Usiamo oltre 4 miliardi di tonnellate di cemento ogni anno, e per produrlo vengono emessi quasi 3 miliardi di tonnellate di CO2. Eppure non possiamo farne a meno. Ecco come si muovono le imprese per ridurne l’impatto sull’ambiente.

Per tutti noi è senza dubbio una delle presenze più familiari. Ci era accanto quando siamo nati, in ospedale. Era con noi il primo giorno di scuola, quasi sicuramente durante il primo giorno di lavoro o quando prendevamo il nostro primo aereo. Il cemento è forse il segno distintivo dell’Antropocene. “Il materiale più distruttivo del mondo”, lo definiva qualche anno fa il Guardian. Eppure Vaclav Smil, membro dell’accademia delle scienze canadese, stima che se i pavimenti delle case più povere del mondo fossero in cemento invece che di fango le malattie parassitarie si ridurrebbero dell’80%.
Il calcestruzzo è il materiale più consumato al mondo, e secondo il politecnico di Zurigo dall’inizio della Rivoluzione industriale ne sono state colate sulla superficie terrestre qualcosa come 900 miliardi di tonnellate (come stendere uno strato di calcestruzzo altro un metro su tutto l’Iraq), con effetti che è facile immaginare sugli ecosistemi.
Negli ultimi tempi la produzione mondiale di cemento (che, come vedremo, è cosa diversa dal calcestruzzo) supera di poco i 4 miliardi di tonnellate l’anno (erano meno di due nel 1995). Il primo produttore mondiale è la Cina, che ne sforna 2.200 milioni. In uno scenario business-as-usual, secondo il Royal Institute of International Affairs britannico (Chatham House) la produzione globale di cemento, guidata dalla crescente urbanizzazione e dall’infrastrutturazione nei Paesi economicamente meno sviluppati, è destinata a raggiungere i 5 miliardi di tonnellate l’anno in tre decenni.

Che cos’è il cemento

Ma andiamo per ordine. Usato nelle sue forme primordiali già dagli antichi – ricorderete forse dalle scuole medie la malta di calce e pozzolana impiegata per l’opus caementitium degli acquedotti romani – quello moderno nasce nel 1824 quando il britannico Joseph Aspdin brevetta il cemento Portland, oggi alla base di quasi tutti i tipi di cemento.
Che cos’è il cemento? Parliamo di un collante che agisce quando viene unito all’acqua (un legante idraulico): fatto di marne, calcari, argille passati in forno a 1450 °C (la temperatura della lava), a cui il calcare si scompone in ossido di calcio e anidride carbonica: è la calcinazione. Quello che esce dal forno si chiama clinker, che macinato e mescolato con gesso dà il cemento. Tra calcinazione e consumi energetici, produrre una tonnellata di cemento comporta grosso modo l’emissione in atmosfera di una tonnellata di CO2. Se aggiungiamo sabbia e ghiaia (gli inerti o aggregati) otteniamo il calcestruzzo. Per un metro cubo di calcestruzzo servono circa 300 chilogrammi di cemento, un metro cubo di aggregati e 120 litri d’acqua.

Dalle materie prime all’acqua: i consumi dell’industria del cemento

Il settore dell’edilizia è responsabile del consumo di circa il 50% di tutte le materie prime estratte a livello mondiale: 42 miliardi di tonnellate l’anno (il peso di una montagna fatta di 14 miliardi di auto come la Land Rover Discovery).
Una tonnellata di CO2 per ogni tonnellata di cemento non è quella che si può definire un’attività climate-friendly, e infatti l’industria cementizia è responsabili di circa il 5-9% (a seconda delle stime) del totale delle emissioni antropiche, subito dopo la chimica e più rilevante di siderurgica o aviazione. “Se l’industria del cemento fosse un Paese – ancora il Guardian – con 2,8 miliardi di tonnellate sarebbe sul podio tra i maggiori emettitori di CO2, dopo Stati Uniti e Cina”. Nonostante i consumi energetici siano in calo, alimentare i forni per portarli a quasi 1500 °C richiede più o meno il 5% del consumo energetico industriale globale.
Zoomando ancora sul processo produttivo mettiamo a fuoco l’acqua: ne servono fino a 500 litri per tonnellata di clinker, che secondo uno studio pubblicato su Nature fa il 9% dei prelievi idrici industriali globali. “Le esigenze idriche sono enormi e particolarmente gravose in quelle regioni della Terra che non sono benedette dall’abbondanza di acqua dolce – spiega Christian Meyer della Columbia University –. L’industria del calcestruzzo utilizza circa un miliardo di metri cubi di acqua ogni anno.”
E quando i prodotti realizzati con il cemento (le costruzioni) arrivano alla fine della loro vita, diventano una delle principali fonti di rifiuti: in Europa circa 500 milioni di tonnellate ogni anno, oltre un terzo di tutti i rifiuti prodotti.

