低炭素型コンクリートへの道

 

いつ、誰が、どのように作ったのか、誰も知らない。しかし、紀元前2世紀か3世紀には、ローマの技術者たちは日常的に焼いた石灰岩と火山灰を粉砕してケメンタムを作っていたのである。

この粉は、水と混ぜるとすぐに固まるので、レンガや石造りのモルタルとして広く利用されていた。しかし、彼らは軽石や小石、壺の破片などを水と一緒にかき混ぜることの大切さも知っていた。この比率をうまく調整すると、セメントが強固で耐久性のある岩石のような礫岩になり、「opus caementicium」（ラテン語で「まとめる」という意味の動詞から派生した後世の言葉）あるいは「concretum」と呼ばれるようになる。

ローマ帝国では、高架橋、防波堤、コロシアム、さらにはパンテオンのような神殿など、この素晴らしい材料が帝国全体に使用されました。

2000年後、私たちは同じように、道路、橋、高層ビルなど、現代文明の大きな塊のためにギガトン単位でコンクリートを流し込んでいるのです。実際、人類は年間300億トンものコンクリートを使用しており、これは水を除く他のどの材料よりも多い。中国やインドなどの発展途上国では、数十年にわたる建設ブームが続いており、その数は増加の一途をたどっています。

しかし、残念なことに、私たちは長い間コンクリートと付き合ってきたため、気候の問題に拍車をかけてしまいました。現在のコンクリートに最もよく使われているのは、19世紀に発明されたポルトランドセメントという種類のセメントで、エネルギー集約型の窯で作られるため、製品1トンにつき半トン以上の二酸化炭素が排出される。これをギガトン級の世界的な使用量で計算すると、セメント製造によるCO2排出量は全体の約8％に相当する。

もちろん、これは輸送やエネルギー生産に起因する割合の20％以上には遠く及ばない。しかし、気候変動への対応の緊急性から、セメントの排出量に対する世間の目が厳しくなり、また、米国やヨーロッパで政府の規制圧力がかかる可能性もあり、無視できない規模になってきているのである。ノルウェーのオスロにあるCICERO国際気候研究センターの上級研究員であるロビー・アンドリューは、「現在では、2050年までに世界の純排出量をゼロにする必要があることが認識されています」と言う。「コンクリート業界は悪者になりたくないので、解決策を模索しているのです」。

ロンドンに拠点を置くグローバルセメント・コンクリート協会やイリノイ州に拠点を置くポルトランドセメント協会などの主要な業界団体は、2050年までに8％をゼロにするための詳細なロードマップを発表している。その戦略の多くは、新しい技術に依存しています。さらに、代替材料や数十年来利用されていない方法を拡大することが重要です。コンクリートのライフサイクルを特徴づける3つの化学反応（脱炭酸、水和、炭酸化）の観点から、すべての戦略を理解することができます。

直接的なアプローチ 最初から排出をなくす

ポルトランドセメントは、巨大な回転窯で脱炭酸反応によって作られます。

炭酸カルシウム（石灰石、チョーク）+ 熱 → 酸化カルシウム（生石灰）+ 二酸化炭素。

コンクリートの原料となるポルトランドセメントは、炭酸カルシウムを含む岩石（通常は石灰石）を砕き、粘土と一緒に巨大な回転窯に投入して作る。石炭や天然ガスを燃料とする炉からの熱風で、混合物を溶岩の温度まで上昇させ、大量の二酸化炭素を排出させる。生石灰は粘土に含まれる鉱物と融合し、冷えると「クリンカー」と呼ばれる薄い灰色の塊になり、これを粉砕してセメント粉を作る。化石燃料の燃焼と焼き固められた二酸化炭素を合わせると、ポルトランドセメントの製造は、人類が排出する二酸化炭素の約8パーセントを占めていることになる。

M. Mitchell WaldropとKnowable Magazine

炭酸塩を多く含む岩石を粉砕し、粘土と一緒に窯に入れます。粘土は生石灰と融合し、最終的にコンクリートがひび割れや風化に耐えられるようにするためのミネラルを供給してくれます。この生石灰と粘土が融合し、コンクリートがひび割れや風化に耐えるためのミネラル分を含んだ「クリンカー」と呼ばれる塊ができあがります。

キルンのCO2排出量の約40％は、この「熱」によるもので、これを削減するのは容易なことではありません。クリンカー製造には、溶岩よりも高温の1,450℃のピーク温度が必要であり、キルンオペレーターは長い間、石炭や天然ガスを燃やすことが唯一の現実的な方法であると思い込んでいた。薪などのバイオマスは高温で安定的に燃焼することができません。また、風力や太陽光などの再生可能エネルギーで駆動する標準的な電気ヒーターは、通電中の電線の電気抵抗で熱を発生させる。「電線がボロボロになる前に、多くの熱を取り出すことはできないのです」とアンドリューは言います。

しかし、業界では現在、再生可能エネルギーで駆動する全電動式の選択肢を模索し始めています。例えば5月、スウェーデンの環境技術企業ソルトXテクノロジー社は、自動車メーカーなどが金属の切断に広く使用しているプラズマトーチに似た独自のシステムであるエレクトリック・アーク・カルシナーを用いてクリンカーを製造できることを実証した。プラズマトーチは、窒素やアルゴンなどの不活性ガスの中に電流を流し、ガスをイオン化して2万度以上の高温にする。SaltXは6月、スウェーデンの石灰石サプライヤーSMA Mineralと提携し、技術の商業化を加速させると発表しました。

