Klimaat & energie › Commerciële kernfusie
Amerikaanse wetenschappers maken cement 100 keer sneller met hete plasma
Onderzoekers van Stanford University en UC Berkeley hebben een methode ontwikkeld om cement te maken met extreem heet elektrisch plasma in plaats van een gasgestookte oven. Het proces verloopt bijna honderd keer sneller dan de traditionele productie en kan de uitstoot van de wereldwijde cementindustrie fors terugdringen.
Cement is na water het meest gebruikte materiaal op aarde. Gemiddeld verbruikt ieder mens per jaar een kubieke meter van het spul, verwerkt in beton voor huizen, wegen en bruggen. Die populariteit heeft een keerzijde: de productie van cement is verantwoordelijk voor ongeveer acht procent van de wereldwijde CO2-uitstoot. Sinds de uitvinding van cement in 1824 is het productieproces nauwelijks veranderd. Onderzoekers Qi Zheng en Yi Cui van Stanford University ontwikkelden, samen met Paulo Monteiro van UC Berkeley, nu een methode die daar verandering in kan brengen.
Extreme hitte in seconden
Normaal gesproken wordt cement gemaakt door kalksteen en klei in een grote oven te verhitten tot ongeveer 1.400 graden Celsius. Dat proces kost veel tijd en energie, en het grootste deel van die energie komt vrij door aardgas of andere fossiele brandstoffen te verbranden. Het team uit Stanford en Berkeley gebruikt in plaats daarvan elektrisch plasma: extreem heet, geïoniseerd gas met een temperatuur van boven de 2.400 graden Celsius. Door de grondstoffen direct met dit plasma te verhitten, ontstaat binnen enkele seconden cementklinker, het harde, korrelige tussenproduct dat normaal gesproken wordt vermalen tot cementpoeder. Dat is bijna honderd keer sneller dan bij een traditionele oven.
Minder energieverlies, meer CO2-reductie
De snelheid van het plasmaproces heeft een belangrijk bijeffect: er gaat veel minder warmte verloren. Traditionele cementovens hebben een energieconversierendement van slechts 30 tot 40 procent, wat betekent dat het merendeel van de opgewekte warmte wegvloeit zonder nuttig te worden gebruikt. Bij de experimenten met plasma kwam bijna 80 procent van de warmte daadwerkelijk in het productieproces terecht. Onderzoeker Zheng wijst erop dat traditionele cementproductie bovendien uit veel tussenstappen bestaat, die allemaal extra warmteverlies opleveren. Als de elektriciteit voor het plasma bovendien uit zon- of windenergie komt, kan het hele proces zonder uitstoot verlopen.
Sterker cement en hergebruik van afval
Toen de onderzoekers het nieuwe cement onder een elektronenmicroscoop bekeken, ontdekten ze piepkleine defecten op nanoschaal in het materiaal. Die defecten bleken snel op te lossen zodra het cement in contact kwam met water, waardoor het sneller uithardt. Ondertussen bleven belangrijke eigenschappen zoals sterkte en verwerkbaarheid vergelijkbaar met gewoon cement. Een ander voordeel is dat het plasmaproces gerecycled cementafval als grondstof kan verwerken. Dat opent de deur naar een cementindustrie die dichter bij een echte materiaalkringloop komt, waarin oud beton opnieuw wordt ingezet in plaats van weggegooid. De onderzoekers presenteerden hun bevindingen deze week op de najaarsbijeenkomst van de American Chemical Society in Chicago. Ze willen nu gaan samenwerken met de cementindustrie om te testen of de techniek op grote schaal kan worden ingezet, en of het systeem robuust genoeg is om met allerlei soorten afvalmateriaal om te gaan.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Als deze plasmatechniek op industriële schaal werkt, kan de cementindustrie een groot deel van haar CO2-uitstoot kwijtraken zonder in te leveren op kwaliteit of snelheid. Dat is belangrijk omdat cement wereldwijd nauwelijks te vervangen is en de sector al twee eeuwen op dezelfde, vervuilende manier produceert. De combinatie van snelheid, minder energieverlies en hergebruik van afval kan bovendien de weg vrijmaken voor een meer circulaire bouwsector.
- Plasma
- Een extreem heet, elektrisch geladen gas dat ontstaat als je genoeg energie door een gas stuurt om de atomen te ioniseren. Plasma kan temperaturen van duizenden graden bereiken.
- Cementklinker
- Het harde, korrelige tussenproduct dat ontstaat bij het verhitten van kalksteen en klei. Klinker wordt vermalen tot het cementpoeder dat we kennen uit de bouw.
- CO2-reductie
- Het verminderen van de uitstoot van kooldioxide, een broeikasgas dat bijdraagt aan klimaatverandering. Bij cementproductie ontstaat CO2 zowel door verbranding van brandstof als door een chemische reactie in de grondstoffen zelf.
- Materiaalkringloop
- Een systeem waarin grondstoffen en materialen zo veel mogelijk worden hergebruikt in plaats van na gebruik als afval te eindigen.
- Energieconversierendement
- Het percentage van de toegevoerde energie dat daadwerkelijk nuttig wordt gebruikt in een proces, in plaats van verloren te gaan als bijvoorbeeld restwarmte.
- Elektronenmicroscoop
- Een microscoop die met een bundel elektronen in plaats van licht werkt, waardoor onderzoekers structuren kunnen zien die duizenden keren kleiner zijn dan met een gewone microscoop.
- Nanoschaal-defecten
- Piepkleine onvolkomenheden in de structuur van een materiaal, op de schaal van een miljardste meter, die de eigenschappen van dat materiaal kunnen beïnvloeden.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
