Kooldioxide als een stimulans voor levenscyclusdenken in de cement- en betonindustrie

Transcriptie

1 1 Kooldioxide als een stimulans voor levenscyclusdenken in de cementen betonindustrie Lanser, P.A. en Burger, A.M. Cement&BetonCentrum, postbus 3532, 5203 DM s-hertogenbosch, Nederland SAMENVATTING Sustainability omvat alle sociale, economische en milieuaspecten van een product gedurende zijn hele levenscyclus. Het vereist zowel levenscyclusdenken als mulitdisciplinaire vaardigheden. In de cement en betonindustrie is het sleutelwoord sustainability gewoonlijk verbonden aan de uitputting van natuurlijke bronnen, het gebruik van energie, het hergebruik van secundaire gronden brandstoffen en met schoorsteenemissies. Van het grootste deel van het geproduceerde cement wordt beton gemaakt. En beton helpt juist weer om energie te besparen, bijvoorbeeld in de gebouwde omgeving. Het is tijd om een nieuwe balans op te maken! 1 INTRODUCTIE Sustainability omvat alle sociale, economische en milieuaspecten van een product gedurende zijn hele levenscyclus. Het bevorderen, begrijpen en toepassen van sustainability vereist zowel het denken in product- en productieketens als multidisciplinaire vaardigheden. In sommige branches ligt de nadruk op sociale aspecten, zoals in de textielindustrie. Daar gaat de discussie over de vraag of kleding is gemaakt door dure Europese handen, goedkope Chinese of zelfs kinderhanden. In andere branches gaat het vaak weer om milieu en gezondheid, zoals in de chemische industrie In de cementen betonindustrie is het sleutelwoord sustainability gewoonlijk verbonden aan de uitputting van natuurlijke bronnen, het gebruik van energie, het hergebruik van secundaire gronden brandstoffen en met emissies In de bouw is dit min of meer hetzelfde. Een aantal Nederlandse steden heeft zichzelf ambitieuze taakstellingen opgelegd zoals onze stad zal in klimaatneutraal zijn. Deze doelstelling zal zonder twijfel de nodige creativiteit vragen en een sterke wil om maximaal gebruik te maken van bestaande en nieuwe oplossingen uit te werken. Beton past perfect in dit streven. Voor de productie van beton is natuurlijk energie nodig, maar de toepassing levert dan weer zoveel energie op dat de som van de twee positief eindigt. Bestemming van beton in Nederland

2 2 Meer dan eenderde van al het beton dat in Nederland wordt geproduceerd vindt zijn weg naar de woningbouw. Dat is ongeveer 5,5 mln m 3. Daarnaast wordt meer dan 40% toegepast in de utiliteitsbouw. Ongeveer driekwart van al het beton wordt toegepast in gebouwen, gebouwen waar een prettig binnenklimaat vereist is en waar de kosten voor verwarming en koeling een wezenlijk deel van de operationele kosten uitmaken. Een industriële sector die zo n groot beslag legt op grondstoffen is moreel verplicht, als het al niet juridisch is ingekaderd, om na te denken over de consequenties hiervan voor de mensheid. Wat C&BC hier wil laten zien is dat een goede beoordeling van de eigenschappen van beton alléén op een integrale manier kan plaatsvinden, dat wil zeggen: van de wieg tot het graf en met gelijktijdige beschouwing van de drie pijlers van sustainability : people planet profit. Binnen de beperkte ruimte van deze publicatie spreken wij alleen over planet, meer in het bijzonder over de koolstofvoetafdruk (carbon footprint) van beton. 2 DE CO 2 -KETEN 2.1 Cement Als vuistregel wordt wel aangenomen dat de cementindustrie wereldwijd verantwoordelijk is voor 5% van de CO 2 die door mensen op aarde wordt uitgestoten (WBCSD-2007). Het wereldwijde gemiddelde vertoont een zekere spreiding. In Europa ligt dit getal op ongeveer 3% (CEMBUREAU-2007). In Nederland ligt het zelfs royaal beneden de 1%. De verklaring hiervoor is eenvoudig: de helft van het cement in Nederland is geïmporteerd cement. Voor het CO 2 -rijke halffabrikaat klinker ligt dat percentage zelfs nog hoger en meer dan de helft van wat hier wel in Nederland aan cement wordt geproduceerd bestaat uit cement met een laag klinkergehalte. Tot slot wordt bij de Nederlandse productie op royale schaal gebruik gemaakt van biomassa. De vraag is nu, moeten we 5% veel vinden? Het antwoord hangt sterk af van het referentiekader. Zou het minder kunnen zijn? Ja, in relatieve zin wel, maar vermoedelijk in absolute zin niet. De WBSCD voorspelt dat de cementen betonconsumptie binnen 45 jaar zal verdubbelen.

