Le strategie di decarbonizzazione per il settore del cemento e del calcestruzzo si sono basate in larga misura sulle tecnologie del lato dell’offerta, tra cui la cattura e lo stoccaggio del carbonio (CCS), mascherando le opportunità di intervento sul lato della domanda. Qui dimostriamo che le strategie trasversali che coinvolgono sia il lato dell’offerta che quello della domanda possono raggiungere emissioni nette zero entro il 2050 nell’intero ciclo del cemento e del calcestruzzo giapponese , senza ricorrere alla diffusione di massa della CCS. La nostra analisi mostra che una serie di sforzi di mitigazione sul lato dell’offerta, può ridurre le emissioni di CO2 nel 2050 fino all’80% rispetto ai livelli di base e che il restante 20% di gap di mitigazione può essere completamente colmato dall’uso efficiente di cemento e calcestruzzo nell’ambiente costruito.
Tuttavia, questo percorso di decarbonizzazione dipende dal modo in cui l’assorbimento di CO2 attraverso la carbonatazione e la cattura e l’utilizzo del carbonio viene contabilizzato nell’inventario. La nostra analisi sottolinea l’importanza di includere gli interventi sul lato della domanda al centro delle strategie di decarbonizzazione ed evidenzia l’urgente necessità di discutere come contabilizzare l’assorbimento di CO2 negli inventari nazionali ai sensi dell’Accordo di Parigi.
Introduzione:
Il rispetto degli obiettivi climatici concordati a livello internazionale dipende in larga misura da come affrontare i settori industriali difficili da abbattere.
1. Un esempio emblematico è il calcestruzzo, il materiale di origine umana più utilizzato al mondo.
2. Le reazioni chimiche e le alte temperature richieste per la produzione del cemento, il legante per la realizzazione del calcestruzzo, unite alla sua produzione e al suo utilizzo di massa, rendono la sua decarbonizzazione una delle nostre sfide più importanti.
3. La quota delle emissioni di CO2 derivanti dall’intero ciclo del cemento e del calcestruzzo sul totale delle emissioni globali legate all’energia è aumentata negli ultimi decenni ed è ora pari a ~10%6.
5. Con il progredire delle conoscenze scientifiche sui cambiamenti climatici , la domanda chiave è quali azioni debbano essere intraprese, su quale scala ed entro quando, al fine di de carbonizzare l’intero ciclo del cemento e del calcestruzzo. Un numero crescente di prove ha dimostrato il potenziale di riduzione delle emissioni attraverso sforzi incentrati sul lato dell’offerta del ciclo del cemento e del calcestruzzo, tra cui il miglioramento dell’efficienza energetica.
6. La riduzione del rapporto clinker/cemento.
7. L’utilizzo di combustibili a basse emissioni di carbonio, la sostituzione del cemento con leganti alternativi, la cattura e lo stoccaggio del carbonio (CCS) e la cattura e l’utilizzo del carbonio (CCU).
8 . Tra queste varie misure dal lato dell’offerta, gli impegni dell’industria e le discussioni politiche dipendono in particolare dalla CCS ,anche se appartiene alla gerarchia più bassa delle strategie a causa dei problemi di lock-in tecnologico e della bassa efficienza delle risorse.
9 . Al contrario, un flusso di ricerca emergente ha dimostrato che esistono opportunità significative, ma in gran parte non sfruttate, sul lato della domanda attraverso un uso più efficiente dei materiali. Tuttavia, questi studi non forniscono un percorso per raggiungere le emissioni nette zero entro circa la metà del secolo, un requisito fondamentale per raggiungere l’obiettivo climatico di 1,5-2 °C8 .Recenti revisioni della letteratura che riassumono l’ampia mole di dati disponibili suggeriscono l’importanza di strategie trasversali che abbraccino l’intero ciclo del cemento e del calcestruzzo ; tuttavia, le analisi empiriche pertinenti sono ancora largamente carenti. Sebbene siano stati intrapresi diversi sforzi pionieristici per colmare questa lacuna , essi tendono a considerare solo una serie limitata di usi finali del cemento e quindi non colgono gran parte dei flussi e degli stock di cemento.
