Kuinka säästää miljoona tonnia hiilidioksidia

Rakennusala on tehnyt merkittävää edistystä käytön aikaisten hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi. Nyt kohteeksi tulisi ottaa sitoutuneen hiilen vähentäminen. Mielestämme on mahdollista vähentää jopa miljoona tonnia hiilidioksidiekvivalentteja päästöjä Ison-Britannian rakennusalalta vuosittain ajattelemalla toisin joitakin rakennusten hiili-intensiivisimpiä elementtejä. Tämä vähennys vastaa 40 miljoonan puun vuosittaista hiilidioksidin sidontaa.

Termiä sitoutunut hiili käytetään ilmaisemaan ilmaston lämpenemispotentiaalia (GWP), jota mitataan ekvivalenttina hiilidioksidipäästönä (CO2e), ja joka liittyy kaikkiin projektiin käytettäviin materiaaleihin ja prosesseihin.

Elinkaariarvioinnissa (LCA) otamme huomioon ennakolta sitoutuneen hiilen, joka liittyy kaikkiin materiaaleihin ja komponentteihin niiden valmistumiseen saakka. Tämän lisäksi huomioon otetaan käytön aikainen sitoutunut hiili, joka liittyy elementtien korvaamiseen ja ylläpitoon. Myös käytön aikaiset hiilidioksidipäästöt otetaan huomioon.

Elinkaariarvioinnit ovat tärkeitä, kun varmistetaan kokonaisvaltaisia ratkaisuja. Rakennusten rakenteissa ennakolta sitoutunut hiili on yleensä tärkein tarkasteltava osa-alue.

Tyypillisessä rakennuksessa käyttöä edeltävä sitoutunut hiili on sen rakenteissa, ja vastaa tyypillisesti 50-70% kaikista päästöistä. Samalla kun rakennusteknologia on kehittynyt merkittävästi, lähes kaikki rakennusten kantavat osat valmistetaan yhä betonista tai teräksestä ja vähäisemmässä määrin muuraamalla tai puusta. On vaikeaa löytää rakennusta, jossa ei ole käytetty lainkaan betonia esimerkiksi perustuksissa.

Betoni on maailman eniten käytetty rakennusmateriaali. Isossa-Britanniassa arvioidaan, että sitä käytetään rakennuksissa 36 miljoonaa tonnia joka vuosi(1). Tämä vastaa 4,5 miljoonan tonnin hiilidioksidiekvivalenttia päästöä, joka on noin 1% Ison-Britannian kaikista hiilidioksidipäästöistä(2).

Betoni talojen rakenteissa on valtava mahdollisuus sitoutuneen hiilen vähentämiseksi. Olemme kehittäneet kolmivaiheisen periaatteen rakennuksiin sitoutuneen hiilen vähentämiseksi Isossa-Britanniassa.

1. Haasta toimeksianto: Toimeksiannon haastaminen tarkoittaa rakennuksen rakenteille asetettujen vaatimusten testaamista ja sen varmistamista, että vaihtoehdot materiaalin käytön vähentämiselle on selvitetty. Betonirakenteissa tällä voi olla suuri merkitys, ja siihen voi kuulua tehokkaamman rakenteen löytäminen, kuormien pienentäminen tai muutokset julkisivun kiinnitykseen. Esimerkiksi rakenneverkon pienentäminen 9 x 9 metristä 8 x 8 metriin voi säästää 15 % CO2e/m2 jokaista laattaa kohti.

For example, reducing a structural grid from 9m x9m to 8m x8m can save 15% CO2e/m2 per slab.

2. Suunnitelman hienosäätö: Kun toimeksianto täyttää asiakkaan tarpeet ilman tahattomia hiili-intensiivisiä kohteita, tarkasteltavaksi otetaan suunnitelman hienosäätö. Tarkalla rakennusmääräysten soveltamisen ja rakenteiden käytön maksimoinnin analyysilla voidaan saavuttaa lisäsäästöjä. Yksin rakennusmääräysten tarkan soveltamisen avulla voidaan vähentää suunniteltuja kuormia 5–10%.

3. Leikkaa hiilidioksidia: Lopuksi tulee varmistaa, että materiaalit optimoidaan teknisille vaatimuksille sopiviksi ja minimoidaan samalla päästöt. Betonin osalta tämä tarkoittaa aktiivista toimintaa rakenteen tarkasteluksi, jotta voidaan löytää tilaisuuksia vähentää päästöjä jokaisen elementin ja betonisekoituksen osalta.

