Kundas uuritakse, kuidas tsementi rohelisemaks muuta

Hillar Joon uurib Tallinna Tehnikakõrgkooli 3D-printerist välja tulnud konstruktsiooni - Kundas loodud uue koostisega betoon sobib selle jaoks väga hästi. Foto: Tallinna Tehnikakõrgkool

• Uutmoodi «rohelisem» betoon on kergelt punaka varjundiga, mitte tavaline hall
• Kundas tehtud tsementi saab väga hästi kasutada ka betooni 3D-printimiseks
• Islandi vulkaanituhk on väärt toormaterjal

Kunda tsemenditehases käivad katsed, mis on suunatud keskkonna säästmisele ja süsinikujälje vähendamisele. Nimelt proovitakse leida leida tsemendi tootmiseks uusi komponente, mille süsinikuemissioon oleks tunduvalt väiksem, kui tavapärasel klinkril. Kunda Nordic Tsemendi emafirma Heidelberg Materials on võtnud ülesandeks vähendada jõuliselt lähiaastatel oma tootmises tekkivat süsinikdioksiidi kogust ning viia lõpuks emissioon nulli aastaks 2050.

Betoon on inimkonna poolt enim kasutatud ehitusmaterjal ning selle tootmiseks vajalik tsemenditööstus nii suure mahuga, et paiskab õhku julgelt seitse protsenti kogu maailma süsihappegaasi heitest. Kuna ehitusmahtude kahandamine ega ka betooni asemel mõne muu materjali kasutuselevõtt pole veel mõeldav, siis on süsiniku jalajälje vähendamiseks peaaegu ainuke tulemusi andev lahendus tsemendi tootmisel süsihappegaasi atmosfääri eraldumise vähendamine. Tulevikus aga tuleks viia tsemenditootmise ja betoonikasutuse süsinikuheide lausa nulli.

Kontserni Heidelberg Materials Põhja-Euroopa tsemenditööstused on selle sihi saavutamisel leidnud mitu lahendust. Esimene neist on biomassi osa suurendamine tööstuses kasutatavates kütustes, teine aga eralduva süsihappegaasi kinnipüüdmine ja ladustamine. Kolmanda lahendusena uuritakse tsemendi tootmisel traditsioonilise klinkri osalist asendamist väiksema süsinikujalajäljega materjalidega.

Kõigi nende suundade puhul on olulisel kohal lisaks teoreetilistele teadustöödele ka vahetud, tööstuslikus mahus katsetootmised.

Süsihappegaas läheb merepõhja, vulkaanituhk tsemendi sisse

Norras Brevikis asuvas Norcemi tehases ehitatakse seadmeid, mis valmimise järel alates 2024. aastast püütakse kinni 400 000 tonni süsihappegaasi aastas eesmärgiga ladestada see vedelal kujul merepõhjas asuvaisse hoidlatesse.

«See on kogu tehase 800 tuhande tonnisest süsiniku aastakogusest pool. Rootsis Slite tehases aga on kava veelgi ambitsioonikam: 2030. aastaks tahetakse püüda kinni kogu klinkri tootmisel eralduv süsinikdioksiid, viia selle heide nulli või isegi arvutuslikult miinusesse, võttes kasutusele biokütused,» kommenteeris selle valdkonna arenguid Kunda Nordic Tsemendi juhatuse liige Meelis Einstein. «Aga kuni meil ei ole nullemissiooniga klinkrit, peame vähendama süsinikuheidet tsemenditootmise käigus. Selleks tuleb tsemendi jahvatamisel klinkri kõrval võtta kasutusele lisaained, millel on süsinikujalajälg väiksem samal ajal tsemendi kvaliteeti mitte halvendades,» tõi Einstein esile paljulubava suuna kogu tööstusharu jaoks. «Selles osas on meil ka esimesed vägagi lubavad katsetulemused juba käes, nüüd järgneb nii tehnoloogiline kui ka keskkonnakaitseline ja majanduslik analüüs.»

Kaltsineeritud savil on huvitav omadus: see on kergelt punaka tooniga, see toon kandub edasi ka tsemendile ning betoonile.

