Die Bauindustrie im Allgemeinen – und Microsoft im Besonderen – ist zunehmend an Möglichkeiten interessiert, Gebäude zu schaffen, die eine Netto-Kohlenstoffspeicherung bieten, anstatt bei der Herstellung der Baumaterialien Treibhausgasemissionen (THG) zu erzeugen. Eine Reihe von kohlenstoffspeichernden Materialien bietet ein realisierbares Potenzial, bestehende Materialien zu ersetzen, die in aktuellen Gebäudedesigns, einschließlich Fundamenten, Strukturen und Gehäusen, als „Hotspots“ für Treibhausgase gelten.^[3]  Diese Studie untersucht neuartige kohlenstoffarme und kohlenstoffspeichernde Materialien, die Algen, Myzel, Erde, speziell angebaute Fasern und landwirtschaftliche Rückstände integrieren, und identifiziert neu entstehende Baumaterialien und Technologien, die Chancen mit „hohem Risiko/hoher Belohnung“ bieten, um zur Kohlenstoff- Lagern von Gebäuden in einem komprimierten Zeitrahmen – Beschleunigung von Produktentwicklung, Herstellung und Baunutzung. Hintergrund und Kontext, aufgrund dessen die in diesem Bericht bewerteten Materialien ausgewählt wurden, werden hier beschrieben (siehe Abschnitt 2).

Genauer gesagt zielt diese Forschung darauf ab, kohlenstoffarme und kohlenstoffspeichernde Erd-, Wohn- und landwirtschaftliche Materialtechnologien im Frühstadium zu identifizieren und ihre Marktreife für die regionale Herstellung und Verwendung in der Bauindustrie zu bewerten sowie ihre Auswirkungen auf die architektonische Gestaltung zu berücksichtigen und Konstruktion (siehe Abschnitt 3).

Die Forschungsmethodik umfasst eine Untersuchung der vorhandenen Literatur und eine frühe Materialentwicklung in Labors und kleinen Produktionsstarts, um eine Reihe vielversprechender Materialien zu identifizieren. Nach der Charakterisierung und Einstufung dieser Materialien nach einem umfassenden Kriterien-Materialindex (siehe Anhang 1) wählte das Forschungsteam Materialien für die Verwendung in Fundamenten, Strukturen und Gehäusen aus, aufbauend auf der vorherigen Forschung zu kohlenstoffspeichernden Materialien (Kriegh, Magwood & Srubar, 2021, Kohlenstoff speichernde Materialien). Eine Erläuterung der Kriterien, die zur Bewertung jedes Materials verwendet werden, finden Sie in Abschnitt 4. Im Bericht werden die wichtigsten Aspekte für jedes in Betracht gezogene Material hervorgehoben, einschließlich Materialeigenschaften, potenzielle Verwendungen und weitere Forschung und Entwicklung, die für jedes Material erforderlich sind, um es für die Verwendung in skalieren zu können den Marktplatz (siehe Abschnitt 4).

Im Allgemeinen werden bei der Entwicklung von Labormaterialien im Frühstadium für den Einsatz in verschiedenen voll funktionsfähigen Baumaterialien folgende Eigenschaften berücksichtigt: Dauerhaftigkeit, Tragfähigkeit, Feuchtigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Brandverhalten. Obwohl jedes Material einen spezifischen Test-, Herstellungs- und Marketingprozess hat, wird ein Proof-of-Concept-Plan skizziert und es werden wichtige Schritte auf dem Weg zur Marktreife von Materialien im Frühstadium identifiziert (siehe Abschnitt 5).

Warum ist diese Untersuchung jetzt für Microsoft wichtig? Die Investition in einen Proof-of-Concept-Plan zur Markteinführung neuer CO2-Speichertechnologien entspricht den Umweltwerten von Microsoft und verpflichtet sich, bis 2030 im heutigen Betrieb CO2-negativ zu werden und bis 2050 den gesamten CO2-Ausstoß des Unternehmens aus der Umwelt zu entfernen.^[4]   Um die typische Verzögerung zu überwinden, die für die Markteinführung von Forschung, Tests und Produktherstellung in der frühen Phase der Materialentwicklung typisch ist und diese Produkte von der Design-, Engineering- und Bauindustrie verstanden und akzeptiert werden, muss der Weg beschleunigt werden. Indem Microsoft die Verantwortung für die Reduzierung seines eigenen CO2-Fußabdrucks übernimmt, erhöht Microsoft die Bedeutung von Innovationen und der Förderung neuartiger, CO2-speichernder Materialien, um den Markt voranzutreiben. Neben der Investition in neue Technologien zur CO2-Speicherung besteht das Ziel von Microsoft darin, den Prozess weltweit zu beschleunigen, indem neue Technologien für Zulieferer weltweit entwickelt werden.

Darüber hinaus verpflichtet sich Microsoft, sich für eine kohlenstoffbezogene öffentliche Politik einzusetzen, indem es Initiativen zur Beschleunigung der CO2-Reduzierung unterstützt und gleichzeitig die Auswirkungen auf die Umweltgerechtigkeit berücksichtigt. Eine kurze Erörterung dieser Themen, Empfehlungen und Möglichkeiten findet sich in Abschnitt 6 dieses Berichts.

Diese Studie schließt mit einem Vorschlag, der zusätzliche Schritte beschreibt, um die Dekarbonisierungsziele von Microsoft offensiv zu verfolgen und zu erreichen. Die Information und Ausbildung von Studenten, Handwerkern und Fachleuten in den Bereichen Architektur, Ingenieurwesen und Bauwesen (AEC) ist unerlässlich, um Innovationen anzuregen und tatsächliche und vermeintliche Hindernisse zu beseitigen, die die dringend benötigte Entwicklung in AEC-Bereichen behindern. In Abschnitt 7 wird ein Fahrplan für ein integriertes Design-, Ingenieur- und Architekturprogramm (IDEA) vorgeschlagen^[5]  die über eine langfristige Allianz mit akademischen Einrichtungen realisiert und über den Climate Innovation Fund von Microsoft entwickelt werden könnte. Das IDEA-Labor schlägt vor, die Erforschung und Analyse der Markteinführung neuartiger kohlenstoffspeichernder Materialien sowie der Auswirkungen auf die Bildung und das soziale Wohl fortzusetzen, die durch die Einbettung von Forschungsausbildungen in die Forschungs-, Entwurfs- und Bauarbeiten erforderlich sind, um aufstrebende Technologien zu beschleunigen. Grundlegend für diese Arbeit ist ein Verständnis der Werte, die einem ganzheitlichen sozial-technologisch-ökonomischen Drang zur Dekarbonisierung innewohnen. Die Materialzuordnung zu Klima, regionaler Verfügbarkeit, politischen Initiativen und Markt-/Branchenwerten ist ein Beispiel für ein Projekt, das in Zusammenarbeit mit Microsoft AI for Earth und dem IDEA-Labor entwickelt werden könnte.

^[3]     Kriegh, Magwood & Srubar, 2021. Kohlenstoffspeichernde Materialien. https://carbonleadershipforum.org/carbon-storing-materials/

^[4]     https://blogs.microsoft.com/blog/2020/01/16/microsoft-will-be-carbon-negative-by-2030/ (Zugriff am 22. April 2021)

^[5]     Das IDEA-Labor ist aus Vorschlägen von Drs. Lee, Kriegh und Dossick (UW College of Built Environments); Dr. Srubar (UC Boulder); und Executive Director Magwood (Endeavor Center), die Anfang 2021 ins Leben gerufen wurden.

2.1 Kohlenstoffspeichernde Materialien: Hintergrund

Mit jedem neuen Gebäude und jeder gebauten Landschaft werden sowohl durch die Materialproduktion als auch durch die Bautätigkeit CO2-Emissionen in die Atmosphäre freigesetzt. Der Hochbau verursacht mehr als 111 TP1T der globalen CO2-Emissionen,^[6]  ein Großteil davon entsteht bei der Herstellung und Verarbeitung von Baustoffen. Der Bausektor als Hauptverbraucher von Materialien hat das Potenzial, den Markt für innovative Materiallösungen anzukurbeln, die sowohl die Auswirkungen konventioneller Materialien reduzieren als auch Kohlenstoff in langlebigen Bauprodukten speichern können.

Bereits auf dem Markt befindliche Materialien und Verfahren – insbesondere kohlenstoffintensive Anwendungen (Hotspots) wie Fundamente/Platten, Bauwerke und Dach-Wand-Einhausungen – können eine sinnvolle Reduzierung des CO2-Ausstoßes bewirken. In den Jahren 2020 und 2021 engagierte Microsoft das Carbon Leadership Forum (UW CLF) der University of Washington in einem Forschungsprojekt, um kohlenstoffspeichernde Materialien und Methoden zu identifizieren, die für Folgendes geeignet sind: a) sofortiger 1:1-Austausch, b) Skalierung für einen breiteren Markt Einsatz in 2 bis 3 Jahren mit minimalen Designüberarbeitungen, c) Labortests und/oder Pilotprojekten in kleinem Maßstab und d) Erforschung neuer Materialien für potenzielle Markteinführung in 5 Jahren.^[7]  Die Forschung zeigte, dass biobasierte Baumaterialien weltweit (Reduzierung von Emissionen und Speicherung von Kohlenstoff in langlebigen Materialprodukten) und regional (Unterstützung von Kleinbauern und Unternehmen und Verbesserung der menschlichen Gesundheit) entscheidende Vorteile bieten.

Verfügbare kohlenstoffspeichernde, biobasierte Materialien (wie Massivholz, Holzwerkstoffe und strohbasierte Platten) demonstrieren die Machbarkeit der Verwendung von Baumaterialien zur Speicherung von Kohlenstoff – und schaffen so Gebäude und Landschaften als potenziell signifikante Reduzierung der Kohlenstoffemissionen. Solche Projekte bieten potenzielle Auswirkungen, einschließlich der Unterstützung für aufstrebende kohlenstoffspeichernde Baustoffindustrien, nämlich Arbeitsplätze in Produktionszentren, Berufsbildungs- und Bildungszentren sowie politische Initiativen. Indem Microsoft die Bedeutung dieser lebenswichtigen sozio-technisch-ökonomischen Beziehungen anerkennt, unterstreicht Microsoft die Bedeutung von Innovation und bringt neuartige kohlenstoffspeichernde Materialien voran. Neben der Investition in neue Technologien zur CO2-Speicherung besteht das Ziel von Microsoft darin, den Prozess weltweit zu beschleunigen, indem neue Technologien für Zulieferer weltweit entwickelt werden. Diese kombinierte Anstrengung zur Förderung der Entwicklung neuartiger Materialien im Labormaßstab sowie der Materialprüfung und Konstruktionsausbildung ist unseres Wissens die erste ihrer Art.

2021 hat Microsoft die aktuelle Studie in Auftrag gegeben, Transformative kohlenstoffspeichernde Materialien: Beschleunigung eines Ökosystems, um Möglichkeiten für vielversprechende neue Technologien zur Kohlenstoffspeicherung im Frühstadium zu erkunden, um die Dekarbonisierung des Gebäudesektors voranzutreiben. Um das Potenzial der erfolgreichen Implementierung neuer, origineller, frischer und einzigartiger Materialien in gebaute Projekte zu demonstrieren, werden im Folgenden einige Beispiele und ihre Verwendungen hervorgehoben.

^[6]     Weitere Informationen zur Klimaherausforderung und zum Bausektor finden Sie unter https://architecture2030.org/

^[7]     Kriegh, Magwood & Srubar, 2021. Kohlenstoffspeichernde Materialien. https://carbonleadershipforum.org/carbon-storing-materials/

2.2.1 Biobasierte Panels

Biobasierte Materialien können als vorgefertigte Platten für den Einsatz in Wand- und Dacheinhausungssystemen montiert werden. Diese Paneele können als tragende oder nicht tragende Elemente konfiguriert werden – Rahmen, Isolierung und Ummantelung. Zu den Vorteilen des Bauens mit biobasierten Paneelen gehören eine einfache Integration in aktuelle Design- und Konstruktionspraktiken, eine hohe Kapazität zur Kohlenstoffspeicherung, eine ungiftige Materialoption, die Verwendung lokal verfügbarer Faserreste und Low-Tech-Herstellungsverfahren. Einige, wie Lehmputz/Platten und Algenzement, bieten auch Feuerbeständigkeit. Obwohl weltweit zahlreiche Beispiele im kleinen Maßstab zu finden sind, sind weitere Forschung und Entwicklung (F&E) sowie Produktionsunterstützung erforderlich, um biobasierte Produkte zu skalieren und sie schnell auf den Markt zu bringen.