3 3 De groei zal vrijwel uitsluitend buiten Europa en de Verenigde Staten plaatsvinden. In 2000 was er al m 3 beton nodig. Dit is 5 kubieke kilometer! Waar komt de CO 2 in de cementindustrie vandaan? Verdeling van de bijdrage aan het broeikaseffect van een representatief Europees cement. Totaal is circa 760 kg CO 2 eq per ton cement Er zijn twee belangrijke CO 2 -bronnen: brandstoffen en kalksteen. Het ovenproces vergt een vlamtemperatuur van C. De productie van een cement oven ligt tussen ton per dag. In Europa vraagt het productieproces van Portlandklinker rond MJ/t klinker, wat resulteert in een totale emissie van kg CO 2 /ton klinker. Circa 35% van de koolstofdioxide die door de cementindustrie wordt uitgestoten vindt zijn oorsprong in de verstookte brandstoffen, die voor een deel van fossiele herkomst zijn. Gemiddeld iets meer dan 50% is toe te rekenen aan de decarbonatatie van kalksteen, een onmisbare grondstof voor de productie van cement. De rest (15%) bestaat uit indirecte emissies, voornamelijk gekoppeld aan het gebruik van elektrische energie. De totale hoeveelheid CO 2 die per ton cement wordt uitgestoten varieert van 400 1,000 kg/ton cement en is afhankelijk van een veelheid aan parameters. Elke parameter is in principe te beïnvloeden is dus te onderwerpen aan reductiemaatregelen. In theorie kan er dus veel worden gedaan om de CO 2 -emissies van de cementindustrie te verminderen. De belangrijkste vier mogelijkheden staan hieronder: Efficiencyverbeteringen zouden kunnen worden doorgevoerd bij het ovenproces en het malen van cement. Dit is sinds tientallen jaren een dagelijks streven, want energie kost geld. Fossiele brandstoffen kunnen worden vervangen door secundaire brandstoffen of biomassa. De laatste tien jaar hebben de Europese cementfabrieken op dit punt een flinke ontwikkeling doorgemaakt zonder dat de totale emissies zijn toegenomen. Bedenk daarbij dat het energetisch rendement van een cementoven zelfs dat van de modernste afvalverbrander overtreft. Het klinkergehalte van cement zou kunnen worden verlaagd door het gebruik van puzzolanen, vliegas, gemalen kalksteen, silica fume of hoogovenslak. Uit het oogpunt van economie en milieu verdient het dan wel de voorkeur om deze grondstoffen niet structureel over honderden kilometers te transporteren. Bij de inkoop van elektrische energie zou men kunnen kiezen voor groene stroom, waterkracht of met kernenergie opgewekte stroom.