Kui lühidalt kokku võtta, siis on paljulubavad Kundas tunamullu ja mullu läbi viidud kaks suuremat tööstuslikus mastaabis katseseeriat täiendavate tsementsete materjalidega (ingl k supplementary cementitious material, SCM). Klinkrit osaliselt tsemendis asendada võiva kaltsineeritud savi puhul kulub klinkri tootmisel vähem energiat, samuti eraldub tootmisel 70 protsendi võrra vähem süsihappegaasi, kui klinkri puhul.

Teine katseseeria uuris Islandilt toodud vulkaanilist tuhka, sellest valmistatud SCM (täiendav tsementne materjal) pakub ilmselt veelgi paremaid näitajaid.

Kunda väärt savi

Eestis tähistatakse praegu siinse betoonikasutuse 200. aastapäeva. Kaalukaim osa selles väärikas ajaloos on olnud Kunda tsemenditehasel. «Meil on oma savikarjäär, kust varem ammutasime savi, mida lisasime 20 protsendi ulatuses kohalikule lubjakivile. Sellest segust tootsime klinkrit. Nüüd toodab kontsern klinkrit teistes tehastes, kus on moodsam ja väiksema süsinikujalajäljega tehnoloogia. Äsja katsetasime sellesama savi kaltsineerimist, et uurida, kas seda saab kasutada tsemendis lisandina, klinkri osalise asendajana,» rääkis Meelis Einstein 2021. aasta suuremahulistest katsetest. «Tööstuslikus mahus katsete läbiviimiseks on meil seadmed ju olemas – needsamad pöördahjud, kus varem klinkrit põletasime. Valmistasime 700 tonni klinkriasendajat. Muidugi, tehnoloogidel tuli kohaneda uudse protsessiga, eriti sellega, et savi kippus alguses seadmeid ummistama. Aga saime režiimid paika, edasi läks juba kenasti,» märkis Einstein.

Kunda savil on head omadused ka sellest tehtud tsementi 3D printimisel kasutades. Foto: Kunda Nordic Tsement

Kaltsineerimiseks kuumutati Kunda karjäärist pärit savi 900 kraadi juures. Kuumutamine muudab savi aktiivseks materjaliks, sellega saab tsemenditootmises asendada tavapärast klinkrit ligi 30 protsendi ulatuses. Ja selle materjali süsinikujalajälg on klinkri omast 70 protsenti väiksem, sest protsessi jaoks kulub oluliselt vähem kütust ning töötlemise käigus eraldub vähem süsihappegaasi.

Kundas rahvusvahelist uurimisrühma juhtinud Norras asuva Nordcemi tsemenditehase teadus- ja arendusosakonna projektijuht professor Rolands Cepuritis märkis pärast edukaks hinnatud katsetusi: «Täiendavate tsementsete materjalide kasutamine klinkri osaliseks asendamiseks tsemendis on üks parimatest tehnilistest võimalustest ja teenib süsinikuheite vähendamise strateegiat.»

Ta lisas, et õige kvaliteediga kaltsineeritud savi, mida on üsna lihtne toota ka suurtes kogustes, võib olla isegi reaktiivsem, kui praegu laialdaselt SCM-ina kasutusel olev lendtuhk.

Selline näeb välja kaltsineeritud savi. Foto: Kunda Nordic Tsement

«Igal juhul tsemendi omadused lisandi pärast ei kannata,» kinnitas Einstein. «Küll on aga keskkonnale avaldatav surve palju kordi väiksem. Kui kogu kasutatud kütus oleks veel biokütus, oleks näitaja veelgi parem,» rõhutas ta. «Tavapärane klinkri tootmise tehnoloogia on aastatega nii optimaalseks lihvitud, et seal oleks isegi üheprotsendist muutust üsna keeruline saavutada.»

Kaltsineeritud savil on huvitav omadus: see on kergelt punaka tooniga, see toon kandub edasi ka tsemendile ning betoonile.

