Καινοτόμες λύσεις για μείωση της χρήσης σκυροδέματος

Η κατασκευή σκυροδέματος ευθύνεται για το 8% των παγκόσμιων εκπομπών άνθρακα, κυρίως εξαιτίας του συστατικό «κλίνκερ»*. Η παγκόσμια ζήτηση για τσιμέντο (βασικό συστατικό του σκυροδέματος) αναμένεται νααυξηθεί κατά 48% από 4,2 δισ. σε 6,2 δισ. τόνους έως το 2050, με βασικό όχημα τις αναπτυσσόμενες χώρες. Μεταξύ 2011 και 2013, η Κίνα χρησιμοποίησε περισσότερο σκυρόδεμα από ό,τι οι Ηνωμένες Πολιτείες ολόκληρο τον 20ό αιώνα.

Οι Ben Skinner και Radhika Lalit του Ινστιτούτου RMI εξετάζουν τα δομικά υλικά και τις καινοτομίες που βρίσκονται στην πρώτη γραμμή των προσπαθειών από-ανθρακοποίησης που στοχεύουν σε μηδενικές εκπομπές έως το 2050. Χάρη σε νέες καινοτόμες μεθόδους στην κατασκευή τους, ο Πύργος Freedom της Νέας Υόρκης και ο Πύργος της Σαγκάης εξοικονόμησαν αντίστοιχα 40% και 24% σε σκυρόδεμα. Οι συγγραφείς εξετάζουν τη χρήση λιγότερου σκυροδέματος, την επαναχρησιμοποίηση παλαιού υλικού, σκυρόδεμα χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα, τα SCMs (παρόμοια με το κλίνκερ), το τσιμέντο ECOPlanet χαμηλότερης έντασης άνθρακα της Holcim, και το νέο τσιμέντο LC3. Ουσιαστικά, ο τομέας χρειάζεται μια πολυδιάστατη προσέγγιση, με στόχο τη μείωση του σκυροδέματος, του τσιμέντου και του κλίνκερ. Όπως επισημαίνουν οι αρθρογράφοι, η επιτυχία δεν θα έρθει γρήγορα ούτε θα είναι συνολική, επομένως τα εναλλακτικά καύσιμα, ο εξηλεκτρισμός και η δέσμευση άνθρακα είναι αναγκαία για την ολοκλήρωση της από-ανθρακοποίησης.

Καθώς οι ηγέτες των μεγαλύτερων χωρών συσκέπτονταν στο ετήσιο συνέδριο του Παγκόσμιου Οικονομικού Φόρουμ στο Νταβός εξετάζοντας διεθνή ζητήματα συμπεριλαμβανομένης της κλιματικής αλλαγής, βρίσκονταν περιτριγυρισμένοι από σκυρόδεμα. Κτήρια, ουρανοξύστες, δρόμοι, αυτοκινητόδρομοι, γέφυρες, πεζοδρόμια, συστήματα ύδρευσης, φράγματα και πολλά άλλα βασίζονται στο σκυρόδεμα λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων του σε αντοχή, ανθεκτικότητα, ευελιξία στη χρήση και χαμηλό κόστος. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι η παγκόσμια ζήτηση για τσιμέντο, το οποίο γίνεται σκυρόδεμα όταν αναμιγνύεται με νερό και μέταλλα, αναμένεται να  αυξηθεί κατά 48%  από 4,2 δισεκατομμύρια σε 6,2 δισεκατομμύρια τόνους μέχρι το 2050.

Στην πρόσφατη μαζική αστικοποίησή της, η Κίνα χρησιμοποίησε περισσότερο σκυρόδεμα μεταξύ 2011 και 2013 από ό,τι οι Ηνωμένες Πολιτείες σε ολόκληρο τον 20ό αιώνα. Ενώ η χρήση του από την Κίνα επιβραδύνεται, η κατανάλωσή του στην Ινδία, την Αφρική και άλλες αναπτυσσόμενες χώρες αναμένεται να εκτοξευθεί στα ύψη εν μέσω οικονομικής ανάπτυξης, σε χρήσεις οικιστικές, εμπορικές και κατασκευής υποδομών.