Die Louise Michel School (Abbildung 1) demonstriert das Potenzial der Verwendung vorgefertigter Strohballenplatten in einem mehrstöckigen institutionellen Gebäude.^[8] Dieses Schulgebäude verwendet einen massiven Holzrahmen, der von vorgefertigten Strohballenplatten umgeben ist. Einzigartig in seiner Materialauswahl wurde das Gebäude auch dazu verwendet, in Frankreich neue Standards für die Feuerbeständigkeit von biobasierten Materialien zu etablieren, die nun von einem Testprotokoll profitieren, das die Durchführung ähnlicher Projekte erleichtert. Das Design nutzt die Strohballeneinhausung, um höchste Ansprüche an Energieeffizienz und Luftdichtheit zu erfüllen. Die Fähigkeit der Strohballeneinhausung, luftdicht und dennoch dampfdurchlässig zu sein, ist ein großer Fortschritt in der Bauwissenschaft für große Bauwerke.^[9]

^[8]     https://www.forum-holzbau.com/pdf/22_FBC_2014_Pagnoux.pdf

^[9]     https://bet-gaujard.com/wp/wp-content/uploads/2014/01/proc7_corrAMD3.pdf

2.2.2 Hanfbeton (und andere „Krete“)

Hanfbeton ist ein Dämmstoff, der aus gehackten Hanfschuppen (Kern) und anderen kernigen landwirtschaftlichen Halmen hergestellt wird, die mit einem mineralischen Bindemittel verbunden sind. Zu den Eigenschaften dieses Dämmstoffes zählen: hohe Feuerbeständigkeit durch die Eigenschaften des mineralischen Bindemittels, ausgezeichnetes Feuchtigkeitsmanagement, gute Kohlenstoffspeicherfähigkeit, Ungiftigkeit und Verwendung lokal verfügbarer Faserreste wie Sonnenblumen, Tabak und Sonnenbrand.

Hempcrete wird derzeit weltweit in kleinem Maßstab sowohl für Blockeinheiten als auch für Fertigteilplattenanwendungen hergestellt. Für verbesserte Bindemittel- und Materialspezifikationen ist eine erweiterte Forschung und Entwicklung erforderlich, um die Herstellung zu beschleunigen und dieses Produkt maßstabsgetreu zu machen. Der Flagship-Store von Marks & Spenser Cheshire Oaks Centre ist ein nachhaltiger Gewerbekomplex, der mit vorgefertigten Hanfbetonverkleidungen gebaut wurde (Abbildung 2). Ihr größtes Geschäft außerhalb von London mit 195.000 Quadratmetern und über zwei Etagen ist ein Projekt, das das Potenzial für die Verwendung von Hanfbeton in großen, mehrstöckigen Bodenplatten demonstriert.

Mit seinem Holzrahmen und vorgefertigten Hanfbetonverkleidungen erreichte das Gebäude die BREEAM-Bewertung „Exzellent“ für die Umweltverträglichkeit, die Hanfbetonwände verleihen ihm eine hohe Wärme- und Feuchtigkeitsbeständigkeit. Nach seiner Fertigstellung gewann es sowohl den nationalen als auch den regionalen RIBA Award, den RIBA Sustainability Award und den BCSC Gold Award for Sustainability.^[10]

^[10]     https://www.aukettswanke.com/projects/Marks

2.2.3 Vorgefertigte Reetdachverkleidung

Vorgefertigte Strohdachverkleidung ist ein Wandverkleidungssystem (dh eine sichtbare Oberfläche, die über einer strukturellen geschichtet ist) unter Verwendung von traditionellem Schilfdach, das an die mechanisierte und tafelförmige Herstellung angepasst wurde. Die Verwendung eines weit verbreiteten, minderwertigen und kostengünstigen Biomaterials als Verkleidung für große Gebäude bietet nicht nur ein langlebiges und erschwingliches System, sondern auch ein transformatives biophiles Erscheinungsbild. Das Material bietet aufgrund seiner einfachen und effizienten Herstellung einen erheblichen Kohlenstoffspeicherwert.

Strohdachprodukte, die bereits in ganz Europa, Afrika und Asien zur Instandhaltung und zum Ersatz traditioneller Bedachungen weit verbreitet sind, könnten mit Unterstützung von Forschung und Entwicklung schnell für eine globale Anwendung auf den Markt gebracht werden.

Seit seiner Eröffnung im Juni 2015 ist das Enterprise Center (Abbildung 3) eine florierende und unterstützende Drehscheibe für Start-ups und kleine bis mittlere Unternehmen. Es wurde mehrfach ausgezeichnet und gilt weithin als eines der umweltfreundlichsten Gebäude in Europa, erfüllt den Passivhaus-Energieeffizienzstandard und erreicht die BREEAM-Bewertung „Hervorragend“. Dieses 120.000 Quadratmeter große Gebäude enthält weit mehr als nur an der Außenseite angebrachte Strohplatten. Biobasierte Materialien in diesem Gebäude umfassen Massivholzrahmen, Wände und Böden; Innenwände und Deckenpaneele aus Stroh; Platten und Putz auf Ton- und Kalkbasis; und ein kreativer Ansatz, diese Materialien in eine inspirierende Ästhetik zu integrieren.^[11] Es erreicht mehrere Ziele in Bezug auf die Gebäudeleistung, wie die Erfüllung von BREEAM- und Passivhaus-Standards, und wird gleichzeitig von den RIBA- und BCSC-Goldpreisen für Nachhaltigkeit ausgezeichnet.

^[11]     https://www.architype.co.uk/project/the-enterprise-centre-uea/

Für diese Studie wurde eine breite Palette neuartiger Materialien sorgfältig evaluiert, wobei mehrere Ziele berücksichtigt wurden, die von Microsoft und dem Forschungsteam für den Auswahlprozess festgelegt wurden. Im Folgenden werden die Methoden und Kriterien zur Bewertung und Materialauswahl erläutert.

3.1 Transformativer Materialindex^[12]

Basierend auf der Literaturrecherche des Forschungsteams und den Werten von Microsoft wurde eine Zwei-Wege-Matrix erstellt, um das Potenzial jedes untersuchten neuartigen Materials zu charakterisieren (siehe Anhang 1). Potenzielle Materialkandidaten sind in der vertikalen Achse aufgelistet und nach Baunutzung für Fundamente, Bauwerke und Einhausung (Dach und Wand) geordnet. Auf der horizontalen Achse sind zwölf Schlüsselkriterien aufgeführt, anhand derer die anfängliche Auswahl an für die Analyse ausgewählten Materialien bewertet wird. Diese zwölf Kriterien und ein gewichteter Priorisierungsfaktor (5, 3 oder 1) werden im Folgenden kurz skizziert:

Kriterien 1, Entwicklungsstufe:

5 – F&E im Frühstadium mit Labortests ist derzeit im Gange, wobei ein Zeitraum von 24 bis 36 Monaten für die Fertigungsbereitschaft prognostiziert wird

3 – F&E mit kleinem Einsatz ist derzeit im Gange; weitere Tests zur Einhaltung der Vorschriften und Umweltproduktdeklarationen (EPDs) werden mit einem Zeitraum von 12 bis 24 Monaten für die Skalierung der Fertigung empfohlen

1 – Produkte werden derzeit auf dem Markt eingesetzt, obwohl eine Skalierung der Fertigung erforderlich ist und/oder die Einhaltung des Codes und die regionalen Standards nicht vollständig genehmigt sind, wobei ein Zeitraum von 6 bis 12 Monaten für den Abschluss des Code-Genehmigungsverfahrens geschätzt wird

Kriterium 2, Mockup- und Prototyp-Potenzial:

5 – Ein Prototyp des Materials und/oder der Baugruppe muss noch erstellt werden und wäre revolutionär

3 – Ein Prototyp des Materials und/oder der Baugruppe wurde erstellt und die Entwicklung für ein Gebäude/eine Struktur wäre richtungsweisend

1 – Ein Prototyp des Materials und/oder der Baugruppe wurde erstellt und der Einsatz in einem Gebäude/Struktur würde die Durchführbarkeit bestätigen

Kriterium 3, State of Compliance Testing: (In allen Fällen hätte ein Testbudget einen großen Einfluss auf die Marktreife)

5 – Testanforderungen und -protokolle sind nicht vorhanden, minimal oder fehlen für die Materialien in der vorgeschlagenen Konfiguration

3 – Testanforderungen und -protokolle sind für einige, aber nicht alle Codestandards festgelegt; einzelne Produkte oder Baugruppen müssen wahrscheinlich getestet werden

1 – Die Testanforderungen und -protokolle sind für die meisten/alle Codestandards gut etabliert und in den Vereinigten Staaten und/oder der Europäischen Union im Gange/vollständig

Kriterium 4, Konstruktionsbaugruppen und Vorfertigungs-/Modularisierungspotenzial:

5 – Obwohl keine Montage oder Vorfertigung versucht wurde, qualifiziert sich das Material als Kandidat und weist ein hohes Potenzial für den Einsatz im Bauwesen als vorgefertigte Platte oder modulare Komponente auf

3 – Baugruppen sind gut etabliert und haben ein unbewiesenes, aber hohes Potenzial für den Einsatz im Bauwesen als vorgefertigte Platte oder modulare Komponente

1 – Details und Baugruppen sind für dieses Material gut etabliert

Kriterium 5, Kohlenstoffspeicherpotenzial:

5 – Das Material hat eine hohe Nettospeicherkapazität von >1kgCO2/kg, dh die höchste Kohlenstoffspeicherkapazität. Materialien, die überwiegend aus photosynthetischem biogenem Material stammen, fallen in diese Kategorie.

3 – Das Material hat eine moderate Lagerfähigkeit von 0,5 – 1 kgCO2/kg Kapazität. In diese Kategorie fallen Verbundmaterialien, die aus einigen biogenen Fasern gemischt mit anderen nicht kohlenstoffspeichernden Materialien (z. B. strohverstärktem Lehm) und Materialien bestehen, die überwiegend aus der Karbonatmineralisierung stammen.

1 – Das Material hat eine geringe Speicherkapazität von <0,5 kgCO2/kg, dh eine Netto-Null-Emission (oder sogar eine moderate Netto-positive Emission) verkörpert Kohlenstoffvorteile. Die Lagerfähigkeit des Materials ist begrenzt (zB Erdbodenplatten).

