لماذا يحتاج الأسمنت إلى ثورة
يُعتبر الأسمنت العمود الفقري للحضارة الحديثة. ينتج العالم أكثر من أربعة مليارات طن من الخرسانة سنويًا، ومن المتوقع أن يقفز الاستهلاك بنسبة تقارب 50٪ بحلول عام 2050 مع استمرار النمو السكاني والتوسع العمراني في دفع الطلب. ولسوء الحظ، فإن عملية تصنيع الأسمنت، وهو المكوّن الرئيسي في الخرسانة، تطلق كميات هائلة من غازات الاحتباس الحراري. تمثل صناعة الأسمنت ما بين 7–8٪ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن النشاط البشري عالميًا، وأكثر من 3٪ من الاستهلاك العالمي للطاقة. تسعين بالمائة من انبعاثات الخرسانة تأتي من الأسمنت نفسه؛ إذ إن إنتاج طن واحد من الأسمنت البورتلاندي العادي يطلق تقريبًا طنًا واحدًا من ثاني أكسيد الكربون. ومع تسارع وتيرة الاحتباس الحراري وتبني الحكومات أهداف الحياد الكربوني، أصبحت صناعة الأسمنت في صدارة الجهود المبذولة لخفض الانبعاثات. تستعرض هذه المقالة التقنيات الناشئة، والسياسات المحفزة، والخطوات العملية للانتقال من الأسمنت الرمادي إلى مستقبل أخضر منخفض الكربون – دون ذكر أسماء العلامات التجارية المنافسة.
تشريح الانبعاثات – كيف يُصنّع الأسمنت تقليديًا
لفهم فرص التغيير، نحتاج أولًا إلى معرفة مصدر الانبعاثات. يُصنّع الأسمنت التقليدي من خلال استخراج الحجر الجيري والرمل والطين وطحنها إلى مسحوق ناعم، ثم تسخين الخليط في فرن عند درجات حرارة تتجاوز 1400 درجة مئوية لتكوين الكلنكر. يؤدي تكليس الحجر الجيري (CaCO₃) إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون لتكوين الجير (CaO)، وهذه العملية الكيميائية وحدها تولّد حوالي 60٪ من انبعاثات الأسمنت. أما الـ 40٪ المتبقية فتنتج عن حرق الوقود الأحفوري للوصول إلى درجات الحرارة العالية في الأفران، وعن العمليات المساندة الأخرى. وبعد إنتاج الكلنكر، يُمزج مع الجبس ويُطحن لإنتاج الأسمنت، الذي يُخلط بدوره مع الرمل والحصى والماء لصناعة الخرسانة. لذلك فإن كل طن من الأسمنت البورتلاندي العادي يطلق نحو طن واحد من ثاني أكسيد الكربون، مما يجعل هذا القطاع واحدًا من أصعب القطاعات في إزالة الكربون.
وبعيدًا عن الكيمياء، فإن الطلب يتزايد بسرعة. من المتوقع أن يرتفع الاستهلاك العالمي للأسمنت من 4,2 مليار طن إلى 6,2 مليار طن بحلول عام 2050، مدفوعًا بشكل رئيسي بالنمو الاقتصادي في المناطق النامية. تنتج الولايات المتحدة وحدها نحو 91 مليون طن من الأسمنت سنويًا، حيث تسهم 92 محطة بنسبة 4,4٪ من انبعاثات القطاع الصناعي الوطني وبنسبة 1,1٪ من إجمالي انبعاثات الولايات المتحدة. إن الجمع بين الطلب المتزايد والكثافة الكربونية العالية يبرز الحاجة الملحّة لإيجاد بدائل مستدامة.
بدائل الكلنكر والكيميائيات الجديدة
يُعتبر تقليل محتوى الكلنكر أو استبداله أحد أكثر الطرق فعالية لخفض البصمة الكربونية للأسمنت. يدرس الباحثون والمصنعون عدة بدائل.
