La fabricación de cemento es una industria que ha sido esencial en la construcción durante siglos, pero también es responsable de aproximadamente el 8% de las emisiones de dióxido de carbono (CO₂) en el mundo. A medida que la conciencia sobre el cambio climático y la necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero crece, la industria del cemento y el hormigón se enfrenta a un desafío crucial: encontrar formas más sostenibles de producir este material fundamental para la construcción minimizando su impacto medioambiental, logrando la carbono neutralidad, junto con mejorar sus propiedades mecánicas, entre otras.

En este contexto, un equipo interdisciplinario de investigadores de la Universidad Federico Santa María, la Pontificia Universidad Católica de Chile y la Universidad de Chile está trabajando en el Proyecto FONDEF “Propuesta de nuevo método de fabricación de cemento Portland, reduciendo significativamente las emisiones de CO₂ y con generación de hidrógeno verde como subproducto”, el cual podría cambiar la forma en que se produce el cemento, generando dióxido de carbono de alta pureza, hidrógeno verde y oxígeno como subproductos.

El Proyecto de Cemento Electroquímico

La particularidad de este proyecto, radica en incorporar un proceso adicional en la fabricación de cemento previo al proceso de calcinación de la piedra caliza, el cual tiene como principal objetivo extraer mediante electrólisis el dióxido de carbono de la roca antes de producir Clinker. A este paso se le conoce como "Cemento Electroquímico”, y tiene como principal ventaja la producción de hidróxido de calcio “Ca(OH)₂” mediante energía solar, obteniendo como subproductos dióxido de carbono de alta pureza, hidrógeno verde, oxígeno y arcilla o borra.

Para comprender este proceso, tuvimos la oportunidad de conversar con Paulina Dreyse -PhD en Química de la Universidad de Chile, del miembro del Centro de Innovación del Hormigón UC, y Directora del proyecto-, junto a su equipo de investigadores de la Universidad Federico Santa María.

La académica Paulina Dreyse junto a su equipo, están utilizando una celda tipo H, donde se utiliza una solución de nitrato de sodio para llevar a cabo el proceso. Los componentes clave son el ánodo y el cátodo, donde ocurren reacciones electroquímicas fundamentales. Cada uno de ellos está ubicado en un compartimiento diferente de la celda. En el compartimiento anódico, se agrega carbonato de calcio (piedra caliza), el cual inicia la oxidación del agua produciendo oxígeno y CO₂. En el compartimiento catódico se reduce el agua, generando hidrógeno.

Con este proceso, es posible capturar los gases en un estado más puro incluido el CO₂, el cual normalmente se libera a la atmósfera durante la producción de cemento convencional junto con otros componentes contaminantes. Este CO₂ podría separarse de mejor manera, ya que solo se obtiene mezclado con oxígeno, y de esta forma, puede ser utilizado en diversas aplicaciones.

“Lo que nosotros proponemos, es mitigar el dióxido de carbono que se emana de la piedra caliza. Adicionalmente, este dióxido de carbono y oxígeno que se obtienen se podrían utilizar como medios para alimentar el horno. Aparte de una ventaja material tenemos una ventaja energética, con un proyecto que se está alimentando directamente del sol”.

Felipe Troncoso

Investigador asociado

Otra ventaja que destaca el investigador Felipe Troncoso de este desarrollo tecnológico, es la posibilidad de optimizar la captura del dióxido de carbono, ya que si bien se ha intentado implementar captura de gases en el horno, actualmente la industria utiliza un sistema de recirculación de gases para optimizar el uso energético en el horno conservando la energía en él, lo que dificulta la obtención y posterior captura del dióxido de carbono debido a su composición.

Beneficios clave del proyecto

• Reducción de emisiones de CO₂ a la atmósfera: La captura del CO₂ durante la fabricación del cemento es una innovación importante, ya que este proceso es responsable de una parte significativa de las emisiones de la industria. Por otro lado, su estado de alta pureza permite un mejor aprovechamiento de este gas para diversos propósitos posteriores, emitiéndose bajo condiciones atmosféricas, no reactivas.
• Producción de hidrógeno verde: Además de reducir las emisiones de CO₂, el proceso genera hidrógeno verde, un recurso valioso en la transición hacia una economía más sostenible, y que en este momento está tomando una gran importancia a nivel nacional.
• Obtención de oxígeno: Como subproducto se genera oxígeno, gas fundamental para la vida, liberándose en condiciones atmosféricas, no reactivas.
• Optimización de la mezcla de cemento: La producción de hidróxido de calcio que se obtiene con esta tecnología, permite una mezcla más precisa de los componentes necesarios para la fabricación del cemento, lo que podría mejorar la calidad del producto final, e incluso considerar piedras calizas de diversas categorías, que hasta el momento no se han considerado como adecuadas.
• Infraestructura adaptable: El proyecto se adapta a la infraestructura existente de las cementeras, lo que significa que no es necesario realizar cambios significativos en los procesos de producción.

