Nachfrageänderungen können die Zukunft von kohlenstofffreiem Beton vorantreiben
Wenn die Staats- und Regierungschefs auf der Jahreskonferenz des Weltwirtschaftsforums in Davos zusammenkommen, um globale Themen wie den Klimawandel zu diskutieren, werden sie den Tag umgeben von Beton verbringen. Häuser, Wolkenkratzer, Straßen, Autobahnen, Brücken, Gehwege, Wassersysteme, Dämme und mehr verlassen sich auf Beton wegen seiner unübertroffenen Festigkeitseigenschaften, Haltbarkeit, Vielseitigkeit und niedrigen Kosten. Kein Wunder, dass die weltweite Nachfrage nach Zement, der mit Wasser und Mineralien zu Beton erhärtet, voraussichtlich steigen wird Steigerung um 48 % von 4,2 Milliarden auf 6,2 Milliarden Tonnen bis 2050.
In Chinas jüngster massiver Urbanisierung verwendete die Nation zwischen 2011 und 2013 mehr Beton als die Vereinigten Staaten in den USA gesamte 20. Jahrhundert. Während sich Chinas Verwendung von Beton verlangsamt, wird der Verbrauch in Indien, Afrika und anderen Entwicklungsländern inmitten der wirtschaftlichen Entwicklung in die Höhe schnellen, wobei die Nutzung zwischen Wohnen, Gewerbe und Infrastruktur aufgeteilt wird. Beton ist zwar unerlässlich für den Bau von Strukturen, die unser tägliches Leben verbessern, aber er ist für 8 % der weltweiten Kohlenstoffemissionen verantwortlich. und 90 % dieser Emissionen stammen aus der Herstellung von Klinkerder wichtigste festigkeitsgebende Bestandteil von Beton.
Gemäß dem Pariser Klimaabkommen muss die globale Betonindustrie ihre Emissionen bis 2030 um 16 % und bis 2050 um 100 % reduzieren, um das CO2-Budget von 1,5 °C einzuhalten. Dieser Aufwand erfordert erhebliche Änderungen in der gesamten konkreten Wertschöpfungskette, aber die einfachste und kostengünstigste Maßnahme besteht darin, weniger Material zu verwenden und gleichzeitig die Projektanforderungen zu erfüllen. Die Reduzierung der Nachfrage nach kohlenstoffintensivem Klinker wird dazu beitragen, die Betonindustrie wieder auf den richtigen Weg zu bringen, um ihre Klimaziele zu erreichen.
Besseres Design
Der erste Schritt zur Verringerung des CO2-Fußabdrucks des Sektors besteht darin, bei jeder Anwendung weniger Beton zu verwenden, selbst wenn die Anwendungen zunehmen. Es gibt mehrere bestehende und sich entwickelnde Methoden zur Sicherstellung der konkreten Materialeffizienz, die zu großen CO2-Einsparungen führen können, ohne das Material selbst zu verändern. Herkömmliche Entwürfe von Gebäuden und anderen Projekten zielen eher auf die Minimierung der Kosten als auf die Minimierung der CO2-Emissionen ab und legen übermäßige Designmargen an. Die jüngsten und laufenden Fortschritte bei automatisierten Entwurfswerkzeugen ermöglichen es Statikern und Architekten jedoch, schnell mehr strukturelle Optionen für ein bestimmtes Projekt zu erkunden und dabei die Materialeffizienz stärker zu berücksichtigen.
Veröffentlichung von RMI Profitable Dekarbonisierung von Schwertransport und Industriewärme taucht ein in die Beton- und Stahleinsparungen, die durch eine bessere Tragwerksplanung gewinnbringend erzielt werden können. Solche technischen Methoden haben zum Beispiel den Freedom Tower in New York und den Shanghai Tower in China gerettet 40 % und 24 % konkreten Nutzen bzw. Mit der Verbesserung der automatisierten Designsoftware wird erwartet, dass Lean Design mit aktuellen Methoden kostenmäßig (in der Designzeit) konkurrenzfähig ist und zu einem Haupttreiber für die Reduzierung der Nachfrage wird.
Ein zweiter Hebel ist, keinen neuen Beton zu verwenden. In einigen Fällen können Optionen wie die Wiederverwendung von Betonelementen aus alten Bauwerken CO2-Reduktionen bieten. Die richtige Antwort ist jedoch von Region zu Region unterschiedlich und hängt von einer Vielzahl anderer Faktoren ab, darunter die Art der Konstruktion, Designanforderungen, lokale Verfügbarkeit von Materialien und mehr.
