Das National Renewable Energy Laboratory (NREL) wurde ausgewählt, um über 5,4 Millionen US-Dollar von der Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) des US-Energieministeriums für die Entwicklung von Technologien zu erhalten, die Gebäude in Kohlenstoffspeicherstrukturen umwandeln können. Die Finanzierung ist Teil von ARPA-E Nutzbarmachen von Emissionen in Strukturen, die Eingaben aus dem Atmosphärenprogramm (HESTIA) erhaltendas darauf abzielt, Hindernisse für die Planung und den Bau von kohlenstoffspeichernden Gebäuden zu beseitigen.
Der Bausektor ist für einen erheblichen Teil der gesamten jährlichen Treibhausgasemissionen in den Vereinigten Staaten verantwortlich, was ihn zu einem wichtigen Ziel für die Dekarbonisierung macht – sowie zu einem der am schwierigsten zu dekarbonisierenden Sektoren.
Im Rahmen des HESTIA-Programms werden NREL-Forscher Möglichkeiten entwickeln, die Gesamtmenge des in Gebäuden gespeicherten Kohlenstoffs zu erhöhen, um Kohlenstoffsenken zu schaffen, die mehr Kohlenstoff aus der Atmosphäre absorbieren, als durch die Herstellung von Baumaterialien und den Bauprozess freigesetzt wird.
Von den 18 finanzierten Projekten erhielt NREL zwei Hauptpreise und ist bei einem dritten Unterpreisträger.
Isolierung, die Sie wachsen lassen können
Ein Team unter der Leitung von Robbin Garber-Slaght vom NREL und Co-Hauptforscher Philippe Amstislavski von der University of Alaska Anchorage erhielt fast 2,5 Millionen US-Dollar an HESTIA-Mitteln, um kostengünstige, biobasierte Isoliermaterialien zu entwickeln. Das Projekt „Celium: Cellulose-Mycelium Composites for Carbon Negative Buildings/Construction“ wird eine CO2-negative Isolierung schaffen, indem es geschäumte Zellulose mit Myzel – dem Wurzelnetzwerk von Pilzen – kombiniert.
„Die Idee hinter dem Projekt ist, dass wir Zellulose nehmen und sie mit Myzel verbinden“, sagte Garber-Slaght, ein Ingenieur für nachhaltige Gebäude am Cold Climate Housing Research Center des NREL. „Was ist CO2-negativer als Dämmstoffe, die man anbauen kann?“
Das NREL-Team arbeitet seit fast sechs Jahren mit der University of Alaska Anchorage zusammen, um die Technologie zu verfeinern. Die Gruppe konzentriert sich auf Zellulose, die spezifisch für Alaska ist – ein Markt, in dem Dämmstoffe 30 % bis 50 % der Kosten für Hausbaumaterialien ausmachen können.
„Für diese Technologie bin ich der Endbenutzer“, sagte Garber-Slaght, der in Fairbanks, Alaska, lebt und arbeitet. „Gebäude in Alaska sind unglaublich ineffizient, und der Versuch, sie auf irgendein Effizienzniveau zu bringen, ist sehr schwierig. Unser Ziel ist es, modulare, tragbare Fertigungseinheiten zu entwickeln, damit wir lokale Bäume oder Zellulose ernten und Isolierungen vor Ort entwickeln können. Etwas zu entwickeln, das nicht verschickt werden muss, bedeutet enorme Einsparungen, sowohl in Bezug auf die Kosten als auch auf die Energie.“
Zusätzlich zu den Kosten- und Energieeinsparungen hat die neue Methode zur Herstellung von Isolierung auch eine thermische Leistung, die sie mit Kunststoffschaum vergleichbar macht – was das Team einem direkten (und saubereren) Ersatz für Kunststoffisolierung näher bringt.
