Proyecto de investigación:

Materiales transformadores

Acelerando un ecosistema | Octubre de 2021

El potencial de impacto climático significativo a través de materiales que sirven como sumideros de carbono ahora les da a dichos materiales una clara ventaja, con el potencial de revertir el perfil climático de los edificios de un impulsor principal de emisiones de carbono a depósitos de carbono que pueden ayudar a revertirlo.

Autores

El equipo de investigación del Carbon Leadership Forum de la Facultad de Ambientes Construidos de la Universidad de Washington:

  • Julie Kriegh, PhD, AIA, Investigador Científico, Carbon Leadership Forum, Departamento de Arquitectura, Facultad de Ambientes Construidos, Universidad de Washington, Director y fundador de Kriegh Architecture Studios | Diseño + Investigación.
  • Chris Magwood, director, Endeavour Center, The Sustainable Building School, Peterborough, Ontario, Canadá.
  • Wil Srubar III, PhD, Profesor Asociado, Universidad de Colorado Boulder, Programa de Ingeniería Civil, Ambiental y Arquitectónica, Ciencia de Materiales e Ingeniería.
  • Meghan Lewis, investigadora principal, Carbon Leadership Forum, Departamento de Arquitectura, Facultad de Ambientes Construidos, Universidad de Washington.
  • Kate Simonen, AIA, SE, Directora Ejecutiva, Carbon Leadership Forum, Departamento de Arquitectura, Facultad de Ambientes Construidos, Universidad de Washington.

Contribuciones de los autores: Redacción - borrador original: JK, CM y WS; redacción - revisión y edición: JK, ML, CM, KS, WS; conceptualización: JK, CM, KS, WS; metodología: JK, CM, WS; adquisición de financiación: JK y KS; director de proyectos y administración: JK; visualización: JK

Autores

El equipo de investigación del Carbon Leadership Forum de la Facultad de Ambientes Construidos de la Universidad de Washington:

  • Julie Kriegh, PhD, AIA, Investigador Científico, Carbon Leadership Forum, Departamento de Arquitectura, Facultad de Ambientes Construidos, Universidad de Washington, Director y fundador de Kriegh Architecture Studios | Diseño + Investigación.
  • Chris Magwood, director, Endeavour Center, The Sustainable Building School, Peterborough, Ontario, Canadá.
  • Wil Srubar III, PhD, Profesor Asociado, Universidad de Colorado Boulder, Programa de Ingeniería Civil, Ambiental y Arquitectónica, Ciencia de Materiales e Ingeniería.
  • Meghan Lewis, investigadora principal, Carbon Leadership Forum, Departamento de Arquitectura, Facultad de Ambientes Construidos, Universidad de Washington.
  • Kate Simonen, AIA, SE, Directora Ejecutiva, Carbon Leadership Forum, Departamento de Arquitectura, Facultad de Ambientes Construidos, Universidad de Washington.

Contribuciones de los autores: Redacción - borrador original: JK, CM y WS; redacción - revisión y edición: JK, ML, CM, KS, WS; conceptualización: JK, CM, KS, WS; metodología: JK, CM, WS; adquisición de financiación: JK y KS; director de proyectos y administración: JK; visualización: JK

Versión: Diciembre 2021

Expresiones de gratitud

El equipo de investigación desea agradecer a Microsoft por financiar esta investigación y a las siguientes personas:

  • Sean James, Microsoft, director de investigación de centros de datos por encargar el proyecto.
  • Ben Stanley, consultor y director de proyecto de WSP Sustainability, Energy and Climate Change y Ryan Dick, miembro del equipo de WSP, por su apoyo al proyecto.

