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Dal suo laboratorio in un parco commerciale nella città di Nottingham, il professor Sid Pourfalah si trova a soli 15 minuti di auto dal luogo in cui, fino a poco tempo fa, l'ultima centrale elettrica a carbone rimasta nel Regno Unito sprigionava nuvole di vapore bianco dalle sue otto torri di raffreddamento.

Visibile da chilometri di distanza, la centrale elettrica di Ratcliffe-on-Soar, costruita nel 1967, ha cessato definitivamente le attività il 30 settembre 2024, rendendo il Regno Unito la prima grande economia al mondo a eliminare gradualmente il carbone dalla produzione nazionale di energia elettrica.

Ma mentre la chiusura di Ratcliffe è stata salutata come una vittoria per un'energia più pulita in generale, crea problemi all'industria edile del Paese, che fino a quel momento aveva fatto affidamento sulle ceneri volanti prodotte come scarto per ridurre l'impronta di carbonio del calcestruzzo utilizzato (vedere riquadro).

Una vista aerea della centrale elettrica di Ratcliffe-on-Soar a Ratcliffe-on-Soar, Nottinghamshire, Gran Bretagna, settembre 2024. Foto: Reuters/Molly Darlington

"Il calcestruzzo è la seconda sostanza più utilizzata sulla Terra dopo l'acqua e il materiale da costruzione più ampiamente utilizzato sulla Terra", afferma Pourfalah, fondatore e amministratore delegato di Concrete4Change, una start-up di tecnologia verde che mira a decarbonizzare il calcestruzzo. "A livello globale, in questo momento, come civiltà, stiamo consumando circa tre tonnellate di calcestruzzo a persona all'anno".

"A livello globale, il calcestruzzo è responsabile di circa l'8% delle emissioni di carbonio ogni anno", aggiunge. "La maggior parte di queste proviene dal cemento al suo interno, perché è insito nel materiale. Quindi, le persone hanno iniziato a prendere i rifiuti da un'industria diversa e a sostituire parte del cemento per cercare di ridurre le emissioni complessive".

In assenza di centrali elettriche a carbone operative nel Regno Unito, le aziende che producono blocchi di cemento prefabbricati utilizzati nell'edilizia sono costrette a prendere l'insolita decisione, nonché ad alta emissione di carbonio, di importare le loro ceneri volanti direttamente dalla Cina.

Per gli appaltatori e i costruttori sotto pressione crescente per ridurre le proprie emissioni di carbonio, una parte significativa delle quali deriva dai materiali da costruzione che utilizzano, questo è importante. L'uso di calcestruzzo che utilizza una parte significativa di ceneri volanti può essere classificato come "low carbon" e quindi riduce le tonnellate di anidride carbonica equivalente che gli appaltatori devono sommare per calcolare le proprie emissioni di ambito 3.

Molte grandi aziende edili britanniche ed europee hanno già annunciato di utilizzare miscele di calcestruzzo a basse emissioni di carbonio nei loro progetti. Tra queste, il gigante svedese Skanska, l'appaltatore britannico Laing O'Rourke, l'austriaca Strabag e il gigante francese Vinci.

Cos'è il calcestruzzo a basse emissioni di carbonio?

La cenere volante è tutto lo sporco rimasto sul fondo della camera di combustione di una centrale elettrica a carbone. Per gran parte dell'era industriale era uno dei principali componenti del fumo che usciva dalle fabbriche e causava macchie nere sui panni stesi ad asciugare. Ma negli ultimi 70 anni, le normative sempre più severe sulla qualità dell'aria hanno imposto ai proprietari degli impianti di filtrare le emissioni, raccogliere la cenere e immagazzinarla.

Fin dall'epoca romana, i costruttori hanno iniziato ad aggiungere cenere e altri elementi al composto, per renderlo più resistente o più facile da versare oppure, a partire dagli anni Novanta, per ridurre i costi e le emissioni di carbonio.

Oggigiorno, le ceneri volanti provenienti da centrali elettriche a carbone sono l'additivo per calcestruzzo più comunemente utilizzato (tecnicamente noto come materiale cementizio supplementare o SCM). Di solito è meno costoso del cemento e, a seconda dell'uso e del luogo in cui viene utilizzato, può sostituire fino al 60% del cemento Portland in una miscela (anche se il 15% - 25% è il più comune).

