Beton tegenkomen is een veelvoorkomend, zelfs routinematig gebeuren. En dat is precies wat beton bijzonder maakt.

Als het meest verbruikte materiaal na water, beton is onmisbaar voor de vele essentiële systemen - van wegen tot gebouwen - waarin het wordt gebruikt.

Maar door het uitgebreide gebruik, betonproductie draagt ​​ook bij aan ongeveer 1 procent van de uitstoot in de Verenigde Staten en blijft wereldwijd een van de vele koolstofintensieve industrieën. Klimaatverandering aanpakken, dan, betekent het verminderen van de milieueffecten van beton, zelfs als het gebruik ervan blijft toenemen.

In een nieuwe krant in de Proceedings van de National Academy of Sciences , een team van huidige en voormalige onderzoekers van de MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub) schetst hoe dit kan worden bereikt.

Ze presenteren een uitgebreide levenscyclusanalyse van de bouw- en bestratingssectoren waarin wordt ingeschat hoe de strategieën voor de vermindering van broeikasgassen (BKG) - inclusief die voor beton en cement - de cumulatieve emissies van elke sector kunnen minimaliseren en hoe die verminderingen zich verhouden tot de nationale vermindering van broeikasgassen doelen.

Het team ontdekte dat als reductiestrategieën werden geïmplementeerd, de emissies voor trottoirs en gebouwen tussen 2016 en 2050 kunnen dalen tot 65 procent en 57 procent, respectievelijk, zelfs als het gebruik van beton in die periode sterk is toegenomen. Deze liggen dicht bij de Amerikaanse reductiedoelstellingen die zijn vastgesteld als onderdeel van de klimaatakkoorden van Parijs. De overwogen oplossingen zouden er ook voor zorgen dat de betonproductie voor beide sectoren tegen 2050 CO2-neutraal is.

Ondanks de voortdurende decarbonisatie van het net en de verhoging van de brandstofefficiëntie, ze ontdekten dat de overgrote meerderheid van de BKG-emissies van nieuwe gebouwen en trottoirs in deze periode afkomstig zou zijn van operationeel energieverbruik in plaats van zogenaamde embodied emissies - emissies van materiaalproductie en constructie.

Bronnen en oplossingen

Het verbruik van beton, door zijn veelzijdigheid, duurzaamheid, maakbaarheid, en rol in de economische ontwikkeling, naar verwachting over de hele wereld zal toenemen.

Hoewel het essentieel is om rekening te houden met de belichaamde effecten van de lopende betonproductie, het is evenzeer essentieel om deze eerste effecten in de context van de levenscyclus van het materiaal te plaatsen.

Door de unieke eigenschappen van beton, het kan van invloed zijn op de duurzaamheidsprestaties op lange termijn van de systemen waarin het wordt gebruikt. Betonverhardingen, bijvoorbeeld, kan het brandstofverbruik van voertuigen verminderen, terwijl betonconstructies gevaren kunnen doorstaan ​​zonder dat er energie- en materiaalintensieve reparaties nodig zijn.

De effecten van beton, dan, zijn net zo complex als het materiaal zelf - een zorgvuldig geproportioneerd mengsel van cementpoeder, water, zand, en aggregaten. Het ontrafelen van de bijdrage van beton aan de operationele en fysieke effecten van gebouwen en trottoirs is essentieel voor het plannen van BKG-reducties in beide sectoren.

Set van scenario's

In hun krant CSHub-onderzoekers voorspellen de potentiële uitstoot van broeikasgassen door de bouw- en bestratingssectoren, aangezien er tussen 2016 en 2050 tal van emissiereductiestrategieën zijn geïntroduceerd.

Aangezien beide sectoren enorm zijn en zich snel ontwikkelen, om ze te modelleren was een ingewikkeld raamwerk vereist.

"We hebben geen details over elk gebouw en trottoir in de Verenigde Staten, " legt Randolph Kirchain uit, een onderzoekswetenschapper bij het Materials Research Laboratory en co-directeur van CSHub.

"Als zodanig, we begonnen met het ontwikkelen van referentieontwerpen, die bedoeld zijn om representatief te zijn voor huidige en toekomstige gebouwen en trottoirs. Deze werden aangepast om geschikt te zijn voor 14 verschillende klimaatzones in de Verenigde Staten en vervolgens verspreid over de Verenigde Staten op basis van gegevens van de U.S. Census en de Federal Highway Administration."

Om de complexiteit van deze systemen weer te geven, hun modellen moesten de hoogst mogelijke resoluties hebben.

"In de bestratingssector we hebben de huidige voorraad van het Amerikaanse netwerk verzameld op basis van zeer nauwkeurige segmenten van 10 mijl, samen met de oppervlaktecondities, verkeer, dikte, baanbreedte, en aantal rijstroken voor elk segment, " zegt Hessam Azari Jafari, een postdoc bij CSHub en een co-auteur op het papier.

