La modernización de la fabricación de cemento en China conduce a beneficios ambientales sustanciales

Communications Earth & Environment volumen 3, Número de artículo: 276 (2022) Citar este artículo

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China ha sido testigo de un auge de la construcción y, por lo tanto, de una enorme cantidad de uso de cemento en las últimas décadas. Al mismo tiempo, la tecnología de fabricación de cemento se ha actualizado rápidamente. Aquí, con base en datos a nivel nacional y provincial, adoptamos modelos de regresión, evaluación del ciclo de vida y análisis de escenarios para presentar la evolución y los impactos ambientales de las tecnologías de fabricación de cemento desde 1996 hasta 2021. aproximadamente el 99 % de la producción de cemento en China en 2021. El cambio climático y el agotamiento de los combustibles fósiles se identifican como las principales cargas ambientales de la fabricación de cemento, mientras que la reducción de las emisiones de partículas parece ser el beneficio más destacado de la nueva tecnología. Para 2021, las actualizaciones tecnológicas habían llevado a una mitigación de la contaminación de la fabricación de cemento entre un 25 % y un 53 %. Nuestros hallazgos pueden ayudar a informar caminos creíbles hacia una industria del cemento más sostenible y respetuosa con el medio ambiente.

A nivel mundial, ~40 % del uso global de energía final y las emisiones de gases de efecto invernadero relacionadas con la energía y los procesos son causados por edificios y actividades de construcción en las que el cemento es un ingrediente esencial1,2. Con el rápido crecimiento de la urbanización y la modernización, el consumo y la producción de cemento en la construcción de edificios han aumentado notablemente. Desde 1985, China se convirtió en el mayor productor de cemento y consumió más cemento en 3 años (es decir, de 2010 a 2012) que el que EE. UU. consumió en todo el siglo XX3,4. En 2018, la producción de cemento de China representó ~56 % de la producción mundial de cemento5.

Debido a los rápidos avances en la tecnología de fabricación de cemento (CMT), China ha utilizado tres hornos de cemento principales en las últimas décadas6, incluidos los hornos de cuba, otros hornos rotatorios (por ejemplo, hornos rotatorios de proceso húmedo, hornos huecos secos, hornos de precalentador vertical7) y nuevos hornos rotatorios con precalentador de suspensión (NSP). Antes de 2000, los hornos de cuba eran el CMT dominante debido al alto costo de los equipos importados (es decir, hornos rotatorios NSP)8. La cuota de mercado de los hornos rotatorios NSP, la tecnología más avanzada con capacidad de producción a gran escala y calidad de producto estable9, fue muy limitada durante este período, muy por debajo de la cuota de mercado de los hornos de cuba6,10. Sin embargo, con la economía en auge, los hornos rotatorios NSP comenzaron a ganar popularidad en el mercado de fabricación de cemento después de 2000 y se convirtieron en dominantes después de 201011,12.

Esta enorme cantidad de producción y consumo de cemento en China ha ido acompañada de importantes impactos ambientales, como el dióxido de carbono (CO2)13, el óxido de nitrógeno (NOx)9,14 y los metales pesados15,16. El proceso de fabricación de cemento incluye principalmente cuatro pasos: extracción de recursos, preparación de materia prima, calcinación de clínker, molienda de cemento17,18 y quema de combustibles fósiles19. Estas etapas de fabricación no solo agotan la energía y los recursos naturales, sino que también liberan polvo, ruido y contaminantes al medio ambiente, causando graves daños al entorno natural y a la salud humana20,21. Aunque varios estudios han analizado la carga ambiental de la fabricación de cemento, quedan algunas limitaciones. Primero, el camino de la transformación de CMT y el cambio correspondiente en el impacto ambiental en China no se han revelado22,23,24,25. Segundo, estudios recientes encontraron que además del cambio climático (CC), la producción de cemento tiene otros impactos severos, como el agotamiento de los fósiles (FD) y la formación de ozono fotoquímico (POF)26,27,28,29. Es necesario un análisis más completo para identificar los impactos ambientales clave para futuras acciones de mitigación. Tercero, hay variaciones entre provincias en la distribución de CMT3, mientras que un número limitado de académicos ha estudiado la evolución de CMT o estimado los impactos ambientales de la producción de cemento en China a nivel provincial30, y dicha investigación es necesaria para revelar impactos locales, especialmente los de los contaminantes en el suelo y el agua (p. ej., acidificación terrestre y ecotoxicidad terrestre). Finalmente, el gobierno central chino ha tomado muchas medidas para promover una industria cementera sostenible y coordinada31, pero el logro ambiental general en las últimas décadas nunca ha sido evaluado ni cuantificado.