4 4 Wereldwijd is portlandcement (CEM I) op afstand de meest verkochte cementsoort, met een klinkergehalte van %. Voor milieukundigen en vele beleidsambtenaren is dit de gebruikelijke vergelijkingsgrondslag. In Nederland is het marktaandeel van CEM I slechts 35%. Klinkergehaltes in genormeerde cementen (EN 197) In Europa is portlandkalksteencement (CEM II) het meest verkochte cement. Dit cement heeft een lager klinkergehalte, namelijk 65-94%. In Nederland is het meest verkochte cement hoogovencement CEM III/B, met een klinkergehalte van 20-34% en een marktaandeel van rond de 60%. In Europa ligt dat percentage op 5%. In de wereld < 1%. Alleen al de geografische verschillen maken het onmogelijk om in algemeenheden over cement te spreken, al ziet dat cement er op het eerste oog misschien het zelfde uit. In theorie zouden de CO 2 -emissions die samenhangen met de productie van cement zelfs onder de 400 kg/ton cement kunnen liggen. In theorie, want er zijn nog een paar andere randvoorwaarden waaraan moet worden voldaan. Maar de cementindustrie werkt aan een continue verbetering en doet dat vaak samen met de partners in de waardekolom. 2.2 Transport De derde belangrijke bron van CO 2- emissies, na brandstoffen en kalksteen, in de waardeketen van beton is transport. De hoeveelheden cement en beton die moeten worden getransporteerd zijn immers groot. En niet alleen van cement en beton, maar ook van de ingekochte grondstoffen voor cement en beton. Alles bij elkaar vormen bouwmaterialen een flink deel van het tonnage dat over Nederlandse wegen vervoerd wordt. In totaal wordt jaarlijks 375 Mt aan goederen over de weg vervoerd. Daarvan maken bouwmaterialen 132 Mt uit. Daarvan is 40 Mt beton, aldus het CBS in Dat getal benadert nog steeds de werkelijkheid anno Over het water gaat nog eens 54 Mt aan bouwmaterialen. Het binnenlandse transport van goederen over de weg veroorzaakt 7% van de jaarlijkse uitstoot van CO 2 in Nederland. Bouwmaterialen zijn als regel tamelijk zwaar, maar ze worden over een relatief korte afstand vervoerd. De bouwmaterialenmarkt is meestal regionaal bepaald. Schaalgrootte en logistiek zijn hier elkaars natuurlijke tegenpolen. Hoe groter en efficiënter men produceert, hoe verder men kan rijden en hoe meer CO 2 daarbij weer vrijkomt, etcetera. Er zijn geen exacte cijfers bekend over hoeveel CO 2 moet worden toegekend aan het transport van beton. Er zijn op zijn best schattingen voor de uitstoot van een door een vrachtwagen gereden kilometer. Uit het voorgaande kan wel worden berekend dat in ruwe benadering ongeveer 10% van de milieubelasting van beton samenhangt met het transport. Nederland is gezegend met vele waterwegen; kanalen rivieren en meren. Dat maakt dat een groot deel van het transport van o.a. zand, grind en cement over water kan plaatsvinden. Transport over zee, over rivieren of kanalen kost veel minder energie dan per as over land.

5 5 De industrie streeft naar continue verbeteringen, dus ook als het over transport gaat. Het grootste deel van de verbeteringen is evolutionair, een enkele keer is er sprake van een revolutionaire ontwikkeling. 2.3 Betonmortel Vanuit milieuoogpunt is er eigenlijk niet zo veel spannends te vertellen over de betonmortelindustrie. Het vervaardigen van betonmortel is in de eerste plaats een logistiek proces, waarbij de verschillende grondstoffen bij elkaar worden gebracht, gedoseerd en gemengd. Een betonmortelfabriek bestaat in wezen uit een aantal silo s en een menginrichting. De kunst van het maken van goed, duurzaam en milieuvriendelijk beton schuilt in het juiste mengselontwerp, in de juiste menging en de manier waarop het geheel in de mal wordt gebracht en nabehandeld. Dat is alles bij elkaar toch weer niet zo heel eenvoudig. Een betonmortelcentrale gebruikt in bescheiden mate elektrische energie. Een directe uitstoot van CO 2 is er niet of nauwelijks. De betonmortelindustrie neemt de verantwoordelijkheid voor het transport van beton naar de bouwplaats. Als gevolg daarvan bestaat de meerderheid van de werknemers in deze bedrijfstak uit truckmixerchauffeurs. Over de logistiek van het transport van betonmortel is de afgelopen 50 jaar meer dan eens nagedacht. Het is daardoor behoorlijk uitontwikkeld. In de regel vindt het transport plaats binnen een straal van 30 km. 2.4 Betonproducten Energie-inhoud Beton moet in een mal worden gegoten