Il professor Sid Pourfalah (al centro) e i suoi colleghi studiano il calcestruzzo nel loro laboratorio di Nottingham. Foto: Concrete4Change

I ricercatori delle Università di Lahore e Guayaquil hanno scoperto che sostituendo il 10%, 20% o 30% del tradizionale cemento a base di calce con le ceneri volanti, il potenziale di riscaldamento globale è stato ridotto rispettivamente del 9%, del 19% e del 29% e la resistenza del calcestruzzo è aumentata.

Tuttavia, poiché altri paesi sono intenzionati a seguire l'esempio del Regno Unito e a convertire la produzione di elettricità a fonti più pulite, la quantità di ceneri volanti disponibili per la produzione di calcestruzzo è destinata a diminuire in molte regioni, rendendole più difficili da reperire e più costose.

Questa mossa sta innescando una frenetica ricerca di alternative idonee alle ceneri volanti da aggiungere alle miscele di calcestruzzo, poiché i produttori stanno introducendo altri prodotti simili, come le scorie d'altoforno o i fumi di silice provenienti dalle acciaierie, il gesso o lo scisto.

Sta inoltre dando vita a un'improvvisa ondata di nuove start-up che mirano a rendere più sostenibile l'intero processo di produzione del calcestruzzo.

"Se non facciamo qualcosa ora, l'industria del cemento, l'industria del calcestruzzo non raggiungeranno mai lo zero netto entro il 2050", afferma Pourfalah. "Anche adesso è un po' tardi, ma è meglio di niente".

Per Pourfalah, la grande idea è quella di progettare chimicamente un calcestruzzo in grado di catturare e immagazzinare l'anidride carbonica, trasformando di fatto uno dei maggiori produttori di carbonio al mondo in un pozzo di carbonio.

Sebbene il processo di produzione del cemento rilasci comunque anidride carbonica, l'idea sarebbe quella di catturarla prima che si disperda nell'atmosfera e di utilizzarla come additivo per rendere il calcestruzzo più resistente.

"Quello che la maggior parte delle persone non sa del cemento è che in realtà è uno dei pozzi più sicuri per l'anidride carbonica al mondo", afferma Pourfalah. "Il cemento da solo ha la capacità potenziale di assorbire il 30% del suo peso in CO2. Tuttavia, questo non accadrà in modo naturale. Se lasci un muro di cemento per 4.000 anni, non sarà ancora completamente carbonatato a causa delle barriere in natura. Hai bisogno di una temperatura specifica. Hai bisogno di un'umidità specifica. L'esposizione all'aria non può penetrare più di 40-50 millimetri all'interno".

Nel laboratorio di Pourfalah, disseminato di centrifughe, bombole di gas e ogni genere di misuratori e quadranti, scienziati in camice bianco, occhiali protettivi e guanti di plastica verde sono impegnati a eseguire test e ad annotare i risultati.

Perché il calcestruzzo assorbe naturalmente il carbonio?

Al centro del suo pensiero c'è la chimica di base secondo cui l'idrossido di calcio nel cemento idrato assorbe naturalmente CO2. Se fatto correttamente, dice Pourfalah, l'anidride carbonica può essere mineralizzata all'interno del calcestruzzo, rendendolo più forte e bloccandolo in modo permanente lontano dall'atmosfera terrestre.

"Le nostre domande iniziali erano: è possibile consentire al calcestruzzo di assorbire questa CO2 in modo uniforme?", dice. "Ed è possibile ridurre il tempo di carbonizzazione da, diciamo, mille anni a meno di cento ore?"

Sebbene altre start-up stiano tentando di trovare una soluzione simile utilizzando i gas di CO2 provenienti da progetti di cattura e stoccaggio del carbonio come additivo da mescolare direttamente con il calcestruzzo, Pourfalah afferma di vedere dei limiti in questo approccio e sta invece lavorando alla produzione di una sostanza aggiuntiva che chiama "vettore" per immagazzinare la CO2 prima di aggiungerla al mix. Il vettore può quindi essere utilizzato insieme ai tradizionali SCM o al loro posto come sostituzione parziale del cemento Portland.

"Il calcestruzzo è un ambiente davvero ostile, solitamente con pH 12 o 13. Anche utilizzando la tecnologia più avanzata, ciò che le persone stanno facendo è prendere la CO2 in forma liquida o gassosa e poi mescolarla al calcestruzzo", afferma. "Se si introduce troppa CO2 in una volta sola, si riduce drasticamente la resistenza del calcestruzzo. E ovviamente non serve una grande conoscenza della chimica per capire che in pochi minuti la CO2 reagirà o tornerà nell'atmosfera e quindi stiamo sprecando tutte quelle molecole di CO2. Quindi, blocchiamo la CO2 in un vettore e poi lo introduciamo nel calcestruzzo".