Por lo tanto, nuestro objetivo es abordar estas brechas en la investigación mapeando la mejora y distribución de CMT desde 1996 hasta 2021 a nivel nacional y provincial con datos de producción local. Se llevó a cabo una evaluación integral y general del impacto ambiental de la fabricación de cemento mediante la aplicación de un análisis del ciclo de vida al inventario nacional del ciclo de vida del cemento. Además, mostramos la distribución provincial y la evolución de la carga ambiental dominante y elegimos provincias representativas para esta explicación. Además, ilustramos las ganancias ambientales obtenidas al modernizar la fabricación de cemento en China a través del análisis de escenarios. Además, seleccionamos las emisiones de CO2 y el uso de electricidad por tonelada de cemento como los indicadores típicos para hacer comparaciones entre países. De acuerdo con estos hallazgos, proponemos enfoques de mitigación ambiental a nivel mundial y nacional en términos de innovación tecnológica, producción más limpia y diseño de políticas de sostenibilidad.

Analizamos la cuota de mercado de CMT nacional y provincial y los cambios en la industria del cemento de China. La cuota de mercado de CMT se obtiene aplicando la Ec. (1) y el modelo de regresión lineal (métodos complementarios) basados en los datos de 2005 a 2009. Las figuras 1a, b muestran la evolución de la CMT de China y la producción nacional de cemento a través de varias CMT. La producción de cemento se mantuvo casi estable entre 1996 y 2000 y se fabricó principalmente con hornos de cuba y otros hornos rotatorios. En esta etapa (1996-2000), los hornos de cuba dominaron el mercado, representando ~70%, lo cual está en línea con estudios previos32,33,34,35,36. Luego, hubo una disminución repentina en la participación de mercado de los hornos de cuba en 2001, principalmente como resultado de la política denominada Control de cantidad total y ajuste de la estructura de la industria, que exigía el cierre de plantas de cemento con baja producción, alto consumo de energía y contaminación severa antes de 200037 Impulsada por el crecimiento económico y la urbanización de China, la producción de cemento aumentó significativamente entre 2001 y 2013 y alcanzó un máximo de 2476 millones de toneladas (Mt) en 2014 (Fig. 1b). Posteriormente, sin embargo, la producción de cemento comenzó a disminuir gradualmente a pesar de algunas fluctuaciones. En esta etapa (2001-2021), los hornos menos eficientes fueron reemplazados gradualmente por tecnologías de punta para satisfacer la creciente demanda del mercado. Los hornos rotatorios NSP comenzaron a penetrar en el mercado en 2001, superando a los hornos de cuba y otros hornos rotativos en 2007, y se han convertido en la CMT líder desde 2010, lo cual está en sintonía con el Plan Especial de Desarrollo de la Industria del Cemento emitido por la Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma38. Una razón fundamental es que la adhesión de China a la Organización Mundial del Comercio en 2001 fue propicia para que las empresas cementeras chinas hicieran un seguimiento del desarrollo tecnológico global, fortalecieran su conciencia de protección ambiental y aceleraran su progreso tecnológico6. Finalmente, los hornos rotatorios NSP se extendieron a casi todo el país, con una participación de mercado de ~99% en 2021 (Fig. 1a).

a ilustra la evolución de la tecnología de fabricación de cemento en China. b muestra la producción de cemento de diferentes CMT de 1996 a 2021. c, d comparan las disparidades regionales en la industria del cemento de China en 2001 y 2014. Las tecnologías de fabricación de cemento de la provincia de Hainan, el municipio de Tianjin y la provincia de Taiwán no se incluyen debido a la disponibilidad de datos . Los datos sobre la producción de cemento por provincia se obtienen del Almanaque de cemento de China63, el Almanaque de la industria de materiales de construcción de China64 y la Oficina Nacional de Estadística de China65.