El equipo de investigación desea agradecer a Monica Huang por su ayuda en la preparación de esta publicación ya Andrew Himes por preparar la publicación del sitio web.

cubierta de materiales transformadores

Citación

Kriegh, J., Magwood, C., Srubar, W., Lewis, M., Simonen, K. (2021).  Materiales transformadores de almacenamiento de carbono: aceleración de un informe de ecosistemashttp://hdl.handle.net/1773/48126

Derechos de autor

Los materiales transformadores de almacenamiento de carbono: acelerando un informe de ecosistemas tiene licencia de Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Imagen de portada: Shutterstock

Resumen

El reconocimiento reciente de la gravedad de la crisis climática y la necesidad de intervenciones importantes e impactantes ha acelerado el interés en materiales de bajo carbono y que almacenan carbono que pueden corregir las importantes emisiones iniciales asociadas con los materiales de construcción convencionales.[1]  Décadas de trabajo previo para desarrollar, mejorar e implementar estos materiales ahora brindan una base sólida de investigación, desarrollo de productos y estudios de casos que pueden respaldar el impulso para llevar estos materiales al mercado rápidamente y ayudar a cumplir los objetivos climáticos globales.

La experiencia pasada con materiales de construcción con bajo contenido de carbono y que almacenan carbono ha demostrado que la especificación y el uso de materiales son realmente factibles y pueden coincidir con las alternativas convencionales en términos de costo, cumplimiento del código y cronogramas de construcción.[2]  Sin embargo, las importantes inversiones necesarias para escalar muchos de estos materiales han obstaculizado en gran medida su transición a la corriente principal. El potencial de impacto climático significativo a través de materiales que sirven como sumideros de carbono ahora les da a dichos materiales una clara ventaja, con el potencial de revertir el perfil climático de los edificios de un impulsor principal de emisiones de carbono a depósitos de carbono que pueden ayudar a revertirlo.

Los hallazgos de este estudio destacan seis materiales para su uso en cimientos, estructuras y / o sistemas de cerramiento de edificios. Estos materiales (losas de tierra, losas de concreto sin cemento Portland, ladrillos / paneles cultivados con algas, tubos estructurales de micelio, fibra cultivada para tal fin y paneles de desechos agrícolas) merecen un examen en profundidad porque ofrecen tecnologías de materiales novedosas o usos de materiales novedosos con alto potencial de almacenamiento de carbono, y son dignos de inversión para acelerar su escalado, fabricación y uso comercial en la cadena de suministro de la industria de la construcción. Además, este estudio describe una metodología para establecer criterios de evaluación para evaluar el potencial de impacto de un material dado en una arquitectura de carbono positivo.

 

[1]     Para obtener más información sobre el desafío climático y el sector de la construcción, consulte https://architecture2030.org/                

[2]     https://www.worldgbc.org/sites/default/files/Business_Case_For_Green_Building_Report_WEB_2013-04-11-2.pdf

cáñamo

Palabras clave: materiales que almacenan carbono, materiales biogénicos, algas, micelio, suelo, fibras cultivadas para tal fin y residuos agrícolas, diseño para desmontaje, impresión 3-D, arquitectura de varios pisos, materiales con bajo contenido de carbono, carbono incorporado.

1. Introducción

La industria de la construcción en general, y Microsoft específicamente, está cada vez más interesada en las oportunidades para crear edificios que ofrezcan almacenamiento neto de carbono en lugar de generar emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) en la producción de materiales de construcción. Una gama de materiales de almacenamiento de carbono ofrece un potencial viable para reemplazar los materiales existentes que son "puntos calientes" de GEI en los diseños de edificios actuales, incluidos cimientos, estructuras y cerramientos.[3]  Este estudio explora nuevos materiales bajos en carbono y que almacenan carbono que integran algas, micelio, suelo, fibras cultivadas específicamente y residuos agrícolas, identificando materiales y tecnologías de construcción incipientes que presentan oportunidades de “alto riesgo / alta recompensa” para contribuir a la generación de carbono. almacenar edificios en un marco de tiempo condensado, lo que acelera el desarrollo de productos, la fabricación y el uso de la construcción. Los antecedentes y el contexto a través del cual se eligieron los materiales evaluados en este informe se describen aquí (ver Sección 2).

Más específicamente, esta investigación busca identificar tecnologías de materiales terrestres, vivos y agrícolas bajos en carbono y que almacenan carbono en etapa temprana y evaluar su disponibilidad de mercado para la fabricación y uso regional en la industria de la construcción, así como considerar sus implicaciones para el diseño arquitectónico y construcción (ver Sección 3).