Gleichzeitig müssen Bauvorschriften und Marktpräferenzen angepasst werden, um die Verwendung von kohlenstoffarmem Beton zu ermöglichen. Da Kohlenstoff zu einem Schlüsselaspekt beim Aufbau unserer Infrastruktur wird, müssen wir die Innovationslücke zwischen den Bedürfnissen der Designer und der bestehenden Technologie schließen. Tools wie das EC3-Tool vergleichen effizient den verkörperten Kohlenstoff von Projektdesignoptionen und strenge Tests werden den Weg für die kohlenstoffarmen Strukturen der Zukunft ebnen.
Stellen Sie kohlenstoffarmen Beton her
Neben der Reduzierung der Gesamtmenge an Beton, die in Gebäuden verwendet wird, ist die Verwendung von weniger Zement pro Betoneinheit eine weitere effektive Möglichkeit, den Klinkergehalt und die Kohlenstoffintensität von Beton zu reduzieren. Um die Bindemittelintensität zu reduzieren, ohne das Risiko zu erhöhen, sollten wir auf die Verwendung von Massenzement wie Transportbeton umstellen, bei dem die Zementverschwendung um bis zu 30 % reduziert wird, die Mischungsspezifikationen und die Mischungserstellung präziser sind und Chemikalien, sogenannte Zusatzmittel, hinzugefügt werden können Verbesserung der Betoneigenschaften und Verringerung des Zementbedarfs.
In vielen Ländern bevorzugen Bauherren immer noch die Verwendung von Sackzement, was sowohl zu Abfall als auch zu Überbeanspruchung führt. Die Industrialisierung eines Teils des Weltmarktes für Sackzement (derzeit 42%) würde zu erheblichen Zementeinsparungen führen, erfordert jedoch Investitionen in Transportbetonwerke und Zementlastwagen sowie eine erhebliche Veränderung der lokalen Marktdynamik. In Regionen wie den USA und der EU ist der Zementverbrauch bereits weitgehend industrialisiert, während der Marktanteil von Sackzement in Indien fast 90 % beträgt, was eine enorme Chance zur CO2-Einsparung bietet. Bestehende Anlagen enthalten bereits eine Vielzahl chemischer Zusatzstoffe wie Dispergiermittel, die den Wasserbedarf und damit die benötigte Zementmenge reduzieren. Andere Beimischungen umfassen Beschleuniger, die Beton schneller festigen, und luftdurchlässige Mittel, die es Luftblasen ermöglichen, das Volumen zu erhöhen und den Feststoffeintrag für Anwendungen mit geringerer Festigkeit zu verdrängen.
Innovationen zur Schaffung neuer Zusatzmittel sowie zur Verbesserung der Anwendbarkeit, Effizienz und Kostenwettbewerbsfähigkeit bestehender Lösungen werden einen drastisch geringeren Klinker- und Zementgehalt im Beton ermöglichen, während die Leistung in einer bestimmten Anwendung erhalten bleibt.
Alternativen zu herkömmlichem Portland-Klinkerzement waren ebenfalls Gegenstand zahlreicher Forschungen, aber Kosten, Materialleistung, Verfügbarkeit von Rohmaterialien und Energieeinsatz haben zu einer begrenzten Akzeptanz geführt. Obwohl dieser Hebel einige Vorteile hat, ist ein groß angelegter Einsatz dieser Nischenlösungen kurzfristig unwahrscheinlich, da sie relativ kundenspezifische Produkte bleiben und Nischen in einer stark standardisierten Welt suchen.
Die Verwendung von weniger gewöhnlichem Portlandzement hat jedoch auf andere Weise an Boden gewonnen – durch den Ersatz begrenzter Mengen von ergänzenden zementartigen Materialien (SCMs) in Zementmischungen, um Klinker teilweise zu ersetzen. SCM zeigen ein ähnliches Verhalten wie Klinker, wenn sie mit Wasser gemischt werden, und tragen zur Festigkeit der Zementmischung bei, können Klinker jedoch in den meisten Fällen nicht vollständig verdrängen. SCM umfassen industrielle Abfallprodukte wie gemahlene granulierte Hochofenschlacke (GBFS) und Flugasche, kalzinierte Tone, natürliche Puzzolane und gemahlenen Kalkstein. Das aktuelle Klinker-zu-Zement-Verhältnis beträgt 0,72aber die Global Cement and Concrete Association (GCCA) strebt eine Reduzierung des durchschnittlichen globalen Klinkergehalts von Zement um 18 % bis 2050 an.