El impacto en la industria del cemento

Natalia Martínez, PhD en Química e investigadora del proyecto, destaca que este enfoque aborda una parte crucial de la producción de cemento que ha sido en gran medida ignorada: la captura de CO₂ desde la piedra caliza. La mayoría de los esfuerzos de reducción de emisiones en la industria del cemento se han centrado en otros aspectos, pero este proyecto se enfoca en una etapa fundamental y anterior al horno.

Como se ha mencionado, una de las ventajas más notables de este proyecto es la pureza del CO₂ capturado, lo que facilitaría su uso en diversas aplicaciones. Además, al capturar el CO₂ antes de que se mezcle con otros gases en el horno, se logra una mayor eficiencia en su captura.

"El dióxido de carbono emitido en la fabricación de Clínker está bastante contaminado, ya que se generan mezclas muy diversas. Incluso es posible encontrar óxido de azufre y óxido de nitrógeno involucrados para hacer la halita, por lo que separar ese CO₂ es muy difícil. En cambio, en este proyecto, el dióxido de carbono se libera solamente con oxígeno, por lo que la separación sería más fácil, se obtiene un mayor grado de pureza, por lo tanto, hay mayor factibilidad de vender, por ejemplo, para usos medicinales o en otras industrias, por lo que contamos con un nicho de investigaciones que se pueden desarrollar".

Natalia Martínez

PhD en Química e investigadora

Otra de las novedades de esta tecnología, es que su implementación no afecta a la industria del cemento, ya que no se requieren grandes cambios en las plantas cementeras existentes. La modificación considera un anexo que se le agrega antes de ingresar al horno, conservando la mayor parte de la infraestructura. El hidróxido de calcio iría al horno con los otros componentes para hacer la halita, como una etapa previa.

Desarrollo de Hidrógeno verde

Dentro de los cambios que se avecinan a futuro, se encuentra el desarrollo del hidrógeno verde como energía limpia. En este sentido se están generando diversos cambios legislativos en Chile y en el mundo que permitan su utilización como combustible. En este contexto, la investigadora del proyecto y PhD en Química, Valeria Gazzano, considera importante la adaptación de las cañerías y conductos necesarios para la captura de este gas, si se desea aprovechar este hidrógeno como subproducto del proceso de cemento electroquímico.

“Lo importante es contar con cañerías específicas para los gases que se produzcan, de manera que se conecten al horno, y eso produzca una combustión. De hecho, el hidrógeno tiene una capacidad de descarga de energía-masa más alta entre todos los combustibles que existen, entonces se ahorraría mucha energía solamente guardando el hidrógeno y ocupándolo en la quema del horno, pero todavía se está investigando todo lo que es infraestructura de hidrógeno porque es muy pequeño y permea muy fácilmente todo lo que es cañería y es muy difícil de almacenar. Por eso la industria en general es un poco reacia a utilizar el hidrógeno todavía, pero con las nuevas legislaciones, este escenario podría cambiar y hay que estar preparados”.

Valeria Gazzano

PhD en Química e investigadora

Perspectivas futuras

El proyecto Cemento Electroquímico plantea un camino prometedor hacia una producción de cemento más sostenible y con menor impacto ambiental. Sin embargo, los investigadores subrayan que aún se encuentran en las etapas iniciales, y están realizando las investigaciones correspondientes para escalar esta innovación en la industria cementera.

• Recientemente, Darío Ramírez PhD (c) en Ingeniería Civil UC, nos habló de la publicación de un artículo científico donde se demuestran que este proyecto es viable a escala industrial utilizando la piedra caliza de las cementeras.

En resumen, el proyecto de Cemento Electroquímico es una tecnología que podría revolucionar la forma en que se fabrica el cemento y contribuir en gran medida a la lucha contra el cambio climático. A medida que avanza la investigación y se superan los desafíos, esta innovación podría tener un impacto duradero en la industria de la construcción y en la reducción de las emisiones de CO₂ en todo el mundo.

Autora: Valeria F. Moraga D.