La metodología de investigación incluye una exploración de la literatura existente y el desarrollo de material en etapa inicial en laboratorios y nuevas empresas de producción a pequeña escala para identificar una gama de materiales que sean prometedores. Después de caracterizar y clasificar estos materiales de acuerdo con un índice de materiales de criterios exhaustivos (consulte el Apéndice 1), el equipo de investigación eligió materiales para cimientos, estructuras y uso de cerramientos basándose en investigaciones previas sobre materiales de almacenamiento de carbono (Kriegh, Magwood y Srubar, 2021, Materiales que almacenan carbono). En la Sección 4 se ofrece una explicación de los criterios utilizados para evaluar cada material. Los aspectos clave de cada material en consideración se destacan en el informe, incluidas las características del material, los usos potenciales y la investigación y el desarrollo adicionales necesarios para cada material a escala para su uso en el mercado (consulte la Sección 4).

En general, las características consideradas en el proceso de desarrollo de materiales de laboratorio en etapa temprana para su despliegue en varios materiales de construcción en pleno funcionamiento incluyen las siguientes: durabilidad, capacidad estructural, humedad, conductividad térmica y comportamiento frente al fuego. Aunque cada material tendrá un proceso específico de prueba, fabricación y comercialización, se describe un plan de prueba de concepto y se identifican los pasos clave en el camino de los materiales en etapa inicial para lograr la preparación del mercado (ver Sección 5).

¿Por qué esta investigación es importante para Microsoft ahora? Invertir en un plan de prueba de concepto para llevar nuevas tecnologías de almacenamiento de carbono al mercado se alinea con los valores ambientales de Microsoft y se compromete a convertirse en carbono negativo en las operaciones actuales para 2030 y eliminar del medio ambiente todo el carbono emitido por la empresa históricamente para 2050.[4]   Para superar el retraso típico de llevar al mercado la investigación, las pruebas y la fabricación de productos de desarrollo de materiales en etapa temprana y hacer que esos productos sean entendidos y aceptados por las industrias del diseño, la ingeniería y la construcción, el camino debe acelerarse. Al asumir la responsabilidad de reducir su propia huella de carbono, Microsoft está elevando la importancia de la innovación y promoción de materiales novedosos que almacenan carbono para impulsar el mercado. Además de invertir en nuevas tecnologías de almacenamiento de carbono, la ambición de Microsoft es acelerar el proceso a nivel mundial mediante el desarrollo de tecnologías incipientes para proveedores en todo el mundo.

Además, Microsoft se compromete a defender las políticas públicas relacionadas con el carbono al apoyar iniciativas para acelerar la reducción de carbono y al mismo tiempo considerar las implicaciones para la justicia ambiental. En la Sección 6 de este informe aparece una breve discusión de estos temas, recomendaciones y oportunidades.

Este estudio concluye con una propuesta que delinea pasos adicionales para perseguir y cumplir de manera agresiva los objetivos de descarbonización de Microsoft. Informar y educar a los estudiantes, comerciantes y profesionales en arquitectura, ingeniería y construcción (AEC) es esencial para inspirar la innovación y eliminar las barreras reales y percibidas que inhiben la evolución muy necesaria en los campos de AEC. En la Sección 7, se propone una hoja de ruta para un programa de Diseño, Ingeniería y Arquitectura Integrados (IDEA)[5]  que podría realizarse a través de una alianza a largo plazo con instituciones académicas y desarrollarse a través del Fondo de Innovación Climática de Microsoft. El laboratorio de IDEA propone continuar la exploración y el análisis de llevar al mercado nuevos materiales de almacenamiento de carbono, así como las implicaciones para la educación y el bien social que se lograrán mediante la integración de los aprendizajes de investigación en el trabajo de investigación, diseño y construcción necesarios para acelerar las tecnologías incipientes. Fundamental para este trabajo es la comprensión de los valores inherentes a un impulso social-tecnológico-económico holístico hacia la descarbonización. El mapeo de materiales al clima, la disponibilidad regional, las iniciativas de políticas y los valores del mercado / industria es un ejemplo de un proyecto que podría desarrollarse junto con Microsoft AI for Earth y el laboratorio IDEA.