أسمنت الطين المُكلّس مع الحجر الجيري (LC³)
يُعتبر أسمنت الطين المُكلّس مع الحجر الجيري (LC³) حاليًا من أكثر التركيبات الواعدة منخفضة الكربون. فهو يجمع الكلنكر مع الطين المُكلّس، والحجر الجيري، والجبس، مما يقلل من استهلاك الطاقة والانبعاثات. يمكن أن يقلل LC³ انبعاثات الخرسانة بنسبة تصل إلى 40٪، كما أنه أكثر فعالية من حيث التكلفة بنسبة تصل إلى 25٪ مقارنة بالأسمنت البورتلاندي العادي. كما يستفيد من احتياطيات الطين المتوفرة على نطاق واسع، ويمكن إنتاجه باستخدام البنية التحتية القائمة للأفران مع تعديلات بسيطة. في كولومبيا، حقق مصنع لإنتاج LC³ انخفاضًا بنسبة 30٪ في استهلاك الطاقة، وخفض انبعاثاته الكربونية إلى النصف. أما في غانا، فيُبنى حاليًا أكبر مصنع عالمي للأسمنت المعتمد على الطين المُكلّس، حيث من المتوقع أن يستبدل 30–40٪ من الكلنكر ويخفض الانبعاثات بنسبة 40٪. وتشير الدراسات الحكومية في الولايات المتحدة إلى أن تحويل نصف مشتريات الحكومة من الأسمنت إلى LC³ قد يخفض 7,3 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون سنويًا – أي نحو 9٪ من انبعاثات قطاع الأسمنت الأمريكي. ومع اعتماد الأسواق العامة والخاصة لـ LC³، قد تصل التخفيضات إلى 15,9 مليون طن سنويًا.
الأسمنت الحيوي والحجر الجيري المنتج بالطحالب
يبحث العلماء أيضًا في الطرق البيولوجية لإنتاج الأسمنت. يمكن للطحالب المجهرية المسماة Coccolithophores أن تُرسب كربونات الكالسيوم، منتجةً حجرًا جيريًا حيويًا. ومن خلال استبدال الحجر الجيري التقليدي بالحجر الجيري المنتج بالطحالب، يتوقع العلماء تحقيق وفورات تصل إلى 2 مليار طن من ثاني أكسيد الكربون، مع إمكانية سحب كميات إضافية من ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي. وقد أظهرت شركات ناشئة بالفعل كتل بناء مصنوعة من الأسمنت الحيوي بقوة ضغط مماثلة للخرسانة التقليدية. إلا أن هذه التقنية لا تزال في مرحلة مبكرة، حيث تمثل توسيع إنتاج الطحالب، وضمان استقرار الإمداد، وتحقيق القدرة التنافسية من حيث التكلفة تحديات رئيسية.
الأسمنت المعاد تدويره كهربائيًا
حل ناشئ آخر يعيد تصور الأسمنت كجزء من الاقتصاد الدائري. اكتشف باحثون من جامعة كامبريدج أن كيمياء الأسمنت المعاد تدويره مشابهة لتدفق الجير المستخدم في صناعة الصلب. يقترحون سحق الخرسانة المنتهية الصلاحية، وفصل عجينة الأسمنت، واستخدامها كمواد مُساعدة للصهر في أفران القوس الكهربائي (EAFs). وعند انصهار الفولاذ، تتشكل خبث يُمكن تبريده وطحنه لإنتاج أسمنت جديد. يتمتع هذا النهج بإمكانية إنتاج ما يصل إلى مليار طن من الأسمنت المعاد تدويره سنويًا بحلول عام 2050. كما يستفيد من البنية التحتية القائمة لصناعة الصلب، وقد يكون محايدًا للكربون إذا تم تشغيل أفران القوس الكهربائي بالطاقة المتجددة. وقد أظهرت المشاريع التجريبية أن هذه الطريقة يمكن أن تنتج 30 طنًا من الأسمنت المعاد تدويره في الساعة. وتشمل التحديات ضمان إمدادات الطاقة المتجددة، وتطوير سلاسل توريد نفايات الخرسانة، وتحقيق درجات الحرارة اللازمة.