Pourfalah afferma che il vettore Concrfete4Change rappresenterebbe solo circa l'1% della miscela di calcestruzzo, il che significa che il calcestruzzo da esso prodotto avrebbe lo stesso aspetto e comportamento delle miscele tradizionali.

Immagine generata dall'intelligenza artificiale creata con Ideogram

"Quando pensi al cemento pensi a un noioso blocco grigio che è sempre così. Ma quando inizi a guardarlo scopri che il cemento attraversa molte fasi diverse", dice Pourfalah.

"Mentre il calcestruzzo passa dall'idratazione iniziale ai 28 giorni di stagionatura, si verifica una serie di ioni che si dissolvono all'interno dell'acqua. Possono funzionare come un seme per formare cristalli diversi, e questi cristalli cambiano nel tempo, quindi l'ambiente è molto dinamico. Dopo un anno, molti di questi cristalli iniziano a dissolversi e a sviluppare nuovi cristalli, quindi nulla è costante. E i risultati che si ottengono se si rilascia la CO2 all'interno del calcestruzzo dopo cinque ore sono assolutamente diversi da dieci ore o 24 ore. La domanda è quale sia migliore ed è davvero difficile da capire perché nessuno ha esaminato questi processi in questa quantità di dettaglio, quindi è un mix di tentativi ed errori e acquisizione di conoscenze da tutti i fronti e costruzione di nuove attrezzature per creare un sistema che possa mostrare scientificamente cosa succede quando rilasciamo CO2 in momenti diversi".

A gennaio Concrete4Change ha completato un round di investimento iniziale di 2,5 milioni di sterline (3,3 milioni di dollari). Gli investitori dell'azienda includono attualmente il produttore tedesco di calcestruzzo prefabbricato Goldbeck e Siam Cement Group con sede a Bangkok. L'azienda afferma di aver bisogno di altri 20-30 milioni di sterline (26-39 milioni di dollari) per allestire una linea di produzione che, a suo dire, dovrebbe essere operativa entro la fine del 2026.

E Concrete4Change non è l'unica azienda che cerca di trovare un modo per ottenere calcestruzzo a zero emissioni nette. Negli ultimi due anni, un numero crescente di aziende ha proposto idee per creare calcestruzzo a zero emissioni di carbonio, che vanno dal riciclaggio della pasta di cemento da edifici esistenti al tentativo di utilizzare alghe e creature marine per far crescere carbonato di calcio per formare cemento.

"C'è stato sicuramente un cambiamento culturale nel settore", afferma Pourfalah. "Qualche anno fa questo non era visto come importante. Ora vedo che il cambiamento sta avvenendo.

Oltre a numerose aziende che iniettano CO2 nel cemento preconfezionato, come CarbonCure, con sede in Nuova Scozia e attiva da un decennio, un numero crescente di start-up progetta di catturare le emissioni di carbonio e di seppellirle o di utilizzarle come additivi per il calcestruzzo.

Cattura e stoccaggio del carbonio

A Brevik, in Norvegia, l'azienda tedesca di materiali edili Heidelberg Materials sta attualmente realizzando il primo progetto di cattura e stoccaggio del carbonio dell'industria del cemento, in cui le emissioni di carbonio derivanti dal processo di produzione verranno catturate alla fonte, immagazzinate sotto forma di liquido e pompate a 2,5 chilometri sotto il fondale marino norvegese.

"Certo, tutte queste diverse tecnologie sono complementari. Non siamo l'unica soluzione. Siamo parte di un grande ecosistema che può aiutare l'industria del calcestruzzo e del cemento a raggiungere lo zero netto", afferma Pourfalah. "Ma non sono un grande fan dei progetti in cui la CO2 viene sepolta sottoterra. Non è una strada per lo zero netto perché immagazzinarla in quel modo crea emissioni inutili e inoltre stiamo creando un vulcano artificiale. Se si verifica una perdita, ha un effetto molto drastico e deve essere monitorata e mantenuta per forse mille anni. Il nostro prodotto può prendere i gas di combustione, migliorare la resistenza del calcestruzzo e immagazzinarli in modo che non escano anche se vengono frantumati".