Los hornos rotatorios NSP comenzaron a representar más del 10 % de la participación de mercado en 2001, y la producción nacional de cemento de China alcanzó su punto máximo en 2014. Por lo tanto, 2001 y 2014 se seleccionan como años típicos para presentar la distribución espacial de la producción de cemento y la capacidad de fabricación a nivel mundial. nivel provincial (Fig. 1c, d). Los CMT en diferentes provincias experimentaron varias rondas de actualización durante este período. En 2001, los hornos de cuba y otros hornos rotatorios representaban la mayor parte del mercado de CMT, mientras que en 2014, los hornos rotatorios NSP dominaban el mercado, especialmente en el este y el sur de China. Las provincias de Shandong, Jiangsu y Guangdong parecen ser las principales provincias con la mayor producción de cemento. La producción total de cemento de estas tres provincias representó ~20% a 30% de la producción nacional de cemento en 2001 y 2014. Por el contrario, hay aproximadamente el doble de empresas cementeras en el este y sur de China que en el oeste y norte de China (Tabla complementaria 3). La mejora de CMT en las provincias del oeste y del norte, como Shanxi y Ningxia, parece ser más lenta, ya que estas regiones tienen menos producción de cemento en comparación con las provincias del este y del sur debido a una economía subdesarrollada y su falta de recursos de piedra caliza.

Se compararon los resultados de la evaluación del ciclo de vida (LCA) entre los tres CMT; Las diferencias sustanciales entre los impactos ambientales de los tres hornos de cemento se muestran en la Fig. 2a. Los resultados indican que FD, CC y POF representan los impactos ambientales más significativos. El impacto dominante pasó de FD a CC con la actualización de CMT. Además, los impactos locales asociados con el suelo y el agua son principalmente la acidificación terrestre (TA) y la ecotoxicidad terrestre (TE). La principal fuente de FD es la combustión de combustibles fósiles como el carbón para proporcionar energía a los hornos de cemento. CC se atribuye principalmente a la liberación directa de CO2 de tres fuentes principales: descomposición de carbonato, combustión de combustible y uso de electricidad. La POF es causada por las emisiones de NOX, que también se forman por la combustión del combustible en el calcinador y el horno. El TA es causado por la deposición ácida con óxidos de azufre (SOX) emitidos por materias primas y compuestos que contienen azufre en la combustión del carbón. TE resulta principalmente de las emisiones de metales pesados de la quema de carbón en la producción de clinker. Estos hallazgos están en línea con los estudios previos39,40,41,42. Otro hallazgo importante es que los hornos rotatorios NSP tienen un impacto ambiental significativamente menor debido a la adopción de técnicas y equipos avanzados en la etapa de combustión del clinker. Con la mejora en la eficiencia de la producción y la utilización del calor en los hornos rotatorios NSP43, se consume ~50 % menos de combustibles fósiles. Mientras tanto, el calor se reduce debido a la menor longitud del horno rotatorio en el sistema NSP. Además, los quemadores de carbón pulverizado con múltiples conductos de aire desempeñan un papel crucial en el ahorro de energía (reduciendo la proporción de aire primario) y la protección del medio ambiente (p. ej., bajo nivel de NOx y combustibles alternativos). Desde la perspectiva provincial, la carga ambiental tiene una relación intensiva con la producción de cemento y CMT (Suplementario Fig. 5 y Fig. 1c, d). Para explorar más a fondo cómo la producción de cemento y los CMT afectan los impactos ambientales regionales, tomamos las provincias líderes en producción de cemento de Sichuan (SC) y Guangdong (GD) como ejemplos y la formación de partículas (PMF) como el impacto ambiental objetivo (Fig. 2b y Fig. Suplementaria). . 4). Los resultados muestran que, como pionero en la mejora de CMT, GD tiene un alivio del impacto ambiental más destacado que SC. Sin la mejora continua de CMT en GD después de 2010, los impactos ambientales han seguido aumentando con el crecimiento de la producción de cemento.

a compara los impactos ambientales clave de la fabricación de cemento con base en tres CMT principales. El tamaño de la burbuja representa la parte de la categoría de impacto seleccionada que representa la suma de los resultados de normalización del LCA de una CMT. b muestra la ubicación geográfica de dos casos seleccionados a nivel provincial. c ilustra la evolución del impacto ambiental de PMF causado por la fabricación de cemento con base en tres hornos de cemento en 2002, 2006, 2010, 2014 y 2018.