om zijn uiteindelijke vorm te krijgen. Dat gebeurt of in de fabriek of op de bouwplaats. De mallen zullen van zichzelf enige energie-inhoud hebben. In de prefab worden de mallen honderden, soms duizenden malen hergebruikt. Op de bouwplaats zijn de mallen soms heel specifiek. In de praktijk is de tegenstelling minder groot dan hierboven gesteld. Constructief beton moet van een stalen wapening worden voorzien. Wapeningsstaal levert vaak de grootste bijdrage aan de energie-inhoud van beton. Per kilo gerekend bevat staal zeven tot tien maal zoveel energie als cement. Al kan men in staal soms wel lichter bouwen dan in beton, men moet toch rekening houden met de energie-inhoud van de totale constructie. Voorspanning van beton leidt tot lichtere betonconstructies (en funderingen), maar vaak wel tot hoge staalpercentages in beton. Het is niet in algemene termen te zeggen hoe de balans voor de energie-inhoud dan uitvalt. Het zelfde geldt voor bijvoorbeeld (ultra) hoge sterkte beton. Ook daarmee kunnen slankere constructies worden gemaakt. Het cementgehalte is meestal hoger en vaak ook de hoeveelheid staal. Of de carbon footprint daarmee groter of kleiner wordt zal van de specifieke situatie afhangen. Er zijn computerprogramma s waarmee dat kan worden berekend, zogenaamde LCAprogramma s. Met deze programmatuur kan kwantitatief worden bepaald wat de milieubelasting van een product over de gehele levenscyclus is en dus ook de gesommeerde CO 2- uitstoot.

6 6 In termen van energieverbruik is het mengen van de betonmortel een betrekkelijk geringe factor. Het zelfde geldt voor de energie-inhoud van de (herbruikbare) mal. Wat wel een rol kan spelen, ook in termen van energiekosten, is het versnellen van de verharding door het verwarmen van de mal, c.q. de mortel. Snelheid kost in het algemeen geld, maar kan ook geld opleveren, bijvoorbeeld door een kortere doorlooptijd van de mal. Thermische massa De totale energie-inhoud van een gebouw is sterk afhankelijk van de aard en hoeveelheid van de gebruikte bouwmaterialen De thermische massa van een gebouw is een functie van de fysieke massa van het gebouw en de warmteaccumulerende eigenschappen van de gebruikte bouwmaterialen. De energie-inhoud van een gebouw neemt evenredig toe met massa van een gebouw. Ook de thermische massa van een gebouw neemt evenredig toe met de fysieke massa van een gebouw. Dat laatste is gunstig voor het energiegebruik van het gebouw in de gebruiksfase en voor het thermisch comfort. De verhouding tussen de energie-inhoud van een gebouw en de hoeveelheid energie die gedurende het gebruiksstadium aan verwarming en koeling wordt gebruikt is geen vaste. Ze varieert van bij lichte, slechte geïsoleerde gebouwen tot bij gebouwen met een zeer grote (thermische) massa die bovendien autarkisch zijn. Dat wil zeggen dat ze in het gebruiksstadium geen energie van uitwendige bronnen gebruiken zoals gas of elektriciteit. In welke van de twee extreme gevallen de som van de energie-inhoud en het energieverbruik het grootste is, kan met rekenprogramma s worden bepaald. Het grootste deel van de bestaande gebouwde omgeving zit dichter bij dan bij Met andere woorden: de totale energie-inhoud van de bouwmaterialen is daar veel minder belangrijk dan het energiegebruik van het gebouw zelf. Ook de vraag hoe lang een gebouw wordt gebruikt is in deze context vele malen belangrijker dan de vraag of er om milieuredenen een bepaalde betonsamenstelling zou moeten worden gebruikt. 2.5 Kosten op korte termijn, opbrengsten op lange termijn Vanuit energetisch gezichtspunt heeft beton drie interessante eigenschappen: het isoleert, het heeft een goed warmteaccumulerend vermogen en het is zwaar. Het resultaat is dat het binnenklimaat in een betonnen gebouw stabiel is en comfortabel, zonder buitensporige kosten voor verwarming of koeling. Men zal altijd een combinatie van isolatie en thermische massa nodig hebben om een klimaatneutraal huis te bouwen. De temperatuurverschillen in de dag/nacht-cyclus kunnen doorgaans bovengronds worden opgevangen (met de bouwmaterialen), voor de winter/zomercyclus is de thermische opslagcapaciteit van de bodem nodig. De operationele kosten van een gebouw worden in belangrijke mate medebepaald door het energieverbruik van het gebouw Bij stijgende energieprijzen zullen die kosten steeds belangrijker worden ten opzichte van de kapitaalslasten.