„Wir sind endlich an einem Punkt angelangt, an dem die Technologie einer Kommerzialisierung nahe kommt“, sagte Garber-Slaght. „In drei Jahren wollen wir ein marktfähiges Dämmprodukt haben. In fünf Jahren möchte ich die modulare Fertigung in ländlichen Gemeinden sehen. Und ich hoffe, dass wir in 10 Jahren jedes Gebäude in Alaska nachrüsten können.“
Neben der University of Alaska Anchorage hat das NREL-Team mit dem VTT Technical Research Center of Finland und dem Forest Products Laboratory des US-Landwirtschaftsministeriums als Partner zusammengearbeitet. Obwohl Garber-Slaght seinen Sitz in Alaska hat, arbeitet das Team eng mit dem NREL-Büro in Golden, Colorado, zusammen. Zu den wichtigsten NREL-Mitarbeitern gehören Peter Ciesielski, Mike Himmel, Gokulram Paranjothi und Ryan Tinsley.
Kohlenstoffnegativer Beton
Der NREL-Forscher Wale Odukomaiya und sein Team erhielten rund 1,8 Millionen US-Dollar an Fördermitteln für ihr Projekt „High-Performance Carbon-Negative Concrete Using Low Value Byproducts from Biofuels Production“, das sich auf die Dekarbonisierung des für den Hochbau verwendeten Betons konzentriert.
Das Projekt zielt darauf ab, neue, biobasierte ergänzende zementartige Materialien (SCMs) zu schaffen, die eine erhebliche Menge an Zement ersetzen können, die in Beton verwendet wird. Die neuen, biobasierten SCMs werden das Kohlendioxid (CO2), die durch die einheimische Biomasse aus der Atmosphäre abgesondert werden, um in Beton eingeschlossen zu werden. Das Team entschied sich aufgrund seiner erheblichen CO2-Auswirkungen dafür, sich auf Zement zu konzentrieren – den „Klebstoff“, der die anderen Bestandteile von Beton zusammenhält.
„Die Verwendung von Zement in Beton ist für etwa 8 % der vom Menschen verursachten globalen Treibhausgasemissionen verantwortlich. Das entspricht 40 % der Emissionen der Vereinigten Staaten und dem Doppelten der Emissionen Japans“, sagte Odukomaiya, ein Forscher in der Building Energy Science-Gruppe des NREL. „Beton ist nach Wasser das am zweithäufigsten verbrauchte Material weltweit. Und die meisten seiner Emissionen – zwischen 80 % und 85 % – stammen aus dem Zement, der in Beton verwendet wird.“
Das Team nutzt die geringwertigen Nebenprodukte aus einem anderen NREL-Projekt –Nachhaltiger Flugkraftstoff von [i] Erneuerbares Ethanol (SAFFiRE)– zur Herstellung von LignoCrete, ihrem neuen, kohlenstoffärmeren Beton.
„Wenn der SAFFiRE-Prozess so skaliert, wie wir es uns vorstellen, dann werden wir genug Nebenprodukte für LignoCrete haben, um zwischen 20 % und 60 % des Betons zu ersetzen, der in den Vereinigten Staaten jährlich verwendet wird“, sagte Odukomaiya. „Es gibt ein paar bestehende SCM-Optionen für den Ersatz von Zement, aber die meisten von ihnen haben nicht das Potenzial, auf solche Mengen zu skalieren, und ihre Lieferung ist an andere umweltverschmutzende Industrien wie Kohle und Stahl gebunden.“
Neben der Entwicklung von Beton mit einem geringeren CO2-Fußabdruck hofft das Team auch, eine verbesserte Festigkeit und eine verbesserte Wärmedämmung zu demonstrieren.