Las ganancias ambientales de la evolución de CMT se representan en la Fig. 3. Nuestros hallazgos mostraron que la adopción de CMT avanzada (por ejemplo, hornos rotatorios NSP) tiene ventajas ambientales notables en la fabricación de cemento, mitigando la carga ambiental en ~25–53% de 1996 a 2021 basado en la categoría de impacto ambiental. La innovación de los hornos de cemento condujo a una disminución anual en las emisiones contaminantes y el consumo de recursos de la fabricación integral de cemento en China. Para 2021, la adopción y expansión de los hornos rotatorios NSP condujo a reducciones acumuladas de ~53 % en PMF, 47 % en TA, 34 % en TE, 30 % en POF, 29 % en CC y 25 % en toxicidad humana (HT ). Además, se ahorraron ~2270 mil millones de toneladas (Bt) de combustible fósil y 28 Bt de agua dulce.

a–h comparan los impactos ambientales de la fabricación de cemento en China en dos situaciones: la "Situación real" y el "Escenario supuesto" (si no se hubiera llevado a cabo la mejora de CMT). Los porcentajes señalados en la Fig. 3 son la reducción acumulada de los impactos ambientales de 1996 a 2021.

Aunque FD, CC y POF son los impactos ambientales más notables de la fabricación de cemento, PMF se ha convertido en el beneficiario más destacado de la mejora de CMT (Figura complementaria 3). Este resultado puede deberse a la gobernanza efectiva de PM de las empresas cementeras con líneas de producción de NSP, que cumplen con el Estándar Nacional de Emisión de Contaminantes Atmosféricos para la Industria del Cemento (GB 4915–2013) por debajo de 20–30 mg m−344. Además, se han adoptado colectores de polvo tipo bolsa, contribuyendo a una producción más limpia, con una eficiencia de remoción de polvo del 99,95%45. El cuarenta y siete por ciento del consumo de agua dulce se ha reducido a través del proceso de fabricación en seco de los hornos rotatorios NSP. A una temperatura de 830–930 °C, la harina cruda de cemento, es decir, el carbonato de calcio, se descompone para producir óxido de calcio, que tiene un fuerte efecto de absorción de azufre. Además, el acondicionamiento o enfriamiento del agua de la torre de humidificación puede absorber el azufre emitido por la combustión del combustible y el procesamiento de materiales46. El dióxido de azufre (SO2) emitido por la molienda de la materia prima es absorbido por el vapor de agua en el gas residual y la superficie del polvo de la materia prima. Todos estos procesos y equipos únicos han llevado a una disminución de casi el 50 % en SO2. Además, FD, POF y CC tienen capacidades de mitigación de contaminantes de más de una cuarta parte de los impactos ambientales acumulativos en el "Escenario Asumido".

La Figura 4a muestra las emisiones de CO2 por tonelada de producción de cemento por país desde 1990 hasta 2015. Canadá tiene la mayor carga de emisiones de CO2 por tonelada de cemento fabricado durante todo el período. En contraste, la carga ambiental de China por tonelada de producción de cemento fue menor que la de la mayoría de los países desarrollados: a pesar de las fluctuaciones durante el período 1990-2000, hubo una disminución notable después de 2000 debido al rápido aumento de los hornos rotatorios NSP. Los cuatro principales productores mundiales de cemento incluyeron a China, India, Vietnam y Estados Unidos, con más de 90 Mt de producción de cemento en 202047. Las emisiones de China e India fueron inferiores a 400 kg de CO2 t−1 de cemento, mientras que las emisiones de Vietnam fueron superiores a 500 kg CO2 t−1 cemento en 2015. El horno de cuba sigue siendo el principal CMT en Vietnam; los hornos rotatorios representan menos del 30% del mercado de hornos de cemento48,49,50. En cuanto al consumo global de electricidad de la producción de cemento (Fig. 4b), Canadá y los EE. UU. aparecieron como los dos países principales, con más de 130 kWh t−1 de cemento en 2018 debido al uso creciente de combustibles alternativos como los desechos peligrosos. y llantas que requieren más electricidad17,51. Para China e India, los resultados fueron de ~80 kWh t−1 de cemento porque los hornos rotatorios NSP tenían una participación de mercado de más del 95 %52. China es el país líder en la implementación de la tecnología Excess Heat Recovery (EHR) en el sector del cemento. Casi el 90 % de su capacidad de producción de clinker nacional está equipada con EHR, lo que contribuye notablemente al ahorro de energía17. India cuenta con equipos de última generación para la trituración, la molienda de harina cruda y la molienda final53,54, lo que permite un mayor ahorro de electricidad.

a compara las emisiones promedio de CO2 por tonelada de cemento producida por país desde 1990 hasta 2015. Aquí, las emisiones totales de CO2 de la producción de cemento en cada país5 se dividen por la producción total de cemento del país47. b ilustra el uso de electricidad por tonelada de cemento producido en 2018. Los datos se recopilan de la Agencia Internacional de Energía79.