«On olemas tehnilised lahendused, et muuta seda harjumuspärasemaks hallikaks tooniks. Ent võib-olla hakkab arhitektidele ja ühiskonnale punakam värv rohkem meeldima ja tüüpiline betoon hakkab praegu kasutusel olevast erinema,» pakkus professor Cepuritis välja võimalikke uusi nägemusi kõige rohkem kasutatava materjali tuleviku kohta.

«Kunda savi on illiitne savi, selle kvaliteet pole nii hea, kui seda on parimatel kaoliinsetel savidel. Samas – uuringutest sai selgeks, et meie põhjarannikule iseloomulikku savi saab kasutada väga hästi klinkri osaliseks asendamiseks tsemendis. Lisaks tegime oma teaduritega 3D betooniga printimise katseid Tallinna Tehnikakõrgkoolis, kus proovisime mitmeid tsemendisegusid, kus oli osa klinkrit asendatud kaltsineeritud saviga. Ilmnes, et need segud sobivad 3D-printimiseks vägagi hästi,» iseloomustas materjaliuuendamise mõju tehnoloogiauuendamisele Hillar Joon.

AS Novarc nõukogu esimees Joon on aastakümneid puutunud kokku Kunda tsementide uurimisega. Praegu tegutseb Tallinna Tehnikakõrgkoolis tema juhitav Betooni 3D Printimise Juhtgrupp, mis uurib uudsete tsemendilisandite sobivust betoonehitiste 3D-printimiseks. «Positiivne on Kunda tulevikuvaates ka see, et siinne savivaru on koguni kolmandik kogu Heidelberg Materialsi kontserni varudest.»

Uus peatükk: Islandi vulkaaniline tuhk

Kunda saviga süsinikujalajälje kahandamise alased uurimused ei piirdunud. Kuna savi uurimine läks Kunda uurimisbaasis edukalt, siis võttis Heidelberg Materials ette järgmise paljulubava materjali – vulkaanilise tuha.

Sel kevadel toodi Islandilt Kunda sadamasse terve laevatäis, enam kui 6000 tonni vulkaaniliselt aktiivsel saarel suurtes kogustes leiduvat vulkaanilist tuhka. See materjal pakub kontsernile huvi eelkõige muidugi selle pärast, et seda tsemendilisandina kasutades saab tsemenditootmise süsinikujalajälge vähendada eriti suurel määral, kuna tuhka pole enam vaja kõrgete temperatuurideni kuumutada. Selle eriti süsinikdioksiidirohke protsessi, mille käigus eraldub tavalise klinkritootmise juures 60 protsenti kogu protsessi süsihappegaasist, on loodus juba ise läbi viinud.

Islandilt toodud vulkaaniline tuhk on juba läbi kuumutatud - loodus on selle töö ära teinud ja tsemenditootmises saab nii palju energiat kokku hoida, süsinikuheidet samuti. Foto: Kunda Nordic Tsement

«Vaja on see räbusarnane tuhk, mis osaliselt ka rannikulähedasest merest ammutatud, ära kuivatada ning peeneks jahvatada,» kirjeldas uue katseseeria olemust Meelis Einstein. «Kuivatamiseks kasutasime küttekoldega põlevkiviveskisüsteemi, mis meil muidu jõude on seisnud, aga temperatuurid on kuivatamisel üsna madalad ning seega on protsess küllalt vähe energiat nõudev. Tuha peenestamine meie kuulveskites õnnestus väga hästi, materjali eripära seab seal muidugi ette teatavad piirid, millest edasi enam peenemaks minna ei saa – ülipeen tuhk «kitib» veski kinni. Tsemendiasendaja tootmiseks vajaliku peenusastme saavutasime kindlalt, jäi veel varugi,» rääkis Einstein suuremahuliste katsete käigust.

«Kundas on praegu kõige rohkem tehnilisi ressursse: materjali kuivatamiseks saime kasutada seisvat küttekoldega põlevkiviveskisüsteemi ja ka tsemendijahvatusvõimsust Kundas jagub,» kinnitas Kunda Nordic Tsemendi tootmisjuht Väino Korjuhin, kes vastutas vulkaanilise tuha katsejahvatuse läbiviimise eest Kundas. «Katsejahvatus pakkus meile omajagu väljakutseid, aga tänu heale meeskonnatööle saime katsejahvatuse edukalt lõpuni viia,» meenutas Korjuhin.

