Hur man sparar 1 miljon ton CO2

Medan byggbranschen har gjort betydande framsteg för att minska operativa koldioxidutsläpp, måste vi nu fokusera på utmaningen att minska inbäddad koldioxid. Genom att tänka annorlunda om några av de mest koldioxidintensiva elementen i en byggnad tror vi att det är möjligt att ta bort så mycket som 1 miljon ton CO2e från den brittiska byggbranschen årligen, vilket motsvarar det årliga CO2-upptaget av 40 miljoner träd.

Termen inbäddad koldioxid används för att beteckna den globala uppvärmningspotentialen (GWP), mätt i ekvivalenta koldioxidutsläpp (CO2e), hänförd till alla material och processer som ingår i materialen och komponenterna i ett projekt.

I en hel livscykelanalys (LCA) tar vi hänsyn till både det inbäddade koldioxidet i förväg, som är associerat med alla material och komponenter fram till praktiskt färdigställande, utöver det inbäddade koldioxidet under användning som är associerat med utbyte och underhåll samt operativt koldioxid.

Hela livscykelbedömningar är nyckeln till att säkerställa holistiska lösningar, och i en byggnadsstruktur är det inbäddad koldioxidet i allmänhet den viktigaste komponenten att fokusera på.

I en typisk byggnad finns merparten av det inbäddade koldioxidet i byggnadsstrukturen, vilket vanligtvis står för 50–70% av de totala utsläppen. Även om byggtekniken har utvecklats enormt, är nästan alla byggnadskonstruktioner fortfarande gjorda av betong eller stål, och i mindre utsträckning murverk och trä. Det är dock svårt att hitta en byggnad som inte använder någon betong, åtminstone i grunden.

Betong är det mest använda byggmaterialet på jorden. I Storbritannien beräknas vi använda nästan 36 miljoner ton betong i byggnadskonstruktioner varje år(1). Detta motsvarar 4,5 miljoner ton CO2e, cirka 1% av Storbritanniens totala koldioxidutsläpp(2).

Betong i byggnadskonstruktioner utgör en enorm möjlighet för oss att minska inbäddat koldioxid. På Ramboll har vi utvecklat en trestegsfilosofi för att minska koldioxidutsläppen i byggnadskonstruktioner i Storbritannien:

1. Utmana uppdraget: Att utmana uppdraget handlar om att testa kraven på byggnadsstrukturen och se till att vi har utforskat möjligheter att minska materialanvändningen. För betongkonstruktioner kan detta göra en enorm skillnad och kan innebära att hitta ett mer effektivt nät, minska belastningen eller ändra sättet att stödja fasaden. Till exempel kan en minskning av ett strukturellt nät från 9m x9m till 8m x8m spara 15 % CO2e/m2 per platta.
2. Förfina designen: När vi är övertygade om att vårt uppdrag uppfyller kundens behov utan några oavsiktliga koldioxidintensiva krav, fokuserar vi på att förfina designen. Genom mer rigorös analys, noggrann tillämpning av befintliga koder och pådrivande strukturell användning kan vi göra ytterligare besparingar. En rigorös tillämpning av enbart koder kan minska designbelastningar med 5-10 %.
3. Skär ner koldioxid: Slutligen fokuserar vi på att säkerställa att våra materialspecifikationer optimeras för att uppfylla tekniska krav samtidigt som koldioxidutsläppen minimeras. För betong innebär detta en aktiv process för att se över strukturen för att identifiera möjligheterna att minska koldioxidet i varje element och betongmix.

Att skära ner koldioxidet i betong kräver en detaljerad förståelse av materialet, vad det består av och i slutänden hur vi kan förfina det för att minska utsläppen. Enligt våra uppskattningar skulle enbart den brittiska byggsektorn kunna spara en miljon ton CO2e genom att använda detta tillvägagångssätt.

Cement måste stå i fokus när det gäller att minska koldioxidutsläppen. Cement är den aktiva ingrediensen i betong, som vanligtvis står för 12 viktprocent, men den står för upp till 85% av det inbäddade koldioxidet.

Ingenjörer tar främst hänsyn till styrka och hållbarhet när de anger mängden cement i betong. Ingenjörer anger emellertid vanligtvis ett lägsta cementinnehåll med den slutliga blandningen som bestäms av entreprenören och deras leverantör.

Även om en entreprenör måste leverera en betong som uppfyller ingenjörens permanenta krav, fokuserar de även på betongens "färska" egenskaper. Som sådana är de, förutom ingenjörens krav, också fokuserade på graden av hållfasthet samt konsistensen, eller flödet, hos betongen.

Dessa senare krav kan avsevärt öka cementhalten utöver vad som krävs för enbart styrka. Av denna anledning kan cementinnehållet vara så mycket som 50% högre än de tekniska kraven.