Σκυρόδεμα: 8% των παγκόσμιων εκπομπών άνθρακα

Αν και είναι απαραίτητο για τις κατασκευές που βελτιώνουν την καθημερινότητά μας, το σκυρόδεμα είναι υπεύθυνο για το 8% των παγκόσμιων εκπομπών άνθρακα. Το 90% αυτών των εκπομπών προέρχονται από την παραγωγή κλίνκερ, του κύριου συστατικού που συμβάλλει στην αντοχή του σκυροδέματος.

Βάσει της Συμφωνίας του Παρισιού για το Κλίμα, η παγκόσμια βιομηχανία σκυροδέματος πρέπει να μειώσει τις εκπομπές της κατά 16% έως το 2030 και 100% έως το 2050. Αυτή η προσπάθεια θα απαιτήσει σημαντικές αλλαγές σε όλη την αξιακή αλυσίδα, αλλά το πιο εύκολο και οικονομικό μέτρο είναι η χρήση λιγότερου υλικού, τηρώντας παράλληλα τις προδιαγραφές κάθε έργου. Η μείωση της ζήτησης για κλίνκερ υψηλής έντασης άνθρακα θα συμβάλει στην επαναφορά της βιομηχανίας σκυροδέματος στον δρόμο για την επίτευξη των στόχων της για το κλίμα.

Καλύτερος σχεδιασμός

…Χρησιμοποιώντας λιγότερο σκυρόδεμα: Νέα Υόρκη, Σαγκάη

Το πρώτο βήμα προς τη μείωση του αποτυπώματος άνθρακα του κλάδου είναι η χρήση λιγότερου σκυροδέματος σε κάθε εφαρμογή, ακόμη και όταν η ζήτηση αυξάνεται. Υπάρχουν αρκετές μέθοδοι – άλλες ήδη διαθέσιμες και άλλες υπό ανάπτυξη – που μπορούν να διασφαλίσουν την αποδοτικότητα του υλικού και ταυτόχρονα να οδηγήσουν σε μεγάλη εξοικονόμηση άνθρακα χωρίς να αλλάξει το ίδιο το υλικό. Παραδοσιακά, ο σχεδιασμός των κτηρίων και άλλων έργων στοχεύει στην ελαχιστοποίηση του κόστους και όχι στη μείωση των εκπομπών άνθρακα. Ωστόσο, η πρόσφατη, συνεχής ανάπτυξη νέων αυτοματοποιημένων εργαλείων σχεδίασης παρέχει στους πολιτικούς μηχανικούς και τους αρχιτέκτονες περισσότερες επιλογές για ένα δεδομένο έργο, λαμβάνοντας περισσότερο υπόψη την αποδοτικότητα του υλικού.

Η έκθεση Profitably Decarbonizing Heavy Transport and Industrial Heat της RMI εξετάζει την εξοικονόμηση σκυροδέματος και χάλυβα που μπορεί να επιτευχθεί με τρόπο κερδοφόρο μέσω ενός καλύτερου σχεδιασμού. Για παράδειγμα, τέτοιες λύσεις επέτρεψαν την εξοικονόμηση του 40% και του 24% στη χρήση σκυροδέματος κατά την ανέγερση του Πύργου Freedom της Νέας Υόρκης και του Πύργου της Σαγκάης αντίστοιχα. Καθώς το λογισμικό αυτοματοποιημένου σχεδιασμού βελτιώνεται, η εξοικονόμηση υλικού αναμένεται να φέρει πιο ανταγωνιστικά κόστη σε σύγκριση με τις τρέχουσες μεθόδους, καθώς και μείωση στη ζήτηση των υλικών.

Επαναχρησιμοποίηση σκυροδέματος

Ένας δεύτερος τρόπος είναι να μην χρησιμοποιείται νέο σκυρόδεμα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, επιλογές όπως  η επαναχρησιμοποίηση σκυροδέματος από κατεδαφισμένα κτήρια μπορεί να φέρει μείωση των εκπομπών CO2. Ωστόσο, η σωστή λύση διαφέρει από περιοχή σε περιοχή και εξαρτάται από πολλούς άλλους παράγοντες, όπως το είδος του έργου, οι απαιτήσεις σχεδιασμού, η τοπική διαθεσιμότητα υλικών και πολλά άλλα.