 

[3]     Kriegh, Magwood y Srubar, 2021. Materiales de almacenamiento de carbono. https://carbonleadershipforum.org/carbon-storing-materials/

[4]     https://blogs.microsoft.com/blog/2020/01/16/microsoft-will-be-carbon-negative-by-2030/ (consultado el 22 de abril de 2021)

[5]     El laboratorio de IDEA está adaptado de las propuestas de los Dres. Lee, Kriegh y Dossick (Universidad de Ambientes Construidos de la Universidad de Washington); Dr. Srubar (UC Boulder); y el Director Ejecutivo Magwood (Endeavour Center) que se iniciaron a principios de 2021.

Si queremos superar el retraso típico de llevar al mercado la investigación, las pruebas y la fabricación de productos de desarrollo de materiales en etapas iniciales y hacer que esos productos sean entendidos y aceptados por las industrias del diseño, la ingeniería y la construcción, debemos acelerar el camino. Al asumir la responsabilidad de reducir su propia huella de carbono, Microsoft está elevando la importancia de la innovación.

2 contexto

2.1 Materiales que almacenan carbono: antecedentes

Con cada nuevo edificio y paisaje construido, las emisiones de carbono se liberan a la atmósfera tanto de la producción de materiales como de las actividades de construcción. La construcción de edificios representa más de 11% de las emisiones globales de carbono,[6]  gran parte del cual se genera durante la producción y procesamiento de materiales de construcción. El sector de la construcción, como consumidor principal de materiales, tiene el potencial de impulsar el mercado de soluciones de materiales innovadoras que pueden reducir el impacto de los materiales convencionales y almacenar carbono en productos de construcción de larga duración.

Los materiales y métodos que ya están en el mercado, especialmente las aplicaciones intensivas en carbono (puntos calientes) como cimientos / losas, estructuras y conjuntos de cerramientos de techos / paredes, pueden generar reducciones significativas de carbono incorporado. En 2020 y 2021, Microsoft involucró al Foro de Liderazgo en Carbono de la Universidad de Washington (UW CLF) en un proyecto de investigación para identificar materiales y métodos de almacenamiento de carbono que estuvieran listos para lo siguiente: a) sustitución inmediata 1: 1, b) escalado para un mercado más amplio despliegue en 2 a 3 años con revisiones de diseño mínimas, c) pruebas de laboratorio y / o pilotaje a pequeña escala, yd) exploración como materiales novedosos para su potencial despliegue en el mercado en 5 años.[7]  La investigación indicó que los materiales de construcción de base biológica ofrecen beneficios clave a nivel mundial (reducción de emisiones y almacenamiento de carbono en productos de materiales de larga duración) y regional (apoyo a pequeños agricultores y empresas, y mejora de la salud humana).

Los materiales de base biológica que almacenan carbono disponibles (como madera maciza, bambú artificial y paneles a base de paja) demuestran la viabilidad de usar materiales de construcción para almacenar carbono, estableciendo así edificios y paisajes como reductores potencialmente significativos de las emisiones de carbono. Dichos proyectos ofrecen posibles efectos dominó, incluido el apoyo a las industrias emergentes de materiales de construcción que almacenan carbono, a saber, puestos de trabajo en centros de fabricación, centros de formación profesional y educativos e iniciativas de políticas. Al reconocer la importancia de estas relaciones socio-técnico-económicas vitales, Microsoft subraya la importancia de la innovación y presenta nuevos materiales de almacenamiento de carbono. Además de invertir en nuevas tecnologías de almacenamiento de carbono, la ambición de Microsoft es acelerar el proceso a nivel mundial mediante el desarrollo de tecnologías incipientes para proveedores en todo el mundo. Este esfuerzo combinado de promover el desarrollo de materiales novedosos a escala de laboratorio y las pruebas de materiales y la educación en diseño es, según nuestro conocimiento, el primero de este tipo.