Betoniin liittyvien päästöjen vähentäminen vaatii materiaalin ymmärtämistä, ja sitä mistä se valmistettu ja kuinka voimme jalostaa sitä edelleen päästöjen vähentämiseksi. Arviomme mukaan pelkästään Ison-Britannian rakennusalalla voidaan säästää miljoona tonnia hiilidioksidiekvivalentteja päästöjä tällä lähestymistavalla.

Sementti on otettava tarkastelun kohteeksi, jos päästöjä aiotaan vähentää. Sementti on betonin aktiivinen ainesosa, joka muodostaa tyypillisesti 12 prosenttia sen painosta, mutta vastaa 85 prosenttia siihen sitoutuneesta hiilestä.

Insinöörit ottavat lähinnä huomioon vahvuuden ja kestävyyden, kun sementin pitoisuutta betonissa määritellään. Tyypillisesti minimi sementtipitoisuus lopullisessa seoksessa riippuu rakennusurakoitsijasta ja hänen toimittajastaan.

Toimittajan tulee toimittaa betonia, joka tyydyttää suunnittelijan vaatimukset, joten myös tässä vaiheessa keskitytään betonin ominaisuuksiin. Insinöörien vaatimusten lisäksi he keskittyvät betonin lujuuteen sekä sen yhdenmukaisuuteen tai virtaavuuteen.

Nämä viimeksi mainitut vaatimukset voivat lisätä merkittävästi sementtipitoisuutta yli sen mitä tarvitaan lujuusvaatimuksien täyttämiseen. Tämän takia sementtipitoisuus voi olla jopa 50% korkeampi, kuin mitä rakenteelliset vaatimukset edellyttävät.

Sementtiä on saatavana eri lajeina ja sekoituksina. Yleisin käytetty sementti on Portland tai CEMI. Sitä valmistetaan murskaamalla kalkkikiveä ja savea, lämmittämällä seos 1450 asteen lämpötilaan ja jauhamalla se hienoksi jauheeksi.

Tämä prosessi muuttaa kalkkikiven kemiallista rakennetta, ja tuloksena on reaktiivinen materiaali joka veteen sekoitettuna muodostaa vahvan ja kestävän matriisin, joka lukitsee yhteen betonin ainesosat. Sementin valmistus on energiaintensiivistä ja tuottaa paljon hiilidioksidia. Yksi tonni Portland-sementtiä sisältää noin 860 kg CO2e(3).

On tosin harvinaista käyttää puhdasta CEMI-sementtiä. Yleensä siihen sekoitetaan muita sementtiä korvaavia raaka-aineita (SCM), jotka tyypillisesti ovat jätteitä muilta teollisuudenaloilta. Näissä sementin kaltaisissa raaka-aineissa reaktiivisuuden taso vaihtelee, mikä voi muuttaa märän ja kuivan betonin ominaisuuksia. Useimmat sementtiä korvaavat raaka-aineet sisältävät paljon vähemmän sitoutunutta hiiltä kuin Portlandin sementti, joten niiden käyttö avaa helpon mahdollisuuden vähentää betoniin liittyviä päästöjä.

Jopa 80% Portaland-sementistä voi korvata muilla aineilla nykyisten teknisten määräysten perusteella. Aina tätä ei kuitenkaan pystytä soveltamaan. Kaksi yleisintä sementin kaltaista raaka-ainetta ovat jauhettu ja rakeistettu puhalluskuona (GGBS) ja lentotuhka (FA), joita tuotetaan teräsmasuuneissa ja hiilivoimaloissa.

Näiden korvaavien materiaalien käyttöä rajoittaa tarve vähentää niiden tuotantopaikkojen omia päästöjä. Puhalluskuonan tai lentotuhkan käyttöä rajoittaa riittämätön tarjonta, joten niille on löydettävä uusia vaihtoehtoja.

On myös olemassa uusia sementtejä, jotka valmistetaan käyttämällä erilaisia materiaaleja ja prosesseja, jotka reagoivat eri tavoin sideaineena toimiessaan. Jopa hiilidioksidia reagoivana yhdisteenä käyttävä sementti on kehitetty. Se sitoo hiiltä kuivuessaan.

