Opomíjená uhlíková past

Lesy, půda, oceány… Některé pasti, v nichž se dlouhodobě ukládá uhlík, a tím se snižuje koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře, jsou dobře známy. Ale malta a beton? Nová studie odhaluje jejich dosud podceňovanou roli v koloběhu uhlíku. Stavební materiály obsahující cement průběžně „nasávají“ CO₂ z atmosféry jako houba.

Než začneme pět ódy na cement coby účinný pohlcovač oxidu uhličitého, je důležité zasadit příběh do kontextu. Při výrobě cementu se nejprve velké množství CO₂ do atmosféry uvolní, teprve poté ho materiál začne opět pohlcovat a nezanedbatelnou část emisí z výroby „si vezme“ zpět: asi 43 %.

Zatímco Mezivládní panel pro změny klimatu (IPCC) vypracoval metodiku kvantifikace emisí CO₂ vznikajících při výrobě cementu a pracuje s nimi ve svých modelech, množství plynu pohlceného cementovými materiály během jejich stárnutí v úvahu nebere. Mezinárodní studie publikovaná v časopise Nature Geoscience toto opominutí napravila a dopočítala se překvapivě vysokých čísel (Xi F. et al., 2016, DOI: 10.1038/ngeo2840).

Emise při výrobě…

Důležitou součástí výroby cementu je pálení vápence (kalcinace) s jílem, případně křemičitým pískem, struskou a dalšími materiály bohatými na oxidy křemíku, hliníku a železa (např. u portlandského cementu především SiO₂, Al₂O₃ a Fe₂O₃). Z uhličitanu vápenatého vzniká oxid vápenatý (pálené vápno) a oxid uhličitý:

CaCO₃ → CaO + CO₂

Množství takto vzniklého oxidu uhličitého není podle výše zmíněné studie zanedbatelné. V období mezi roky 1930 a 2013 se kalcinací uvolnilo do atmosféry 38,2 gigatun CO₂. V roce 2013 se výroba cementu postarala o 5 % všech emisí CO₂ z průmyslu a dopravy.

…a zpětná absorpce

Cement po smíchání s vodou hydratuje a jeho složky začínají krystalizovat, beton (či jiný na cementu založený stavební materiál) tuhne a tvrdne. Následují dlouhé roky stárnutí, během nichž je oxid uhličitý z atmosféry fyzikálními a chemickými procesy pomalu opět zabudováván do struktury materiálu.

Technologové mluví o karbonataci betonu. Jev je jim dlouhodobě znám, protože je s ním spojena degradace materiálu, jen dosud nikoho nenapadlo spočítat, kolik skleníkového plynu se takto v cementových stavebních materiálech váže.

Oxid uhličitý proniká difúzí do pórů v betonu, maltě či omítce a zapojuje se tam do chemických reakcí, které postupují stále do větší hloubky. Nejvýznamnější je reakce s hydroxidem vápenatým za vzniku uhličitanu vápenatého a vody:

Ca(OH)₂  + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

Oxid uhličitý reaguje v menší míře i s dalšími látkami vzniklými hydratací cementu (hydroxidy sodným a draselným, křemičitany, hlinitany).

Díky neutralizaci hydroxidových iontů oxidem uhličitým postupně klesá pH z >12 na hodnoty okolo 8. Pokles pH vede v železobetonu k rozpadu vrstvičky oxidů železa na povrchu výztuže, která se tak depasivuje a může začít korodovat.

Cestu zpět si našlo 43 % emisí

Mezinárodní tým, který se na nové studii podílel, zpracoval globální data z let 1930 až 2013 o cementových materiálech během jejich celého životního cyklu od výroby cementu přes fungování ve stavebnictví po demolici a druhotné využití stavební suti.

V modelu jsou zohledněny jednotlivé způsoby využití cementu, poměr objemu a plochy povrchu, který je v kontaktu s atmosférou, ale také koncentrace CO₂ v jednotlivých regionech a další rozdíly. Například průměrná trvanlivost betonových staveb je 35 až 70 let – záleží na typu budovy i na místních podmínkách. V Číně je kratší než v Evropě nebo v USA.

Model ukázal, že mezi roky 1930 a 2013 cementové materiály pohltily asi 4,5 gigatuny uhlíku, což odpovídá 43 % emisí CO₂ uvolněných ve stejném období při výrobě cementu (bez započítání fosilních paliv, která při tom byla spálena).

Koloběh oxidu uhličitého mezi stavebními materiály a atmosférou během výroby a využívání cementu.Xi F. et al., 2016, DOI: 10.1038/ngeo2840

Roční množství pohlceného uhlíku přitom roste spolu s množstvím použitého cementu. V roce 1998 to bylo 0,1 gigatuny, v roce 2013 už 0,25 gigatuny. Mezi roky 1990 a 2013 roční objem pohlceného plynu rostl meziročně v průměru o 5,8 %, zatímco emise z výroby cementu ve stejném období meziročně rostly „jen“ o 5,4 %.

Autoři odhadují, že v roce 2013 cement pohltil 2,5 % ročních emisí CO₂ z průmyslu a dopravy.

Před rokem 1982 zachycoval většinu emisí cement v Evropě a USA, potom se poměry začaly vyrovnávat a od roku 1994 dominuje Čína.

Od roku 1994 platí, že díky stavebnímu boomu nejvíce oxidu uhličitého pohltí cementové materiály v Číně.volné dílo (CC0)

Nejúčinnějším pohlcovačem oxidu uhličitého je cement v omítkách a v maltě, protože má největší povrch, a tedy i nejlepší kontakt s atmosférou. Pohltí více emisí než cement v betonu, přestože ten se na celkové spotřebě cementu podílí ze 70 %.

Zatímco emise jsou při výrobě cementu uvolněny skokově, zpětné pohlcování je proces trvající dlouhé roky. Asi 14 % oxidu uhličitého je pohlceno materiálem starším než deset let a 25 % materiálem starším než pět let.