En 2021, Microsoft encargó el estudio actual, Materiales transformadores de almacenamiento de carbono: aceleración de un ecosistema, para explorar oportunidades para tecnologías prometedoras de almacenamiento de carbono novedosas y en etapa temprana para hacer avanzar la descarbonización del sector de la construcción. Para demostrar el potencial de implementar con éxito materiales nuevos, originales, frescos y únicos en proyectos construidos, a continuación se destacan varios ejemplos y sus usos.

 

[6]     Para obtener más información sobre el desafío climático y el sector de la construcción, consulte https://architecture2030.org/

[7]     Kriegh, Magwood y Srubar, 2021. Materiales de almacenamiento de carbono. https://carbonleadershipforum.org/carbon-storing-materials/

Los materiales y métodos que ya están en el mercado, especialmente las aplicaciones intensivas en carbono (puntos calientes) como cimientos / losas, estructuras y conjuntos de cerramientos de techos / paredes, pueden generar reducciones significativas de carbono incorporado.

2.2 Estudios de caso que demuestran el potencial de materiales novedosos

2.2.1 Paneles de base biológica

Los materiales de base biológica se pueden ensamblar como paneles prefabricados para su uso en sistemas de cerramientos de paredes y techos. Estos paneles se pueden configurar como elementos estructurales o no estructurales: armazón, aislamiento y revestimiento. Los beneficios de construir con paneles de base biológica incluyen una fácil integración en las prácticas de diseño y construcción actuales, una alta capacidad de almacenamiento de carbono, una opción de material no tóxico, el uso de residuos de fibra disponibles localmente y procesos de fabricación de baja tecnología. Algunos, como el yeso / paneles de arcilla y el cemento de algas, también ofrecen resistencia al fuego. Aunque se pueden encontrar numerosos ejemplos en el uso a pequeña escala a nivel mundial, se necesita más investigación y desarrollo (I + D), así como apoyo a la fabricación, para escalar productos de base biológica y llevarlos rápidamente al mercado.

La escuela Louise Michel (Figura 1) demuestra el potencial de usar paneles de balas de paja prefabricados en un edificio institucional de varios pisos.[8] Este edificio escolar utiliza un marco de madera maciza encerrado por paneles prefabricados de balas de paja. Único en su selección de materiales, el edificio también se utilizó para establecer nuevos estándares en Francia para la resistencia al fuego de materiales de base biológica, que ahora se benefician de un protocolo de prueba que facilitará la realización de proyectos similares. El diseño utiliza el recinto de balas de paja para cumplir con los más altos estándares de eficiencia energética y hermeticidad. La capacidad del recinto de balas de paja para ser hermético pero permeable al vapor constituye un gran paso adelante en la ciencia de la construcción para grandes estructuras.[9]

 

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

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

Figura 1. Escuela Louise Michel en Issy-les-Moulineaux, Francia; Sonia Cortesse, arquitecta.

Figura 1. Escuela Louise Michel en Issy-les-Moulineaux, Francia; Sonia Cortesse, arquitecta.

Figura 1. Escuela Louise Michel en Issyles-Moulineaux, Francia; Sonia Cortesse, arquitecta.

2.2.2 Hempcrete (y otras "cretas")

Hempcrete es un material aislante hecho de hurd astillado (núcleo) de cáñamo y otros tallos agrícolas concisos unidos con un aglutinante a base de minerales. Las características de este material de aislamiento incluyen las siguientes: alta resistencia al fuego debido a las propiedades del aglutinante mineral, excelente capacidad de manejo de la humedad, buena capacidad de almacenamiento de carbono, no toxicidad y uso de residuos de fibras disponibles localmente, incluidos girasol, tabaco y sunchoke.