7 7 Thermische massa kan de jaarlijkse kosten voor verwarming tot zo n 15% verminderen als het bouwkundig en bouwfysisch ontwerp hier op worden afgestemd. Thermische massa wordt niet alleen gevonden in (zware) muren en vloeren, maar ook in speciaal daartoe ontworpen funderingspalen. Thermische massa kan ook de behoefte aan koeling verminderen. Temperatuurpieken komen vertraagd en afgezwakt in de woning door. Wanneer thermische massa op een intelligente manier wordt gebruikt in combinatie met airconditioning, dan kunnen de kosten voor koeling met zo n 50% naar beneden. Dit zijn voorwaar indrukwekkende cijfers! Vooral als wordt bedacht dat zelfs in een gematigde klimaatzone verwarming en koeling van gebouwen ongeveer 30% van alle fossiele brandstoffen vereisen. In Europa is dat minstens tienmaal zo veel als het energieverbruik van de cementindustrie. Vloeren, wanden en funderingen kunnen allemaal worden gebruikt voor de (actieve of passieve) opslag van warmte en koude. Op termijn verdient zich dat bijna altijd terug in termen van energie, van CO 2 -uitstoot en van kosten. Er is een ander aspect van beton dat hier moet worden genoemd: carbonatatie. Carbonatatie is een chemisch proces waarbij CO 2 uit de lucht reageert met CaO in beton en CaCO 3 (kalksteen) wordt gevormd. Civiel-ingenieurs kennen dit fenomeen dat schadelijk kan zijn voor beton, en proberen het zo veel mogelijk te voorkomen en vertragen. Door carbonatatie van beton kan immers de stalen wapening worden aangetast en kan de constructie onveilig worden. Milieukundigen moedigen carbonatatie juist aan, omdat hierbij CO 2 uit de lucht wordt afgevangen. Het goede nieuws is dat carbonatatie van beton in het gebruiksstadium heel langzaam gaat en pas flink op gang komt nadat het beton is gesloopt en tot betongranulaat is gebroken of gemalen. Versnelde laboratoriumtests hebben in Scandinavische landen aangetoond dat na een periode van 100 jaar 22-26% van het cement weer is gerecarbonateerd, afhankelijk van een groot aantal variabelen. De relevantie van dit fenomeen is nog onduidelijk. Feit is wel dat het elke dag plaatsvindt en dat een wereldwijd bijna onvoorstelbaar groot betonoppervlak aan de lucht is blootgesteld. 2.6 Hergebruik De beste manier om het milieu te sparen is duurzaam bouwen in de letterlijke betekenis van het woord en constructies niet te snel weer afbreken.