La evolución de los impactos ambientales en China ofrece una fuerte evidencia de los notables beneficios que trae la mejora de CMT. Nuestro análisis regional reveló los impactos ambientales en los lugares de producción de cemento, lo cual es importante, especialmente para la explotación de recursos naturales y contaminantes como el consumo local de energía fósil y los metales pesados vertidos en el suelo y el agua13,26,27,28. Estos hallazgos pueden ayudar a los formuladores de políticas a proponer medidas específicas para facilitar la producción más limpia. Por ejemplo, los suelos contaminados con metales pesados podrían usarse como reemplazo de la arcilla en la producción de cemento Portland para tratar la contaminación local por metales pesados15. Hacia 2030, la demanda de cemento de China mostrará una tendencia a la baja55. Actualmente, la mayor parte de la producción de cemento se ha aprovechado de los hornos rotatorios NSP en China, lo que deja poco espacio para un mayor desarrollo de CMT13. Las estrategias de mitigación adicionales para la industria del cemento de China deben centrarse en una mejor aplicación de tecnologías innovadoras de reducción de la contaminación (por ejemplo, energía renovable, captura de carbono y tecnología de almacenamiento56,57) y la elección de materias primas adecuadas y sustituciones de combustibles para la fabricación de cemento que adapten la tecnología moderna del hormigón para alcanzar el objetivo de neutralidad de carbono. Desde la perspectiva del ciclo de vida, la certificación de materiales de construcción ecológicos, como las declaraciones ambientales de productos (EPD), podría utilizarse más para ayudar a diseñar medidas políticas que favorezcan los productos de cemento con bajas emisiones de carbono58.

Desde una perspectiva global, es esencial identificar la carga ambiental dominante a través del análisis de participación de mercado de CMT antes de que los gobiernos locales propongan estrategias de mitigación correspondientes para la industria del cemento. Por un lado, se deben priorizar enfoques como acelerar la modernización de CMT y mejorar el estándar de emisión de contaminantes atmosféricos para reducir el impacto ambiental en el mercado del cemento liderado por hornos de cuba u otros hornos rotatorios. Nuestro análisis regional mostró que los hornos de eje obsoletos y la falta de tecnologías más nuevas se enumeraron como los factores clave que contribuyen al impacto ambiental causado por la fabricación de cemento. Por ejemplo, Vietnam tiene el 8,3 % de la capacidad mundial de producción de cemento, y la mayor parte de esta capacidad se sustenta en hornos de cuba47; por lo tanto, la mitigación del impacto ambiental que acompaña a la rápida innovación de CMT mejorará significativamente. Además de la tecnología, la recesión del mercado y la sobrecapacidad son barreras serias que afectan a las industrias cementeras de algunos países en desarrollo. Deben considerarse medidas como la integración de la capacidad de producción de las empresas de cemento y la eliminación gradual de las plantas de cemento obsoletas. Por otro lado, la gobernanza colaborativa de contaminantes clave (p. ej., CO2, SO2, NOX) es crucial para los países donde los hornos rotatorios NSP son el principal CMT; aumentar los equipos de tecnología EHR, cambiar a combustibles con bajo contenido de carbono, elegir combustibles alternativos con bajo contenido de humedad43,59, mejorar la eficiencia energética de los equipos auxiliares (p. ej., transportadores, elevadores, sopladores, compresores y bombas60) y adoptar sistemas de molienda avanzados. (p. ej., rodillos de molienda de alta presión y molinos de rodillos verticales) proporcionará un ahorro de electricidad del 50% al 70% en comparación con los molinos de bolas de uso generalizado actuales61. Además, nuestra investigación ilustra que los hornos de cemento NSP, que son los hornos más eficientes disponibles en todo el mundo, aún requieren mayores esfuerzos para mitigar los oxidantes fotoquímicos, como la combustión con bajo contenido de nitrógeno, la combustión por etapas y la tecnología de reducción catalítica selectiva (SCR)62.