Hempcrete se produce actualmente en todo el mundo a pequeña escala tanto para unidades de bloque como para aplicaciones de paneles prefabricados. Es necesario ampliar la I + D para mejorar las especificaciones de materiales y aglutinantes para acelerar la fabricación y llevar este producto a escala. La tienda insignia de Marks & Spenser Cheshire Oaks Center es un complejo comercial sostenible construido con paneles de cerramiento de cáñamo prefabricados (Figura 2). Su tienda más grande fuera de Londres con 195,000 pies cuadrados y más de dos pisos, es un proyecto que demuestra el potencial para el uso de cáñamo en estructuras de pisos grandes de varios niveles.

Con su marco de madera y paneles de cerramiento prefabricados de cáñamo, el edificio logró una calificación de BREEAM “Excelente” por su desempeño ambiental, las paredes de cáñamo le otorgan un alto rendimiento térmico y de manejo de la humedad. Una vez finalizado, ganó los premios RIBA nacionales y regionales, el premio a la sostenibilidad RIBA y el premio BCSC Gold a la sostenibilidad.[10]

 

[10]     http://www.aukettswanke.com/projects/Marks

Figura 2. The Marks & Spencer Cheshire
Oaks Center: elevaciones (arriba), aéreo (abajo a la izquierda),
y un detalle de construcción de cáñamo
(abajo a la derecha); Cheshire, Inglaterra; Aukett Swanke
Arquitectos.

2.2.3 Revestimiento de paja prefabricado

El revestimiento de paja prefabricado es un sistema de revestimiento de pared (es decir, una superficie visible en capas sobre una estructural) que utiliza un techo de caña tradicional que se ha adaptado a la fabricación mecanizada y con paneles. El uso de un biomaterial de bajo costo, de bajo valor y ampliamente disponible como revestimiento para grandes edificios ofrece no solo un sistema duradero y asequible, sino también uno transformador en su apariencia biofílica. El material ofrece un valor de almacenamiento de carbono sustancial debido a su fabricación simple y eficiente.

Los productos de paja, que ya se utilizan ampliamente para mantener y reemplazar los techos tradicionales en Europa, África y Asia, podrían comercializarse rápidamente para su aplicación global con el apoyo de I + D.

Desde su apertura en junio de 2015, el Enterprise Center (Figura 3) ha sido un centro próspero y de apoyo para las nuevas empresas y las pequeñas y medianas empresas. Ha ganado múltiples premios y es ampliamente reconocido como uno de los edificios más ecológicos de Europa, cumpliendo con el estándar de eficiencia energética Passive House y logrando la calificación BREEAM de “Sobresaliente”. Este edificio de 120,000 pies cuadrados incorpora mucho más que paneles de paja adheridos al exterior. Los materiales de base biológica en este edificio incluyen entramado, paredes y pisos de madera maciza; Paneles de paja para paredes y techos interiores; paneles y yeso a base de arcilla y cal; y un enfoque creativo para incorporar estos materiales en una estética inspiradora.[11] Alcanza múltiples objetivos en el desempeño de la construcción, como cumplir con los estándares BREEAM y Passive House, al mismo tiempo que obtiene el reconocimiento de RIBA y BCSC Gold Awards for Sustainability.

 

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

figura 3. El centro empresarial en la universidad
de East Anglia (izquierda), materiales de base biológica
(derecho); Arquitectos Architype.

Los materiales de base biológica en el Centro Empresarial incluyen estructuras, paredes y pisos de madera maciza; Paneles de paja para paredes y techos interiores; paneles y yeso a base de arcilla y cal; y un enfoque creativo para incorporar estos materiales en una estética inspiradora

3 Evaluación: métodos y criterios para la selección de materiales

Para este estudio, se evaluó cuidadosamente una amplia gama de materiales novedosos, teniendo en cuenta los múltiples objetivos establecidos por Microsoft y el equipo de investigación para el proceso de selección. Los métodos y criterios de evaluación y selección de materiales se aclaran a continuación.