Σκυρόδεμα χαμηλών εκπομπών άνθρακα

Ταυτόχρονα, οι οικοδομικοί κανονισμοί και οι προτιμήσεις της αγοράς πρέπει να προσαρμοστούν ώστε να επιτρέπεται η χρήση σκυροδέματος χαμηλής έντασης άνθρακα. Καθώς οι εκπομπές CO2 γίνονται βασικός παράγοντας στην κατασκευή των υποδομών μας, θα πρέπει να γεφυρώσουμε το χάσμα ανάμεσα στις ανάγκες των σχεδιαστών και στην υπάρχουσα τεχνολογία. Εργαλεία όπως το EC3 συγκρίνουν αποτελεσματικά τον ενσωματωμένο άνθρακα στις διαφορετικές επιλογές σχεδιασμού και παράλληλα με τις εντατικές δοκιμές θα ανοίξουν το δρόμο για κατασκευές χαμηλότερης έντασης άνθρακα στο μέλλον.

Κατασκευή σκυροδέματος χαμηλότερου ανθρακικού αποτυπώματος

Εκτός από τη μείωση της συνολικής ποσότητας σκυροδέματος που χρησιμοποιείται στα κτήρια, η χρήση λιγότερου τσιμέντου ανά μονάδα σκυροδέματος είναι ένας άλλος αποτελεσματικός τρόπος για τη μείωση της περιεκτικότητας σε κλίνκερ και του ανθρακικού αποτυπώματος του σκυροδέματος. Για να μειώσουμε το συνδετικό υλικό χωρίς να αυξήσουμε το ρίσκο, θα πρέπει να στραφούμε στη χρήση χύδην τσιμέντου, όπως το έτοιμο σκυρόδεμα, όπου η σπατάλη τσιμέντου μειώνεται έως και 30%, οι προδιαγραφές του μείγματος είναι πιο ακριβείς και μπορούν να προστεθούν χημικές προσμείξεις προκειμένου να βελτιώσουν τις ιδιότητες του σκυροδέματος και να μειώσουν την ποσότητα τσιμέντου.

Σε πολλές χώρες, οι κατασκευαστές εξακολουθούν να προτιμούν τη χρήση συσκευασμένου τσιμέντου που οδηγεί τόσο σε σπατάλη όσο και σε υπερβολική χρήση. Η εκβιομηχάνιση ενός τμήματος της παγκόσμιας αγοράς τσιμέντου σε σάκους (42% σήμερα) θα έφερνε σημαντική εξοικονόμηση, αλλά απαιτεί επενδύσεις σε εργοστάσια έτοιμου μίγματος και φορτηγά τσιμέντου, καθώς και μεγάλες αλλαγές στη δυναμική της τοπικής αγοράς. Σε περιοχές όπως οι ΗΠΑ και η ΕΕ, η χρήση του τσιμέντου είναι ήδη σε μεγάλο βαθμό βιομηχανοποιημένη, ενώ στην Ινδία το τσιμέντο σε σάκους κατέχει σχεδόν το 90% της αγοράς, προσφέροντας μια τεράστια ευκαιρία για εξοικονόμηση άνθρακα.

Τα υπάρχοντα εργοστάσια ήδη χρησιμοποιούν μια μεγάλη ποικιλία χημικών προσμείξεων, όπως διασκορπιστικά που μειώνουν την ανάγκη για νερό και κατά συνέπεια την απαιτούμενη ποσότητα τσιμέντου. Άλλες προσμείξεις που χρησιμοποιούνται είναι επιταχυντικά υλικά που σκληραίνουν το σκυρόδεμα πιο γρήγορα, και παράγοντες παγίδευσης αέρα που αυξάνουν τον όγκο με φυσαλίδες αέρα και εμποδίζουν την είσοδο στερεού υλικού σε εφαρμογές χαμηλότερης αντοχής.

