新興エネルギー技術の環境持続可能性の評価セメント製造のための太陽熱脱炭酸。

Assessing the environmental sustainability of an emerging energy technology: Solar thermal calcination for cement production.

• Marco Tomatis
• Harish Kumar Jeswani
• Laurence Stamford
• Adisa Azapagic

抄録

セメント生産は非常にエネルギー集約的なプロセスであり、世界のCO2排出量の7%を 占めています。セメント製造に使用されるエネルギーの80%以上が脱炭酸工程で消費されている。本論文では、セメント生産に伴う気候変動やその他の環境影響をライフサイクルベースで軽減できるかどうかを調査するために、脱炭酸のための新しい太陽熱技術を検討した。必要な熱エネルギーをすべて供給するフルソーラーシステムと、熱エネルギーの14%と33%をソーラーシステムが供給する2つのハイブリッドシステムの3つのソーラーオプションを、ライフサイクル評価によって従来の化石燃料による脱炭酸と比較した。その結果、17のカテゴリーのうち14のカテゴリーで、3つのソーラーシステムはすべて従来の脱炭酸よりも低い影響を与えていることがわかりました。フルソーラーシステムは、気候変動（48％）、化石資源の枯渇（75％）、光化学的オゾン形成（92％）、陸域の生態毒性（79％）を大幅に削減することができ、最良の選択肢である。世界各地の日射量に基づいて、現在の世界のセメント生産量の26%に太陽電池システムを適用することができる。これにより、気候変動の影響を15～40％、その他のほとんどの影響を14～87％削減することができる。しかし、制限要因として、従来のプロセスに比べて2倍以上の土地占拠があるかもしれない。さらに、太陽系では、太陽系施設の建設による人体への毒性-ガン（102％）、金属・鉱物の枯渇（6％）が高くなっています。従来の脱炭酸と炭素回収・貯留（CCS）のカップリングは、CCSなしの従来の脱炭酸と比較して、太陽系（48％）よりも気候変動の影響を低減する効率が高い（63％）。しかし、太陽熱焼成炉にCCSを追加した方が、CCSなしの従来型焼成と比較して81％の削減効果があり、より良い選択肢であることに変わりはない。これらの知見は、太陽電池産業やセメント産業だけでなく、高温プロセスを使用する他の産業部門にとっても有益なものである。

Cement production is a highly energy-intensive process, contributing 7% to global CO emissions. Over 80% of the energy used in cement production is consumed by the calcination process. This paper considers a novel solar thermal technology for calcination, to investigate if it could help mitigate the climate change and other environmental impacts from cement production on a life cycle basis. The following three solar options are compared to conventional fossil-fuel calcination via life cycle assessment: a full solar system, which provides all the required thermal energy, and two hybrid systems, where the solar system provides 14% and 33% of the thermal energy, respectively. The results show that all three solar options have lower impacts than conventional calcination in 14 out of 17 categories. The full solar system is the best alternative, with major reductions in climate change (48%), fossil depletion (75%), photochemical ozone formation (92%) and terrestrial ecotoxicity (79%). Based on insolation levels in different parts of the world, the solar systems could be applied to 26% of current global cement production. This would reduce the climate change impact by 15-40%, as well as most other impacts by 14-87%, depending on the fuel mix. However, a limiting factor might be two times greater land occupation than by the conventional process. Furthermore, the solar system has higher human toxicity-cancer (102%) and metals and minerals depletion (6%) due to the construction of solar facilities. Coupling conventional calcination with carbon capture and storage (CCS) is more efficient in reducing the climate change impact (63%) than the solar system (48%) relative to conventional calcination without CCS. However, adding CCS to the solar calciner would still be a better option, decreasing the impact by 81% relative to conventional calcination without CCS. These findings will be of interest to the solar and cement industries as well as other industrial sectors using high-temperature processes.

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