Bouwen met CO₂ in beton
Onderzoekers van het Concrete & Asphalt-laboratorium van Empa werken aan een oplossing om CO2 permanent op te slaan in beton. Door biochar in beton te verwerken, onderzoeken ze de mogelijkheid van CO₂-neutraal en CO₂-negatief beton. Voor optimale toepasbaarheid verwerken ze de biochar tot korrels en gebruiken ze deze om conventionele aggregaten te vervangen.
Om het doel van een klimaatneutraal Europa tegen 2050 te bereiken, zijn verschillende strategieën en processen met een negatieve CO₂-balans nodig. Deze zogenaamde negatieve emissietechnologieën (NET) zijn bedoeld om de overblijvende "moeilijk te vermijden" emissies in 2050 tegen te gaan en ervoor te zorgen dat we uiteindelijk netto nul bereiken. Een groot deel van de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen wordt veroorzaakt door cementproductie omdat het materiaal veel wordt toegepast. Er zijn inmiddels al veel initiatieven in de betonketen om CO₂ op te slaan of de uitstoot bij de productie te verminderen. Dit klinkt paradoxaal, maar kan zeer succesvol zijn als we beginnen met te denken met 'Bouwen met CO₂'. Koolstof gebruiken om bouwmaterialen te produceren en het zo op lange termijn uit de atmosfeer te verwijderen. Veel onderzoek is nodig voor dergelijke visies, zoals momenteel wordt uitgevoerd in het Concrete & Asphalt-laboratorium van Empa. Een team onder leiding van Pietro Lura ontwikkelt een proces om biochar in beton te integreren.
Biochar toepassen in beton
Biochar wordt geproduceerd door een pyrolytisch carbonisatieproces van biomassa in afwezigheid van zuurstof en bestaat grotendeels uit puur koolstof - de koolstof die planten uit de atmosfeer hebben gehaald in de vorm van CO₂ tijdens hun groei. Terwijl CO₂ wordt uitgestoten wanneer planten worden verbrand, blijft het gebonden in de biochar op lange termijn. De eerste betonproducten met geïntegreerde biochar zijn al op de markt. Echter, biochar wordt vaak onbehandeld aan het beton toegevoegd, wat problemen kan veroorzaken. "Biochar is zeer poreus en absorbeert daardoor niet alleen veel water, maar ook dure toevoegingen die in betonproductie worden gebruikt," legt Empa-onderzoeker Mateusz Wyrzykowski uit. "Bovendien is het moeilijk te hanteren en niet helemaal ongevaarlijk." Het zeer fijne materiaal is problematisch voor de luchtwegen en draagt een zeker risico op explosie met zich mee bij de productie.
Koolstofkorrels als toeslagmateriaal
Om deze redenen stellen de onderzoekers in een recent gepubliceerd artikel in het Journal of Cleaner Production voor om de biochar te verwerken tot korrels. "Zulke lichte aggregaten bestaan al van andere materialen zoals geëxpandeerde klei of vliegas. De knowhow voor het hanteren van deze materialen is beschikbaar in de industrie, en dit vergroot de kans dat het concept in de praktijk wordt gebracht," zegt Wyrzykowski. Om de korrels te produceren, gebruikte het team een betonmixer met een draaiende pan waarin ze de biochar met water en cement mengden en als gevolg van de rotatie kleine korrels met een diameter van 4 tot 32 millimeter verkregen.
Vervolgens gebruikten ze deze korrels om normaal beton van sterkteklassen C20/25 tot C30/37 te produceren - de klassen die vandaag het meest worden gebruikt in de civiele techniek. "Met een aandeel van 20 procent volume aan koolstofkorrels in het beton bereiken we netto nul emissies," zegt Mateusz Wyrzykowski. Dat wil zeggen, de hoeveelheid opgeslagen koolstof compenseert alle emissies die worden geproduceerd bij de productie van zowel de korrels als het beton. Hoewel waarschijnlijk nog niet het limiet is bereikt voor normaal beton (dichtheid tussen 2.000 en 2.600 kg/m³) met 20 procent volume, is het negatieve emissiepotentieel bijzonder opvallend voor lichtgewicht beton (dichtheid ongeveer 1.800 kg/m³): Een toevoeging van 45 procent volume aan koolstofpellets in het beton leidt tot totale negatieve emissies van min 290 kg CO₂/m³. Ter vergelijking: conventioneel beton stoot ongeveer 200 kg CO₂/m³ uit.
CO₂ uit de atmosfeer
Voor laboratoriumleider Pietro Lura is het onderzoek in zijn laboratorium een cruciale bijdrage aan het bereiken van klimaatdoelen. Hij beschouwt biochar, dat als een modelmateriaal heeft gediend in het huidige onderzoek, niet als de belangrijkste bron van koolstof. Hij wijst eerder op het brede concept "Mining the Atmosphere" dat verschillende laboratoria bij Empa volgen: de productie van synthetisch methaan met behulp van zonne-energie, water en CO₂ uit de atmosfeer in zonnige regio's van de wereld, en de daaropvolgende pyrolyse van het synthetische gas. "Dit levert waterstof op, dat als energiedrager kan worden gebruikt in industrie of mobiliteit, en vast koolstof, dat we kunnen verwerken tot pellets - zoals biochar - en in beton kunnen opnemen," legt Lura uit.
Meer informatie
Koudgebonden, biochar-rijke lichtgewicht aggregaten voor netto-nul beton. Bron: ScienceDirect
CO2 opslaan in beton. Bron: Empa