Η καινοτομία στη δημιουργία νέων προσμείξεων, περισσότερες εφαρμογές, μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα και της ανταγωνιστικότητα κόστους για τις υπάρχουσες λύσεις θα επιτρέψουν τη μείωση της περιεκτικότητας σε κλίνκερ και τσιμέντο στο σκυρόδεμα, διατηρώντας παράλληλα την απόδοση του υλικού.

Εναλλακτικές λύσεις που μπορούν να αντικαταστήσουν το παραδοσιακό κλίνκερ Πόρτλαντ έχουν αποτελέσει αντικείμενο πολλών ερευνών, αλλά το κόστος, η απόδοση των υλικών, η διαθεσιμότητα πρώτων υλών και οι ανάγκες σε ενέργεια δεν έχουν επιτρέψει τη διάδοσή τους. Παρόλο που έχει κάποια πλεονεκτήματα, η μεγάλης κλίμακας ανάπτυξη αυτών των εξειδικευμένων λύσεων είναι απίθανη βραχυπρόθεσμα, καθώς περιορίζονται σε συγκεκριμένες εφαρμογές, σε έναν κόσμο στραμμένο στο μαζικό και το εύκολο.

SCMs παρόμοια με το κλίνκερ

Ωστόσο, η χρήση λιγότερου τσιμέντου τύπου Πόρτλαντ έχει κερδίσει έδαφος με έναν άλλο τρόπο – αντικαθιστώντας το κλίνκερ με εναλλακτικά υλικά (SCM). Τα SCM παρουσιάζουν παρόμοια συμπεριφορά με το κλίνκερ όταν αναμιγνύονται με νερό και συμβάλλουν στην αντοχή του μίγματος τσιμέντου, αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις δεν μπορούν να το υποκαταστήσουν πλήρως. Τέτοια εναλλακτικά υλικά είναι προϊόντα βιομηχανικών αποβλήτων όπως η σκωρία χάλυβα, η ιπτάμενη τέφρα, ο πυρωμένος άργιλος, φυσικές ποζολάνες και αλεσμένος ασβεστόλιθος. Η τρέχουσα αναλογία κλίνκερ προς τσιμέντο είναι  0,72 , αλλά  ο οδικός χάρτης της Παγκόσμιας Ένωσης Τσιμέντων και Σκυροδέματος (GCCA) στοχεύει σε μείωση κατά 18% της μέσης παγκόσμιας περιεκτικότητας του τσιμέντου σε κλίνκερ έως το 2050.

Το τσιμέντο ECOPlanet της Holcim

Η επιλογή σκυροδέματος με υψηλά ποσοστά υποκατάστατων κλίνκερ μπορεί να μειώσει άμεσα τις εκπομπές άνθρακα ενός πενταόροφου κτιρίου κατά 32% με λιγότερο από 0,5% αύξηση στο συνολικό κόστος κατασκευής. Το αρχαίο Πάνθεον στη Ρώμη είναι κατασκευασμένο εξ ολοκλήρου από τσιμέντο φυσικής ποζολάνης, ενώ πιο σύγχρονα παραδείγματα περιλαμβάνουν το The Spheres  στο Seattle και το Iconic Tower στο Κάιρο, που και τα δύο χρησιμοποιούν το τσιμέντο ECOPlanet χαμηλής ένταση άνθρακα της Holcim. Παρά την αποτελεσματικότητά του, ο αυξημένος χρόνος που χρειάζεται για την πήξη και η μειωμένη αντοχή του στα αρχικά στάδια μπορεί να καθυστερήσουν τα χρονοδιαγράμματα του έργου και να επιφέρουν πρόσθετο κόστος σε ορισμένες περιπτώσεις.

Τσιμέντο LC3;

Η βελτίωση των επιταχυντικών προσμείξεων που βελτιώνουν τον χρόνο πήξης και την αντοχή είναι ζωτικής σημασίας για τη μεγαλύτερη ενσωμάτωση των SCM στο ανάμεικτο σκυρόδεμα. Περαιτέρω δοκιμές και ενημέρωση προδιαγραφών είναι επίσης ζωτικής σημασίας. Θα πρέπει πάντως να σημειωθεί ότι ηπροσφορά ιπτάμενης τέφρας και GBFS αναμένεται να μειωθεί καθώς οι πηγές τους, οι χαλυβουργίες και τα εργοστάσια παραγωγής ενέργειας από άνθρακα, καταργούνται. Έτσι, γίνεται ακόμα πιο επιτακτική η ανάγκη για αναζήτηση και εξόρυξη άλλων SCMs ώστε να οδηγηθούμε σε ένα πιο «πράσινο» σκυρόδεμα.

