İklim değişikliği ile mücadele kapsamında oluşturulan hedeflere yönelik politikalar, düzenlemeler ve bunların sonucunda oluşan farkındalık; çimentoyu adeta bir fenomene dönüştürmüştür. Kimilerine göre, gri veya beyaz renkli bir toz olan çimento, net sıfır karbon yolunda ya bir kahraman ya da oyun bozan olacaktır.
Çimentonun dekarbonizasyonu için birçok yöntem bulunmaktadır. Bu yöntemlerden bazıları son derece etkin bir şekilde kullanılmaktadır. Ancak, sektörün çözüm üretmekte en çok zorlandığı ve zorlanacağı alan olan “proses emisyonu” yani kireçtaşının yüksek sıcaklıkta serbest kireç (CaO) ve karbondioksite ayrıştığı süreç, pandoranın kutusu gibi soru işaretleri ile önümüzde durmaktadır. Burada merak edilen esas konu, uygun teknolojilerin ve inovasyonların bulunmasından ziyade; bu teknoloji ve inovasyonların ne ölçüde sürdürülebilir, uygulanabilir ve yatırım yapılır düzeyde olacağıdır.
Çimentonun ana bileşeni olan klinker üretildiği sürece proses emisyonları olacaktır. Bu emisyonu azaltmak için ya açığa çıkan karbondioksitin yakalanması ya da Portland çimentosu klinkerinin yerine daha düşük karbonlu alternatiflerinin geliştirilmesi gerekmektedir. Bu yazıda klinker alternatifi malzemelere değinilmektedir.
Geleneksel Mineral Katkılar
Klinkeri ikame etmek amacıyla onlarca yıldır mineral katkılar kullanılmaktadır. En yaygın kullanılan mineral katkılar; demir üretiminde yan ürün olarak açığa çıkan öğütülmüş yüksek fırın cürufu, kömürle çalışan termik santrallerde açığa çıkan uçucu kül, volkanik kökenli doğal puzolanlar ve kalkerdir. Çimento üreticilerini bu malzemeleri kullanmakta motive eden en önemli unsur üretim maliyetlerini azaltmaktı. Ancak, sürdürülebilirlik gündeminin yükselmesiyle ve karbon vergisinin ilave maliyetlere neden olmasıyla yeni bir motivasyon kaynağı oluşmuştur. Günümüzde mineral katkılarla klinkeri %30 oranında ikamet etmek pek de zor değildir. Hatta standartların verdiği imkanla bu oran çok daha yüksek olabilmektedir. Çimentoda yüksek oranda mineral katkı kullanılması ile %70-90 oranında karbon azaltımı mümkün olabilmektedir. Elbette bu oranlara çıkabilmek için hem sürdürülebilir kaynaklara sahip olmak hem de ürünü talep edilebilir düzeyde tasarlamak gerekmektedir.
Şekil 1. Mineral katkılar
Yeni Nesil Mineral Katkılar
Hem öğütülmüş yüksek fırın cürufu hem de uçucu kül, bir dizi faktörden dolayı giderek daha az temin edilebilir hale gelmektedir. Bu nedenle kalsine killer, yakma külü ve grafen gibi diğer malzemelere karşı ilgi artmaktadır. Bu malzemeler, klinker faktörünü azaltarak daha düşük emisyon sağlamaktadır. Örneğin, grafenin sadece bir ton çimentoda 33 gram kullanımı karbon emisyonunu %15 oranında azaltabilmektedir [1].
Kireçtaşı kalsine kil çimentosunda, kalsine kil ve kalkerin birleştirilmesiyle klinker oranı %50’ye düşürülebilmektedir [2]. Bununla birlikte, kilin 700-800°C’de kalsinasyonu, yakıt kullanımından kaynaklanan CO2 emisyonuna yol açmaktadır. Bu nedenle emisyon tasarrufu klinker faktörü ile orantılı değildir. Kalsine kil çimentosu, tipik Portland çimentosuna göre %30-40 oranında daha düşük karbon emisyonuna neden olmaktadır.
Doğal puzolanların önde gelen geliştiricileri arasında İsveç merkezli EMC Cement bulunmaktadır. Doğal puzolanların düşük enerjili ısıl işleme tabi tutulmasıyla üretilen ve “enerjisi değiştirilmiş çimento” olarak adlandırılan ürün ile klinker %70 oranında ikame edilebilmektedir [3].
TerraCO2 gibi bazı firmalar yapay mineral katkılar üretebilmektedir [4]. Şirketin OPUS adını verdiği yöntem ile çok çeşitli yaygın mineraller, sentetik uçucu küle benzeyen bir forma dönüştürebilmektedir. Şirket yetkileri Alternatif Çimentolu Malzeme (ACM) olarak isimlendirdiği ürünün %70 oranında klinker ikame edebildiğini iddia etmektedir.