8 8 Betonconstructies lenen zich uitstekend voor een tweede leven. Ze zijn duurzaam genoeg om grote functieveranderingen van een gebouw mogelijk te maken. Er zijn prachtige voorbeelden zoals De Witte Dame in Eindhoven. De milieuvoordelen hiervan zijn als regel veel groter dan die kunnen worden bereikt door de optimalisatie van een betonmengselsamenstelling of het technisch ontwerp. Toch moet men ook accepteren dat niet alle bestaande gebouwen kunnen voldoen aan de eisen van de tijd of aan de eisen van de gebruiker. Slechts weinig gebouwen zijn er voor de eeuwigheid neergezet. Bij veel gebouwen ziet men helaas al van verre dat dit niet het geval is. 2.7 Recycling In principe kan recycling van beton op verschillende manieren plaatsvinden. als constructie in zijn geheel als constructie in onderdelen als betongranulaat in beton als betongranulaat in niet-gebonden wegfunderingen en dergelijke gescheiden in de samenstellende delen Vanuit milieukundig oogpunt hebben de verschillende alternatieve vanzelfsprekend een verschillende impact. Het is moeilijk te zeggen welk alternatief in algemene termen de voorkeur heeft. Voor materialen zoals staal en aluminium is dat eenduidiger; die hebben een hoge energieinhoud van zichzelf, kunnen worden gerecycled en moeten dus worden gerecycled. Beton heeft een betrekkelijk lage energie-inhoud, waardoor recycling als materiaal minder evidente voordelen oplevert. De impacts van hergebruik en recycling moeten worden afgezet tegen de voor- en nadelen van het gebruik van nieuwe materialen en het storten van afval. Het NIBE heeft berekend dat een volledige vervanging van de (primaire) grove toeslagmaterialen in beton door (secundaire) granulaten een totale milieuwinst oplevert van 6-7%. Maar er zijn ook studies waarvan de resultaten een andere (welke?) kant opwijzen. De resultaten zijn enigszins afhankelijk van de rekenmodellen die worden gehanteerd en van de invoerwaarden. Maar hoe men ook rekent, hergebruik van beton leidt altijd tot een besparing van maagdelijke grondstoffen en dat is één van de speerpunten van het milieubeleid. De laatste optie, het scheiden van beton in zijn samenstellende delen, mag vreemd klinken. Toch is TNO met een aantal partners in het bedrijfsleven hiermee een eind gevorderd. Het Kringbouwproject heeft aangetoond dat het technisch mogelijk is om beton zo te malen dat er een cementrijke en een cementarme fractie ontstaat. De cementarme fractie kan worden gerecycled als grof toeslagmateriaal. De cementrijke fractie heeft een residuele bindingskracht, maar kan desgewenst ook als grondstof voor nieuw cement dienen. Momenteel wordt verder onderzoek gedaan naar de voorwaarden waaronder een en ander ook commercieel aantrekkelijk is. 3 CONCLUSIES Kooldioxide bepaalt momenteel in hoge mate de politieke agenda. Dit gegeven raakt ook de bouw en de bouwtoelevering. Tweederde van al het Nederlands beton eindigt op een dag in de woning- en utiliteitsbouw. Dat zijn sectoren waar verwarming en koeling en dus ook energiebesparing een topprioriteit zijn. Gegeven deze feiten is er een sterke behoefte om de energie-inhoud en de carbon footprint van beton mee in beschouwing te nemen.

9 9 De over-all waardering voor het materiaal beton kan worden weergegeven met de bekende uitdrukking: De kost gaat voor de baat uit Inderdaad, de productie van cement en beton kost energie en leidt tot de uitstoot van kooldioxide. Het gaat om grote hoeveelheden, maar de uitstoot per ton materiaal is de afgelopen 50 jaar in Nederland al zeer drastisch gereduceerd. En er is nog enig potentiaal voor verdere reductie. Inderdaad, het gebruik van beton is vaak een goede keuze in termen van kosten, duurzaamheid, veiligheid en energie-inhoud. Inderdaad, in veel gevallen is het gesommeerde energiegebruik dat samenhangt met de levenscyclus van beton aanmerkelijk kleiner dan van de alternatieven. Klimaatneutraal beton bestaat niet, maar we kunnen beton wel heel goed gebruiken bij klimaatneutraal bouwen en wonen. Het gebruik van beton is daar vaak een grote stap in de goede richting. REFERENTIES Kjellsen, Knut O The CO 2 Balance of Concrete in a Life Cycle Perspective. Dansk Technological Institute, NI Project ISBN CREM, Herziening Milieukeur Betonproducten, Amsterdam December 2007 Hauer, B Technical Report 0183/2007, The European Cement Research Academy, Düsseldorf Hietamäkij, J., Kuoppala, M., Kalema T. and Taivalantti, K. Thermal mass of buildings Central researches and their results. Tampere University of Technology, Institute of Energy and Process Engineering. Report 2003:174, Tampere, Finland, 2003, 43 pp + annexes. Mulder, E., Feenstra, L. and Jong, T.P.R. de Closed Cycle Construction A concept for the separation and reuse of C&D waste, TNO Science and Industry, 2005