Kriterium 6, Daten zur Kohlenstoffspeicherkapazität:

5 – Keine verifizierte Dokumentation zur Kohlenstoffspeicherfähigkeit des Materials vorhanden (entweder keine Ökobilanz oder EPD)

3 – Das Material hat eine Ökobilanzstudie; es kann jedoch sein, dass eine EPD fehlt

1 – Das Material hat eine EPD

Kriterium 7, potenzielle Standorte und Verfügbarkeit für Rohstoffe:

5 – Das Material ist weltweit leicht verfügbar

3 – Das Material ist in den meisten Regionen verfügbar

1 – Das Material ist in einigen Regionen leicht verfügbar

Kriterium 8, Potenzial für Auswirkungen auf die Gemeinschaft: (z. B. wirtschaftliche Entwicklung, Schaffung von Arbeitsplätzen, Bildungs- und Ausbildungsmöglichkeiten, verringert die Umweltbelastung, erhöht die Widerstandsfähigkeit)

5 – Das Material hat ein hohes Potenzial für neuen oder gemeinsamen Nutzen in den Gemeinden, in denen es entwickelt wird

3 – Das Material hat ein mäßiges Potenzial für einen bescheidenen Nutzen in den Gemeinden, in denen es entwickelt wird

1 – Das Material hat ein geringes Potenzial für neue oder gemeinsame Vorteile in den Gemeinden, in denen es entwickelt wird

Kriterium 9, High Impact Reward: (Materialien, die sich in einem sehr frühen Entwicklungsstadium befinden und das Potenzial haben, sich in allen Kriterienkategorien zu übertreffen, z. B. extrem niedriger Kohlenstoffgehalt, kohlenstoffspeichernd, abfallfrei, langlebig, weltweit verfügbares Material, Potenzial zur Förderung der Lieferkette und Fertigung mit innovativen Materialien, insbesondere in Entwicklungsländern, Potenzial für Demontage von Gebäuden)

5 – Das Material hat mehrere hohe Belohnungsattribute (oben aufgeführt) und ist möglicherweise marktreif, aber es fehlen Investitionen in die Größenordnung

3 – Das Material hat eine moderate Belohnung, da einige Vertriebsmärkte etabliert sind, das Potenzial für die Herstellung an vielen Standorten weltweit und ist reif für eine große Akzeptanz

1 – Das Material hat eine geringe Belohnung, weil es gut entwickelt und in Gebrauch ist

Kriterium 10, hohes Risiko: (z. B. Skepsis von Designern, Bauherren und Kodexbeamten; erfordert Tests zur Festlegung von Parametern für das Material; Wahrnehmung negativer Auswirkungen auf den Projektzeitplan und/oder die Kosten, mangelnde Vertrautheit bei der Beschaffung, mangelnde Kenntnisse in der Konstruktion Methoden und Garantie)

5 – Das Material hat ein hohes Risiko aufgrund des frühen Entwicklungsstadiums

3 – Das Material weist ein mäßiges Risiko auf, da das Material vorhanden sein kann, jedoch nicht für den neuen Verwendungszweck

1 – Das Material hat ein geringes Risiko, da der Sektor gut entwickelt ist oder mit aktuellen technischen Standards in Einklang steht

Kriterien 11, Referenzpapier und/oder Fallstudie vorhanden:

5 – Das Material enthält wenige großformatige gebaute Beispiele oder veröffentlichte Forschungsarbeiten

3 – Das Material befindet sich noch in der frühen Erforschung mit kleinen Bauprojekten und einigen Veröffentlichungen

1 – Das Material ist gut dokumentiert und wurde in begutachteten Zeitschriften veröffentlicht

Kriterium 12, potenzielle Entwicklungspartner:

5 – Keine bekannten Entwicklungspartner oder wenige potenzielle Partner

3 – Frühphasen- und Start-up-Unternehmen existieren, sind aber nicht in allen Regionen verbreitet

1 – Es gibt etablierte Unternehmen, von denen einige/viele Industriegüter weltweit vertreiben

^[12]     Der Transformative Materials Index wurde vom CLF (Kriegh, Lewis, Magwood, Srubar, 2021) mit Beiträgen von WSP-Ingenieuren und Microsoft entwickelt.

3.2 Tool zum Vergleich von Materialwirkungen (MIC)^[13]

Aus früheren Forschungen wurden siebzehn Materialien in Bezug auf drei Hotspot-Gebäudesysteme untersucht – Fundamente, Strukturen und Gehäuse.^[14]  Darüber hinaus wurden drei Bauweisen – 3D-Druck, Design for Disassembly (DfD) und vertikales oder mehrstöckiges Architekturdesign – betrachtet. Das Wirkungspotenzial dieser Materialien und Bauweisen anhand der zwölf Kriterien wird im Folgenden zusammengefasst (siehe Abbildung 4 und Abbildung 5).

^[13]     Das Materials Impact Comparison Tool (MIC) wurde mit Genehmigung von ZGF Architects (Tool-Entwickler, 2021) verwendet.

^[14]     Kriegh, Magwood & Srubar, 2021. Kohlenstoffspeichernde Materialien. https://carbonleadershipforum.org/carbon-storing-materials/

3.3 Schlüsselkriterien

Zu den zwölf Schlüsselkriterien, nach denen die anfängliche Materialauswahl für die Analyse (siehe oben) bewertet wurde, gehören typische Kriterien einer Machbarkeitsuntersuchung. Einige Kategorien blicken jedoch über praktische Aspekte hinaus und berücksichtigen allgemeinere Anliegen, wie das Potenzial, eine sehr positive Wirkung auf die umliegenden Gemeinden zu haben und eine starke Wirkung auf die Dekarbonisierung der Umwelt zu haben, daher der Titel dieses Berichts, Transformative kohlenstoffspeichernde Materialien: Beschleunigung eines Ökosystems. Diese Überlegungen umfassen Folgendes: Die Möglichkeiten zur wirtschaftlichen Entwicklung werden durch die Schaffung von Arbeitsplätzen, Bildung und Ausbildung verbessert; Schadstoffbelastungen werden reduziert; das Material hat einen extrem niedrigen Graukohlenstoffgehalt, ist kohlenstoffspeichernd, abfallfrei und langlebig; das Material hat das Potenzial, die Lieferkette und die Fertigung durch den Einsatz innovativer Produkte voranzutreiben (insbesondere in Entwicklungsländern); und die Komponenten des Materials haben das Potenzial, für die Demontage (DfD) ausgelegt und wiederverwendet zu werden.

Bei der Bewertung wurden auch Konstruktionsmethoden berücksichtigt, darunter das Potenzial für Prototyping, Vorfertigung, 3D-Druck, DfD und vertikales (mehrstöckiges) Design.

Der Ansatz, die Materialien nach jedem dieser Kriterien zu bewerten, spiegelt den Wunsch von Microsoft wider, maximalen Wert auf Materialien zu legen, die hohe Belohnung Potenzial sogar bei hohes Risiko. Um eine hohe Punktzahl von 5 in einer beliebigen Kategorie zu erhalten, musste das betrachtete Material neben einem hohen Belohnungswert auch den niedrigsten Grad an Proof-of-Concept über alle Kriterien hinweg aufweisen. Dieser Ansatz zur Bewertung benachteiligter Materialien ist bereits auf dem besten Weg zur Marktreife zugunsten derjenigen, die sich noch in den frühesten Phasen der Forschung und Entwicklung befinden.

3.4 Materialleistung, Eigenschaften und Kohlenstoffspeicherfähigkeiten

Die Liste der in dieser Studie untersuchten Materialien wurde aus einem früheren Projekt übernommen,^[15]  während der sie überprüft wurden, um Eigenschaften sicherzustellen, von denen vernünftigerweise erwartet werden kann, dass sie die Leistungsanforderungen für die Aufnahme in ein Gebäude erfüllen. Nach der Prüfung von Literaturrecherchen, Prototypen und Fallstudien hält das Forschungsteam alle Materialien in dieser Studie für geeignet für die Gebäudenutzung oder für vielversprechend genug, dass eine weitere Untersuchung gerechtfertigt ist.

Wo immer möglich, wurden Ökobilanzen und/oder Umweltproduktdeklarationen in Betracht gezogen, um die potenziellen Auswirkungen der Materialien auf die Treibhausgasemissionen abzuschätzen. Die Kohlenstoffspeicherung ist relativ einfach festzustellen, da sie auf der Chemie des Materials basiert, sodass die im Material enthaltene Kohlenstoffmenge ohne direkte Untersuchung/Probenahme genau bestimmt werden kann. Die Emissionen wurden aus den Auswirkungen der Ernte, der Produktion und des späteren Lebenszyklus berechnet, basierend auf der Überprüfung der Dokumentation, die genaue Angaben zu den Emissionsprofilen der Materialien lieferte. In Fällen, in denen keine relevanten Studien verfügbar waren, wurden die THG-Auswirkungen ähnlicher oder verwandter Materialien extrapoliert.

Für die Zwecke dieser Studie wurden Materialien mit den wenigsten verfügbaren Daten aufgrund des Fehlens vorhandener Studien oder Dokumentationen hoch bewertet. Diese Gewichtung der Präferenz bedeutet, dass das tatsächliche THG-Profil einiger Materialien möglicherweise größer oder kleiner als die anfängliche Charakterisierung ist. Der Wert in den Punktzahlen spiegelt den Wert des endgültigen Lernens dieser Informationen wider, auch wenn sich ein ausgewähltes Material als mehr oder weniger wirkungsvoll herausstellt, als die anfängliche Bewertung vermuten lässt.

^[15]     Kriegh, Magwood & Srubar, 2021. Kohlenstoffspeichernde Materialien. https://carbonleadershipforum.org/carbon-storing-materials/

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3.5 Werkstoffe Baugruppen Gehäuse/Bausysteme

Die meisten Baumaterialien fungieren als eine Komponente in einer Baugruppe, was bedeutet, dass die Bewertung eines bestimmten Materials ein Verständnis dafür erfordert, wie es innerhalb einer relevanten Konstruktionsbaugruppe, wie sie in einem Wand-, Boden- oder Dachsystem zu finden ist, interagieren könnte. Neue und transformierende Materialien erfordern oft eine Anpassung innerhalb von Baugruppen, um einzigartige Eigenschaften oder Konstruktionsverfahren zu berücksichtigen. Das Forschungsteam versuchte herauszufinden, mit welcher Leichtigkeit oder Schwierigkeit jedes Material in bestehende Montagearten integriert werden kann, wobei erkannt wurde, dass einige Materialien minimale Anforderungen an die Kombination mit anderen Montagekomponenten (z. B. Erdbodenplatten) stellen, während andere nur als integrierter Bestandteil einer Baugruppe (zB lose Faserisolierung). Eine hohe Punktzahl zeigt unsere Feststellung, dass das Material auf einfache Weise in einer relevanten Baugruppe verwendet werden kann.

3.6 Prototyping- und Pilotierungspotenzial

Ein Prototyp-Gebäude stellt eine gewünschte nächste Stufe dieser Arbeit dar, daher wurde jedes Material auf seine Eignung für ein neues Demonstrationsprojekt geprüft. Eine hohe Punktzahl weist darauf hin, dass der Nachweis der Verwendung des Materials einen Präzedenzfall darstellen würde. Materialien, die bereits in Gebäuden verwendet wurden, wurden am schlechtesten bewertet. Da keines der Materialien in dieser Studie weit verbreitet verwendet wurde, zeigt die Variation der Punktzahlen die relative Neuheit für jedes Material an. Beachten Sie jedoch, dass Prototypgebäude, die eines dieser Materialien enthalten – insbesondere die Kombination einiger oder aller – wirkungsvoll wäre.

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Jedes der betrachteten und schließlich für die weitere Untersuchung ausgewählten Materialien wurde mit dem Tool Materials Impact Comparison (MIC) bewertet. Die Ergebnisse der MHK-Analyse sind unten angegeben.

4.1 Analyse

​Mit dem MIC-Tool wurde die Rangfolge der siebzehn Materialien und drei Bauweisen nach den zwölf Schlüsselkriterien analysiert und visuell dargestellt (siehe Abschnitt 3). Aus dieser Analyse wurden sechs Materialien für die weitere Untersuchung ausgewählt, darunter Earthen Materials (Lehmbodenplatten und kalzinierter, alkaliaktivierter Zementbeton auf Tonbasis), Living Materials (aus Algen gewachsene Ziegel/Platten und Myzelstrukturen) und Agricultural Products (Restbiomasse) und zweckgebundene Fasern).

Die MIC-Radardiagramme für jedes der sechs Materialien finden Sie auf der nächsten Seite (Abbildung 6). Die Farben Blau, Gelb und Rot entsprechen den numerischen Wertungen von 5, 3 bzw. 1. In den folgenden Abschnitten werden diese Materialien, ihre Eigenschaften und ihr Entwicklungsstadium beschrieben. Beachten Sie, dass nicht alle Materialien in jeder Kriterienkategorie eine hohe Prioritätsbewertung (blau dargestellt) haben. Im Beispiel einer Erdbodenplatte (Abbildung 7) wird das Material in Bezug auf das Kohlenstoffspeicherungspotenzial mit einer niedrigen (rot eingezeichneten) Punktzahl bewertet. In diesem Fall ist das Material selbst nicht kohlenstoffspeichernd; Die Auswirkungen der Verwendung dieses Materials anstelle von konventionellem Beton sind jedoch sehr vorteilhaft, da die konventionelle Betonherstellung und -verwendung einen relativ großen CO2-Fußabdruck mit sich bringt, der in großem Umfang vervielfacht wird.

4.2 Irdene Materialien

4.2.1 Lehmböden

Der Einsatz von Betondecken-/Fundamentsystemen trägt erheblich zu den Treibhausgasemissionen von Gebäuden bei. Es wird viel getan, um die Emissionen aus Beton zu bekämpfen, aber eine Option, die zu wenig beachtet wurde, ist der Ersatz von Beton durch Erde für Plattenböden. Trotz jahrhundertelanger historischer Präzedenzfälle wurde dieser Idee in einem modernen Kontext überraschend wenig Forschung gewidmet. Zeitgenössische Hersteller von Lehmböden haben wichtige Erkenntnisse aus der Betonindustrie über die Korngrößenverteilung und aus der Linoleumindustrie über die Verwendung von haltbaren, natürlich polymerisierenden Ölen gewonnen. Im kleinen Maßstab haben sich Lehmböden als langlebig, wasserdicht und biophil erwiesen (Abbildung 8).