3.1 Índice de materiales transformadores[12]

Sobre la base de la revisión de la literatura del equipo de investigación y los valores de Microsoft, se creó una matriz de dos vías para caracterizar el potencial de cada material novedoso investigado (consulte el Apéndice 1). Los posibles candidatos a materiales se enumeran en el eje vertical y se organizan por uso de construcción para cimientos, estructuras y cerramientos (techo y pared). En el eje horizontal se enumeran doce criterios clave sobre los cuales evaluar la gama inicial de materiales seleccionados para el análisis. Estos doce criterios y un factor de priorización ponderado (5, 3 o 1) se describen brevemente a continuación:

Criterio 1, etapa de desarrollo:

5 - La I + D en etapa inicial con pruebas de laboratorio está actualmente en curso, con un período de 24 a 36 meses previsto para la preparación para la fabricación.

3 - Actualmente se está realizando I + D con despliegue a pequeña escala; Se recomiendan más pruebas de cumplimiento del código y declaraciones ambientales de producto (EPD) con un período de 12 a 24 meses anticipado para el escalado de fabricación.

1 - Los productos se implementan actualmente en el mercado, aunque se necesita escalado de fabricación y / o el cumplimiento del código y los estándares regionales no están completamente aprobados, con un período estimado de 6 a 12 meses para completar el proceso de aprobación del código.

Criterio 2, maqueta y potencial de prototipo:

5 - Aún no se ha creado un prototipo del material y / o ensamblaje y sería revolucionario

3 - Se ha creado un prototipo del material y / o ensamblaje y el desarrollo para un edificio / estructura sería un precedente.

1 - Se ha creado un prototipo del material y / o ensamblaje y el despliegue en un edificio / estructura confirmaría la viabilidad

Criterio 3, Estado de las pruebas de cumplimiento: (en todos los casos, un presupuesto de prueba tendría un impacto importante en la preparación del mercado)

5 - Los requisitos y protocolos de prueba son inexistentes, mínimos o carecen de los materiales en la configuración sugerida

3 - Los requisitos y protocolos de prueba se establecen para algunos pero no todos los estándares del código; Es probable que los productos o conjuntos individuales requieran pruebas.

1 - Los requisitos y protocolos de prueba están bien establecidos para la mayoría / todos los estándares de código y están en curso / completos en los Estados Unidos y / o la Unión Europea

Criterio 4, ensamblajes de construcción y potencial de prefabricación / modularización:

5 - Aunque no se ha intentado ensamblar o prefabricar, el material califica como candidato y muestra un alto potencial para su uso en la construcción como panel prefabricado o componente modular.

3 - Los ensamblajes están bien establecidos y tienen un alto potencial no comprobado para su uso en la construcción como panel prefabricado o componente modular

1 - Los detalles y ensamblajes están bien establecidos para este material.

Criterio 5, potencial de almacenamiento de carbono:

5 - El material tiene una alta capacidad de almacenamiento neto> 1 kgCO2 / kg, es decir, el nivel más alto de capacidad de almacenamiento de carbono. Los materiales derivados predominantemente de material biogénico fotosintético se incluyen en esta categoría.

3 - El material tiene un almacenamiento moderado de 0.5 - 1 kgCO2 / kg de capacidad. Los materiales compuestos compuestos por alguna fibra biogénica mezclada con otros materiales que no almacenan carbono (por ejemplo, adobe reforzado con paja) y los materiales derivados predominantemente de la mineralización de carbonatos entran dentro de esta categoría.

1 - El material tiene un almacenamiento bajo de <0,5 kgCO2 / kg de capacidad, es decir, emisiones netas cero (o incluso emisiones netas positivas moderadas) incorporan beneficios de carbono. La capacidad de almacenamiento del material es limitada (por ejemplo, losas de suelo de tierra).

Criterio 6, Datos sobre la capacidad de almacenamiento de carbono:

5 - No existe documentación verificada para la capacidad de almacenamiento de carbono del material (ni LCA ni EPD)

3 - El material tiene un estudio LCA; sin embargo, puede faltar una EPD

1 - El material tiene una EPD

Criterio 7, Posibles ubicaciones y disponibilidad de materias primas:

5 - El material está disponible en todo el mundo

3 - El material está disponible en la mayoría de las geografías.