الكيميائيات البديلة والتحليل الكهربائي
إلى جانب هذه الأساليب الثلاثة الرئيسية، تكتسب الكيميائيات الجديدة زخمًا. تظهر عمليات مبتكرة تنتج الجير باستخدام التحليل الكهربائي، مما يقضي على انبعاثات ثاني أكسيد الكربون المرتبطة بعملية التكليس. وتعمل تقنيات أخرى على إعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون المنبعث من مداخن الأفران وإعادته إلى العملية لإنتاج المزيد من الأسمنت، محققةً انخفاضًا بنسبة تصل إلى 70٪ في الانبعاثات مع القضاء على الهدر في المواد الخام. هناك أيضًا مصانع تجريبية تستبدل الحجر الجيري بالكامل بصخور سيليكات الكالسيوم، وهو ما يتجنب انبعاثات التكليس ويَعِد بإنتاج أكثر من 140.000 طن سنويًا مع تجنب كبير لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون. لا تزال هذه التقنيات في مراحل تجريبية وتتطلب استثمارات كبيرة، لكنها تمثل مسارات محتملة للوصول إلى أسمنت خالٍ من الانبعاثات على المدى المتوسط.
هل تريد أن أتابع بالترجمة الكاملة لبقية الأقسام (كفاءة الطاقة، بدائل الوقود، احتجاز الكربون، السياسات، دور Polygonmach، والخطوات العملية) بنفس التفصيل؟
كفاءة الطاقة والوقود البديل
بينما تتطور الكيميائيات الجديدة، يمكن تحقيق تخفيضات فورية من خلال تحديث المصانع والتحول في نوعية الوقود. تُظهر دراسة حالة من مصنع أوروبي أن الذكاء الاصطناعي وأنظمة التحكم المتقدمة في العمليات يمكنها تحسين تشغيل الأفران وخفض الانبعاثات بحوالي 2٪. وقد تم بالفعل تنفيذ تدابير الكفاءة مثل الأفران الجافة الحديثة، وتحسين تقنيات الطحن، واستعادة الحرارة المهدورة على نطاق واسع في الولايات المتحدة، مما يترك مكاسب محدودة إضافية، إلا أن تحسين العمليات يستمر في تحقيق وفورات.
يُحقق التحول في الوقود تخفيضات أكبر. إذ تُستخدم أنواع وقود بديلة – تتراوح من المخلفات الزراعية إلى الإطارات المستعملة – لتشغيل ما يصل إلى 60٪ من أفران الأسمنت في أوروبا، وتعمل بعض المنشآت بنسبة تقارب 100٪ على الوقود البديل. يضيف هذا الوقود عادةً تكلفة تتراوح بين 5 و10 دولارات أمريكية لكل طن من الإنتاج، ولكنه يحقق تخفيضات كبيرة في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. أما كهربة تسخين الأفران فلا تزال في مرحلة مبكرة (مستوى جاهزية تكنولوجي ~3)، ولكن عند دمجها مع المواد الخام المكلسة مسبقًا يمكن أن تخفض الانبعاثات بنسبة تتراوح بين 40–87٪. ومع ذلك، قد تزيد الكهربة من تكاليف التشغيل بنسبة تتراوح بين 27–45٪ وتعتمد على الوصول إلى طاقة متجددة منخفضة التكلفة.
كما يقوم مالكو المصانع بدمج الطاقة المتجددة في عملياتهم، حيث يتم تشغيل مطاحن الطحن والأنظمة المساعدة باستخدام الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح. وتولد أنظمة استعادة الحرارة المهدورة الكهرباء من غازات العادم ذات درجات الحرارة العالية، مما يقلل من الانبعاثات وتكاليف الطاقة. ويمكن أن تقلل تصاميم الأفران المتقدمة وتقنيات الاحتراق من استهلاك الوقود بشكل أكبر. تُعتبر هذه الإجراءات، إلى جانب الوقود البديل، ضرورية لإزالة الكربون من المصانع القائمة بينما تنضج التقنيات الأكثر تقدمًا.
احتجاز الكربون واستخدامه وإعادة الكربنة
حتى مع تحسين الكفاءة وتطوير الكيميائيات البديلة، سيستمر قطاع الأسمنت في إطلاق ثاني أكسيد الكربون بسبب كيمياء إنتاج الكلنكر الأساسية. ولذلك يُنظر إلى احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه (CCUS) على أنه أمر لا غنى عنه لتحقيق الحياد الكربوني. ويقدّر الخبراء أن أكثر من نصف تخفيضات الانبعاثات في هذا القطاع ستعتمد على مزيج من التحول في الوقود، والطاقة الخالية من الكربون، واحتجاز الكربون. إلا أن CCUS يتطلب استثمارات رأسمالية ضخمة وبنية تحتية قوية لنقل وتخزين ثاني أكسيد الكربون، مما يجعل تنفيذه أمرًا صعبًا. وقد تم افتتاح أول منشأة في العالم مصممة خصيصًا لاحتجاز الكربون من الأسمنت في الصين عام 2024 بطاقة تبلغ 200.000 طن من ثاني أكسيد الكربون سنويًا. يُعتبر الاحتجاز من المصدر متاحًا تجاريًا اليوم، بينما يبقى الاحتجاز المباشر من الهواء مكلفًا ومن غير المرجح اعتماده على نطاق واسع حتى أربعينيات القرن الحالي.