Obwohl Erdböden selbst keine Kohlenstoffspeicher sind, hat eine kleine Anzahl von Ökobilanzstudien gezeigt, dass sie einen sehr geringen CO2-Fußabdruck haben. Das einfache Ersetzen von Betonböden durch Lehmböden könnte den gesamten CO2-Fußabdruck eines Gebäudes drastisch reduzieren. Durch den Einbau von Naturfasern zur Verstärkung und/oder einem kohlenstoffspeichernden Aggregat (zB von Blue Planet) könnten auch Lehmbodensysteme kohlenstoffspeichernd ausgestaltet werden.^[16]

Unter denen, die sich der modernen Verbesserungen nicht bewusst sind, weckt die Vorstellung eines irdenen Bodens tendenziell Assoziationen von Armut und Schmutz, so dass die Option normalerweise abgelehnt wird. Aus diesem Grund ist die Herstellung von Lehmböden ein Nischenmarkt geblieben, der noch nicht auf moderne Gebäude angewendet wurde oder als einer signifikanten Studie angesehen wurde.

Die Entwicklung von Lehmböden hat viele Vorteile: Die Rohstoffe sind nicht nur kostengünstig, ungiftig und weit verbreitet, sondern es gibt bereits Ernte-, Misch- und Anwendungsmaschinen und -techniken in der Betonindustrie. Eine gründliche Studie zur Untersuchung von Mischungen und strukturellen Eigenschaften hat großes Potenzial, eine Low-Tech-Lösung für ein Problem mit großen Auswirkungen zu erschließen.

^[16]     Hinweis: Die im Radardiagramm angezeigte Bewertung des Kohlenstoffspeicherungspotenzials beinhaltet keine Naturfasern zur Verstärkung und/oder die Verwendung von Kohlenstoffspeicherungszuschlagstoffen.

Alkaliaktivierte Zemente (AACs) umfassen eine Klasse neuartiger Portlandzement-Alternativen, die durch Alkaliaktivierung gebildet werden – ein Verfahren, bei dem ein chemischer Aktivator auf Alkali- oder Salzbasis verwendet wird, um die Auflösung eines Aluminosilikat-Vorläufers und die anschließende Ausfällung von zementartigen Reaktionsprodukten zu fördern. Porenbeton kann unter Verwendung einer Vielzahl von Vorläufern hergestellt werden, wobei Schlacke und kalzinierter Ton im Vergleich zu Flugasche die nachhaltigeren sind. Die Alkaliaktivierung von Vorläufern kann eine Reihe von entweder Polykondensationsreaktionen, bei denen Wasser als Ergebnis der Bildung von Reaktionsprodukten erzeugt wird, oder Hydratationsreaktionen ähnlich denen von gewöhnlichem Portlandzement (OPC), bei denen Wasser verbraucht wird, verursachen. Das Ergebnis sind die gleichen zementären Matrices, die im Vergleich zu OPC eine vergleichbare Festigkeit und Haltbarkeit aufweisen. Siehe Abbildung 9 für ein MHK-Diagramm dieses Materials und Abbildung 10 für Beispiele dieses Materials.

Porenbeton sind vielversprechende, nachhaltige, klinkerfreie Alternativen zu OPC aufgrund ihres oft berichteten niedrigen Kohlenstoffgehalts (CO₂) Emissionen. Die genaue Höhe dieser Emissionsschätzungen variiert stark, ein Bereich, der auf die große Vielfalt an Vorläufern und Alkaliaktivatorquellen zurückzuführen ist, die für die Herstellung von Porenbeton zur Verfügung stehen. Während viele Studien darauf hindeuten, dass der enthaltene Kohlenstoff von AACs geringer ist als der von OPC, wurde festgestellt, dass genau wie viel weniger zwischen 10% und >90% liegt.^[17]

Da durch die Verwendung von Porenbeton anstelle von OPC-Beton nur im Vergleich zu OPC-Beton Netto-CO2-Einsparungen erzielt werden, wurde diese Materialkategorie hinsichtlich ihres Kohlenstoffspeicherpotenzials mit 1 bewertet. Das CO₂ Die Speicherung könnte verbessert werden, wenn das Material zusammen mit anderen kohlenstoffspeichernden Materialtechnologien wie kohlenstoffspeichernden Aggregaten und Füllstoffen verwendet würde.

Verschiedene Porenbetonprodukte wie Mörtel und Beton, Ziegel, Voll-/Hohlsteine, Dachziegel, Isolierbeton, temperaturbeständige Beschichtungen und Pflastersteine zeigten eine vergleichbare oder sogar bessere Leistung als die mit OPC hergestellten. Während die anfänglichen physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Porenbeton mit denen von OPC-Beton vergleichbar sein können, müssen auch dieselben Überlegungen zur Dauerhaftigkeit berücksichtigt werden (z. B. chloridinduzierte Korrosion, Frost-Tausalz-Beständigkeit).

^[17]    Moseson, AJ, Moseson, DE, & Barsoum, MW (2012).

4.3 Lebendige Materialien

4.3.1 Algen

Wenn die Photosynthese als effizienter Kohlenstoff-Einfang- und -Speichermechanismus der Natur angesehen wird, dann sind Algen wohl die Meister der Kohlenstoff-Fixierung. Algen sind photosynthetische einzellige Organismen, die den Pflanzen ähnlich sind. Die hohe Kohlenstoffbindungseffizienz des Freilandanbaus von Algen (~200 tCO2/Hektar/Jahr) ist zum großen Teil auf das exponentielle Wachstum und die Kohlenstoffbindungseffizienz von Algenzellen zurückzuführen, die die Kohlenstoffbindungseffizienz von Wäldern im Vergleich dazu dramatisch in den Schatten stellt (~3 tCO2/ha/Jahr).

Der großflächige Anbau von Algen für die fortschrittliche Biokraftstoffproduktion ist bereits in vielen Regionen der USA im Gange. Ein Pluspunkt des Algenanbaus im Freien ist, dass er auf nicht ackerbaubaren Flächen durchgeführt werden kann. Somit muss der Algenanbau nicht mit der Landwirtschaft und der Nahrungsmittelproduktion um Land- und Wasserressourcen konkurrieren.

Während ein Großteil der Algenbiomasse derzeit in Kraftstoffe umgewandelt und/oder zur Koproduktion von Bioenergie verbrannt wird, kann Algenbiomasse auch zur Herstellung einer Vielzahl von kohlenstoffspeichernden oder klimaneutralen Materialien verwendet werden. Algenbiokohle kann in Hochleistungsbaustoffen (zB Beton, Kohlenstoff-Nanofasern) verwendet werden. Transluzente Algenpaneele wurden von erstklassigen Architektur- und Ingenieurbüros (Arup und Ecologic Studio) verwendet, um Fassaden in Tageslichtanwendungen zu schaffen.^[18]  Algensysteme wurden entwickelt, um die Luftreinigung in Innenräumen (AlgenAir) zu unterstützen.^[19]

4.3.1.1 Algen-gewachsene Ziegel und Platten Panel

Derzeit vermarkten neue Start-ups kohlenstoffarme und kohlenstoffspeichernde, aus Algen gewonnene Materialtechnologien in Produkten wie algengewachsenen Ziegeln und Platten, die unten beschrieben werden. Gewachsen aus einer Mischung aus Sand, Sonne, Meerwasser und Cyanobakterien, sind diese „lebenden Ziegel“ eine betonähnliche Alternative, die nach Bedarf angebaut werden kann. Es gibt mehrere Machbarkeitsnachweise, und das Team der University of Colorado Boulder hat die Technologie an Prometheus Materials lizenziert, ein Start-up-Unternehmen im Frühstadium, das eine Produktion im Pilotmaßstab etabliert. Siehe Abbildung 11 für eine MIC-Radarkarte für dieses Material. Forscher der University of Colorado Boulder haben mit biomineralisierenden Cyanobakterien auf Algen gezüchtete Ziegel hergestellt (Abbildung 12).

^[18]     https://www.arup.com/ und https://www.ecologicstudio.com/v2/index.php

^[19]     https://algenair.com/

4.3.1.2 Kohlenstoffspeichernde Kalkstein-Füllstoffe und andere Algen-abgeleitete Materialien für Zement und Beton

Forscher des Living Materials Laboratory der University of Colorado Boulder verwenden Algen auch als Ausgangsmaterial für eine Reihe anderer hochmoderner, kohlenstoffspeichernder und kohlenstoffneutraler Baustoffe. Rohalgen werden in kohlenstoffspeichernden chemischen Betonzusatzmitteln verwendet. Frisch kultivierte photosynthetische Kieselalgen, kieselhaltige Mikroalgen, werden als nachhaltige Alternative zu ergänzenden zementären Materialien wie Flugasche oder Schlacke erforscht. Das Labor verwendet auch photosynthetische Coccolithophoren (kalkhaltige Mikroalgen) als Kalksteinfüllstoffe, um in Zusammenarbeit mit Minus Materials, einem jungen Unternehmen, einen biogenen klimaneutralen Zement des Typs 1L in großem Maßstab herzustellen. Forscher von Arup und der University of Technology Sydney haben auch die Schnittstelle zwischen lebenden Algen und Gebäudesystemen untersucht. Das SolarLeaf-Projekt von Arup war das weltweit erste lebende Fassadensystem, das Mikroalgen kultiviert, um Wärme und Biomasse als erneuerbare Energiequellen zu erzeugen. Siehe Abbildung 13 für ein MIC-Radardiagramm von kohlenstoffspeichernden Kalksteinfüllstoffen und Abbildung 14 für ein illustratives Bild der Mikro- und Makroalgenkultivierung.

4.3.2 Myzel (und Substrate) – Röhrenstruktur

In den letzten zehn Jahren wurde die Verwendung von Myzel – der „Wurzel“-Struktur von Pilzen – als potenzielles Baumaterial immer mehr erforscht. Die potenziellen Vorteile sind vielfältig: Es handelt sich um ein speziell angebautes kohlenstoffspeicherndes Material, das das Paradigma des Sammelns von Rohstoffen aus der Erde und der Landnutzungsänderungen zugunsten des Anbaus schnell wachsender Materialien in einer kontrollierten Indoor-Umgebung verändert, die überall repliziert werden kann in einer Reihe von Skalen. Erste Materialcharakterisierungen weisen darauf hin, dass Myzel von Natur aus feuer- und verrottungsbeständig ist, typischerweise in einem Substrat aus landwirtschaftlichen Reststoffen wächst und Vorteile bei der Kohlenstoffspeicherung bietet. Siehe Abbildung 15 für ein MHK-Diagramm dieses Materials und Abbildung 16 für ein visuelles Beispiel.

Die ersten Anwendungen für Myzel-Baustoffe waren Isolierungen. Dieses Material hat das Potenzial, kohlenstoffintensive Produkte wie petrochemische Schaumstoffe und Mineralfasern zu ersetzen. Dieser Weg für Myzelprodukte ist vielversprechend, und unsere Erforschungen von Paneelgehäusesystemen weisen auf eine zentrale und tragfähige Rolle für die Myzelisolierung hin.

Größere potenzielle Auswirkungen könnten sich aus der Entwicklung von Strukturkomponenten aus Myzel ergeben. Einige kleine Iterationen von strukturellen Rohr- und Blockmaterialien belegen ihr Potenzial, hochschlagfeste Materialien wie Baustahl und Mauerwerk zu ersetzen. Solche Myzel-Nutzungen befinden sich noch im Anfangsstadium der Erforschung, zeigen jedoch revolutionäres Potenzial und bilden daher einen Schwerpunkt dieser Studie. Die University of Colorado Boulder und das Endeavour Center arbeiten bereits mit Okomwrks zusammen,^[20]  ein kleines Start-up, um die Durchführbarkeit und Anwendungen für myzelbasierte Strukturmaterialien zu erforschen.

^[20]     Sehen https://www.okomwrks.co Weitere Informationen zum strukturellen Myzel.