Le innovazioni del settore

È impossibile dimenticare i grandi pregi di questo materiale: è versatile, economico, resistentissimo, con una vita utile lunghissima, ed è riciclabile al 100%. Tuttavia, con una simile carta d’identità, l’industria mondiale del cemento non può non essere uno dei fronti caldi della transizione ecologica e della lotta ai cambiamenti climatici.
Le imprese, come vedremo, si stanno muovendo, ma è utile la premessa di Johanna Lehne del Chatham House, autrice con Felix Preston di un report sull’innovazione low carbon nel cemento: “Il settore è dominato da una manciata di grandi produttori, cauti nel proporre nuovi prodotti che mettano in discussione i loro modelli di business. E in assenza di un forte segnale sul prezzo del carbonio, c’è un incentivo economico troppo ridotto per apportare cambiamenti”.
Proviamo a fare una breve carrellata, ovviamente non esaustiva, delle iniziative in campo. Procediamo in ordine alfabetico.

Riciclare l’acqua

A come acqua. “Il riciclaggio dell’acqua è facilmente realizzabile nella pratica e già richiesto dalla legge in alcuni Paesi”, racconta ancora Meyer. Nell’impiego industriale si ricorre sempre più spesso, anche per evidenti ragioni economiche, a sistemi chiusi che riciclano l’acqua utilizzata nei processi produttivi e nel lavaggio dei macchinari. LafargeHolcim, terzo produttore mondiale di cemento, uno dei player più innovativi del settore, nel 2020 ha ridotto del 9% rispetto all’anno precedente l’acqua dolce impiegata per tonnellata di cemento. A volte quelle messe in campo sono soluzioni tanto semplici quanto efficaci: nella cementeria Italcementi di Matera (HeidelbergCement Group) si usano vasche per il recupero dell’acqua piovana.

Ridurre le emissioni di carbonio

Ancora A: anidride carbonica. Se la metà delle emissioni è riconducibile alle reazioni chimiche tra i materiali che danno vita al clinker, una prima soluzione è sostituire questi materiali e ridurre la quantità di clinker nel cemento e nel calcestruzzo. Parte delle materie prime del clinker vengono già oggi sostituite con scarti produttivi che garantiscano analoghe proprietà chimiche e fisiche e che derivano da altre filiere produttive: ceneri da centrali elettriche a carbone e scorie d’altoforno dalla produzione di acciaio sono ottimi esempi di simbiosi industriale. “Oggi in Europa circa il 5% delle materie prime utilizzate nella produzione di clinker, circa 9 milioni di tonnellate l’anno, è costituito da materiale riciclato e ceneri da combustibili”, afferma Nikos Nikolakakos, Environment and Resources Manager di Cembureau, l’associazione europea dei produttori di cemento (che comprende anche Turchia, Svizzera, Norvegia e Regno Unito, raggiungendo il 6% della produzione mondiale).
Sempre in questo ambito, il progetto europeo ReActiv (Industrial Residue Activation for Sustainable Cement Production) nasce per collegare la filiera del cemento e quella dell’alluminio, impiegando i residui di bauxite (sottoprodotti dell’alluminio) nella produzione di cemento, riducendo così rifiuti e CO2 emessa nella calcinazione.
Nei cantieri della HS2, la ferrovia ad alta velocità britannica, si utilizza Vertua, la gamma di prodotti in calcestruzzo a basso tenore di carbonio (fino al 70% in meno, secondo il produttore) della multinazionale messicana Cemex. La quota di clinker nei cementi Cemex è scesa dall’85,5% nel 1990 al 77%.
Tom Schuler, ex Ceo di Solida Technologies, in una TED Conference ha invece raccontato l’innovazione dell’impresa che ha ricevuto recentemente quasi 80 milioni di dollari da diversi fondi di investimento: “Utilizziamo meno calcare e un forno a temperature più bassa rispetto alla media, con una conseguente riduzione fino al 30% delle emissioni di CO2”. Il cemento Solida Technologies “non reagisce con l’acqua ma indurisce a contatto con la CO2 catturata in altri impianti industriali: la reazione chimica innescata ‘rompe’ l’anidride carbonica per produrre calcare”. Insomma, invece di emettere biossido di carbonio, il cemento, impiegato per ora solo per prodotti prefabbricati, lo assorbe, riducendo le emissioni fino al 70% e risparmiando notevoli quantità d’acqua.
Soluzione in parte analoga viene offerta dalla canadese CarbonCure, che nel calcestruzzo inietta anidride carbonica chimicamente convertita in minerale.

