Menantang Masalah Iklim lewat Daur Ulang Semen

 (cam.ac.uk)
1 poin oleh GN⁺ 2024-05-25 | 1 komentar | Bagikan ke WhatsApp
  • Beton adalah material yang paling banyak digunakan di dunia setelah air, sehingga teknologi untuk mengurangi emisi CO₂ dari semen berdampak langsung pada respons iklim industri konstruksi
  • Peneliti Cambridge mengembangkan metode untuk memproses semen limbah bersama-sama di electric arc furnace (EAF) untuk daur ulang baja, sehingga menurunkan emisi dari produksi beton dan baja sekaligus
  • Inti prosesnya adalah mengganti flux kapur yang digunakan dalam daur ulang baja dengan semen limbah, lalu mengubah slag yang biasanya dibuang menjadi semen daur ulang yang bisa dipakai pada beton baru
  • Dalam uji di Materials Processing Institute, produksi berskala berbasis electric arc furnace pertama kali dikonfirmasi, dan jika EAF digerakkan dengan energi terbarukan, semen tanpa emisi juga mungkin dicapai dalam jangka panjang
  • Proses Cambridge Electric Cement menargetkan produksi 1 miliar ton per tahun pada 2050, setara sekitar seperempat dari produksi semen tahunan saat ini

Cara membuat semen kembali di electric arc furnace

  • Peneliti Cambridge mengembangkan metode untuk mendaur ulang semen bersama-sama dengan memanfaatkan electric arc furnace yang digunakan dalam daur ulang baja
  • Metode ini dipublikasikan melalui studi Electric recycling of Portland cement at scale yang dimuat di jurnal Nature
  • Dalam daur ulang baja konvensional, flux kapur digunakan untuk menghilangkan pengotor, dan hasil prosesnya biasanya menjadi limbah slag
  • Jika semen limbah menggantikan flux kapur, produk akhirnya menjadi semen daur ulang yang dapat digunakan pada beton baru
  • Proses ini mengurangi kebutuhan flux kapur dan menurunkan emisi di kedua sisi, tanpa menambah biaya berarti pada produksi beton atau baja

Mengapa emisi semen besar

  • Beton dibuat dari pasir, kerikil, air, dan semen; semen berperan sebagai bahan pengikat
  • Meski porsi semen dalam beton kecil, semen menyumbang hampir 90% dari emisi beton
  • Produksi semen konvensional melalui proses clinkering, yaitu batu kapur dan bahan baku digiling lalu dipanaskan di kiln besar pada sekitar 1.450°C
  • Dalam proses ini, batu kapur mengalami dekabonasi menjadi kapur dan melepaskan CO₂ dalam jumlah besar
  • Selama 10 tahun terakhir, ilmuwan telah meneliti cara mengganti sekitar separuh semen dalam beton dengan bahan alternatif seperti fly ash, tetapi bahan pengganti ini membutuhkan aktivasi kimia dari sisa semen agar dapat mengeras
  • Julian Allwood menilai permintaan semen global sekitar 4 miliar ton per tahun, sehingga bahan pengganti seperti ini secara fisik sulit tersedia dalam jumlah yang cukup

Eksperimen yang menghubungkan beton limbah dan slag pembuatan baja

  • Berawal dari gagasan bahwa jika beton lama dihancurkan, pasir dan batunya dihilangkan, lalu semennya dipanaskan, air akan keluar dan klinker dapat terbentuk kembali
  • Clinkering membutuhkan panas dan kombinasi oksida yang tepat; semen limbah memiliki komponen-komponen ini, tetapi perlu diaktivasi kembali
  • Para peneliti menambahkan limbah pembongkaran serta kapur, alumina, dan silika untuk membuat berbagai slag, lalu memprosesnya bersama baja cair di EAF milik Materials Processing Institute dan mendinginkannya dengan cepat
  • Menurut Cyrille Dunant, kombinasi klinker semen dan oksida besi menjadi slag pembuatan baja yang mudah berbusa dan mengalir dengan baik
  • Jika keseimbangan komponen diatur dan slag didinginkan cukup cepat, semen yang diaktivasi kembali bisa diperoleh tanpa menambah biaya pada proses pembuatan baja
  • Semen daur ulang ini memiliki kandungan oksida besi lebih tinggi daripada semen konvensional, tetapi dampaknya terhadap kinerja dinilai kecil