4.4 Landwirtschaftliche Produkte

4.4.1 Restbiomasse^[21]

Milliarden Tonnen CO2 werden jedes Jahr durch landwirtschaftliche Nutzpflanzen der Atmosphäre entzogen, wobei der Großteil dieser Vegetation ungenießbar ist. Das Verbrennen oder Verrotten kurz nach der Ernte führt typischerweise dazu, dass dieser beträchtliche Pool an landwirtschaftlichen Reststoffen seinen Kohlenstoff wieder an die Atmosphäre abgibt. Weitere Milliarden Tonnen Kohlenstoff werden jedes Jahr aus unseren Abfall- und Recyclingströmen von Biomasseprodukten wie Papier, Pappe und Textilien in die Atmosphäre zurückgeführt. Zusammen bieten diese Reststoffe ein enormes Potenzial, einige dieser Milliarden Tonnen Kohlenstoff dauerhaft in Baumaterialien zu speichern, ohne zusätzliche Landnutzungsänderungen oder erhöhte Produktionsemissionen. Siehe Abbildung 17 für ein MHK-Diagramm von Strohhalmplatten und Abbildung 18 für ein visuelles Beispiel.

Die Bewertung und angemessene Nutzung des in dieser Biomasse gespeicherten Kohlenstoffs könnte ein wichtiger Treiber für eine breitere Nutzung in der Bauindustrie sein. Die Netto-Kohlenstoffspeicherung in Reststoffen ist von Natur aus hoch, da die relativ geringen Emissionen aus den Ausgangsstoffen zwischen der primären Verwendung – als Lebensmittel – und der Reststoffproduktion „aufgeteilt“ werden, während der Produktionsaufwand tendenziell gering ist. Vergleiche von Ökobilanzstudien^[22] und eine begrenzte Anzahl von EPDs zeigen durchweg, dass Reststoffe die höchste Netto-Kohlenstoffspeicherung in ihren Materialkategorien bieten.

Reststoffe gibt es in den unterschiedlichsten Formen. In der Vergangenheit wurden Restfasern von Zeitungspapierzellulose bis hin zu Denim-Abfällen als Isolierung und Watte recycelt. Landwirtschaftliche Reststoffe – insbesondere Getreidestroh – haben eine lange Tradition, oft als halbstrukturelles Dämmmaterial. Die Verwendung dieser Materialien durch eine Reihe von Start-ups für Wand- und Dachpaneele hat gezeigt, dass eine hohe Kohlenstoffspeicherung in langlebigen, erschwinglichen Bauteilen resultiert. Restmaterialien wurden auch in Verbundwerkstoffen und Plattenware verwendet, bei denen eine Vielzahl von Klebstoffen verwendet wird, um die Fasern zu binden. Diese Produkte wurden in kleinem Maßstab kommerziell hergestellt, haben ihr Potenzial jedoch noch nicht erreicht.

Verfügbare und potenzielle Pools von Restbiomasse wurden von Regierungen und Organisationen, die an ihrem Potenzial als Energiequellen interessiert sind, gründlich untersucht. In den Vereinigten Staaten kann eine genaue Bilanzierung der Biomassevorräte auf Kreisebene erfolgen und zeigt, dass jährlich Hunderte Millionen Tonnen nachhaltig verfügbar sind.^[23]

Diese große Kategorie von Materialien reicht von Nussschalen, die Betonzuschlagstoffe ersetzen können, bis hin zu langen Vegetationsfasern mit strukturellem Potenzial zur Isolierung. Die Erforschung von Reststoffen in baulichen/gedämmten Gebäudehüllen mit Fokus auf Getreidestrohprodukten ist aufgrund ihrer weltweiten Verfügbarkeit und der bereits erfolgreichen kleinmaßstäblichen Entwicklung vielversprechend.

^[21]     https://gramitherm.ch/?lang=en Ein europäisches Unternehmen eröffnet seine zweite Fabrik zur Herstellung von Isolierungen aus Grasschnitt an Straßenrändern von Kommunen und Flughäfen.

^[22]     Diese EPDs und LCAs basieren auf der BEAM-Tool-Datenbank von Builders for Climate Action, die im Winter 2021 öffentlich zugänglich sein wird. Das BEAM-Tool von Builders for Climate Action, https://www.buildersforclimateaction.org/

^[23]     Das Versprechen der Biomasse von Union of Concerned Scientists https://docs.house.gov/meetings/IF/IF03/20130723/101184/HHRG-113-IF03-20130723-SD024.pdf

​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​. Hanf, ein relativer Neuling in diesem Bereich, ist für das große Potenzial sowohl seiner Faser als auch der Schale (Kern) der Pflanze bekannt. Siehe Abbildung 19 für ein MHK-Diagramm dieses Materials und Abbildung 20 für ein Beispiel.

Bambus kann als Konstruktionsmaterial in Form von laminierten Pfosten und Balken, kreuzlaminierten Platten und strukturellen Ummantelungen verwendet werden. Projekte, die diese Materialien verwenden, haben das Potenzial gezeigt, hochschlagfeste Materialien wie Stahl und Beton sowie Holzwerkstoffe mit ungewissem Kohlenstoffspeicherungsvorteil zu ersetzen.

Hanfbeton, bestehend aus mit einem Bindemittel auf Kalkbasis beschichteter Hanfhorde, ist ein semistruktureller Dämmstoff, der ein großes Potenzial aufweist, die Kohlenstoffspeicherung von pflanzlichem Material mit hervorragender Feuer- und Feuchtigkeitsbeständigkeit zu kombinieren. Untersuchungen dieses Materials können die Substitution anderer kerniger Pflanzenrückstände wie Sonnenblumen, Tabak und Kohl beinhalten.

Das Kohlenstoffspeicherpotenzial dieser eigens angebauten Materialien kommt dem von Restbiomasse gleich, geht jedoch mit der zusätzlichen Verantwortung einher, sicherzustellen, dass die damit verbundenen Landnutzungseffekte nicht zu klimatischen oder ökologischen Belastungen beitragen. Nachhaltige und regenerative Praktiken können die Vorteile dieser Materialien bei der Kohlenstoffspeicherung verstärken, aber die Verdrängung aktueller Nahrungs- und Waldflächen zur Bereitstellung von Baumaterialien könnte ihre Vorteile zunichte machen. Obwohl ein ausgewogener Ansatz empfohlen wird, ist der überlegene Vorteil der Verwendung von Abfallresten gegenüber dem Anbau von speziell angebauten Materialien auf Ackerland klar.

4.5.1 3D-Druck

Seit Anfang der 2000er Jahre findet der 3D-Druck ganzer Gebäude und Gebäudekomponenten auf experimenteller Ebene statt, mit dem Potenzial, die Baugeschwindigkeit zu erhöhen, während gleichzeitig die Arbeitskosten gesenkt und die Genauigkeit verbessert werden.^[24]

Aktuelle 3D-Druckbemühungen verlassen sich in der Regel auf Baumaterialien mit hohen Kohlenstoffemissionen, insbesondere Zement und petrochemische Kunststoffe, typischerweise in Formulierungen, die aufgrund der Plastizitätsanforderungen von Druckdüsen noch höhere Kohlenstoffemissionen erzeugen. Unabhängig von anderen Effizienzgewinnen, die mit 3D-Drucktechniken erzielt werden können, wird diese Technologie bis zur Bekämpfung der Emissionen von Druckrohstoffen nicht zu kohlenstoffspeichernden Gebäuden führen.

Einige Anstrengungen wurden unternommen, insbesondere von WASP in Italien,^[25] Ton als Druckmedium zu verwenden. Wie in Abschnitt 4.2.1 dieses Berichts erwähnt, produzieren Erdrohstoffe außergewöhnlich niedrige Materialemissionen und sind weit verbreitet und weltweit verfügbar. Vielleicht könnte diese Art des 3D-Drucks für Gebäude die abfallarmen Vorteile dieser Technik mit geringeren Anfangsemissionen kombinieren.

Dabei ist jedoch zu beachten, dass unabhängig von den verwendeten Materialien der 3D-Druck ganzer Gebäude typischerweise als durchgehende, monolithische Konstruktion realisiert wird. Jedes so erstellte Gebäude ist in der Zukunft schwer zu ändern und eignet sich nicht für DfD-Baumethoden, wodurch die Lebensdauer der Materialien auf ihre aktuelle Form an ihrem aktuellen Standort begrenzt wird. Außerdem bietet die Palette der dichten Strukturmaterialien, die derzeit für den 3D-Druck verwendet werden, praktisch keinen Isolationswert. Dieser „thermische Masse“-Ansatz kann in bestimmten Klimazonen angemessen sein, aber im Allgemeinen erfordert jedes 3D-gedruckte Gebäude eine Isolierungs- und Verkleidungsstrategie, die die Geschwindigkeit und den reduzierten Arbeitsaufwand, die durch den 3D-Druck erzielt werden, teilweise oder vollständig zunichte macht. Siehe Abbildung 21 für ein MIC-Diagramm dieser Technologie und Abbildung 22 für ein visuelles Beispiel.

Eine positivere Wirkung des 3D-Drucks wird wahrscheinlich bei der Herstellung fabrikgefertigter Gebäudekomponenten zu finden sein. In einer Fabrikumgebung können Drucker eine breitere Palette von Materialien und Komponenten enthalten und die Robotermontage von Komponenten zu größeren Abschnitten, vorgefertigten Platten oder modularen Komponenten ermöglichen, die sich für DfD-Methoden eignen.

^[24]     Weitere Informationen finden Sie unter https://doi.org/10.1080/24751448.2018.1420968

^[25]     WASP in Italien (https://www.3dwasp.com/en/3d-printing-architecture/)

​

Die größte Unsicherheit bei der Verwendung von biogenen kohlenstoffspeichernden Baustoffen besteht darin, einen Pfad für den gespeicherten Kohlenstoff am Ende der Produkt- bzw. Gebäudelebensdauer zu berücksichtigen. Klimabilanzierungsmodelle wie die Moura-Costa-Methode weisen darauf hin, dass eine Tonne biogenen Kohlenstoffs, die für 40-50 Jahre gespeichert wurde – gut innerhalb der Lebensdauer der meisten Gebäude – die äquivalente Klimawirkung hat, eine Tonne Emissionsvermeidung zu verhindern.

Die meisten Gebäude werden abgerissen, um Platz für Neubauten zu schaffen und nicht, weil sie das Ende ihrer sicheren Lebensdauer erreicht haben. DfD bietet eine bevorzugte Alternative zum Entfernen von Bauteilen, damit sie in ihrer bestehenden Form ohne Recycling wiederverwendet werden können. Die in Abbildung 23 gezeigte Grafik legt nahe, dass eine sinnvolle Kohlenstoffspeicherung möglich ist, wenn ein Design für Demontage und Wiederverwendung berücksichtigt wird.

DfD kann in einer Reihe von Maßstäben arbeiten, von abnehmbaren Verkleidungen (ermöglicht kleinere Umbauten des Gebäudes, ohne vorhandene Materialien zu verschrotten) über bewegliche Innenwände (ermöglicht die Neukonfiguration von Innenräumen) bis hin zu strukturellen Rahmen und Gehäusesystemen, die zerlegt und in ihren vorhandenen wieder aufgebaut werden können Form oder an neue Bauformen angepasst.

Gebäude im Allgemeinen sind in dieser Hinsicht ungewöhnlich: Ihnen fehlen die abnehmbaren und austauschbaren Komponenten, die in den meisten hergestellten Produkten vorgesehen sind. Wenn ein Auto wie ein Gebäude gebaut wäre, müssten wir jedes Mal, wenn wir den Motor überprüfen wollten, die Motorhaube ausschneiden und durch eine neue ersetzen. Jedes Teil eines Autos kann entfernt und ersetzt werden; Sobald ein Auto nicht mehr fahrtüchtig ist, wird es zu einer Teilequelle für funktionierende Autos. DfD emuliert diese Grundprämisse und wendet sie auf Baustoffe und Bauteile an. Indem es uns ermöglicht, die potenzielle Lebensdauer von Kohlenstoff, der in einer wiederverwendbaren Komponente gespeichert ist, über die Lebensdauer eines einzelnen Gebäudes hinaus zu verlängern, verlängert DfD die Verweildauer des gespeicherten Kohlenstoffs von typischen 60-80 Jahren auf das Doppelte oder Dreifache dieses Werts.