„Wir freuen uns über das Potenzial, einen stärker isolierenden Beton in Gebäuden zu verwenden, um ihre thermische Leistung zu verbessern“, sagte Odukomaiya. Die meisten Wohngebäude haben Fundamente und Kellerwände aus Beton, also gibt es dort viele Möglichkeiten.“
Wie bei den anderen ARPA-E-Projekten von NREL sind Zusammenarbeit und Industriepartnerschaften von entscheidender Bedeutung. Das Team arbeitet mit Carbon Upcycling Technologies (CUT) und der University of Colorado Boulder zusammen, um ihren neuen Beton zu entwickeln und zu charakterisieren. Die Technologie von CUT wird es dem Team ermöglichen, die Eigenschaften seiner Bio-SCMs zu verbessern und gleichzeitig zusätzliches CO zu ermöglichen2 Beschlagnahme.
„Zusätzlich zu unseren Industrie- und Universitätspartnern haben wir ein wirklich interdisziplinäres Team in mehreren Zentren des NREL“, sagte Odukomaiya. „Das ist wirklich eine Teamleistung.“
Von Mikroalgen bis Zement
NREL trägt auch zu einem von der University of Colorado Boulder geleiteten Projekt über biogenen Zement auf Kalksteinbasis mit dem Titel „A Photosynthetic Route to Carbon-Negative Portland Limestone Cement Production“ bei. Von den 3,2 Millionen US-Dollar, die für dieses Projekt bereitgestellt werden, soll das NREL-Team unter der Leitung von Michael Guarnieri 1,2 Millionen US-Dollar erhalten.
Das Projekt, das von Wil Srubar von der University of Colorado Boulder geleitet wird, zielt darauf ab, einen kohlenstoffspeichernden Portland-Kalkstein-Zement aus biogenem Kalkstein herzustellen und zu kommerzialisieren – eine Kalksteinart, die biogenen Zementklinker verwendet, der aus Coccolithophoren, Mikroalgen, die Kohlendioxid durch Photosynthese binden, gewonnen wird Verkalkung, um Kohlenstoff zu speichern.
„Derzeit sind die meisten zementbedingten CO2 -Emissionen entstehen durch das Kalzinieren von Kalksteinbruch zu CaO, wodurch CO freigesetzt wird2. Es ist also ein ziemlich starker Prozess, der Treibhausgase ausstößt“, sagte Guarnieri. „Das Potenzial, eine grüne Alternative zu schaffen, ist wirklich spannend.“
Das Projekt wird die bestehenden Fähigkeiten von NREL in der Algentechnik und -kultivierung nutzen. In den letzten zehn Jahren hat die Algenforschung von NREL auf die Kommerzialisierung von Algen-Biokraftstoffen hingearbeitet. Aber jetzt findet diese Arbeit neue Anwendungen.
„Die Grundlage, die wir auf der Algenplattform von NREL aufgebaut haben, wird einen Großteil dieser Arbeit in diesem neuen Bereich ermöglichen. Wir haben Jahre damit verbracht, genetische Werkzeuge für ein breites Wirtsspektrum zu entwickeln, die die Stämme verbessern werden, die zur Herstellung dieses Zements verwendet werden“, sagte Guarnieri. „Es zeigt wirklich die breite potenzielle Wirkung der Arbeit, die wir in den nationalen Labors leisten.“
Das Team hat über seinen Industriepartner Minus Materials bereits einen Weg zur Kommerzialisierung gefunden. Die University of North Carolina Wilmington arbeitet ebenfalls an dem Projekt mit und stellt ihr Fachwissen in der Coccolithophor-Kultivierung zur Verfügung. Ziel des Teams ist es, während des Förderzeitraums zu zeigen, dass die Integration von Komponenten wirtschaftlich ist.
„Ein Großteil dieser vorgeschlagenen Arbeit liegt in der Integration etablierter, unterschiedlicher Technologien, aber der übergreifende Prozess ist neu“, sagte Guarnieri. „Und die Nachhaltigkeit und potenziellen Auswirkungen dieser Arbeit auf den Lebenszyklus sind enorm.“
Erfahren Sie mehr über NRELs Bauforschung.
Artikel mit freundlicher Genehmigung der National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums (DOE).
Von Susannah Schuhmacher
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