Det finns många olika typer och blandningar av cement. Den vanligaste cementen kallas Portlandcement, eller CEMI. Den framställs genom att krossa kalksten och lera, värma den till 1450° grader och mala till ett fint pulver.

Processen förändrar kalkstenens kemiska struktur, vilket resulterar i ett reaktivt material som, när det blandas med vatten, bildar en stark och stabil matris som låser samman ballasten i betong. Produktionsprocessen är mycket koldioxidintensiv: för varje ton Portlandcement finns det cirka 860 kg eCO2(3).

Det är dock sällsynt att använda ren CEMI-betong. Den blandas vanligtvis med kompletterande cementmaterial (SCM), vanligtvis avfallsprodukter från andra industrier. Dessa SCM erbjuder varierande grad av reaktivitet och förändrar betongens fräscha och permanenta egenskaper. Eftersom de flesta SCM är mycket mindre koldioxidintensiva än Portlandcement är de ett enkelt sätt för oss att minska koldioxidet i cementen.

Upp till 80% av Portlandcement kan ersättas av SCM enligt nuvarande tekniska koder, även om det kanske inte alltid är lämpligt att göra det. De två vanligaste SCM är mald granulerad masugnsslagg (GGBS) och flygaska (FA), som produceras av stålmasugnar respektive koleldade kraftstationer.

Potentialen för dessa SCM begränsas alltså av vårt behov av att även ta itu med koldioxidintensiteten i dessa industrier. Dessutom finns det otillräckligt utbud av GGBS och FA för att möta den globala utmaningen och industrin måste snabbt undersöka alternativa SCM.

Det finns också ny cement som tillverkas med olika material och processer, som reagerar olika när de fungerar som bindemedel. Det finns till och med cement som använder koldioxid som reaktionsmedel, som låser in koldioxid när de härdar.

Dessa alternativ erbjuder lovande framtida möjligheter; även om det återstår mycket arbete innan de är kommersiellt gångbara och kan användas i stor skala. Det är dock viktigt att vi stödjer dessa tekniker genom att tillhandahålla lågriskmöjligheter för deras användning för att öka kunskapsutvecklingen och erfarenheten av användningen av dessa nya material.

När UCL Institute of Neurology and Dementia Research Institute står färdigt 2024 kommer det att vara en forskningsanläggning i världsklass. Beläget i centrala London, kommer denna 17 000 m2 stora byggnad att inrymma banbrytande forsknings- och bildbehandlingsfunktioner. Ramboll har designat en betongram på plats för att ge den vibrationsprestanda och flexibilitet som behövs för att möta kraven i den mycket komplexa forskning som byggnaden kommer att inrymma.

Genom tillämpningen av vår trestegsprocess och ett nära samarbete med entreprenören och dennes underleverantörer har Ramboll kunnat inkludera en mängd åtgärder som kommer att resultera i betydande minskningar av koldioxidintensiteten i koldioxidramen jämfört med typiska industrisiffror.

• Användning av en välvt innertak för en del av huvudkontoret, som håller betongen i kompression och använder mindre betong och stål än en motsvarande planlösning.
• Användning av efterspänningslösningar där så är lämpligt.
• Tillåta betongen att utveckla hållfasthet i en långsammare takt i underkonstruktionen – vilket minskar cementbehovet.
• Användning av stora mängder cementersättningar, särskilt i fundamenten, som står för 25 % av betongen.
• Att arbeta med entreprenören och leverantören för att begränsa det totala cementinnehållet genom tidigt engagemang.
• Undersöka möjligheter att testa nivåer av cementersättningar som normalt inte används i plana konstruktioner.
• Vi undersöker också om vi kan använda ny betong i icke-kritiska områden utanför arbetsområdet, till exempel landskapsarkitektur beläggning och hårda underlag.

Denna uppsättning åtgärder kommer att resultera i en vägd genomsnittlig koldioxidintensitet på 97kg eCO2/t , en minskning med 23% jämfört med typisk betong. Totalt innebär detta en besparing på 490 ton koldioxid, motsvarande att ta bort 400 bilar från vägen under ett år.

Med fokus på inbäddat koldioxid visar detta projekt att det är möjligt att avsevärt reducera inbäddat koldioxid i konstruktionsbetong genom att använda ett systematiskt tillvägagångssätt. Om vi kan sänka den typiska koldioxidintensiteten i byggnadsstrukturer i Storbritannien med en liknande andel, uppskattar vi att vi kan minska koldioxidutsläppen med mer än 1 miljon ton per år.

Vi har redan teknik och expertis tillgänglig för att avsevärt reducera inbäddat koldioxid i strukturell betong - men det krävs att systematiskt identifiera besparingar och en målinriktad samarbetsstrategi för att verkligen maximera koldioxidminskningarna.

Även om detta ensamt inte kommer att ta oss till nollutsläpp, kommer det att ge ett betydande bidrag och, viktigare, etablera de processer som gör att vi kan identifiera nästa steg och låsa upp framtida teknologier.