Vulkaaniline tuhk on looduslik putsolaan, mis sisaldab kaltsium-, räni-, alumiinium- ja raudoksiide sisaldavaid mineraale nagu tsementki. Jahvatatult ja veega segatult moodustab vulkaaniline tuhk aeglaselt kõveneva ja vastupidava materjali, millega saab asendada klinkrit.

«Arvestuste kohaselt on vulkaanilise tuhaga võimalik tulevikus asendada isegi kuni pool klinkrist, samal ajal kui 30 protsenti on tüüpilisem tulemus, mida lähiajal oodata,» väitis professor Rolands Cepuritis.

Kontsernile sobib Islandi materjal suurepäraselt, sest nende jaoks on kogu Põhjala nagu üks piirkond, liiatigi on Islandil ka mitu kohalikku tehast.

«Selliseks tootmiseks on vaja ehitada eraldi tehnoloogilised liinid. Meie katsetootmise korral sai tuhk esmalt lastud läbi põlevkiviveski, siis veel läbi tsemendiveski – see pole suurtootmise mahtude juures sugugi kuluefektiivne. Igal juhul proovipartiid said valmis, saatsime need Saksamaa, Rootsi ja Norra keskustele lähemalt uurimiseks, tagasiside on väga hea,» võttis Einstein katsetused kokku ning märkis, et positiivsete stsenaariumite puhul võiks kontsern asuda vulkaanilise tuha lisandiga tsementi tootma 3-5 aasta pärast.

Printimisbetooniks sobib uus tsement väga hästi

3D-printimise asjatundja Hillar Joon kinnitas, et nende poolt Tehnikakõrgkoolis vulkaanilise tuha lisandiga tsemendist valmistatud 3D-printimisbetoon on suurepäraste omadustega.

«See on positiivne, kuna 3D-printimine on iseenesest juba väga väikese süsinikujalajäljega ehitusmeetod. Printimiseks vajalik betoon peab küll tavaehituses kasutatavast rohkem tsementi sisaldama, samas aga kulub seda oluliselt vähem ning mis ka väga oluline – vähegi keerukama konfiguratsiooniga objektide puhul on tavaliselt vaja ehitada väga mahukad puidust valamisvormid ehk raketised. 3D-printimise puhul seda pole vaja, puit jääb alles, jäätmeid ei teki, materjali kulu on poole väiksem, töö edeneb kiiresti,» kiitis uudset tehnoloogiat Hillar Joon.

Nii käib Tallinna Tehnikakõrgkoolis Kundas valmistatud tsemendist betooni 3D printeriga väljaprintimine. Uuteks ehitusmeetoditeks sobib uue koostisega tsement hästi. Foto: Tallinna Tehnikakõrgkool

3D prinditud hoonet saab iga soovija ka oma silmaga Tallinnas näha – see kerkis sügisel tehnikakõrgkooli õuele kõigest paari päevaga. «Uudsed materjalid, nii kaltsineeritud savi lisandina kui ka vulkaanilise tuha lisandiga tsemendid, sobivad 3D-printimiseks väga hästi,» kinnitas Hillar Joon pärast Kundas toodetud katsematerjalide katsetamist 3D-printeris.

«Vulkaaniline tuhk kui tsemendilisand on praegu ilmselt esiplaanil, samas aga ka kaltsineeritud savi aktuaalsus pole vähenenud. Fakt on see, et tsemendivajadus üha kasvab, selle tootmise süsinikujalajälge aga tuleb üha kahandada, võimalusel nullini viia. Siin on ka oma tähtis osa Kunda Nordic Tsemendi tehasel ning meie oskusteabel. Usun, et pikemas vaates – 7-10 aastat – on meil siin Kundas savi kaltsineerimine käima pandud, sest kogu siinne piirkond vajab nö rohelist tsementi üha suuremates kogustes,» rõhutas Meelis Einstein kokkuvõtteks ning pika traditsiooniga tehase ja seda toetava Kunda linna tulevikule vaadates.