Alle Aspekte des Entwurfswissens und der Gebäudetechnik, die erforderlich sind, um Gebäude vollständig demontierbar zu machen, sind bereits vorhanden. Die Vorteile dieses Ansatzes gehen weit über die Wertsteigerung des gespeicherten Kohlenstoffs hinaus, da er Materialien und ganzen Gebäuden einen bisher unberücksichtigten Wert verleiht, der über den Wert eines Anlagevermögens mit endlicher Lebensdauer hinausgeht. Siehe Abbildung 24 für ein MHK-Diagramm dieser Methode und Abbildung 25 für ein Beispiel einer vorgefertigten Konstruktion.

​

7Die Fundamente und Bodenplatten von Gebäuden tragen im Allgemeinen am stärksten zu den Kohlendioxidemissionen bei. Wenn das gleiche Raumvolumen und die gleiche Grundfläche in einem Gebäude mit einem kleineren Fundament entworfen werden können, verringert sich der Gesamt-CO2-Fußabdruck des Gebäudes. Da die Energievorschriften immer strenger werden und die Materialien und Baugruppen von Wandgehäusen mit besseren Isolationswerten und Luftdichtheit weiter verbessert werden, sind kohlenstoffspeichernde Verkleidungssysteme gut positioniert, um die Gesamtleistung von Gebäuden sowohl in Bezug auf den betrieblichen als auch auf den verkörperten Kohlenstoff zu verbessern.

Ein frühzeitiger Bau von Projektgebäuden mit einer hochrangigen Lebenszyklusanalyse wird in der Lage sein, umfassende Rückmeldungen zu den potenziellen CO2-Reduzierungen zu geben, die durch vertikales Design erreichbar sind. Die Kohlenstoffspeicherwerte für innovative Gehäuse- und Verkleidungssysteme können eine Rückmeldung über die potenzielle Erhöhung der Gesamtspeicherung geben, die mit vertikalen Designs einhergehen würde.

Vertikale Designs können auch energieeffizienter sein und vom Kamineffekt und anderen passiven Lüftungs- und Heizsystemen profitieren. Siehe Abbildung 26 für ein MIC-Diagramm dieser Strategie und Abbildung 27 für ein Beispiel für Designüberlegungen für eine vertikale Architektur.

4.6 Diskussion

4.6.1 Fundamente: Lehm-/Zementfreier Beton

Die WBLCA für das Leichtindustriegebäude, das in der Carbon-Storing Materials Study berücksichtigt wird^[26] zeigten, dass Betondecken für Emissionen von insgesamt 2,48 Millionen Tonnen CO2e verantwortlich sind, was fast 251 TP1 t des gesamten CO2-Fußabdrucks des Gebäudes entspricht. Als führende Einzelemissionsquelle im Musterbau muss diese Komponente adressiert werden. Selbst wenn ein substituiertes Material nicht vollständig CO2-Speicher wäre, würde eine erhebliche Reduzierung dieser Emissionen erreicht, wodurch das gesamte Gebäude leichter eine Netto-Kohlenstoffspeicherung erreichen könnte.

^[26]     Kriegh, Magwood & Srubar, 2021. Kohlenstoffspeichernde Materialien. https://carbonleadershipforum.org/carbon-storing-materials/

4.6.2 Lehmböden

Aktuelle Ökobilanzdaten für Lehmböden zeigen einen CO2-Fußabdruck von ~3,5 kgCO2e/m3, verglichen mit ~290 kgCO2e/m3 für einen typischen Betonplattenboden, was einer Reduzierung des CO2-Fußabdrucks um 98% entspricht. Millionen Tonnen Emissionen aus jeder Plattendecke könnten auf diese Weise vermieden werden. Eine relativ kleine Menge kohlenstoffspeichernder Zuschlagstoffe (von Blue Planet oder Algensand) würde einen Erdboden in eine Netto-Kohlenstoffspeicherung kippen, wobei das Volumen der Zuschlagstoffe variiert wird, um ein vorgegebenes Kohlenstoffspeicherziel für das gesamte Gebäude zu erreichen. Obwohl die Verfügbarkeit und die Kosten von kohlenstoffspeichernden Zuschlagstoffen Probleme aufwerfen können, würden kleine Mengen, die eine große Wirkung in Erdböden haben, eine gute frühe Verwendung dieser Materialien darstellen.

4.6.2 Alkaliaktivierter (zementfreier) Beton

Vorhandene Ökobilanzstudien haben gezeigt, dass der enthaltene Kohlenstoff von alkaliaktiviertem Beton deutlich niedriger sein kann als der von traditionellem Portlandzementbeton. Wie bereits erwähnt, deuten Daten aus mehreren Studien darauf hin, dass der enthaltene Kohlenstoff von Porenbeton ca. 10 – 971 TP1 t geringer sein kann als der von herkömmlichem Beton. Aufgrund der großen Vielfalt an verfügbaren Vorläufer- und Alkaliaktivatorquellen existiert eine so breite Palette von CO2-Emissionsschätzungen. Unabhängig davon würde die Herstellung von Porenbeton nur zu einer Reduzierung des Graukohlenstoffs – nicht der Nettospeicherung – führen, es sei denn, kohlenstoffspeichernde Zuschlagstoffe würden zum Ausgleich der verbleibenden Emissionen verwendet.

4.6.3 Struktur: Myzelröhren / Algensteine​

Die Stahlbaukomponenten des aktuellen Referenzgebäudeentwurfs tragen 1,3 Millionen Tonnen zu den Emissionen bei, was etwa 151 TP1T der gesamten Gebäudeemissionen entspricht und die drittstärkste Kategorie darstellt. Forscher untersuchen die Herstellung von tragenden Wänden, die mit Myzel oder Algen gewachsen sind, einschließlich der Formung zu einer dichten Masse mit Tragfähigkeiten, die für tragende Wandsysteme geeignet sind. Diese Perspektive wird in zwei Formen untersucht: Myzel, das in röhrenförmigen Formen gewachsen ist und zu Ziegeln gewachsen ist, die komprimiert werden. Beide Verfahren erzeugen ein myzelbasiertes Material mit erhöhter Dichte und strukturellen Eigenschaften.

Myzelmaterialien werden in einer kohlenstoffreichen Matrix aus trockenem Pflanzenmaterial wie Stroh, Hanf, Holzspänen und/oder Nussschalen gezüchtet. Myzel wächst nicht durch Photosynthese, daher erfolgt die Kohlenstoffspeicherung in diesen Materialien, wenn das Myzel den Kohlenstoffgehalt des Pflanzenmaterials abbaut und einen Teil dieses Kohlenstoffs für sein eigenes Wachstum einbaut. Myzel nimmt keinen zusätzlichen Kohlenstoff aus der Atmosphäre auf, daher liegt der Wert von Myzelmaterialien in ihrer Fähigkeit, lose biogene Fasern mit geringen zusätzlichen Kohlenstoffkosten in ein kohärentes Material umzuwandeln. Wie bei Materialien, die Leim verwenden, um lose Fasern zu verkleben, hängt die Nettokohlenstoffspeicherung von Myzelmaterialien vom Emissionsprofil des Herstellungsprozesses (in diesem Fall des Wachstums) ab. Die Auswirkungen des Herstellungsprozesses müssen weiter untersucht werden, um sicherzustellen, dass diese Materialien ein Netto-Kohlenstoffspeicherungsprofil beibehalten.

4.6.4 Gehäuse: Faserplatten / Algenplatten

Die Wärme- und Feuchteschutzmaterialien des Referenzgebäudes tragen mit 2,43 Millionen Tonnen zu den Emissionen bei, was 24% der Gesamtmenge entspricht und die zweitstärkste Materialkategorie darstellt. Faserplatten bieten einen Weg, diese Emissionen vollständig zu eliminieren und bieten eine große Menge an Kohlenstoffspeicherung. Die EPD der Wandpaneele auf Strohbasis von Ökokokon zeigt eine Nettospeicherung von 88 kgCO2e/m2 Wandfläche, was darauf hinweist, dass in dieser Kategorie eine hohe Kohlenstoffspeicherung möglich ist.

Als Verbund aus unterschiedlichen Materialien sind Faserplatten von besonderem Interesse, wenn jedes Element zur gesamten Kohlenstoffspeicherung beiträgt, was durch eine Vielzahl individueller Materialoptionen erreicht werden kann. Dass jede Iteration zu leicht unterschiedlichen Leistungs- und Kohlenstoffspeichereigenschaften führt, kann einen Vorteil bieten, indem regional verfügbare Materialien innerhalb eines standardisierten Plattengrößen- und Leistungsindex ersetzt werden können – kann aber auch die Zusammenfassung dieser Materialkategorie erschweren. Jedes dieser Materialien/Systeme erfordert unterschiedliche Feuchtigkeits- und Feuertests/-schutz, die je nach Anwendung variieren. Die Untersuchung dieser Fragen würde den Rahmen dieser Studie sprengen.

Gehäuseplatten bestehen aus vier Grundelementen, die jeweils aus verschiedenen faserbasierten Materialien bestehen können:

1. Strukturrahmen. Produkte in dieser Kategorie basieren derzeit auf Holzrahmen (dimensionales Bauholz oder Holzwerkstoffe), diese könnten jedoch möglicherweise durch Hanf, Bambus oder andere strukturelle Fasermaterialien, einschließlich Myzelrohrstrukturen, ersetzt werden.
2. Innen- und Außenverkleidung. Produkte dieser Kategorie basieren derzeit auf Holzprodukten (Sperrholz oder OSB), diese könnten jedoch möglicherweise durch leim- oder myzelgebundene Fasern vieler Arten ersetzt werden. Ummantelungsprodukte werden bereits aus den unterschiedlichsten landwirtschaftlichen Reststoffen hergestellt, darunter Stroh, Hanf, Maisstroh, Zuckerbagasse, Sonnenblumenstängel, Nussschalen und viele andere regionale Faserquellen. Auch Abfallfasern wie Trinkboxen und Textilien wurden als wirksame Ummantelungsmaterialien recycelt.
3. Isolierung. Eine breite Palette von kohlenstoffspeichernden Dämmstoffen kann Platten füllen. Bestehende Optionen wie Zellulose (aus Recyclingpapier und/oder Karton) bieten einen kostengünstigen, bewährten Weg mit gutem Kohlenstoffspeicherpotenzial. Nahezu jede Abfall- oder Restfaser hat das Potenzial, zu isolieren, wobei kleine Beispiele von Stroh, Hanfbeton und Alttextilien hohe Netto-Kohlenstoffspeicherwerte aufweisen.
4. Verkleidung. Auch Außen- und Innenlackierungen können Kohlenstoff speichern. Herkömmliche Ansätze umfassen Holzverkleidungen und in geringerem Maße Kork. Verbundmaterialien aus Papier, Pappe, Reishülsen, Stroh und Hanffasern haben sich ebenfalls als brauchbar erwiesen.

Jede Variation von Faserplatten würde ihren eigenen Kohlenstoffspeicherwert und gebäudewissenschaftliche Implikationen mit sich bringen. Die Identifizierung von Faserplattenkombinationen mit dem größten Potenzial würde dazu beitragen, diese Materialkategorie weiterzuentwickeln. Darüber hinaus würde die Entwicklung einer Prototypstudie für die Vorfertigung (einschließlich einer Vielzahl von Plattenkonfigurationen) und DfD-Optionen sicherstellen, dass die Lebensdauer dieser Gebäudekomponenten über die einer einzelnen Struktur hinausgeht.

Diese Studie empfiehlt, dass Bau- oder Branchenführer als interessierte Endnutzer innovativer kohlenstoffspeichernder Bauprodukte, die noch nicht bis zur direkten Beschaffung skaliert werden müssen, die folgenden Verhaltensregeln beachten, bevor sie Prototypen erstellen und neue Materialtechnologien in Pilotversuchen testen.

5.1 Einsatzregeln für Beschleunigung und NDAs

5.1.1 Direkte Zusammenarbeit mit den Herstellern innovativer kohlenstoffspeichernder Bauprodukte.

Direktes Engagement erfordert wahrscheinlich den Abschluss von Memoranda of Understanding (MOUs) Vertraulichkeitsvereinbarungen (NDAs) zwischen Bau- oder Materialkunden und Herstellern. Diese NDA ermöglicht eine klare und transparente Kommunikation über den aktuellen Reifegrad der Materialtechnologie und ermöglicht es den Herstellern, den aktuellen Produktionsumfang, abgeschlossene und geplante Tests und erreichte oder noch zu erreichende Zertifizierungen sowie die Kosten vollständig offenzulegen und Zeitleisten, die mit jedem verbunden sind. Die MOUs und/oder NDAs definieren auch die Bedingungen einer Vereinbarung über geistiges Eigentum (IP) zwischen den beiden Parteien.