Target produksi 1 miliar ton pada 2050

  • Uji terbaru Materials Processing Institute menunjukkan bahwa semen daur ulang dapat diproduksi dalam skala besar di electric arc furnace, dan ini merupakan pencapaian pertama
  • Proses Cambridge Electric Cement sedang berkembang cepat dalam skala
  • Pada 2050, produksi 1 miliar ton per tahun mungkin dapat dicapai, setara sekitar seperempat dari produksi semen tahunan saat ini
  • Jika EAF digerakkan oleh energi terbarukan, metode ini dalam jangka panjang dapat mengarah pada produksi semen tanpa emisi
  • Para peneliti telah mengajukan paten atas proses ini untuk mendukung komersialisasi

Pengurangan penggunaan beton sama pentingnya dengan teknologi

  • Allwood mengatakan produksi semen tanpa emisi adalah “absolute miracle”, tetapi penggunaan semen dan beton juga harus dikurangi
  • Beton murah, kuat, dan dapat dibuat hampir di mana saja, tetapi menurutnya tingkat penggunaannya saat ini terlalu tinggi
  • Penggunaan beton dapat dikurangi secara signifikan tanpa menurunkan keselamatan, tetapi untuk itu diperlukan kemauan politik
  • Cambridge Electric Cement bukan hanya terobosan bagi industri konstruksi, tetapi juga dapat menjadi sinyal bahwa peluang inovasi dalam transisi tanpa emisi melampaui sektor energi

Bacaan terkait

1 komentar

 
GN⁺ 2024-05-25
Opini Hacker News

  • Yang mengejutkan, beton didaur ulang dengan tungku busur listrik besar yang digunakan untuk daur ulang baja. Jika tungku busur dijalankan dengan tenaga surya, beton tanpa emisi juga tampaknya mungkin
    Saat ini beton menyumbang 7,5% emisi karbon buatan manusia, jadi ini bisa membuat perbedaan besar. Tungku busur memang sangat boros energi, tetapi jika tenaga surya berlipat ganda setiap 2 tahun, pada jam-jam tertentu di siang hari akan ada surplus listrik yang tak tertangani, dan tungku busur menjadi cara yang baik untuk menyerap harga spot listrik negatif

    • Jika angka tungku busur listrik dihitung kasar, menurut Wikipedia secara teoretis dibutuhkan 1,44GJ(0,4MWh) untuk 1 ton baja, dan untuk 300 ton dibutuhkan 132MWh serta waktu pengaliran listrik sekitar 37 menit
      Menurut https://ourworldindata.org/grapher/electricity-prod-source-s..., listrik terbarukan global adalah 10.700TWh pada 2021 dan 11.600TWh pada 2023, sementara produksi baja mentah pada 2023 sebesar 1,5 miliar ton, dengan 30% di antaranya diproduksi memakai tungku listrik. Bahkan jika diasumsikan 20% dari 30% ini sudah memakai listrik terbarukan, masih ada 24%, yaitu 360 juta ton, yang membutuhkan listrik hijau, dan 360 juta × 0,4MWh = 144TWh diperlukan. Tanpa asumsi itu, angkanya sekitar 152TWh, jadi secara teoretis, dengan memasukkan sekitar 1,5% listrik terbarukan global, 24% produksi baja mentah melalui tungku listrik bisa diganti. Karena pertumbuhan listrik terbarukan global adalah +5%, secara teori menghijaukan produksi baja tampak mungkin dalam 1 tahun, dan bahkan jika angkanya meleset 100%, skalanya sekitar 2 tahun. Namun jika 5% itu tidak datang bersamaan dengan penurunan konsumsi batu bara dan gas sebesar 5%, tidak ada gunanya, dan kenyataannya memang tidak demikian
    • Masalah yang sering muncul saat mencoba memakai surplus tenaga surya adalah biaya modal fasilitas yang akan mengonsumsi listrik itu terlalu besar, sehingga tidak ekonomis jika dibiarkan menganggur pada jam-jam lain dalam sehari. Fasilitas desalinasi adalah contohnya, dan saya penasaran apakah tungku busur seperti ini juga akan menghadapi masalah yang sama
    • Hal penting di sini adalah teknologi ini hanya melakukan daur ulang beton. Sebagian besar dari emisi 7,5% itu berasal dari konstruksi baru yang meningkatkan total penggunaan beton, seperti jalan baru dan gedung baru, sedangkan porsi yang berasal dari merobohkan dan mengganti bangunan atau jalan lama sangat kecil
      Bahkan jika skalanya membesar, kemungkinan hanya akan sedikit mengurangi angka 7,5% itu
    • Terkait pernyataan “jika tenaga surya berlipat ganda setiap 2 tahun, sebentar lagi akan ada listrik surplus yang tak tertangani”, saya penasaran seberapa lama sebentar lagi itu
      https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=50357
    • Surplus listrik hanya bersifat jangka pendek. Manusia akan cepat menemukan cara untuk memakai listrik. Ada begitu banyak pekerjaan intensif energi sehingga umat manusia tidak akan memiliki listrik yang benar-benar cukup untuk waktu yang lama
      Kita bisa mendesalinasi air atau menambang kripto, dan jika robot berkemampuan setara manusia muncul, produksi segala hal bisa ditingkatkan tanpa henti