Il lavoro qui presentato affronta queste lacune conoscitive caratterizzando il percorso a emissioni nette zero per il ciclo del cemento e del calcestruzzo, utilizzando un quadro modellistico coesivo. Il nostro approccio si basa su un modello dinamico di analisi dei flussi di materiali (MFA), abbinato a un modello di emissioni che tiene traccia delle emissioni di CO2 derivanti da ciascun processo e a un modello fisico-chimico che quantifica l’assorbimento di CO2 associato alla carbonatazione del calcestruzzo. Questo approccio integrato ci permette di esplorare le strategie per ottenere emissioni nette zero in tutto il ciclo del cemento e del calcestruzzo, garantendo al contempo un bilancio di massa dinamico degli stock e dei flussi nel sistema.
Applichiamo il modello al Giappone, date le sue significative emissioni di CO2 (il quinto paese al mondo ) e la disponibilità dei tipi di dati dettagliati necessari per questo approccio modellistico. Il Giappone è uno dei pochi paesi al mondo che fornisce dati gestiti dal governo, rigorosi e a lungo termine sull’attività edilizia per tipologia di struttura e intensità di materiale.
Questo studio analizza innanzitutto la struttura storica e l’evoluzione del ciclo del cemento e del calcestruzzo, nonché le emissioni e l’assorbimento di CO2 ad esso associati, per un periodo di 70 anni, dal 1950 al 2019. Il modello proposto viene poi utilizzato per esplorare 16 strategie (nove interventi dal lato dell’offerta e sette dal lato della domanda) per raggiungere emissioni nette zero entro il 2050. La trama principale si concentra sulla possibilità di ottenere emissioni nette zero in tutto il ciclo del cemento e del calcestruzzo senza ricorrere alla CCS, che appartiene al livello più basso delle strategie di mitigazione.
I risultati:
Ciclo contemporaneo del cemento e del calcestruzzo..
Nel 2019, per soddisfare la domanda interna giapponese di edifici e infrastrutture, sono stati prodotti 284 milioni di tonnellate metriche (Mt) di cemento e malta , composti per il 14% da cemento, per l’8% da acqua di betonaggio, per il 78% da aggregati vergini e per meno dell’1% da aggregati riciclati. Circa l’83% del peso del cemento era costituito da clinker, mentre il restante 17% era costituito da gesso e materiali cementizi supplementari (SCM), il che suggerisce un rapporto clinker/cemento leggermente più alto rispetto ad altre regioni, tra cui Europa e Stati Uniti.
Circa la metà del calcestruzzo prodotto, è stato utilizzato per la costruzione di edifici, mentre l’altra metà è stata impiegata per lo sviluppo di infrastrutture. Circa il 2% del calcestruzzo è andato perduto come rifiuto di costruzione, che rappresenta il calcestruzzo prodotto ma mai inserito in un prodotto finale. In Giappone, la maggior parte del calcestruzzo demolito viene riciclato come materiale di base per le strade, trasformato in stock ibernato o messo in discarica; pertanto, esiste un flusso di riciclaggio quasi invisibile per gli aggregati di calcestruzzo. L’intero ciclo del cemento e del calcestruzzo produce 1 Mt-CO2, pari a circa il 3% delle emissioni totali di CO2 del Giappone. Di questa quantità, la produzione di cemento rappresenta la quota maggiore (83%), seguita dal trasporto (9%) e dal posizionamento del calcestruzzo in loco (5%).
Nonostante il grande volume di produzione, la quota di emissioni di CO2 derivanti dalla produzione di aggregati è solo del 2%. L’assorbimento di CO2 dalla carbonatazione del calcestruzzo ha raggiunto 2 Mt-CO2 (7,1-10,0 Mt-CO2 intervallo interquartile) nel 2019, pari a circa il 24% delle emissioni legate al calcestruzzo e a ~1% delle emissioni totali del Giappone. Le scorte in uso fungono da principale serbatoio durante la vita utile degli edifici e/o delle infrastrutture, assorbendo il 74% dell’assorbimento totale. Un altro 22% deriva dai rifiuti di demolizione a fine vita e il restante 4% dalla polvere dei forni da cemento e dai rifiuti di costruzione .
I driver della domanda finale e la dinamica delle scorte:
Un’analisi più approfondita dei fattori che determinano la domanda del ciclo del cemento e del calcestruzzo mostra che la principale forza trainante è attualmente il consumo domestico, data la sua elevata dipendenza dal capitale fisso . In particolare, circa l’80% dei flussi di cemento sono trainati dai consumi delle famiglie, mentre la spesa pubblica e le esportazioni rappresentano il resto in quantità quasi uguali. Una ripartizione più dettagliata dei consumi delle famiglie rivela che l’abitazione è il principale motore (32%), seguito dai servizi medici e sanitari (10%), dai trasporti (9%) e dall’istruzione (8%). Gli “altri servizi”, che comprendono il commercio al dettaglio, il tempo libero e così via, rappresentano il 12%, il che suggerisce che svolgono un ruolo significativo nell’attuale ciclo del cemento e del calcestruzzo. Queste tendenze riflettono la natura ad alta intensità di capitale dei servizi: i servizi educativi richiedono scuole, i servizi medici e sanitari richiedono ospedali e case di cura, e i servizi al dettaglio richiedono edifici commerciali.