Catturare la CO2

Quelle appena raccontate, tuttavia, sono interessantissime soluzioni di nicchia, molto promettenti ma non ancora alla portata di ampie fette di mercato. Così, per abbattere le emissioni, le imprese produttrici puntano sulla cattura della CO2 (Carbon Capture and Storage, Ccs).
“La riduzione delle emissioni di CO2 mediante l’adozione di tecnologie di cattura e stoccaggio o cattura e riutilizzo del carbonio nella produzione di cemento sta diventando un’area di ricerca interessante e attiva”, spiega Paulo Monteiro, dell’Università della California di Berkeley, “ma rimane ancora antieconomica”. La Ccs infatti non è ancora diffusa su scala industriale. Secondo il Global Ccs Institute al mondo ci sono 50 impianti di cattura e stoccaggio completati, tutti impianti pilota, due relativi a cementifici. Di questi 50, secondo il fornitore di statistiche Statista, nel 2020 quelli operativi erano 26. La gran parte dei big player del settore punta sul Ccs: da China National Building Materials (Cnbm), primo produttore mondiale, a LafargeHolcim, che solo nel 2020 ha annunciato quattro progetti pilota, a Dalmia Gruop in India.
Diversi i progetti europei su questo fronte caldissimo, non solo per l’industria del cemento. Leilac 1 (Low Emissions Intensity Lime & Cement) e Leilac 2 hanno visto il coinvolgimento di Calix (azienda australiana che produce tecnologia sostenibile per l’industria) e HeidelbergCement (quarto produttore mondiale) per realizzare un impianto pilota presso il cementificio di Hannover (capacità 100.000 tonnellate/anno) e dimostrare la possibilità di realizzare alla scala industriale una tecnologia di cattura e stoccaggio a basso costo, scalabile, replicabile e applicabile agli impianti già in funzione.
Nel dicembre 2020, ancora la tedesca HeidelbergCement ha ottenuto un finanziamento pubblico per la realizzazione di un impianto, che dovrebbe essere operativo dal 2024, per la cattura del carbonio nel cementificio Norcem di Brevik (Norvegia). Obiettivo, assorbire, grazie a una miscela di acqua e solventi amminici, 1,8 milioni di tonnellate di anidride carbonica l’anno da accumulare poi sotto il Mare del Nord (nei pozzi di petrolio esauriti di Equinor).

Risparmiare energia e ridurre le fonti fossili

Andiamo avanti: E come energia. Se la metà delle emissioni climalteranti è dovuta alla calcinazione, l’altra metà è legata ai consumi energetici, in particolare quelli dei forni, per la gran parte alimentati con fonti fossili. Una prima soluzione sarebbe l’elettrificazione, difficile però da attuare vista l’altissima temperatura che i forni devono raggiungere. Ma ci sono esperienze in merito. In Svezia, Cementa (controllata di HeidelbergCement) ha lavorato, insieme al produttore di energia Vattenfall, al progetto CemZero, per elettrificare la produzione. Dopo aver dimostrato la fattibilità tecnica, la ricerca prosegue con tre progetti in collaborazione con diverse università e aziende: trasferimento di calore al plasma nei forni rotanti, cattura diretta di anidride carbonica da calcinazione, e ancora produzione elettrificata. La startup HeatNeutral, in collaborazione con LafargeHolcim, sviluppa forni che, a parità di potenza, richiedono meno combustibile rispetto a quelli tradizionali.
Ma ancora una volta parliamo di nicchie e di esperienze pilota. Nel frattempo le imprese, sostenute dall’Unione europea, puntano a sostituire i combustibili tradizionali con rifiuti non riciclabili, che evitano appunto l’importazione e la combustione di fossili e riducono i conferimenti in discarica.
“Nell’Ue, nel 2018 il settore ha sostituito il 48% del suo consumo di combustibili fossili – ricorda Nikolakakos – con non-combustibili derivati da rifiuti non riciclabili, risparmiando circa 7,8 milioni di tonnellate di carbone.” Anche questa, secondo le imprese, è economia circolare. A patto che, ci permettiamo di aggiungere, non riduca l’impegno nel riciclo. Al di là dei forni, l’elettrificazione e l’efficienza energetica è più a portata di mano: la già citata LafargeHolcim, per esempio, sta investendo in impianti di recupero del calore dei forni per produrre elettricità (WHR-Waste Heat Recovery).