5.1.2 Wählen Sie im Geschäftsjahr (GJ) 2022 zwischen zwei Wegen zur Partnerschaft mit Herstellern: Direktauswahl oder Ausschreibung (RFP).

Eine direkte Auswahl würde bedeuten, dass ein Bau- oder Materialkunde ​1 bis 2 Hersteller auswählt, mit denen er im Geschäftsjahr 2022 zusammenarbeitet. Im Gegensatz dazu würde ein RFP-Prozess ein breiteres Netz werfen und es Bau- oder Baustoffkunden ermöglichen, nach spezifischen Informationen zu fragen, einschließlich des aktuellen Umfangs von Produktion, Prüfung und Zertifizierung sowie Einrichtungen und aktuelle/bestehende Partnerschaften, die im Geschäftsjahr 2022 genutzt werden könnten. Die Ausschreibung könnte nur auf Einladung erfolgen, sodass Bau- oder Materialkunden die direkte Auswahl mit dem Ausschreibungsverfahren kombinieren können. Ein Bau- oder Materialkunde könnte dadurch Informationen zum Technologiereifegrad (TRL) verschiedener Materialien vor ihrer Auswahl für das Geschäftsjahr 2022 erhalten, ohne zuerst den MOU- oder NDA-Prozess abzuschließen. Ein solches Hybridverfahren (RFP nur auf Einladung) würde es Bau- oder Materialkunden ermöglichen, nicht nur Hersteller mit neuartigen Materialien oder Materialien im Labor- / Labormaßstab (z Platten).

5.2 Prototyping, Implementierung und gewünschte Nutzung

5.2.1 Ziele und Erwartungen setzen.

Nach der Auswahl für das Engagement im Geschäftsjahr 2022 würde jeder Hersteller mit Bau- oder Materialkunden spezifische, realistische Ziele und Erwartungen für das Prototyping besprechen, basierend darauf, welche Bau- oder Materialkunden sich die gewünschte Endanwendung vorstellen. Diese Ziele und Erwartungen sollten sich an den Werten und Auswahlkriterien der Bau- oder Materialkunden orientieren (zB CO2-Speicherpotenzial, risikoreiche/ertragreiche Investition, Wirkungspotenzial).

5.2.2 Arbeitsumfang festlegen.

Eine klare Diskussion der Ziele und Erwartungen wird es den Herstellern ermöglichen, einen 9-12-monatigen Arbeitsumfang (SOW) und einen Kostenvorschlag zu erstellen, der sich an den Endnutzungsanforderungen der Bau- oder Materialkunden sowie allen vorgeschlagenen oder obligatorischen Partnerschaften, die Bau- oder Materialkunden benötigen (zB Design/Produktion, F&E, Prototyping/Montage). Bau- oder Materialkunden sollten auch andere Vertragsbedingungen verlangen, wie z.

5.3 Prototyping und Pilottests

5.3.1 Pläne für das Prototyping

Die Leistungsbeschreibung und der Kostenvorschlag jedes Herstellers sollten den Bau- oder Materialkunden vorgelegt und von diesen genehmigt werden. Die SOW sollte Pläne für Prototyping und/oder Pilottests klar umreißen, die den Zielen, Erwartungen und Endverwendungsanforderungen der Bau- oder Materialkunden entsprechen.

5.3.2 Finanzierung von Pilottests

Sobald die SOW genehmigt ist, werden die führenden Technologieunternehmen die Mittel direkt an den Hersteller auszahlen, um die SOW in Zusammenarbeit mit den vorgeschlagenen (z Branchenführer.

5.4 Konformitätsprüfungen und Zertifizierungen allgemein erforderlich und erwünscht (Chance/Barriere)

5.4.1 Konformitätsprüfungen und Zertifizierungen können für alle neuartigen Materialien erforderlich sein, die in Projekten verwendet werden.

Tests und Zertifizierungen erfordern möglicherweise finanzielle Unterstützung, längere Projektzeiträume während der frühen Einführung und die Zusammenarbeit mit Kodex-Beamten, um Schulungen bereitzustellen und Standard-Compliance-Pfade zu entwickeln.

5.4.2 Akzeptanz von Brettsperrholz (CLT) ist ein Beispiel für neuartige Materialien.

​CLT wurde in den 2000er Jahren von der Holzindustrie sowie von Architekten und Ingenieuren, die an der Erforschung dieser neuen Materiallösung interessiert waren, als neues Bausystem anerkannt. Die bestehenden Bauvorschriften sahen jedoch erhebliche Höhenbeschränkungen für Holzgebäude vor. Während die Handelsorganisationen der Industrie halfen, die Tests zur Überprüfung der Leistung zu unterstützen, organisierten ehrenamtliche Architekten und Ingenieure (z. B. die Seattle AIA Mass Timber Working Group), die gemeinsame Nutzung von Ressourcen und schlossen sich Codes und Normenausschüssen an, um sich für die Verwendung dieser neuartigen Materiallösung einzusetzen. Diese Unterstützung durch die Benutzer von Holzprodukten war entscheidend für die Umsetzung der Codeänderungen. Um eine größere Anzahl von Materialien schnell zu skalieren, um die Klimaziele zu erreichen, ist eine ähnliche direkte Unterstützung erforderlich. Das Carbon Leadership Forum konzentriert sich auf die Bereitstellung technischer Unterstützung für neue politische Bemühungen und die Information und Einbindung von Fachleuten der Bauindustrie durch unser globales Netzwerk und regionale Hubs.

5.5 Konformitätstests, damit verbundene Kosten und Zeitplan

Zu jedem Zeitpunkt befindet sich jede neue Materialtechnologie in einem Forschungs- und Entwicklungskontinuum, das letztendlich vorschreibt, welche Konformitätsprüfungen ggf. abgeschlossen werden müssen, bevor ein Hersteller ein Minimum Viable Product (MVP) herstellt. Eventuell geltende Normen und Zertifizierungen müssen auch vor der industriellen Anwendung erreicht werden. Zum Beispiel erfordern einige Produkte strukturelle Tests, während andere Tests der Wärmeleitfähigkeit, Feuchtigkeits-, Schimmel- und Schimmelbewertungen, Feuerbewertungen und/oder akustische Tests erfordern. Fast alle würden von einer Umweltproduktdeklaration (EPD) profitieren. Um die Umweltauswirkungen der Materialherstellung und die Auswirkungen der Nutzung/des Lebensendes zu bestätigen, sollten während des gesamten Produktentwicklungsprozesses Ökobilanzen durchgeführt werden. Welche Prüfungen, Normen und Zertifizierungen bereits abgeschlossen sind und welche noch abgeschlossen werden müssen, bestimmen letztendlich die Kosten der Konformitätsprüfung. Darüber hinaus wird der Zeitplan für die Beschaffung von Mitteln, die Planung von Tests und die Erstellung von Ergebnissen den Zeitplan für die Serienproduktion prägen.

5.6 Überlegungen zum Prototyping für Komponenten in Baugruppen

Überlegungen zum Prototyping umfassen nicht nur die oben beschriebene Materialprüfung, sondern auch die Prüfung des Materials als Komponente in einer Baugruppe. Baugruppentests sind entscheidend, um die Ziele von Microsoft für eine beschleunigte Produktion und Verwendung von kohlenstoffspeichernden Materialien zu erreichen. Daher sind für jeden Test mehrere Mock-ups oder Prototypen erforderlich, und Kostenüberlegungen spielen oft eine Rolle, wenn jedes Mock-up bis zum Versagen getestet wird.

5.7 Skalierungspotenzial für Fertigung und Lieferkette

Damit transformative Materialien skalieren und auf dem allgemeinen Baustoffmarkt verfügbar werden können, müssen vier Hauptfaktoren zusammentreffen: (1) Erhöhtes Bewusstsein für das Material im Bausektor, (2) nachgewiesene Marktnachfrage nach Materialien, um die Entwicklung der Fertigungsinfrastruktur zu rechtfertigen, ( 3) Beseitigung von Hindernissen für die Einführung von Richtlinien und (4) Verständnis und Minderung der Bedenken der Benutzer.

5.7.1 Erhöhte Bekanntheit

Damit neuartige Materialien breiter eingesetzt werden können, müssen sich Architekten, Ingenieure, Bauunternehmer (AEC) und andere im Bausektor ihrer Vorteile bewusst sein und darauf vertrauen können, dass ein Projekt, bei dem sie spezifiziert sind, erfolgreich sein wird. Strategien zur Steigerung des Bewusstseins sind:

• Kartierung der Verfügbarkeit von Materialien, um AEC-Praktiker mit Materialien und Herstellern in ihren Regionen zu verbinden und Bedenken hinsichtlich der Verfügbarkeit von Rohstoffressourcen/Skalierbarkeit zu begrenzen (weiter in Abschnitt 7 erörtert);
• Bau von hochkarätigen Gebäuden als Prototypen, um Fallstudien zur Verwendung des Materials und eine Vorlage für Konstruktionsdetails für zukünftige Projekte bereitzustellen; und
• Entwicklung von Baugruppen oder Komponenten, die die Verwendung neuartiger Materialien durch deren Integration in bestehende Entwurfs- und Bauprozesse erleichtern (z. B. Wandbaugruppen, die ein neuartiges Fassadenmaterial enthalten, um die Notwendigkeit der Erforschung und Entwicklung neuer Abdichtungstechniken zu beseitigen.

5.7.2 Nachgewiesene Marktnachfrage

Die Skalierung der Herstellungs- und Lieferketten neuartiger Materialien erfordert von den Herstellern erhebliche Investitionen, die schwer zu riskieren sind, wenn sie keine Gewissheit über den Markt für ihre Materialien haben. Öffentliche Richtlinien und unternehmerische Nachhaltigkeitsverpflichtungen, die eine Reduzierung des CO2-Fußabdrucks von Projekten oder Materialien erfordern, sind der Schlüssel zum Nachweis der Marktnachfrage nach der Entwicklung dieser Materialien.

5.7.3 Beseitigung von Richtlinienhürden

Öffentliche und Unternehmensrichtlinien schaffen Hürden für die Skalierung, indem sie den Prozess zu kostspielig machen oder Märkte/Projekte einschränken, in denen Materialien verwendet werden können. Zu den Hürden der öffentlichen Politik gehören übermäßig umfangreiche Test- und Compliance-Pfade (wie oben erörtert), aber auch der Ausschluss neuartiger Materialien aus der Klimapolitik aufgrund mangelnden Bewusstseins. Die Entwicklung der Ökobilanzdaten, die bereits für andere Materialien erforderlich sind (z. B. Umweltproduktdeklarationen), um die Einhaltung der Richtlinien für den enthaltenen Kohlenstoff zu dokumentieren, ist der Schlüssel zur Vermittlung des Wertes dieser Materialien und der Notwendigkeit, sie in Richtlinien zur Reduzierung des Kohlenstoffs einzubeziehen.

Unternehmensrichtlinien schaffen auch Hürden für kleinere Unternehmen, die für ein Projekt ausgewählt werden wollen. Einige der Anforderungen, die die Nachhaltigkeit der Beschaffungs- und Lieferketten eines Unternehmens erhöhen sollen, wie z. B. die Zertifizierung einer Produktionsstätte oder ein Verhaltenskodex für Lieferanten, können für kleine Unternehmen, die noch nicht über die Ressourcen verfügen, um ausgeklügelte Managementsysteme zu entwickeln, Hindernisse darstellen für ökologische und soziale Verantwortung. Beschaffungsteams von Unternehmen können die Einführung alternativer Wege für kleinere oder neuere Unternehmen in Betracht ziehen, während sie skalieren, z. B. einen Prozentsatz des Projektbudgets an kleine oder wachsende Organisationen fließen zu lassen, die die Anforderungen an Klima oder soziale Gerechtigkeit erfüllen.