Queste richieste finali non sono soddisfatte dai flussi di materiale in sé, ma dallo stock accumulato nella società sotto forma di edifici e infrastrutture (cioè lo stock in uso). Pertanto, il modello evolutivo a lungo termine dello stock in uso fornisce indicazioni sul futuro percorso di sviluppo del ciclo del cemento e del calcestruzzo. Storicamente, lo stock di cemento in uso ha continuato ad aumentare per tutto il XX secolo, raggiungendo circa 15 Gt, o 115 t pro capite, nel 2000 . Tuttavia, la sua crescita si è stabilizzata dall’inizio del XXI secolo ed è rimasta generalmente costante a ~17 Gt o 130 t pro capite per circa gli ultimi 10 anni. Ciò riflette il fatto che gli edifici e le infrastrutture necessari per mantenere gli elevati standard di vita del Giappone sono già sufficientemente consolidati . Questa tendenza non è esclusiva del Giappone, ma è comune a molti Paesi ad alto reddito . Queste tendenze forniscono una solida base per esplorare come il ciclo del cemento e del calcestruzzo potrà evolvere in futuro.
Il ruolo della CCS:
Sebbene la CCS appartenga al livello più basso delle strategie di mitigazione, rimane una delle strategie centrali nell’industria. Tenendo presente questo aspetto, il ruolo della CCS nel raggiungimento delle emissioni nette zero è stato studiato conducendo un’analisi di sensibilità per capire meglio come le strategie dal lato della domanda possano ridurre la dipendenza dalla CCS . Se non viene implementata alcuna strategia dal lato della domanda, il 70% della capacità dei forni dovrà essere dotata di CCS per raggiungere le emissioni nette zero entro il 2050. Tale dipendenza dalla CCS può essere ridotta al 30% implementando una strategia dal lato della domanda pari solo al 50% del potenziale tecnico massimo. Quando la strategia dal lato della domanda viene implementata a più dell’80% del potenziale tecnico, la necessità di CCS per raggiungere le emissioni nette zero entro il 2050 viene completamente eliminata. Questi risultati riflettono la relazione complementare tra CCS e strategie dal lato della domanda nella decarbonizzazione di questo settore difficile da abbattere.
Discussione:
Ciò che questo studio stabilisce chiaramente è che, sebbene le emissioni nette zero in tutto il ciclo del cemento e del calcestruzzo siano tecnicamente raggiungibili, non esiste un “proiettile d’argento” in grado di fornire da solo un abbattimento sufficiente delle emissioni. Piuttosto, è necessaria una strategia trasversale che abbracci l’intero ciclo del cemento e del calcestruzzo per ottenere una profonda decarbonizzazione nel poco tempo rimasto. Questa constatazione getta nuova luce sulla tabella di marcia per la decarbonizzazione attualmente perseguita dai governi e dall’industria. Sebbene il governo e il settore industriale ripongano grandi speranze nelle strategie dal lato dell’offerta, tra cui l’uso di combustibili alternativi e di CCU, la nostra analisi indica che queste da sole non saranno in grado di ridurre sufficientemente le emissioni nel tempo senza una diffusione massiccia della CCS.
Questo perché le strategie convenzionali dal lato dell’offerta lasciano già poco spazio al miglioramento grazie agli sforzi storici dell’industria e le strategie emergenti dal lato dell’offerta possono essere limitate nel loro potenziale dalle classi di resistenza del calcestruzzo applicabili e dalla disponibilità di rifiuti industriali. In altre parole, la decarbonizzazione attraverso i soli sforzi dell’industria del cemento e del calcestruzzo dovrà inevitabilmente fare affidamento sulla CCS, che richiede un tempo considerevole per essere implementata su larga scala e comporta il rischio di non essere pronta in tempo . Nel complesso, la nostra analisi mette in discussione le tabelle di marcia per la decarbonizzazione attualmente proposte dal governo e dall’industria e sottolinea l’importanza di strategie dal lato della domanda per consentire un uso efficiente del cemento e del calcestruzzo nell’ambiente costruito, insieme a strategie dal lato dell’offerta.