ويُعد استخدام الكربون خيارًا جذابًا. إذ يقوم أحد الأساليب بحقن ثاني أكسيد الكربون المحتجز في الخرسانة الطازجة حيث يتحول إلى معادن، مما يقوي المادة ويخفض الانبعاثات بنسبة 3–5٪. وهناك استراتيجية أخرى تستخدم الكربنة المعدنية لإنتاج الركام أو وحدات البناء، مما يحول ثاني أكسيد الكربون إلى مورد ذي قيمة. تتطلب كلتا الطريقتين إمدادًا موثوقًا من ثاني أكسيد الكربون ورقابة صارمة على الجودة لضمان السلامة الإنشائية للمنتجات.
وأخيرًا، يمكن للأسمنت نفسه أن يعيد امتصاص ثاني أكسيد الكربون أثناء فترة استخدامه وبعد هدمه. فالخرسانة تتعرض للكربنة بشكل طبيعي عندما يتفاعل الجير في الأسمنت مع ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ليشكل كربونات الكالسيوم. وعند سحق الخرسانة في نهاية عمرها، يزداد سطحها المعرض مما يسرّع عملية إعادة الكربنة. وتشير الدراسات إلى أن ما يصل إلى 25٪ من ثاني أكسيد الكربون المنبعث أثناء تصنيع الأسمنت يمكن أن يُعاد امتصاصه عندما يتعرض الخرسانة المسحوقة للهواء لعدة أشهر. إن فرز نفايات الهدم بشكل صحيح والسماح بتخزين الخرسانة المسحوقة قبل إعادة استخدامها يُعتبران ممارسات بسيطة تعظم هذا الامتصاص. وعلى الرغم من أن إعادة الكربنة وحدها لا يمكن أن تعوّض جميع الانبعاثات، إلا أنها تُشكّل جزءًا مهمًا من استراتيجية الاقتصاد الدائري.
المحركات السياسية والواقع السوقي
إن إزالة الكربون من الأسمنت ليست مجرد تحدٍ تقني؛ بل تتطلب سياسات داعمة واستثمارات كبيرة. ففي الولايات المتحدة، تمثل مشتريات الحكومة ما يقرب من نصف الطلب على الأسمنت. ويقدّر الباحثون أنه إذا فرضت المشاريع العامة استخدام أسمنت منخفض الكربون مثل LC³ في 50٪ من مشترياتها الخرسانية، فإن الانبعاثات السنوية يمكن أن تنخفض بمقدار 7,3 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون – أي ما يعادل إزالة 1,7 مليون سيارة من الطرق. وإذا تم توسيع نطاق هذه المشتريات لتشمل المشاريع الخاصة أيضًا، فقد يتضاعف التأثير. إن مثل هذه الالتزامات تُولّد طلبًا على المنتجات منخفضة الكربون وتمنح المصنعين الثقة للاستثمار في مصانع جديدة.
المتطلبات المالية ضخمة. إذ يقدّر محللو الصناعة أن هناك حاجة إلى استثمارات تراكمية تبلغ 20 مليار دولار بحلول عام 2030 لتطوير حلول الأسمنت منخفض الكربون، لترتفع إلى ما بين 60 و120 مليار دولار بحلول عام 2050. حاليًا، لا يمثل الأسمنت منخفض الكربون سوى 3٪ فقط من الإنتاج العالمي. ويبلغ سعر الأسمنت منخفض الكربون بين 65 و130 دولارًا للطن، أي أعلى بنسبة تقارب 75٪ من الأسمنت التقليدي. تعكس هذه الزيادة في السعر التكاليف الرأسمالية المرتفعة، والمواد الخام الجديدة، والمعالجة الإضافية. وبدون الحوافز التنظيمية – مثل تسعير الكربون، والاعفاءات الضريبية، أو معايير المشتريات العامة – فإن عددًا قليلاً فقط من المنتجين سيخاطرون بالاستثمار في هذه التقنيات. لذلك يجب على الأطر السياسية أن تنشئ سوقًا للأسمنت المستدام وتكافئ المتبنين الأوائل.
