Konkret rolle i at reducere bygnings- og fortoveemissioner

At møde beton er en almindelig – endda rutinemæssig – begivenhed. Og det er netop det, der gør beton ekstraordinært.

Som det mest forbrugte materiale efter vand, beton er uundværligt for de mange væsentlige systemer - fra veje til bygninger - hvori det bruges.

Men på grund af dens omfattende brug, betonproduktion bidrager også til omkring 1 procent af emissionerne i USA og er fortsat en af ​​flere kulstofintensive industrier globalt. Bekæmpelse af klimaændringer, derefter, vil betyde at reducere miljøpåvirkningerne af beton, selvom brugen fortsætter med at stige.

I et nyt blad i Proceedings of the National Academy of Sciences , et team af nuværende og tidligere forskere på MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub) skitserer, hvordan dette kan opnås.

De præsenterer en omfattende livscyklusvurdering af bygnings- og fortovssektorerne, der vurderer, hvordan strategier for reduktion af drivhusgasser (GHG)-herunder beton og cement-kunne minimere de kumulative emissioner fra hver sektor, og hvordan disse reduktioner ville sammenlignes med nationale drivhusgasreduktioner mål.

Holdet fandt ud af, at hvis reduktionsstrategier blev implementeret, emissionerne for fortove og bygninger mellem 2016 og 2050 kan falde med op til 65 procent og 57 procent, henholdsvis, også selvom brugen af ​​beton accelererede meget i den periode. Disse er tæt på de amerikanske reduktionsmål sat som en del af Paris-klimaaftalerne. De overvejede løsninger ville også gøre det muligt for betonproduktion for begge sektorer at opnå CO2 -neutralitet i 2050.

På trods af fortsat dekarbonisering af nettet og stigninger i brændstofeffektivitet, de fandt ud af, at langt størstedelen af ​​drivhusgasemissionerne fra nye bygninger og fortove i denne periode ville stamme fra operationelt energiforbrug snarere end såkaldte indbyggede emissioner – emissioner fra materialeproduktion og konstruktion.

Kilder og løsninger

Forbrug af beton, på grund af sin alsidighed, holdbarhed, konstruerbarhed, og rolle i økonomisk udvikling, er blevet forventet at stige rundt om i verden.

Selvom det er vigtigt at overveje de indbyggede virkninger af igangværende betonproduktion, det er lige så vigtigt at placere disse indledende påvirkninger i sammenhæng med materialets livscyklus.

På grund af betonens unikke egenskaber, det kan påvirke den langsigtede bæredygtighedspræstation af de systemer, hvori den bruges. Betonbelægninger, for eksempel, kan reducere køretøjets brændstofforbrug, mens betonkonstruktioner kan udholde farer uden at kræve energi- og materialekrævende reparationer.

Betonens påvirkninger, derefter, er lige så komplekse som selve materialet - en omhyggeligt proportioneret blanding af cementpulver, vand, sand, og aggregater. Udredning af betons bidrag til de operationelle og indbyggede påvirkninger af bygninger og fortove er afgørende for planlægning af drivhusgasreduktioner i begge sektorer.

Sæt af scenarier

I deres papir, CSHub-forskere forudsiger de potentielle drivhusgasemissioner fra bygge- og fortovesektoren, da adskillige emissionsreduktionsstrategier blev introduceret mellem 2016 og 2050.

Da begge disse sektorer er enorme og i hastig udvikling, modellering af dem krævede en indviklet ramme.

"Vi har ikke detaljer om alle bygninger og fortove i USA, " forklarer Randolph Kirchain, en forsker ved Materials Research Laboratory og meddirektør for CSHub.

"Som sådan, vi startede med at udvikle referencedesigns, som er beregnet til at være repræsentative for nuværende og fremtidige bygninger og fortove. Disse blev tilpasset til at være passende til 14 forskellige klimazoner i USA og derefter fordelt på tværs af USA baseret på data fra US Census og Federal Highway Administration."

For at afspejle kompleksiteten af ​​disse systemer, deres modeller skulle have den højest mulige opløsning.

"I fortovesektoren, vi indsamlede den nuværende bestand af det amerikanske netværk baseret på højpræcisions 10-mile segmenter, sammen med overfladeforholdene, Trafik, tykkelse, vognbanebredde, og antal baner for hvert segment, " siger Hessam AzariJafari, en postdoc på CSHub og en medforfatter på papiret.

"For at modellere fremtidige belægningshandlinger i løbet af analyseperioden, vi antog fire klimaforhold; Fire vejtyper; asfalt, beton, og sammensatte belægningsstrukturer; såvel som hovedfag, mindre, og genopbygningsbelægningshandlinger specificeret for hver klimatilstand."

Ved at bruge denne ramme, de analyserede et "forventet" og et "ambitiøst" scenarie med reduktionsstrategier og systemattributter for bygninger og fortove i løbet af den 34-årige analyseperiode. Scenarierne blev defineret af timingen og intensiteten af ​​strategier for reduktion af drivhusgasser.

Som navnet antyder, det forventede scenario afspejlede de nuværende tendenser. For byggesektoren, Løsningerne omfattede forventet dekarbonisering af nettet og forbedringer af byggekoder og energieffektivitet, som i øjeblikket implementeres over hele landet. Til fortove, den eneste forventede løsning var forbedringer af køretøjets brændstoføkonomi. Det er fordi, efterhånden som køretøjets effektivitet fortsætter med at stige, overskydende køretøjsemissioner på grund af dårlig vejkvalitet vil også falde.

Både de forventede scenarier for bygninger og fortove indeholdt den gradvise indførelse af kulstoffattige betonstrategier, såsom genbrugsindhold, kulstoffangst i cementproduktion, og brugen af ​​opfanget kulstof til at fremstille tilslag og hærde beton.

"I det ambitiøse scenarie, " forklarer Kirchain, "Vi gik ud over de forventede tendenser og undersøgte rimelige ændringer, der overstiger nuværende politikker og [industriens] forpligtelser."

Her, byggesektorens strategier var de samme, men implementeret mere aggressivt. Fortovssektoren fulgte også mere aggressive mål og indarbejdede flere nye strategier, herunder at investere mere for at give jævnere veje, selektiv påføring af betonoverlays for at producere stivere fortove, og indførelse af mere reflekterende fortove - som kan ændre Jordens energibalance ved at sende mere energi ud af atmosfæren.

Resultater

Efterhånden som nettet bliver grønnere og nye boliger og bygninger bliver mere effektive, mange eksperter har forudsagt, at de operationelle virkninger af nye byggeprojekter vil falde i forhold til deres indbyggede emissioner.

"Hvad vores livscyklusvurdering fandt, " siger Jeremy Gregory, den administrerende direktør for MIT Climate Consortium og hovedforfatteren på papiret, "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."

Faktisk, 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, de fandt.

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.

"I dette studie, 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. Og stadigvæk, 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.