Δεδομένης της παγκόσμιας διαθεσιμότητας ασβεστόλιθου και ασβεστοποιημένου αργιλικού καολινίτη, το τσιμέντο LC3 – που αποτελείται από 50% κλίνκερ, 30% φρυγμένη άργιλο, 15% ασβεστόλιθο και 5% γύψο – θεωρείται μια πολλά υποσχόμενη προοπτική για το μέλλον του σκυροδέματος χαμηλής έντασης άνθρακα. Καθώς εμφανίζονται νέα SCM και βελτιώσεις στην απόδοση των μειγμάτων τσιμέντου, το κλίνκερ και η ένταση άνθρακα του σκυροδέματος θα συνεχίσουν να μειώνονται. Ωστόσο, ο χρόνος είναι ουσιαστικός παράγοντας σε αυτήν την αποφασιστική δεκαετία δράσης για το κλίμα.

Ένα καθαρό μέλλον

Οργανισμοί όπως η First Movers Coalition, η ConcreteZero, η Industrial Deep Decarbonization Initiative και άλλοι ζητούν να υπάρξει τώρα σκυρόδεμα χαμηλών εκπομπών άνθρακα και οι προμηθευτές θα πρέπει να λάβουν άμεσα μέτρα για να ανταποκριθούν στην αυξανόμενη ζήτηση. Η καινοτομία σε όλη τη συγκεκριμένη αξιακή αλυσίδα μπορεί να μειώσει τόσο τις εκπομπές όσο και το κόστος. Χρειαζόμαστε μια πολύπλευρη προσέγγιση με στόχο τη μείωση του σκυροδέματος, του τσιμέντου και του κλίνκερ.

Οι μηχανικοί του μέλλοντος θα ανοίξουν νέους ορίζοντες στον σχεδιασμό χρησιμοποιώντας λογισμικό τελευταίας τεχνολογίας, ενώ τα εργοστάσια έτοιμου μίγματος θα παράγουν σκυρόδεμα χαμηλότερης έντασης άνθρακα. Αυτές οι μειώσεις της ζήτησης αποτελούν μόνο μέρος της εξίσωσης και τα μέτρα από την πλευρά της προσφοράς, όπως  τα εναλλακτικά καύσιμα, η ηλεκτροδότηση και η δέσμευση άνθρακα, θα πρέπει να εξαλείψουν τις υπόλοιπες εκπομπές.

Μέσω της Mission Possible Partnership, η RMI συνεργάστηκε με την Energy Transitions Commission, την Systemiq, το Παγκόσμιο Οικονομικό Φόρουμ, την ECRA και την GCCA για να μελετήσει καθέναν από αυτούς τους μοχλούς απαλλαγής από τις ανθρακούχες εκπομπές και εκπόνησε την Στρατηγική Μετάβασης της Τσιμεντοβιομηχανίας που πρόκειται να κυκλοφορήσει σύντομα ως Cement Sector Transition Strategy. Η βιομηχανία σκυροδέματος και τσιμέντου βρίσκεται στο κατώφλι ενός ριζικού μετασχηματισμού στο ταξίδι της προς τη μετάβαση σε καθαρές μηδενικές εκπομπές άνθρακα.

Ο Ben Skinner είναι ανώτερος συνεργάτης της ομάδας Climate Aligned Industry στο Rocky Mountain Institute
Η Radhika Lalit  είναι Διευθύντρια του τμήματος Buildings Practice στο Rocky Mountain Institute

*Κλίνκερ: πρώτη ύλη για την παρασκευή τσιμέντου πριν αυτό κονιορτοποιηθεί και αναμιχθεί με άλλα υλικά.

Δείτε περισσότερα άρθρα σχετικά με την κλιματική αλλαγή στο www.clima21.gr