó utilizando la ecuación de Shomate. El enfoque general se puede describir de la siguiente manera (ver Ec. 27):

Para el diseño de hornos, el servicio y el caudal volumétrico son datos suficientes para el modelo TEA. Para intercambiadores de calor, cristalizadores y secadores rotativos, se derivó el área A para dimensionar el equipo (ver Ec. 28).

De los dos procesos estudiados aquí, sólo el proceso de carbonatación directa utiliza equipos separados de captura y compresión de CO2. Para la ruta de proceso directo se consideró una planta de captura postcombustión MEA. Siguiendo el enfoque de arriba hacia abajo mostrado en la Ec. 10, los costos de captura de MEA se calcularon utilizando los datos publicados por Anantharaman, et al.32, que se estimaron específicamente para el caso de la captura de CO2 en un sitio de producción de cemento. El proceso indirecto utiliza un proceso integrado de captura de amoníaco. Siguiendo el enfoque de arriba hacia abajo mostrado en la Ec. 10, los costos de captura de amoníaco se calculan utilizando los datos publicados por Li et al.66. Como el proceso indirecto no utiliza el separador de CO2 porque se utiliza bicarbonato de amonio como portador de CO2 directamente, solo se seleccionaron unidades relevantes de los datos publicados; el decapado de CO2 fue reemplazado por el paso de regeneración de aditivos en el proceso indirecto.

Para derivar las funciones de costo de capital para la compresión, la literatura reciente ha demostrado que las estimaciones pueden diferir ampliamente (es decir, algunas estimaciones muestran diferencias de más del 1000%)67. Utilizamos cálculos de Van der Spek, et al.68 siguiendo el enfoque de arriba hacia abajo que se muestra en la ecuación. 10. Aquí se simula una compresión de cinco etapas después de la planta de captura de poscombustión MEA. La presión final deseada en este artículo se fijó en 110 bar. Las presiones utilizadas para el proceso de carbonatación directa están en un rango similar (100-150 bar), por lo que se utiliza un enfoque de escala para estimar los costos directos totales de los compresores de manera descendente. Seleccionamos un factor de escala de 0,76 siguiendo IEAGHG69.

Los OPEX se dividieron en OPEX fijos y variables. El OPEX fijo cubre los salarios de los empleados \({{{\rm{C}}}}}_{{{{\rm{Trabajo}}}}}\) para administrar la planta, seguros e impuestos locales \({{ {{\rm{C}}}}}_{{{{\rm{seguro}}}}}\), mantenimiento \({{{{\rm{C}}}}}_{{{{\ rm{maintenance}}}}}\) así como administración \({{{{\rm{C}}}}}_{{{{\rm{admin}}}}}\) y soporte. Los OPEX variables incluyen costos de servicios públicos \({{{{\rm{C}}}}}_{{{{\rm{electricidad}}}}\& {{{\rm{natural}}}}{{{ \rm{gas}}}}}\) y materias primas \({{{{\rm{C}}}}}_{{{{\rm{feed}}}},{{{\rm{total} }}}}\) y costes de transporte. Utilizamos datos de precios de diferentes publicaciones, así como de plataformas web como Statista o Alibaba. La base para los cálculos de OPEX se muestra en la Tabla complementaria 12.

Obtuvimos el OPEX fijo utilizando el enfoque de Peters, et al.70 para el costo de la mano de obra y para todos los demás OPEX fijos siguiendo a Anantharaman, et al.32 (ver Ec. 29 a Ec. 32).

El cálculo de costes de materias primas y servicios públicos utilizó como base los balances de masa y energía. Los costos de las materias primas y los servicios públicos se multiplicaron por el precio de mercado \(\pi \) (ver Ec. 33 a Ec. 35).

También se tuvo en cuenta el coste del transporte. En este caso, asumimos que los minerales se transportan a no más de 60 km en camión y 200 km en tren; las distancias superiores a 260 km se realizarán mediante transporte marítimo21. Como parte del material no se utilizará en la SCMCCU, debe almacenarse. Se supuso que la cantera de almacenamiento estaba a 10 km de la planta de cemento y se accede a ella en camión. Los costos se calcularon utilizando diferentes precios de transporte \({{{{\rm{\pi }}}}}_{{{{\rm{i}}}}}\) y distancias \({{{{\ rm{dist}}}}}_{{{{\rm{i}}}}}\):

Para el cálculo de los ingresos, primero determinamos qué cantidad del material producido debe almacenarse en una cantera y qué parte puede usarse para desplazar la producción de cemento (\({\dot{m}}_{used}\) y material almacenado \({\dot{m}}_{stored}\)). Hay dos razones por las que es necesario almacenar material: o se produce muy poca sílice, por lo que es necesario separar y eliminar parte del material inerte; o es necesario almacenar sílice y material inerte cuando la capacidad de la planta de carbonatación \({\dot{m}}_{SC{M}_{CCU}}\) es mayor que el material que podría mezclarse con el cemento. \({\dot{m}}_{cemen{t}_{blend}}\) (Ver Ec. 37 y Ec. 38 donde \({X}_{i}\) es la parte del material i en el mezcla de cemento y \({\dot{m}}_{cemento}\) la capacidad total de la planta de cemento).

