How could alternative cement binders contribute to decarbonizing the cement industry: A literature review focusing on emissions, energy, cost, and market share.

No Thumbnail Available
Files
Kamppinen_Kristoffer_2024.pdf (409.5 KB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Date
2024-05-10
Department
Major/Subject
Energia- ja ympäristötekniikka
Mcode
ENG3042
Degree programme
Insinööritieteiden kandidaattiohjelma
Language
en
Pages
25
Series
Abstract
The cement industry is responsible for up to 8% of the global anthropogenic carbon dioxide emissions. As more nations and governments are taking action to combat climate change, pressure has been put on the cement industry to drastically lower the extensive greenhouse gas emissions annually emitted. The use of alternative cement binders as a substitute for traditional Portland cement has emerged as a potential solution to this challenge. As most of the emissions from cement production are derived from fossil fuel combustion and decarbonization of limestone, decreasing the fuel demand and lowering the amount of limestone are effective ways of minimizing emissions. In a nutshell, that is what most alternative cement binders focuses on. Belite-rich cements are production wise similar to Portland cement but uses less limestone and a lower kiln temperature. This results in lower energy requirements and a CO2 reduction of approximately 10%. But due to the slow strengthening process of belite-rich cements, they are not widely implemented. Calcium sulfoaluminate and belite-ye’elimite-ferrite cements, on the other hand, replace a larger amount of limestone with other minerals, such as, bauxite to further reduce CO2 emissions. Additionally, this creates a faster setting cement which could be more widely implemented, but the expensive raw materials is the limiting factor. Solidia cement is more energy efficient than traditional Portland cement and uses a unique curing technology, that permanently binds CO2 into the cement. This creates a cement with extremely low carbon emissions. But due to the unique curing process, Solidia cement is only suitable for precast concrete, which covers one third of the cement market. Lastly, Celitement® uses a completely unique production process to synthesize the hydration phase responsible for strength in Portland cement. Thereby, Celitement has substantially lower raw material emissions. Additionally, the production process is considered to be fully electrifiable, resulting in zero fuel emission if renewable energy sources are used. For the most promising alternative cement binders, cost and product development pose the largest challenges. Further research and testing could lower the cost of the binders, while making the products more mature for market implementation.

Cementindustrin orsakar upp till 8 procent de globala antropogena koldioxidutsläppen. Som följd av att världspolitiken vidtar alltmer åtgärder för att bekämpa klimatförändringen ökar trycket på cementindustrin att rejält minska koldioxidutsläppen. En potentiell lösning på utmaningen är att ersätta traditionellt Portlandcement med alternativa cementbindemedel. Majoriteten av utsläppen av cementproduktion härstammar från två huvudsakliga processer: kalcinationen av kalksten samt förbränningen av fossila bränslen. Därmed lönar det sig att fokusera på att minska bränsleförbrukningen och mängden kalksten för att effektivt minska cementproduktionens utsläpp. Det är så som de flesta alternativa cementbindemedel minskar de totala utsläppen inom cementproduktion. Belitrika cementer är produktionsmässigt lika Portlandcement men använder ungefär 10 procent mindre kalksten och därmed en aningen lägre ugnstemperatur. Detta resulterar i ett minskat energibehov samt en CO2-reduktion på 10 %. Men på grund av den ångsamma härdningen hos belitrika cementer har de inte implementerats brett inom cementmarknaden. Kalciumsulfoaluminat- och be- lit-ye’elimit-ferritcement ersätter en större andel kalksten med andra mineraler för att ytterligare minska koldioxidutsläppen. Främst används aluminiumrika råmaterial, såsom bauxit, för ersättningen av kalksten. Detta skapar snabbhärdande cement som minskar koldioxidutsläppen upp till 30 procent. De dyra aluminiumrika råmaterialen är den begränsande faktorn för att öka cementer- nas marknadsandel. Solidia-cement är en betydligt mera energieffektiv cement, som på grund av sin unika härdningsprocess permanent binder koldioxid inne i slutprodukten. Detta skapar en cement med väldigt låga utsläpp. Men på grund av den unika härdningsprocessen är Solidia-cement endast lämplig för färdiggjutna betongprodukter, vilket står för ungefär en tredjedel av cementmarknaden. Det sista alternativa cementbindemedlet, Celitement, använder sig av en totalt unik produktionsprocess för att syntetisera hydreringsfasen av Portlandcement som ansvarar för materialets styrka. Celitement har därmed betydligt lägre utsläpp från dess råmaterial än de andra cementbindemedlen. Dessutom anses Celitements produktionsprocess vara fullständigt elektrifierbar, vilket eliminerar bränsleutsläppen ifall förnybara energikällor används för elproduktionen. Avslutningsvis utgör kostnad och produktutveckling de största utmaningarna för de alternativa cementbindemedlen. Vidare forskning och produktutveckling kan möjligen minska produktionskostnader för de alternativa cementbindemedlen och samtidigt göra produkterna mognare för bredare marknadsimplementering.
Description
Supervisor
Alanne, Kari
Thesis advisor
Ahmadi, Farzin
Keywords
alternative cement binders, novel cements, decarbonization, carbon neutrality, low carbon cement, alternativa cementbindemedel
Other note
Citation