​5.7.4 Umfragen, um Bedenken der Benutzer zu verstehen und zu mindern

Die Bedenken und Wahrnehmungen der Benutzer zu den Risiken der Verwendung eines neuen Materials stellen eine erhebliche Hürde für die Implementierung neuartiger Materialien dar. AEC-Experten zögern möglicherweise, neue Materialien mit unbekannten Leistungs- oder ästhetischen Eigenschaften zu verwenden. Die Identifizierung von Benutzeranliegen ist ein wichtiger erster Schritt, um Ängste vor der Verwendung neuartiger Materialien abzubauen, die durch Schulungsressourcen und Schulungen angegangen werden müssen. Die im obigen Abschnitt identifizierten Strategien zur Sensibilisierung für neuartige Materialien würden ebenfalls eine Schlüsselrolle bei der Minderung der Bedenken der Benutzer spielen. Besser noch, die Durchführung einer branchenweiten Umfrage, um die zugrunde liegenden Werte, Motivationen und wahrgenommenen Bedenken im Zusammenhang mit der Verwendung neuartiger Materialien zu verstehen, würde wertvolle Daten darüber liefern, warum ein AEC-Experte, Hersteller, Lieferant und/oder Installateur motiviert wäre oder nicht verwenden neuartige Materialien bei der Gestaltung und Umsetzung ihrer Projekte.

6.1 Warum jetzt Forschung und Möglichkeiten in der Materialentwicklung im Frühstadium fördern?

Kohlenstoffarme und kohlenstoffspeichernde Materialien haben eine lange Geschichte der Forschung, Entwicklung und Verwendung. Der Umgang mit diesen Arten natürlicher Materialien wurde typischerweise durch die Sorge um positive Auswirkungen auf die Gesundheit der Bewohner und die ökologische Gesundheit und/oder die Materialeffizienz motiviert. Die jüngste Erkenntnis der Schwere der Klimakrise und der dringenden Notwendigkeit umfassender, wirkungsvoller Interventionen hat jedoch das Interesse an Materialien erhöht, die die Emissionen konventioneller Baustoffe ausgleichen können. Jahrzehntelange Arbeit zur Entwicklung, Verbesserung und Implementierung dieser Materialien bietet nun eine hilfreiche Grundlage für Forschung, Produktentwicklung und Fallstudien, die dazu beitragen können, die Bemühungen um eine schnelle Markteinführung dieser Materialien zu beschleunigen.

Die bisherige Erfahrung mit der Markteinführung von Brettsperrholz und Massivholzwerkstoffen hat gezeigt, dass kohlenstoffarme und kohlenstoffspeichernde Materialien machbar sind und in Bezug auf Kosten, Einhaltung der Vorschriften und Bauzeitpläne mit konventionelleren Alternativen gleichwertig sind. Diese Materialien haben jedoch keinen Mainstream-Status erreicht, da sie an keiner dieser Fronten wirksam sind und erhebliche Investitionen zur Steigerung der Produktion erfordern. Ihr kollektives Potenzial für massive Klimaauswirkungen zwingt uns, ihre Eigenschaften zu nutzen, um das Klimaprofil von Gebäuden von einem führenden Treiber des Klimawandels zu einem führenden Vermögenswert für dessen Umkehr umzuwandeln.

6.2 Auswirkungen auf die Umweltgerechtigkeit

Materialherstellung und -transport sind oft in Gemeinschaften mit niedrigem Einkommen und Farbgemeinschaften angesiedelt. Materialbewertungen, die ausschließlich auf globalen Treibhausgasemissionen („Kohlenstoff“) basieren, können die erheblichen Auswirkungen lokaler Emissionen auf die menschliche Gesundheit auf diese Gemeinschaften sowie andere kritische Bedenken hinsichtlich der öffentlichen Gesundheit, Gerechtigkeit, Gerechtigkeit und Arbeitsbedingungen verfehlen. Die Einbeziehung von Klimagerechtigkeit in materielle Entscheidungen ist notwendig, um unbeabsichtigte negative Folgen von Maßnahmen zu vermeiden, die mit einem zu engen Fokus auf Dekarbonisierung entwickelt wurden. Dies ist ein Bereich, der für das Carbon Leadership Forum von zunehmendem Interesse ist. Das CLF ist der Ansicht, dass erhebliche Arbeit geleistet werden muss, um besser zu verstehen, wie sichergestellt werden kann, dass die Materialentwicklung und das Engagement in der Lieferkette die Ziele der Klimagerechtigkeit unterstützen können.

Da die Herstellung von Lieferkettenmaterialien skaliert wird, um die Verfügbarkeit von transformativen Materialien zu erhöhen, ergibt sich die Möglichkeit, Gleichberechtigung und Gerechtigkeit von Anfang an als Hauptprioritäten zu integrieren, anstatt zu versuchen, Schäden zu mindern, nachdem Lieferketten und Einrichtungen eingerichtet wurden. Diese Prioritäten bedeuten, sicherzustellen, dass Einrichtungen die bestehenden ökologischen Gesundheitsbelastungen für Gemeinden an vorderster Front nicht erhöhen, könnten aber auch die Identifizierung von Produktionspartnern und Zentren bedeuten, die historisch ausgegrenzten Gemeinden wirtschaftliche Möglichkeiten bieten.

6.3 Möglichkeiten für breitere Auswirkungen

6.3.1 Herstellung kohlenstoffnegativer Materialien zur Reduzierung der Emission in Gebäuden​

Anfang 2021 veröffentlichte die Advanced Research Project Agency – Energy (ARPA-E) des US-Energieministeriums eine Informationsanfrage (DE-FOA-0002506) für ein vorgeschlagenes neues Förderprogramm „Manufacturing Carbon Negative Materials to Reduce Embodied Emissions in Gebäude.“ Dieses Programm, dessen Ziele wahrscheinlich gut zu den Empfehlungen dieser Studie passen, signalisiert deutlich, dass das Thema nun auf dem Radar der Bundesregierung ist. Ein Aspekt dieser Fördermöglichkeiten ist die oft zwingend vorgeschriebene Kostenbeteiligung. Solche Zuschussgelder bieten eine Gelegenheit, die Investitionen eines Technologieführers in kohlenstoffarme und kohlenstoffspeichernde Baumaterialien zu vervielfachen.

6.3.2 Materialzuordnung zu Klima und regionaler Verfügbarkeit

Es wurden zwei Studien zur Verfügbarkeit von Biomasse in den USA durchgeführt, die erste vom Oak Ridge National Laboratory (ORNL) des US-Energieministeriums und die zweite – als Reaktion – von der Union of Concerned Scientists (UCS).^[27]  Beide konzentrierten sich auf die Verfügbarkeit von Biomasse für die Energieerzeugung, nicht für Baumaterialien, bieten aber dennoch eine Bewertung der verfügbaren Biomasse auf Bezirksebene in den Kategorien forst- und landwirtschaftliche Reststoffe, Abfallströme und zweckgebundene Nutzpflanzen, abgestimmt auf die Kategorien von Biomassematerialien in dieser Studie. Die höchste Schätzung von ORNL gab 1 Milliarde Tonnen verfügbarer Biomasse jährlich an, während die UCS, die höhere ökologische Standards vorschreibt, 680 Millionen Tonnen schätzte. Beide Studien, die den enormen Rohstoffvorrat für potenzielle kohlenstoffspeichernde Materialien hervorheben, können dazu beitragen, die Bemühungen zur Identifizierung und Beschaffung dieser Materialien im ganzen Land zu verfeinern.^[28]

^[27]     https://docs.house.gov/meetings/IF/IF03/20130723/101184/HHRG-113-IF03-20130723-SD024.pdf

^[28]     https://www.ucsusa.org/resources/biomass-resources-united-states

7.1 Fazit

Das Potenzial für bedeutende Klimaauswirkungen durch kohlenstoffarme und kohlenstoffspeichernde Materialien stellt Materialien in den Vordergrund, die das Klimaprofil von Gebäuden von einem führenden Treiber des Klimawandels zu einem führenden Kohlenstoffspeicher verändern können, der diesen umkehrt.

Die Ergebnisse dieser Studie heben sechs Materialien für die Verwendung in Gebäudefundamenten, Strukturen und/oder Gehäusesystemen hervor. Diese Materialien – Lehmplatten, Nicht-Portlandzement-Betonplatten, aus Algen gewachsene Ziegel/Paneele, Myzel-Strukturrohre, speziell angebaute Fasern und Platten für landwirtschaftliche Abfälle – erfordern eine realistische Begeisterung und sind eine Investition wert, um ihre Prototypenerstellung und Skalierung zu unterstützen und zu beschleunigen , Herstellung und marktfähige Verwendung in der Lieferkette der Bauindustrie. Darüber hinaus bestehen Möglichkeiten für Investitionen in Bildungs- und Ausbildungsmöglichkeiten in eingebetteten Lehrberufen in Forschungs-, Konstruktions- und Konstruktionslabors, an Produktionsstandorten und bei professionellen AEC-Designfirmen.^[29]

7.2 Einschränkungen

Eine Einschränkung dieser Studie besteht darin, dass ihr Umfang eine branchenweite Umfrage ausschloss. Gezielte Umfragefragen könnten die zugrunde liegenden Werte, Motivationen und wahrgenommenen Bedenken von Interessenvertretern der Branche in Bezug auf die Verwendung neuartiger Materialien ermitteln, die allesamt unerlässlich sind, um die Chancen und Hindernisse für den Markterfolg zu verstehen. Eine solche Umfrage würde konkrete Daten darüber liefern, warum AEC-Experten, -Hersteller, -Lieferanten und -Installateure motiviert wären, neuartige Materialien bei der Planung und Durchführung ihrer Projekte zu verwenden.

7.3 Zukunftschancen

Die Mikro-Cloud^[30] ist ein Konzept, das das Prototyping von Materialien, das Mock-up von Baugruppen und die weltweite Bereitstellung kleiner Gebäude (Rechenzentren) umfasst (für eine konzeptionelle Roadmap siehe Anhang II). Es bietet Microsoft die Möglichkeit, mehrere Ziele und Strategien zu nutzen, um seine Werte umzusetzen und seine Ziele für die Dekarbonisierung weltweit zu erreichen.

Die Vorfertigung von kohlenstoffarmen und kohlenstoffspeichernden Materialkomponenten zu plattenförmigen Systemen macht den Bau einer kleinmaßstäblichen Rechenzentrumsstruktur als Modul mit DfD-Strategien plausibel und kann so für zahlreiche Einsätze mehrfach montiert und wieder zusammengebaut werden. Das Design verwendet alle sechs in dieser Studie identifizierten Materialien – Lehmplatten, Nicht-Portlandzement-Betonplatten, Algen-gewachsene Ziegel/Platten, Myzel-Strukturrohre, speziell angebaute Fasern und Platten für landwirtschaftliche Abfälle – um modularisierte Strukturplatten zu schaffen, die transportiert werden können an verschiedene Projektstandorte zur Montage.

Darüber hinaus passt sich das Micro-Cloud-Konzept leicht an die programmatischen Anforderungen eines bestimmten Standorts an, ob ländlich oder städtisch, in einem entwickelten oder unterentwickelten Land, vertikal gestapelt oder horizontal verteilt, um die Computeranforderungen einer Gemeinde, eines Unternehmens oder einer Bildungseinrichtung zu erfüllen als sozial-ökologisch gerechtes Technologieunternehmen.

^[29]    Das IDEA-Labor ist aus Vorschlägen von Drs. Lee, Kriegh und Dossick (UW College of Built Environments); Dr. Srubar (UC Boulder); und ED. Magwood (Endeavor Center), die Anfang 2021 ins Leben gerufen wurden.

^[30]     Der Begriff Micro-Cloud wurde erstmals von Dr. Chris Lee (UW College of Built Environments, Dept. Construction Management) auf einem CIRC-Konsortium-Workshop zwischen den Universitäten Washington und Arizona im Jahr 2020 geprägt.

Erklärung zu Interessenkonflikten

Das Forschungsteam möchte im Interesse der Transparenz die Beteiligung der Autoren an verwandten Aktivitäten anerkennen.

• Dr. Julie Kreigh, AIA, ist Gründerin und Inhaberin der Kriegh Architecture Studios | Design + Research und Research Consultant beim UW Carbon Leadership Forum.
• Chris Magwood ist Executive Director des Endeavour Center, das die Ausbildung in Baumethoden mit neuartigen Materialien erforscht. Er entwickelt ein Tool zum Schätzen von Materialkohlenstoff für den Wohnungsbau.
• Dr. Wil V. Srubar III leitet das Living Materials Laboratory an der University of Colorado Boulder. Er ist außerdem Gründer und Geschäftsführer von Aureus Earth und Mitbegründer von Minus Materials und Prometheus Materials.

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