  • Ini penemuan yang sangat keren, tetapi saat ini pun semen bekas tidak begitu saja masuk ke tempat pembuangan akhir
    Sebagian besar semen menjadi beton, dan beton yang dihancurkan dalam berbagai ukuran adalah material bernilai yang digunakan sebagai agregat yang lebih murah daripada batu pecah untuk pembangunan jalan dan lain-lain. Di daerah tempat saya tinggal, ketika saya melihat iklan penjualan beton hancur dan menelepon, sering kali barangnya sudah terjual. Karena tanah di sekitar sini berupa lempung dan pasir, material seperti ini tampaknya selalu kurang

    • Di sini, beton hasil pembongkaran dari struktur dan perkerasan lazim digunakan sebagai material timbunan struktural di lokasi pengembangan baru. Kadang digunakan kembali di lokasi yang sama, dan beberapa lembaga tidak mengizinkan kontraktor membawanya keluar karena masih memiliki nilai sisa
      Puing beton juga memiliki nilai pemulihan di lokasi. Untuk mendaur ulang dengan cara ini, material harus diangkut ke pabrik penggilingan, dihancurkan, dipisahkan, lalu diangkut lagi ke tungku peleburan sebelum proses yang disebutkan dalam artikel dapat dimulai

  • Bagian yang “akan jadi hal besar jika memungkinkan” tampaknya terletak pada pengembalian beton menjadi pasta semen terhidrasi
    Makalah sebenarnya: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07338-8
    Makalah tersebut menyatakan bahwa recovered cement paste (RCP) saat ini belum dipasok dalam skala komersial, dan karena nilai agregat pulih yang ditingkatkan tidak cukup tinggi untuk menutup biaya pemrosesan tambahan, RCP saat ini ditimbun. Namun disebutkan bahwa know-how dan teknologi yang diperlukan untuk produksi RCP skala besar sudah ada, dengan mengutip [22]
    22. Thermomechanical beneficiation of recycled concrete aggregates (RCA): https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S095006182...
    Namun makalah yang dikutip tidak mendukung klaim bahwa teknologi untuk mendaur ulang beton menjadi RCP sudah ada. Makalah itu membahas penghilangan mortar melekat (AM) dari recycled concrete aggregates (RCA)

  • Senang topik ini tetap bertahan meski sudah melewati proses flag di HN
    Saya berharap sumber energi non-karbon lain yang menjanjikan, seperti panas bumi hasil pengeboran, juga ikut dibahas. Sedikit melenceng, tetapi orang awam sering terkejut ketika diberi tahu NET-ZERO == MAX-CO2 == MAX-HEAT. Mudah untuk menganggap bahwa mencapai emisi bersih nol berarti misi selesai, tetapi yang sebenarnya penting adalah luas di bawah kurva, yaitu total CO2/ekuivalen gas rumah kaca yang telah kita lepaskan ke atmosfer, dan zat-zat ini bertahan lama
    Saat ini kita sudah mendekati +1,5°C, dan dalam kondisi sekarang di mana emisi tetap berada di plateau tinggi, jika suhu naik sekitar 0,25~0,3°C setiap dekade, maka ketika kita mencapai emisi bersih nol sekitar 2050, kemungkinan besar kita akan berada di kisaran +2,5~+3,0°C. Saya tidak yakin +2,5°C masih layak dihuni bagi populasi besar, jadi saya sampai melihat opsi seperti solar radiation management (SRM). Misalnya, menaikkan partikel sulfur untuk menambah tutupan awan dan mengurangi sinar matahari yang diserap laut, sehingga menghasilkan efek pendinginan bersih. Hingga belum lama ini, sulfur dalam bahan bakar kapal kontainer memberi efek seperti ini, tetapi kemudian kandungan sulfur dalam bahan bakar dibatasi oleh regulasi
    Pada akhirnya, kita masuk ke kekacauan ini dengan geoengineering, menciptakan biosfer panas yang kaya CO2, dan sepertinya kita juga akan membutuhkan rekayasa untuk keluar darinya. Meski begitu, melegakan bahwa ada banyak teknologi yang tampaknya bisa menggantikan bahan bakar karbon, menyimpan energi, dan mengurangi panas