Näissä vaihtoehdoissa on lupaavia mahdollisuuksia tulevaisuutta ajatellen. Tarvitaan kuitenkin paljon työtä, ennen kuin niistä tulee kaupallisia tuotteita ja niitä voidaan ottaa laajasti käyttöön. On silti tärkeää tukea näitä teknologioita tarjoamalla matalariskisiä mahdollisuuksia niiden käyttöön, jotta voidaan lisätä tietämystä niistä ja saada niistä käyttökokemusta.

UCL:n Neurologian ja dementian tutkimusinstituutin uusi rakennus on valmistuessaan vuonna 2024 maailmanluokan tutkimuslaitos. Lontoon keskustassa sijaitseva 17 000 m2 rakennukseen tulee huippuluokan tutkimus- ja kuvantamistilat. Olemme suunnitelleet paikan päällä valettavan betonirungon, jonka tärinä ja joustavuus täyttävät rakennuksessa suoritettavan tutkimustyön korkeat vaatimukset.

Suunnittelussa on sovellettu kolmivaiheista menetelmäämme. Sen lisäksi olemme tehneet yhteistyötä rakennusyrityksen ja heidän alihankkijoidensa kanssa, jotta rakennuksen rakenteiden hiili-intensiivisyyttä on saatu alennettua verrattuna vastaavaan tyypillisellä tavalla tehtyyn rakennukseen.

• Toimistoalueella käytetään joillain sen osilla kaarevaa lattiapäällystettä, joka pitää betonin puristuksessa. Siinä tarvitaan tavallista vastaavaa tasaista laattalattiaa vähemmän betonia.
• Soveltuvilta osin käytetään jälkikiristysratkaisua.
• Betonin annetaan kovettua hitaammin pohjarakenteissa, mikä vähentää sementin tarvetta.
• Korvaavia sementin kaltaisia raaka-aineita käytetään suuria määriä erityisesti perustuksissa, jotka vastaavat 25% betonin menekistä.
• Yhteistyö rakennusyrityksen ja toimittajan kanssa hankeen varhaisessa vaiheessa sementtisisällön kokonaismäärän rajoittamiseksi.
• Sementin kaltaisten materiaalien tasojen testaamismahdollisuuksien hyödyntäminen tavalla, joka ei ole mahdollista tavanomaisessa laattarakentamisessa.
• Tutkimme myös, voiko uudentyyppisiä sementtejä käyttää ulkoisissa rakennettavissa alueissa, kuten maisemointipäällystysten rakentamisessa ja pysäköintialueilla.

Tämän toimenpiteiden valikoiman tuloksena painotettu keskimääräinen hiili-intensiivisyys betonille on 97 kg CO2e/tonni , missä on 23% pudotus tavanomaiseen betoniin verrattuna. Yhteensä tämä tuottaa 490 tonnin hiilidioksidipäästöjen vähennyksen, mikä tarkoittaa 400 auton vuoden päästöjä.

Tämä sitoutuneeseen hiileen keskittyvä projekti osoittaa, että betonirakenteisiin sitoutunutta hiiltä on mahdollista vähentää merkittävästi käyttämällä järjestelmällistä lähestymistapaa. Olemme arvioineet, että hiilidioksidipäästöjä voi vähentää yli miljoonalla tonnilla vuodessa Isossa-Britanniassa, mikäli rakennusten rakenteissa olevaa hiiltä voidaan alentaa vastaavalla tavalla.

Teknologia ja asiantuntemus rakennebetonissa olevan sitoutuneen hiilen vähentämiseksi on jo olemassa. Sen ohella tarvitaan systemaattista säästökohteiden tunnistamista ja kohdistettua yhteistyöhön perustuvaa työskentelytapaa, jotta hiilidioksidin vähentäminen voidaan maksimoida.

Tämä yksin ei riitä nettonollapäästöjen saavuttamiseksi, mutta kyse on merkittävästä edistymisestä. Sen lisäksi on tärkeää, että tässä luodaan prosessit, jotka auttavat tunnistamaan seuraavat askeleet ja ottamaan käyttöön tulevaisuuden teknologiat.

Referenssit

1. Betonin määrän laskenta perustuu Shanks et al esittämiin sementtiarvioihin, jossa käytetään 12% sementtisisältöä.
2. Oletuksena on 126 kg eCO2/tonni. Ison-Britannian hallituksen hiilidioksididata 2018.
3. Ennustus perustuen betonin erittelyyn ja keskusteluihin alihankkijan kanssa. Ei sisällä betonin vahvistamista.