"Om toekomstige bestratingsacties over de analyseperiode te modelleren, we gingen uit van vier klimaatomstandigheden; Vier wegtypen; asfalt, beton, en samengestelde bestratingsconstructies; evenals grote, minderjarige, en reconstructie van bestratingsacties gespecificeerd voor elke klimaatconditie."

Met behulp van dit kader, ze analyseerden een "geprojecteerd" en een "ambitieus" scenario van reductiestrategieën en systeemkenmerken voor gebouwen en trottoirs gedurende de analyseperiode van 34 jaar. De scenario's werden bepaald door de timing en de intensiteit van de strategieën voor het verminderen van broeikasgassen.

Zoals de naam doet vermoeden, het geprojecteerde scenario weerspiegelde de huidige trends. Voor de bouwsector oplossingen omvatten verwachte decarbonisatie van het net en verbeteringen aan bouwvoorschriften en energie-efficiëntie die momenteel in het hele land worden geïmplementeerd. Voor trottoirs, de enige geprojecteerde oplossing was verbeteringen aan het brandstofverbruik van voertuigen. Dat komt omdat naarmate de voertuigefficiëntie blijft toenemen, Ook de overtollige voertuigemissies als gevolg van een slechte wegkwaliteit zullen afnemen.

Zowel de geprojecteerde scenario's voor gebouwen als trottoirs omvatten de geleidelijke introductie van koolstofarme betonstrategieën, zoals gerecycled materiaal, koolstofafvang bij de cementproductie, en het gebruik van opgevangen koolstof om aggregaten te produceren en beton uit te harden.

"In het ambitieuze scenario " legt Kirchain uit, "we gingen verder dan de verwachte trends en onderzochten redelijke veranderingen die het huidige beleid en de verplichtingen van de [industrie] overtreffen."

Hier, de strategieën voor de bouwsector waren hetzelfde, maar agressiever uitgevoerd. De bestratingssector hield zich ook aan agressievere doelstellingen en nam verschillende nieuwe strategieën op, inclusief meer investeren om gladdere wegen op te leveren, selectief toepassen van betonnen overlays om stijvere bestratingen te produceren, en het introduceren van meer reflecterende trottoirs - die de energiebalans van de aarde kunnen veranderen door meer energie uit de atmosfeer te sturen.

Resultaten

Naarmate het net groener wordt en nieuwe woningen en gebouwen efficiënter worden, veel experts hebben voorspeld dat de operationele effecten van nieuwbouwprojecten zullen krimpen in vergelijking met hun embodied emissies.

"What our life-cycle assessment found, " says Jeremy Gregory, the executive director of the MIT Climate Consortium and the lead author on the paper, "is that [this prediction] isn't necessarily the case."

"Instead, we found that more than 80 percent of the total emissions from new buildings and pavements between 2016 and 2050 would derive from their operation."

In feite, the study found that operations will create the majority of emissions through 2050 unless all energy sources—electrical and thermal—are carbon-neutral by 2040. This suggests that ambitious interventions to the electricity grid and other sources of operational emissions can have the greatest impact.

Their predictions for emissions reductions generated additional insights.

For the building sector, they found that the projected scenario would lead to a reduction of 49 percent compared to 2016 levels, and that the ambitious scenario provided a 57 percent reduction.

As most buildings during the analysis period were existing rather than new, energy consumption dominated emissions in both scenarios. Consequently, decarbonizing the electricity grid and improving the efficiency of appliances and lighting led to the greatest improvements for buildings, they found.

In contrast to the building sector, the pavements scenarios had a sizeable gulf between outcomes:The projected scenario led to only a 14 percent reduction while the ambitious scenario had a 65 percent reduction—enough to meet U.S. Paris Accord targets for that sector. This gulf derives from the lack of GHG reduction strategies being pursued under current projections.

"The gap between the pavement scenarios shows that we need to be more proactive in managing the GHG impacts from pavements, " explains Kirchain. "There is tremendous potential, but seeing those gains requires action now."

These gains from both ambitious scenarios could occur even as concrete use tripled over the analysis period in comparison to the projected scenarios—a reflection of not only concrete's growing demand but its potential role in decarbonizing both sectors.

Though only one of their reduction scenarios (the ambitious pavement scenario) met the Paris Accord targets, that doesn't preclude the achievement of those targets:many other opportunities exist.

"In dit onderzoek, we focused on mainly embodied reductions for concrete, " explains Gregory. "But other construction materials could receive similar treatment.

"Further reductions could also come from retrofitting existing buildings and by designing structures with durability, hazard resilience, and adaptability in mind in order to minimize the need for reconstruction."

This study answers a paradox in the field of sustainability. For the world to become more equitable, more development is necessary. En toch, that very same development may portend greater emissions.

The MIT team found that isn't necessarily the case. Even as America continues to use more concrete, the benefits of the material itself and the interventions made to it can make climate targets more achievable.