    • Saya setuju injeksi sulfur mungkin diperlukan, tetapi harus terikat ketat pada dua hal. Pertama, harus berjalan bersama pengurangan paksa CO2, metana, dan lainnya. SRM menunda masalah, dan tidak boleh menjadi solusi sementara untuk memungkinkan lebih banyak polusi
      Kedua, pendanaan berkelanjutan harus dijamin. Jika SRM dilakukan selama 20 tahun lalu tiba-tiba berhenti, peningkatan perubahan iklim selama 20 tahun akan muncul sekaligus. Selain itu, dibutuhkan dorongan diplomatik terbesar dalam sejarah manusia agar hampir semua negara ikut serta. Karena semua negara akan terdampak, tanpa persetujuan hal ini bisa berujung konflik. Misalnya, Rusia mengharapkan suhu yang lebih tinggi dan musim tanam yang lebih panjang

  • Cara lain adalah tidak membangun sesuatu yang harus dibongkar setelah 10 tahun. Banyak gedung beton besar di kota dibongkar sebelum berusia 20 tahun, dan sebagian hilang hanya dalam 10 tahun
    Itu cukup boros, jadi dengan perencanaan dan pandangan ke depan saja pasti ada cara yang lebih baik

  • Caranya adalah mengganti fluks yang digunakan dalam daur ulang baja dengan limbah beton, sehingga alih-alih menghasilkan slag yang tidak berguna, kita mendapatkan semen daur ulang
    Ini ide yang sangat bagus, tetapi perlu diingat bahwa meski seluruh produksi baja dunia beralih ke metode ini, dampaknya terhadap produksi semen akan kecil. Skala baja sekitar 100 juta ton/tahun, sedangkan semen sekitar 4 miliar ton/tahun

    • Sepertinya Anda mungkin melihat produksi satu negara sebagai produksi global
      https://www.statista.com/statistics/267264/world-crude-steel...
      Produksi baja mentah global pada 2022 sekitar 1,9 miliar ton. Namun intuisi bahwa dampaknya terhadap produksi semen akan kecil memang benar
      Menurut laporan ini, membuat baja baru dari bijih membutuhkan sekitar 270 kg batu kapur per ton baja, sedangkan mendaur ulang baja di tungku busur listrik membutuhkan 88 kg
      https://worldsteel.org/wp-content/uploads/Fact-sheet-raw-mat...
      Produksi baja global kira-kira 35% berasal dari daur ulang dan 65% berbasis bijih. Jadi studi Cambridge ini, yang berlaku pada baja daur ulang, bisa menggantikan konsumsi sekitar 59 juta ton batu kapur. Dibandingkan konsumsi semen global yang mencapai miliaran ton, itu kecil, tetapi bisa bermakna secara lokal bagi pemerintah daerah yang memiliki tungku busur listrik

  • Para peneliti Cambridge menemukan bahwa semen bekas merupakan pengganti yang efektif untuk fluks kapur. Kalau begitu, rasanya beton ini hanya “didaur ulang” sebagai bahan pengganti dalam pembuatan baja
    Cara itu sulit diskalakan. Untuk memproses bahkan 1% saja dari beton yang ingin didaur ulang, kita harus membuat baja dalam jumlah luar biasa lebih banyak

    • Tidak begitu. Mereka mengganti fluks kapur, dan sebagai efek samping semen menjadi aktif kembali sehingga terbentuk klinker, yang bisa dipakai kembali dalam beton baru
      Ini hack yang cukup keren
    • Saya penasaran seberapa yakin Anda dengan angka 1% itu. Bisakah Anda yakin bahwa angkanya bukan 20% atau 50%?
    • Saya penasaran apakah ada alasan mengapa baja yang sama tidak bisa dipakai berulang kali untuk memproses semen dalam skala besar

  • Produksi semen adalah penyumbang signifikan emisi karbon dioksida global. Mengejutkan bahwa metode daur ulang semen yang efektif sedang dikembangkan