Riciclare le materie prime e allungare la vita del cemento

M come materie prime. Se è complesso sostituire i materiali alla base del clinker, meno lo è per gli aggregati nel calcestruzzo. E come per tutte le filiere, la riduzione dei prelievi in natura si ottiene col riciclo.
Mobbot, altra startup selezionata da LafargeHolcim con la propria piattaforma di open innovation, lavora all’integrazione di materiali riciclati nei processi di stampa 3D, più efficienti nell’uso di materia rispetto alle tradizionali colate. “I detriti di calcestruzzo sono probabilmente il candidato più importante per il riutilizzo nel nuovo calcestruzzo – sottolinea Christian Meyer –. Usando questi detriti per produrre nuovo calcestruzzo si conservano le risorse naturali e si riduce allo stesso tempo il conferimento in discarica.” La Columbia University ha condotto studi sull’utilizzo di vetro post consumo e fibra di moquette riciclata come inerti: “Poiché di solito le fibre dei tappeti sono realizzate in nylon, è stato dimostrato che queste fibre riciclate migliorano alcune proprietà meccaniche del calcestruzzo”, chiarisce il ricercatore. Altri scarti sui quali diverse università hanno condotto studi sono rifiuti di legno, pneumatici fuori uso, plastica, residui di cartiera ma anche scarti agricoli come cenere di bagassa, sughero, gusci di arachidi, cenere di lolla di riso.
Siccome l’impronta ambientale di un prodotto va valutata lungo il suo intero ciclo di vita, prolungare la già lunga vita del cemento può contribuire ad alleggerire il suo impatto sull’ambiente. Un esempio interessante sono i diversi studi condotti sull’inclusione nel calcestruzzo di batteri che attivano processi (precipitazione dei carbonati) con effetti autoriparanti contro le crepe.

Fin qui ci siamo concentrati sulle varie fasi del processo produttivo. Ma la sostenibilità riguarda, ovviamente, anche la fase di utilizzo, in cui alcuni prodotti innovativi possono avere effetti positivi sull’ambiente rispetto al cemento tradizionale. Un esempio sempre più presente nei cataloghi dei produttori è il calcestruzzo drenante, che consente all’acqua di filtrare senza alterare il normale ciclo idrico, limitando l’impermeabilizzazione del suolo e contribuendo, in città, a ridurre l’effetto isola di calore. Altro esempio: i.active Biodynamic di Italcementi, malta cementizia composto dall’80% di aggregati da riciclo provenienti dagli sfridi di lavorazione del marmo di Carrara, che nella versione utilizzata per esempio per rivestire il Padiglione Italia all’Expo di Milano contiene TX Active. TX Active è il principio fotocatalitico brevettato da Italcementi: grazie alla luce il catalizzatore accelera i naturali processi di ossidazione che favoriscono una più rapida decomposizione degli inquinanti presenti nell’ambiente (micropolveri, ossidi di azoto), evitandone l’accumulo.
Ma, lo stiamo imparando, la sola innovazione tecnologica non è sufficiente per realizzare la transizione ecologica. Le istituzioni pubbliche hanno provato a dare il loro contributo: dalla Cina, che col 13° piano quinquennale ha puntato a ridurre l’intensità di energia termica della produzione, all’Emission Trading Scheme europeo e alle norme sull’efficienza energetica. Ma evidentemente non è abbastanza, se non si innescano le “reazioni” del mercato: “I governi e le principali aziende consumatrici di calcestruzzo – riflette Johanna Lehne –, dovrebbero far crescere il mercato dei materiali da costruzione a basse emissioni di carbonio”. In particolare, “ciò comporterà l’uso di metriche sul ‘carbonio incorporato’, cioè sulle emissioni rilasciate durante la produzione”.

Immagine: ph Pierre Chatel Innocenti (Unsplash)

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