Die Auswahl von Beton mit hohen Klinkerersatzraten kann sofort erfolgen verwandt reduzieren CO2-Emissionen eines traditionellen fünfstöckigen Gebäudes um 32 % bei einem Anstieg der Gesamtbaukosten um weniger als 0,5 %. Das antike römische Pantheon ist vollständig aus natürlichem Puzzolanzement gebaut, während modernere Beispiele enthalten sind Die Sphären in Seattle und der Iconic Tower in Kairo, die beide den kohlenstoffarmen ECOPlanet-Zement von Holcim verwenden. Während viele dieser SCMs Leistungsvorteile bringen, können eine längere Abbindezeit und eine verringerte Frühfestigkeit die Projektzeitpläne verzögern und in einigen Fällen zusätzliche Kosten verursachen.
Die Verbesserung der Beschleunigungszusätze, die die Abbindezeit und Festigkeit verbessern, ist entscheidend für eine stärkere Einarbeitung der SCMs in Mischbeton. Weitere Tests und Aktualisierungen von Standards sind ebenfalls entscheidend, um die Akzeptanz zu verbessern. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass das Angebot an Flugasche und GBFS voraussichtlich zurückgehen wird, da ihre Quellen, Kohlekraftwerke bzw. Stahlwerke, auslaufen und dekarbonisiert werden, wodurch die Exploration und Gewinnung anderer SCMs für die Herstellung von umweltfreundlicherem Beton noch wichtiger wird . Angesichts der weltweiten Verfügbarkeit von Kalkstein und kalziniertem Kaolinit-Ton gilt LC3-Zement – bestehend aus 50 % Klinker, 30 % kalziniertem Ton, 15 % Kalkstein und 5 % Gips – als ein vielversprechender Ansatz für die Zukunft von kohlenstoffarmem Beton. Da neue SCMs und Verbesserungen der Leistungsfähigkeit aktueller Mischzemente auftauchen, werden der Klinkerfaktor und die Kohlenstoffintensität von Beton weiter abnehmen. In diesem entscheidenden Jahrzehnt des Klimaschutzes drängt jedoch die Zeit.
Eine Netto-Null-Zukunft
Einrichtungen wie z First Mover-Koalition, BetonNull, Industrielle Initiative zur tiefen Dekarbonisierung, und andere fordern jetzt kohlenstoffarmen Beton, und die Lieferanten müssen handeln, um der steigenden Nachfrage gerecht zu werden. Innovationen entlang der konkreten Wertschöpfungskette können sowohl Emissionen als auch Kosten senken, die technischen Grenzen der Kohlenstoffintensität verschieben und politische Änderungen beeinflussen. Wir brauchen einen mehrgleisigen Ansatz, der auf eine Reduzierung von Beton, Zement und Klinker abzielt. Die Tragwerksplaner der Zukunft werden mithilfe modernster Software schnell eine effiziente Grenze an Entwurfsoptionen ausloten, während Transportbetonwerke Projekte mit weniger kohlenstoffintensivem Beton beliefern. Diese Nachfragereduzierungen sind nur ein Teil der Gleichung, und angebotsseitige Maßnahmen wie alternative Kraftstoffe, Elektrifizierung und CO2-Abscheidung müssen die verbleibenden Emissionen eliminieren.
Durch die Mission Mögliche Partnerschaftmit RMI eine Partnerschaft eingegangen ist Energiewendekommission, Systemiq, Weltwirtschaftsforum, Europäische Akademie für Zementforschung (ECRA)und GCCA jeden dieser Dekarbonisierungshebel zusätzlich zu den Dekarbonisierungshebeln auf der Angebotsseite in der in Kürze erscheinenden Strategie für den Übergang des Zementsektors zu untersuchen. Die Beton- und Zementindustrie steht an der Schwelle einer radikalen Transformation auf ihrem Weg zur Netto-Null-Energiewende.
Von Ben Skinner und Radhika Lalit, © 2023 Rocky-Mountain-Institut. Veröffentlichung mit Genehmigung. Ursprünglich gepostet am RMI-Ausgang.
Vorgestelltes Foto von Pawel Czerwinski an Unsplash
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