そして2021年には、ドイツのハイデルベルクセメントが、化石燃料を摂氏2,000度以上で燃焼する水素に置き換えてクリンカーを製造できることを実証している。水素は現在、ほとんどが天然ガスから作られています。しかし、水素は水の電気分解でも作ることができる。クリーンエネルギーの価格が下がり、グリーン電力で水素を大量に発生させることが現実味を帯びてくると、セメント会社の関心も高まってくる、とアンドリューは言う。

しかし、それでも、国内外のセメントメーカーが水素卸売に切り替えるには、まだやるべきことがあると、Portland Cement Associationのサステナビリティ活動を率いるRichard Bohanは言う。システムがまだ整っていないのです」。「水素は素晴らしいもので、すぐにでも二酸化炭素排出量を40パーセント削減することができます」と彼は言います。「しかし、水素を利用するには、パイプラインや強力な電力網などのインフラが必要で、国内にはまだない地域もあります」。専門家によれば、議会がエネルギー・プロジェクトを促進するための法案を可決すれば、その助けとなる可能性があるという。

セメント排出量の60パーセントを占める脱炭酸反応に伴うCO2排出量を削減するため、セメント業界では、セメント原料の代替品を復活させる取り組みが始まっている。

例えば、石灰石を粉末状にして最終製品に加えるだけで、キルンの二酸化炭素排出量を10％削減することができるのだ。(石灰石だけでは比較的不活性ですが、水と混ぜるとポルトランドセメントが固まりやすくなります)。このポートランド石灰石セメントは、ヨーロッパではすでに一般的に使用されており、アメリカでも普及が始まっています。「ポートランド石灰石セメントが主流となっている地域があり、個々の工場では、今後はこのタイプしか作らないと言っているようです」とBohanは言います。

キルンオペレーターは、石灰石ベースのセメントをミネラル豊富な産業廃棄物に置き換えることも検討しています。鉄鋼所から出る高炉スラグはカルシウムが豊富で、水と混ぜると通常のセメントと同じように固まる。また、石炭火力発電所から出るフライアッシュは、そのままでは固まらないが、水とセメントを混ぜ合わせると固まる。どちらの方法でも、通常のセメントと同じように強度と耐久性に優れたコンクリートができあがりますが、摩耗しやすく、硬化に時間がかかるため、さらに15〜20％排出量を削減できる可能性があります。

確かに、これらの廃棄物を作る際には多くの二酸化炭素が排出されました。しかし、セメントに使用すれば、新たな二酸化炭素を発生させることはない。また、2世紀以上にわたる工業化によって、スラグや灰は相当量蓄積されることになり、最終的に石炭を完全に使用しなくなったとしても、スラグや灰は残る。「これはWin-Winの関係です。廃棄物があれば、クリンカーを交換する方が、新しいクリンカーを製造するよりも安くつくのです」とアンドリューは言う。実際、ブラジルや中国など急成長している国では、産業発展に伴ってスラグや灰が大量に発生しており、この技術はすでに広く使われている。

しかし、今述べたような代用品だけでは、化学反応の右側で放出される二酸化炭素の60パーセントのうち、5分の1以上を削減することはできないのです。そこで、2050年のゼロエミッションという目標を見据えて、業界の研究者たちは、この60パーセントを最小化または排除できる代替セメントのレシピを少なくとも半ダースは調査しています。

サンフランシスコの気候政策シンクタンク、エネルギー・イノベーションで産業界の温室効果ガス排出を研究している環境科学者のジェフリー・リスマンは、「これは間違いなく長期的な解決策だ」と警告している。「これらの新しい技術は、研究開発や商業化のさまざまな段階にあります。「つまり、規模を拡大し、コストを下げるには、まだまだ技術の改良が必要なのです」。

それでも、いくつかの代替技術は、他のものよりもかなり進んでいます。ジオポリマーは、シリコンやアルミニウムの様々な酸化物を灰汁（水酸化ナトリウム）などのアルカリ溶液に浸すとできる硬い物質で、長い鎖やネットワークにつながることで反応する。水ではなくアルカリ溶液を使うため、建設現場での取り扱いは難しいが、これまでにもジオポリマーセメントを使った工事は行われている。しかし、これまでにも多くの建設プロジェクトで使用され、成功を収めている。この10年間で、ジオポリマーへの関心は急速に高まっています。ジオポリマーは、通常のポルトランドセメントに比べ、二酸化炭素排出量が80％も少ないだけでなく、強度もかなり高いのです。そのため、1970年代から有毒廃棄物の封じ込めやコンクリートの防食など、セメント以外のさまざまな用途でジオポリマーが商業的に生産されるようになりました。

また、原料にも事欠かない。酸化ケイ素や酸化アルミニウムは、スラグやフライアッシュに多く含まれ、粘土や廃ガラス、農業副産物にも含まれている。(酸化ケイ素や酸化アルミニウムは、スラグやフライアッシュに多く含まれ、粘土や廃ガラス、農業副産物にも含まれている（焼いた籾殻にはシリカが多く含まれ、吸い込むと呼吸器系の危険があると言われている）。つまり、ジオポリマーセメントが普及すれば、二酸化炭素排出量の削減だけでなく、厄介な廃棄物の処理にも役立つというわけだ。