Reconocemos las siguientes limitaciones de esta investigación. Debido a la información limitada sobre la participación de mercado de las tres CMT principales, se adoptan modelos de regresión lineal para simular la tendencia de desarrollo de las CMT en cada provincia desde 1996 hasta 2021. Además, se aplica el inventario nacional del ciclo de vida de la fabricación de cemento debido a la falta del inventario de ciclo de vida de cada provincia. Por lo tanto, es necesario investigar más a fondo las asociaciones y empresas cementeras locales para complementar y actualizar estos datos. Además, las categorías de cemento (p. ej., 32.5, 42.5, 52.5) que tienen varios requisitos de fabricación son diferentes según la región; por lo tanto, los impactos ambientales de la fabricación de diversos productos de cemento probablemente no sean los mismos. En consecuencia, la estructura de consumo local de varias categorías de cemento y las cargas ambientales correspondientes quedan por estudiar más a fondo.

Hemos ilustrado la evolución de CMT desde 1996 hasta 2021 a nivel nacional y provincial. Los estudios sugirieron que China experimentó una transición hacia la producción más limpia en la industria del cemento durante las últimas décadas: de hornos de cuba y otros hornos rotatorios a hornos rotatorios NSP, que representaron ~99 % del mercado de CMT en 2021. Con base en el análisis regional, los resultados indicaron que la mejora de CMT en las provincias occidentales y septentrionales, como Shanxi y Ningxia, parece ser más lenta, con menos producción de cemento en comparación con las provincias orientales y meridionales debido a una economía subdesarrollada y la falta de recursos de piedra caliza.

Nuestros hallazgos identificaron los impactos ambientales de la fabricación de cemento por parte de tres CMT principales. Los resultados confirmaron además que FD, CC y POF parecían ser el efecto predominante. Los hornos rotatorios NSP eran más ecológicos que los hornos de cuba y otros hornos rotatorios. El impacto dominante pasó de FD a CC con la actualización de CMT. Sin embargo, los hornos rotatorios NSP aún necesitan más atención para mitigar los oxidantes fotoquímicos. Además, los impactos locales asociados al suelo y al agua son principalmente TA y TE. Desde la perspectiva provincial, la carga ambiental de la fabricación de cemento mostró una relación intensa con la producción de cemento y la CMT.

Este estudio exploró las ganancias ambientales obtenidas al modernizar la fabricación de cemento en China. La investigación mostró que la adopción de CMT avanzado (por ejemplo, hornos rotatorios NSP) tiene notables ventajas ambientales en la fabricación de cemento. Por el contrario, PMF se ha convertido en el beneficiario más destacado de la modernización de CMT. Para 2021, la adopción y expansión de los hornos rotatorios NSP generó reducciones acumuladas de ~53 % en PMF, 47 % en TA, 34 % en TE, 30 % en POF, 29 % en CC y 25 % en HT. Además, se ahorraron ~2270 Bt de combustible fósil y 28 Bt de agua dulce. Posteriormente, comparamos la carga ambiental entre países. Los resultados demostraron que las emisiones de CO2 y el uso de electricidad por tonelada de producción de cemento en China fueron inferiores a los de la mayoría de los demás países desarrollados debido a la implementación de tecnología avanzada en el sector del cemento (p. ej., EHR).

En conclusión, nuestros hallazgos facilitarán el desarrollo sostenible y acelerarán la transición ecológica de la industria cementera mundial al proporcionar estrategias de mitigación de la carga ambiental para la innovación tecnológica, la producción más limpia y el diseño de políticas de sostenibilidad.

Basado en la cuota de mercado de los hornos rotatorios NSP de 2005 a 200963 (Tabla complementaria 4), se adoptó un modelo de regresión lineal para analizar la cuota de mercado de los hornos rotatorios NSP en China de 2001 a 2021 (los detalles y los resultados se muestran en Métodos complementarios) . Luego, con base en los resultados de la participación de mercado de los hornos rotatorios NSP, se estimó la participación de mercado y la tasa de crecimiento anual de los hornos de eje y otros hornos rotatorios en cada provincia mediante investigaciones de campo en 2006 y 2012 (Tabla complementaria 1). La cuota de mercado de los hornos de cuba se puede calcular mediante la ecuación. (1).

donde q es la provincia en China. \({L}_{j}^{q}\) es la cuota de mercado de los hornos de cuba en la provincia q en el año j, y \({N}_{j}^{q}\) es la cuota de mercado de Hornos rotatorios NSP en la provincia q en el año j. \({l}_{2006}^{q}\) y \({l}_{2012}^{q}\) representan la proporción de la capacidad diseñada de los hornos de cuba de las empresas cementeras en la provincia q en 2006 y 2012, respectivamente. \({h}_{2006}^{q}\) y \({h}_{2012}^{q}\) son la proporción de la capacidad diseñada de otros hornos rotatorios de empresas cementeras en la provincia q en 2006 y 2012, respectivamente.