Para evaluar las emisiones de CO2e desplazadas por SCM, se adaptaron los cálculos de Ostovari et al.21. Siguiendo a Ostovari, et al.21 los impactos del cambio climático se calculan según el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático siguiendo las recomendaciones de la Comisión Europea en el Manual Internacional de Datos del Ciclo de Vida de Referencia71. Para capturar los impactos del cambio climático de los procesos analizados, utilizamos el método de huella de carbono72. Limitamos la evaluación para incluir únicamente los impactos del cambio climático capturados en las emisiones de CO2e porque consideramos que otros impactos están fuera del alcance de este estudio tecnoeconómico. En las emisiones de CO2e del producto (SCMCCU), eSCMccu, contabilizamos las emisiones mineras de los minerales y la producción aditiva, \({e}_{feed}\), las emisiones agregadas por el transporte del mineral a la planta, \ ({e}_{t,min}\), y material carbonatado al sitio de almacenamiento,\(\,{e}_{t,stor}\), emisiones adicionales de electricidad, \({e}_{el }\), y gas natural, \({e}_{ng}\), así como para la construcción de la planta, \({e}_{constr}\), como carga adicional de CO2e. De esa carga restamos las reducciones de emisiones a través del CO2 que está unido en el producto, \({{{{\rm{e}}}}}_{{{{\rm{bound}}}}}\), y emisiones que se evitan reemplazando la producción de clinker con SCMCCU, \({e}_{replace}\) (ver Ec. 39).

La reducción de emisiones de CO2e de la mezcla de cemento (\(\varDelta {{{{\rm{e}}}}}_{{{{\rm{cemento}}}},{{{{\rm{SCM}} }}}_{{{{\rm{CCU}}}}}}\)) se calcula de la siguiente manera, con \({{{{\rm{e}}}}}_{{{{\ siendo rm{cemento}}}}}\) la huella de carbono de una tonelada de cemento Portland ordinario y \({\dot{{{{\rm{m}}}}}}_{{{{\rm{cemento }}}}}\) siendo la capacidad de la planta de cemento y siendo \({\dot{m}}_{SCMccu}\) la capacidad de la planta de CCUM (ver Ec. 40):

Utilizando la masa y las emisiones netas de SCMCCU y el precio de venta del cemento \({\pi }_{cemento}\), la ganancia general se obtuvo restando los costos de producción de los ingresos \(R\).

Las incertidumbres son inevitables en las evaluaciones tecnoeconómicas en etapas iniciales, como este estudio del CCUM. Estas tecnologías son intrínsecamente de naturaleza incierta y requieren grandes estudios de sensibilidad para determinar posibles diseños económicos y condiciones operativas48,55. Para realizar evaluaciones tecnoeconómicas exhaustivas, se ha sugerido la simulación de Monte Carlo después de una primera selección con análisis de sensibilidad de un solo factor, para reducir el esfuerzo computacional general para la simulación de Monte Carlo55,57,73,74,75. Seguimos ese enfoque aquí para identificar parámetros potencialmente influyentes en los resultados del modelo, en los que cada parámetro de entrada se cambió en la misma cantidad desde el valor nominal (−50% a +50%), excepto si se alcanzaron límites naturales claros (como la reacción rendimiento que no puede ser mayor que 1) (Figura complementaria 8). Como la influencia de muchos parámetros de entrada en los resultados podría tener interdependencias con otros parámetros de entrada y conllevar ellos mismos una probabilidad de alcanzar un cierto valor73, se realizó un análisis de incertidumbre probabilístico en forma de simulación de Monte Carlo para los parámetros de entrada que mostraron una alta sensibilidad. en el análisis unifactorial. Para cada parámetro seleccionado, determinamos una función de densidad de probabilidad siguiendo el enfoque de Hawer et al.75 y realizamos una simulación de Monte Carlo con 10 000 ejecuciones utilizando la herramienta de código abierto UQLAB76. Las funciones de densidad de probabilidad utilizadas se describen en la figura complementaria 9 y en la tabla complementaria 13.

Los datos necesarios para reproducir este estudio están disponibles en la información complementaria.

El código MATLAB desarrollado se ha publicado como Strunge77. El modelo fue desarrollado utilizando Matlab 2019b. Para ejecutar el análisis de incertidumbre se utilizó UQLab76 versión 1.4.0.

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Till Strunge recibió financiación del Ministerio Federal Alemán de Educación e Investigación (BMBF) como parte del proyecto CO2MIN (033RC014) y recibió una beca en la Universidad Heriot-Watt. Phil Renforth está financiado por el Programa de Eliminación de Gases de Efecto Invernadero del Reino Unido, apoyado por el Consejo de Investigación del Medio Ambiente Natural, el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas, el Consejo de Investigación Económica y Social y el Departamento de Negocios, Energía y Estrategia Industrial bajo la subvención no. NE/P019943/1. Queremos agradecer a los socios del proyecto CO2MIN en RWTH Aachen y Heidelberg Cement por su apoyo, en particular queremos agradecer profundamente al Sr. Hesam Ostovari y al Sr. Dario Kremer por sus comentarios detallados.

Centro de Investigación para Soluciones de Carbono, Facultad de Ingeniería y Ciencias Físicas, Universidad Heriot-Watt, Edimburgo, Reino Unido

Till Strunge, Phil Renforth y Mijndert Van der Spek

Instituto de Estudios Avanzados de Sostenibilidad eV, Potsdam, Alemania

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TS, PR y MVS diseñaron el estudio. TS realizó los cálculos. TS, PR y MVS escribieron el manuscrito.

Correspondencia a Till Strunge o Mijndert Van der Spek.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Communications Earth & Environment agradece a Ruth Saint, Andrea Di Maria, Maria Grahn y los demás revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo. Editores principales: Alessandro Rubino, Joe Aslin. Los informes de los revisores pares están disponibles.

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Strunge, T., Renforth, P. y Van der Spek, M. Hacia un caso de negocio para la mineralización de CO2 en la industria del cemento. Entorno Terrestre Comunitario 3, 59 (2022). https://doi.org/10.1038/s43247-022-00390-0

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Recibido: 08 de junio de 2021

Aceptado: 17 de febrero de 2022

Publicado: 14 de marzo de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-022-00390-0

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