CO2‘nin kendisi de çimento ve/veya beton karışımında bir bileşen olarak kullanılabilmektedir [5-10]. CO2, çimento hamurunun sertleşmesinin erken aşamalarında kristalleşmeye yardımcı olmaktadır. Bu da aynı dayanım için daha az klinker kullanılmasına olanak tanımakta, dolayısıyla gömülü CO2 emisyonlarını azaltabilmektedir. Bazı şirketler, prekast elemanlar için CO2’yi kürleme amacıyla kullanmaktadır. Bazıları ise CO2‘yi hazır betona enjekte etmektedir. Öne çıkan örnekler arasında, 177.000 ton CO2‘nin atmosfere ulaşmasını engellediğini iddia eden Kanada merkezli CarbonCure firması yer almaktadır [7]. Solidia [8] ve FastCarb [10] gibi firmalar ise CO2’yi yapay agrega üretiminde bir ham madde olarak kullanmaktadır.
Şekil 2’de küresel çapta bazı mineral katkıların yıllık kullanım miktarı ve potansiyel mevcudiyetleri yer almaktadır.
Şekil 2. Bazı mineral katkıların yıllık kullanım miktarı ve potansiyel mevcudiyetleri [11]
Belit Klinker
Belit bakımından zengin çimentolar, Portland çimentosu kimyasına dayanmaktadır; ancak pişme sıcaklıkları 1150-1250°C’dir [11]. Bu çimentolar, Portland çimentosuna oranla daha çok belit (C2S) ve daha az alit (C3S) fazı içermektedir. Pişme sıcaklığındaki %10-20’lik azalma CO2 emisyonunda da doğrudan bir düşüşe neden olur. Alit fazı, erken dayanım gelişiminden sorumlu olduğundan; belit açısından zengin çimentoların sertleşmesi yani priz alması genellikle yavaştır. Bu durum bazı uygulamalarda dezavantaja neden olabilmektedir. Bununla birlikte, hidratasyon ısısının düşük olması özellikle baraj inşaatları gibi kütle beton uygulamalarında termal çatlak riskini azaltarak avantaj sağlamaktadır.
Kalsiyum sülfo-alüminat (CSA) çimentoları, Çin’de yaklaşık 30 yıldır ticari olarak üretilmektedir. Uçucu kül ve yan ürün alçıtaşı gibi endüstriyel atıkların %35-70 belit ve %10-30 ferrit ile birlikte öğütülmeden önce 1200-1250°C’de kalker ile sinterlenmesiyle oluşur. CSA-belit çimentoları, Portland çimentosuna oranla yaklaşık %20 oranında daha düşük emisyona sahiptir [12].
Ayrıca, Portland Çimentosuna göre yaklaşık %20 daha düşük emisyona sahip belite-ye’elimite-ferrit (BYF) çimentosunun kullanımına ilişkin araştırmalar da yapılmıştır [13]. %10 kireçtaşı, %5 silis dumanı ve BYF’den oluşan üçlü bir karışım, gömülü karbonda %13’lük bir azalmaya neden olabilmektedir.
Magnezyum Bileşikleri ve Kalsiyum Alüminatlar
Kalsiyum alüminat çimentosu, bazı niş uygulamalarda, sıklıkla refrakter üretiminde kullanılan kendini ispatlamış bir üründür. Portland çimentosu üretimine benzer sıcaklıklarda, boksit ve kireçtaşı kullanılarak üretilmektedir. Bu da CO2 emisyonlarının büyük ölçüde benzer olduğu anlamına gelmektedir [14].
Magnezyum oksit ve magnezyum silikat bazlı birkaç yaklaşım vardır. İngiltere merkezli Karbonite firması tarafından geliştirilen bir süreç, yaygın olarak bulunan magnezyum silikat ham maddelerini bir dizi beton ürüne dönüştürmek için kullanılmaktadır [15]. İşlem 700°C’de gerçekleşmekte ve CO2 yerine su açığa çıkararak Portland çimentosuna kıyasla emisyonu %20 oranında azaltmaktadır.
Celitement, 1:4 oranında kalsiyum oksit ve bir dizi farklı silikatı 150°C ile 300°C arasında bir otoklav prosesinde pişirmektedir [12]. Bu işlem, başka silikatlarla karıştırıldığında ve reaktif bir değirmende öğütüldüğünde kalsiyum silikat-hidratlara yol açmaktadır. Şekil 2’de Celitement üretim süreci görülmektedir.
Şekil 2. Celitement üretim prosesi [16]
Novacem’in magnezyum karbonat bazlı çimentosu, CO2 salmak yerine absorbe edebilmektedir [12]. Ancak, bugüne kadar ticari seviyeye geçememiştir.
Geopolimerler / Alkali ile Aktive Edilmiş Bağlayıcılar
Alkali aktive bağlayıcılar (AAB) olarak da bilinen geopolimerler, güçlerini bir alkali kaynağı (çözünür baz aktivatörü) ile alüminat bakımından zengin malzemeler arasındaki kimyasal reaksiyondan alır.