Dado que la producción de cemento basada en hornos rotatorios NSP representaba menos del 10 % de la producción nacional de cemento antes de 20006,10, antes de 2000 solo se consideraban los hornos de cuba y otros hornos rotatorios. La provincia de Hainan, el municipio de Tianjin y la provincia de Taiwán no se incluyen porque no están contenidos en el China Cement Almanac63. Con base en la participación de mercado de las CMT, la producción nacional de cemento a través de varias CMT se puede obtener mediante la Ec. (2).

donde \({P}_{j}^{a}\) es la producción nacional de cemento de CMT categoría a en el año j. \({T}_{j}\) es la producción total de cemento en China en el año j63,64,65. \({C}_{j}^{a}\) es la cuota de mercado nacional de la categoría a de CMT en el año j.

LCA es el tipo de valoración más utilizado y con amplia aceptación internacional para medir los impactos ambientales66. El modelo LCA comprende la extracción de recursos, la preparación de materias primas, la calcinación de clínker y la molienda de cemento (Fig. 5). El transporte y el proceso de envasado del cemento no están incluidos en el límite de LCA. La unidad funcional es 1 tonelada de cemento Portland ordinario debido a que su producción representa más del 98% de la producción total de cemento en China30. El inventario del ciclo de vida de los principales tipos de hornos de cemento en China se recopila a partir de estudios realizados por académicos indígenas Gong67, Yu68 y Li41 (que se muestran en la Tabla complementaria 2). El LCA de los procesos de fabricación de cemento se realiza mediante el software Gabi v10.5. Aquí, se adopta el método de punto medio (H) de ReCipe2016 v1.169 para analizar la caracterización del impacto ambiental de los tres principales CMT. Para este estudio, se seleccionan ocho categorías de impacto: cambio climático (kg CO2 eq.), agotamiento de fósiles (kg petróleo eq.), formación de oxidantes fotoquímicos (kg NOx eq.), acidificación terrestre (kg SO2 eq.), formación de material particulado (kg PM2.5 eq.), toxicidad humana (kg 1,4-DCB eq.), ecotoxicidad terrestre (kg 1,4-DCB eq.) y consumo de agua dulce (m3). Estos impactos se identifican como los mayores impactos ambientales de la fabricación de cemento28,70,71,72,73.

La cadena de valor de la fabricación de cemento incluye cuatro pasos: extracción de recursos, preparación de materia prima, quema de clínker y molienda de cemento. El inventario comprende dos aspectos: los insumos de energía, material y agua; las salidas de emisiones al aire, agua y tierra.

Posteriormente, se lleva a cabo una normalización del impacto ambiental en el punto medio para comparar la contribución de la fabricación de cemento a los impactos totales en varias categorías74. En la normalización, los resultados caracterizados de cada categoría de impacto se dividen por un valor de referencia seleccionado (R), que lleva todos los resultados a la misma escala28 (Ec. (3)); este proceso es útil para interpretar los resultados. Los factores de normalización en nuestro estudio se refieren al nivel mundial de normalización de punto medio ReCipe2016 v1.1 201075,76.

donde \({N}_{e}\) es el resultado de la normalización del impacto ambiental e. \({C}_{e}\) es la magnitud total del impacto ambiental e. \({R}_{e}\) es el factor de normalización para la categoría de impacto ambiental e.

El análisis de escenarios se considera una herramienta vital para facilitar el pensamiento estratégico en la evaluación del impacto ambiental y apoyar un proceso de planificación integrado en el que participen las principales partes interesadas77. Según los resultados de LCA, dos escenarios pueden revelar la contribución de la aplicación de CMT. El escenario supuesto representa ninguna mejora de CMT (es decir, ningún horno rotatorio NSP) después de 2000, suponiendo que las cuotas de mercado de los hornos de eje y otros hornos rotatorios fueron el porcentaje promedio de 1996 a 2000. Las ecuaciones para calcular varios impactos ambientales en el "Actual Situación" y "Escenario Asumido" se muestran en la Tabla 1. Luego, comparamos los impactos ambientales para identificar las ganancias ambientales de la evolución de CMT en China.