وبالإضافة إلى الحوافز السوقية، يجب أن تتطور المعايير وقوانين البناء لتسمح باستخدام المواد الجديدة. على سبيل المثال، توفر المعايير الوطنية الجديدة لأسمنت LC³ في الهند إرشادات للإنتاج والاختبار، مما يمهد الطريق لاعتماده على نطاق أوسع. يمكن لإعلانات المنتجات البيئية، والمواصفات القائمة على الأداء، وأدوات التصميم الرقمي أن تساعد أصحاب المشاريع على مقارنة الكربون الكامن واختيار الخيارات منخفضة الكربون. إن التعاون بين القطاعين العام والخاص ضروري لتوحيد المواصفات، وتبسيط إجراءات التصاريح، وتمكين البنية التحتية لنقل وتخزين ثاني أكسيد الكربون.
دور شركة Polygonmach في الثورة منخفضة الكربون
بصفتها مُصنّعًا لمحطات الأسفلت والخرسانة، تقف شركة Polygonmach في قلب هذا التحول. إذ تقوم الشركة بتصميم أنظمة خلط متكاملة، ومعدات خلط، وحلول مناولة المواد يمكن تكييفها مع الأسمنت منخفض الكربون والوقود البديل. ومن خلال دمج أفران تكليس الطين، ووحدات الطحن المعيارية، وأنظمة الجرعات المرنة، تسمح محطات Polygonmach للمشغلين بخلط المواد الأسمنتية التكميلية – مثل الطين المُكلّس، والبوزولان الطبيعي، والأسمنت المعاد تدويره – دون تعطيل الإنتاج. تضمن أنظمة التشغيل الآلي المتقدمة وبرامج التحكم في العمليات جودة متسقة وتحسن من كفاءة استخدام الطاقة، بما يتماشى مع المكاسب التي أظهرتها المصانع الأوروبية المدعومة بالذكاء الاصطناعي.
كما تقدم Polygonmach شعلات أفران جاهزة للعمل بالوقود البديل وأنظمة استعادة الحرارة المهدورة، مما يمكّن العملاء من استبدال الوقود الأحفوري بالكتلة الحيوية، أو الوقود المستمد من النفايات، أو مصادر أخرى متجددة، مكررةً بذلك نسبة 60٪ من مشاركة الوقود البديل المحققة في أوروبا. أما بالنسبة للعملاء الذين يسعون إلى الكهربة، فإن Polygonmach تصمم معدات يمكن أن تدمج عناصر تسخين كهربائية أو مشاعل البلازما، لتكون جاهزة للاستخدام مع الأفران التي تعمل بالطاقة المتجددة في المستقبل. وفي المناطق التي تتوفر فيها موارد شمسية أو رياح وفيرة، يمكن للشركة المساعدة في دمج الطاقة المتجددة في الموقع في عمليات الأسمنت والخرسانة، مما يقلل من الاعتماد على شبكة الكهرباء ويزيد من المرونة.
وبالإضافة إلى ذلك، تعترف Polygonmach بأهمية احتجاز الكربون واستخدامه. ففي حين أن احتجاز الكربون واسع النطاق قد يكون خارج نطاق معظم المصانع الحالية، إلا أن الشركة تصمم مرافقها بمرونة تسمح بإضافة معدات احتجاز مستقبلية أو وحدات معدنية. كما توفر معدات لسحق وغربلة الخرسانة المهدمة، مما يمكّن العملاء من تطبيق استراتيجيات إعادة الكربنة والاقتصاد الدائري. ومن خلال الجمع بين الابتكار التكنولوجي والالتزام بالاستدامة، تضع Polygonmach نفسها كشريك للمقاولين، ومنتجي الخرسانة سابقة الصب، ومطوري البنية التحتية الذين يسعون إلى إزالة الكربون من سلاسل التوريد الخاصة بهم.