Avustralya’lı Zeobond firmasının E-Crete ürünü ve Wagners’ Earth Friendly Concrete ürünü için geleneksel betona kıyasla 1 m3 başına 250kg CO2 emisyonu tasarrufu sağlandığı raporlanmıştır [17, 18]. Bir başka Avustralya menşeli ürün olan Nu-rock, kullanım sırasında CO2 yakalarken [19]; Birleşik Krallık merkezli banah-CEM, CO2 emisyonlarında %80’lik bir azalmaya neden olduğunu iddia etmektedir [20].
Bir geopolimer formunda cüruf ve uçucu kül gibi geleneksel mineral katkıları kullanmak da mümkündür. Bu alandaki önemli şirketler arasında, sıfır klinkerli çimento H-UKR’yi üreten Fransa merkezli Hoffmann Green Cement bulunmaktadır [21]. Cüruf, kil ve alçıtaşı karışımından oluşan ürünü üretmek için ısıtmasız bir kimyasal aktivatör kullanılmaktadır. Oluşan ürün Portland çimentosuna oranla altıda bir oranında, 150 kg CO2eq/ton, karbon emisyonuna sahiptir.
Bu yaklaşımı benimseyen bir diğer şirket ise 20 yılı aşkın süredir “yeni nesil çimentolar” üreten İrlandalı Ecocem’dir [22]. %100 oranında öğütülmüş yüksek fırın cürufu içeren ürün, beton üretiminde bağlayıcı olarak %70’e varan oranlarda kullanılabilmektedir. Ecocem ayrıca ultra yüksek performanslı beton için yüksek fırın cürufunun “süper ince” versiyonunu üretmektedir.
Biyo-Çimentolar
Bazı yeni yaklaşımlar, çimentolu malzemelerin doğal çökelmesini taklit etmektedir. Calera firması tarafından kullanılan yöntemde, atık CO2‘nin yüksek konsantrasyonda kalsiyum ve magnezyum tuzları içeren sudan geçirildiği bir biyo-mimetik sistem kullanılmaktadır. Bu işlem, çözeltiden çökelen çözünmeyen tuzların oluşumunu teşvik etmektedir [23] Üretilen her 1 ton Calera çimentosu için 500 kg CO2 tutulmaktadır.
Bu arada Prometheus Materials, mikro algler kullanılarak çimento üretimi için bir yaklaşım geliştirmiştir [24]. Algler, kalsiyum açısından zengin bir sulu ortamda CO2 diyeti ile beslendiklerinde, yapılandırılmış kalsiyum karbonatı çökeltirler. Bu işlem sonucunda üretilen biyo-çimento ve beton, beton duvar bloklarında kullanıldığında %90 daha düşük emisyona neden olmaktadır.
Sonuç
Çimento üretimine yönelik birçok potansiyel alternatif malzeme ve üretim yöntemi halen geliştirme aşamasındadır. Bunlardan bazıları ticarileşmiş ya da bu seviyeye çok yaklaşmıştır. Yeni çimento formülasyonlarının piyasaya sürülmesiyle ilgili riskler devam etse de mevcut pazarın bu ürünlerin potansiyeline olan ilgi ve merakı giderek artmaktadır. Bu durumun ana nedeni, giderek artan enerji maliyetleri ve yakın zamanda küresel bir boyuta ulaşacak olan karbon maliyetleridir. Son yıllarda artan bir şekilde devam eden çalışmalar, Portland çimentosuna karşı sürdürülebilir alternatifleri en büyük çimento üreticilerinin gözünde vazgeçilmez hale getirmiştir.
Yine de bu ürünler ve teknolojiler için çok dikkatli ve tutarlı olmak gerekmektedir. Örneğin; belirli bir karışımın klinker faktörünü azaltmak, o klinkerden kaynaklanan CO2 emisyonlarını azaltacak olsa da diğer birçok farklı kimyanın kendi CO2 emisyonlarıyla birlikte sürece dahil olmasına da neden olabilir. Sürecin yeniliği veya karmaşıklığı ile gömülü karbon emisyonları arasında her zaman bir korelasyon olacağı söylenemez. Portland çimentosu alternatifi bir ürünün doğrudan “daha yeşil” olduğu sonucu çıkarılmamalıdır. Buna dikkat etmeyen ya da göz ardı eden üreticiler, teknoloji geliştiricileri, start-up firmaları ve araştırmacılar “yeşil yıkama” nedeniyle itham edilebilir.
Kaynaklar
Interview with Barkan, T.; Graphene: A next level additive?; in Global Cement Magazine, November 2020.
Scrivener, K.; Eco-efficient cements: No magic bullet needed; in Global Cement Magazine, September 2019.
İnş.Yük.Müh. olan Yasin Engin, lisans ve yüksek lisans eğitimini Boğaziçi Üniversitesi'nde tamamlamıştır. 16 yıldır beton ve çimento sektöründe çalışmaktadır. Web sitesindeki tüm yayınlar Yasin Engin tarafından paylaşım amacıyla hazırlanmıştır. Yayınlar kaynak gösterilerek kullanılabilmektedir.
(yasin.engin@gmail.com)