El Acuerdo de París utiliza el CO2 como indicador dominante para evaluar el estrés de las emisiones de gases de efecto invernadero en el clima78. De acuerdo con los resultados que se muestran en la Fig. 2a, el cambio climático se identifica como el impacto ambiental clave de la fabricación de cemento. Por lo tanto, las emisiones de CO2 se seleccionan como el impacto ambiental típico para comparar por tonelada de producción de cemento por país. Sin embargo, existe poca información sobre la estructura de la CMT y su correspondiente carga ambiental en otros países. Para mejorar la comparabilidad, las emisiones totales de CO2 de la producción de cemento en cada país5 se dividen por la producción total de cemento del país47 (ecuación (4)). Además, la electricidad por tonelada de cemento por país en 2018, que se recolectó directamente de la Agencia Internacional de Energía79, se utilizó para comparar más el consumo de energía y la carga ambiental de la fabricación de cemento entre países.

donde \({E}_{j}^{m}\) son las emisiones promedio de CO2 de la producción de cemento en el país m en el año j. \({I}_{j}^{m}\) son las emisiones totales de CO2 de la producción de cemento en el país m en el año j5. \({T}_{j}^{m}\) es la producción total de cemento en el país m en el año j47.

Los conjuntos de datos generados y analizados en este estudio se elaboran con más detalle en la información complementaria y están disponibles en Figshare (https://doi.org/10.6084/m9.figshare.20580399.v1). La producción de cemento en China por provincia se obtiene del Almanaque de cemento de China63, el Almanaque de la industria de materiales de construcción de China64 y la Oficina Nacional de Estadística de China (http://www.stats.gov.cn/)65. La electricidad por tonelada de cemento por país está disponible en la Agencia Internacional de Energía (https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/electricity-use-per-tonne-of-cement-in-selected- países-y-regiones-2018)79.

Todas las figuras del mapa se realizaron con el software Tableau (2021). Los análisis de evaluación del ciclo de vida realizados aquí utilizaron el paquete de software estándar: Gabi (v10.5).

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Este trabajo fue apoyado financieramente por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (71974129, 71991484), el Programa Pujiang de Shanghái (20PJ1412000) y el Programa de Designación Especial [Académico del Este] del Instituto de Estudios Superiores de Shanghái (TP2020049).

Escuela de Medio Ambiente y Arquitectura, Universidad de Shanghai para la Ciencia y la Tecnología, Shanghai, China

Xiaozhen Xu, Beijia Huang, Lian Duan, Yanxi Chen y Yuyue Wang

Instituto de Ciencias Geográficas e Investigación de Recursos Naturales, Academia China de Ciencias, Beijing, China

Litao Liu

Energía y Materiales en Infraestructura y Edificios (EMIB), Universidad de Amberes, Amberes, Bélgica

zhi cao

Laboratorio clave del medio ambiente ecológico de la región del embalse de las Tres Gargantas, Ministerio de Educación, Facultad de Medio Ambiente y Ecología, Universidad de Chongqing, Chongqing, China

Xiaofenggao

Departamento de Gestión de la Construcción, Escuela de Ingeniería Civil, Universidad de Tsinghua, Beijing, China

Ruichang Mao

Departamento de Tecnología Verde, Universidad del Sur de Dinamarca, Odense, Dinamarca

pandilla liu

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BH diseñó la investigación. XX redactó el manuscrito. XX y BH dibujaron todas las figuras. LL recopiló datos provinciales de CMT. BH, GL, ZC, XG, RM y LD revisaron el manuscrito. XX, YC y YW realizaron el cálculo y el análisis.

Correspondencia a Beijia Huang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses. Gang Liu es miembro del consejo editorial de Communications Earth & Environment, pero no participó en la revisión editorial ni en la decisión de publicar este artículo.

Communications Earth & Environment agradece a Ujjwal Sharma y a los otros revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo. Editores principales de manejo: Alessandro Rubino, Joe Aslin y Heike Langenberg.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

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Reimpresiones y permisos

Xu, X., Huang, B., Liu, L. et al. La modernización de la fabricación de cemento en China conduce a beneficios ambientales sustanciales. Entorno terrestre común 3, 276 (2022). https://doi.org/10.1038/s43247-022-00579-3

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Recibido: 04 marzo 2022

Aceptado: 10 de octubre de 2022

Publicado: 17 noviembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-022-00579-3

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