1 - El material está disponible en algunas geografías

Criterio 8, Potencial de impacto comunitario: (por ejemplo, desarrollo económico, creación de empleo, oportunidades de educación y capacitación, reduce la carga de contaminación, aumenta la resiliencia)

5 - El material tiene un alto potencial de beneficio nuevo o compartido en las comunidades donde se desarrollan

3 - El material tiene un potencial moderado de beneficio modesto en las comunidades donde se desarrolla

1 - El material tiene un bajo potencial de beneficios nuevos o compartidos en las comunidades donde se desarrollan

Criterio 9, Recompensa de alto impacto: (los materiales que se encuentran en las primeras etapas de desarrollo y tienen el potencial de sobresalir en todas las categorías de criterios, por ejemplo, carbono incorporado extremadamente bajo, se pueden convertir en almacenamiento de carbono, sin desperdicio, de larga duración, material disponible a nivel mundial, potencial para impulsar la cadena de suministro y la fabricación con materiales innovadores, especialmente en economías en desarrollo, potencial para construcción para desmontaje)

5 - El material tiene múltiples atributos de alta recompensa (enumerados anteriormente) y puede estar listo para el mercado, pero carece de inversión para escalar

3 - El material tiene una recompensa moderada con algunos mercados de distribución establecidos, potencial para ser fabricado en muchas ubicaciones a nivel mundial y está listo para una gran aceptación.

1 - El material tiene una recompensa baja porque está bien desarrollado y en uso.

Criterio 10, Alto riesgo: (p. Ej., Escepticismo de los diseñadores, constructores y funcionarios del código; requiere pruebas para establecer parámetros para el material; percepciones de impactos negativos en el cronograma y / o costo del proyecto, falta de familiaridad para adquirir, falta de conocimiento sobre construcción métodos y garantía)

5 - El material tiene un alto riesgo debido a la etapa de desarrollo temprano.

3 - El material tiene un riesgo moderado ya que el material puede existir pero no para el nuevo uso previsto

1 - El material tiene un riesgo bajo porque el sector está bien desarrollado o se adapta a los estándares de ingeniería actuales.

Existe el Criterio 11, Documento de Referencia y / o Estudio de Caso:

5 - El material tiene pocos ejemplos construidos a gran escala o trabajos de investigación publicados.

3 - El material aún se encuentra en exploración inicial con proyectos de construcción a pequeña escala y algunas publicaciones.

1 - El material está bien documentado y se ha publicado en revistas revisadas por pares.

Criterio 12, Socios potenciales para el desarrollo:

5 - No se conocen socios para el desarrollo o un pequeño número de socios potenciales

3 - Existen empresas de fase inicial y de puesta en marcha, pero no están extendidas a todas las regiones

1 - Existen empresas establecidas, algunas / muchas que distribuyen productos manufacturados a nivel mundial

 

[12]     El Índice de Materiales Transformativos fue desarrollado por CLF (Kriegh, Lewis, Magwood, Srubar, 2021) con aportes de ingenieros de WSP y Microsoft.

 

El uso de un biomaterial de bajo costo, de bajo valor y ampliamente disponible como revestimiento para grandes edificios ofrece no solo un sistema duradero y asequible, sino también uno transformador en su apariencia biofílica.

3.2 Herramienta de comparación de impacto de materiales (MIC)[13]

A partir de investigaciones anteriores, se exploraron diecisiete materiales con respecto a tres sistemas de construcción de puntos calientes: cimientos, estructuras y cerramientos.[14]  Además, se consideraron tres métodos de construcción: impresión 3D, diseño para desmontaje (DfD) y diseño arquitectónico vertical o de varios pisos. El potencial de estos materiales y métodos de construcción para ejercer un impacto basado en los doce criterios se resume a continuación (ver Figura 4 y Figura 5).

 

[13]     La herramienta de comparación de impacto de materiales (MIC) se utilizó con permiso de ZGF Architects (desarrollador de herramientas, 2021).

[14]     Kriegh, Magwood y Srubar, 2021. Materiales de almacenamiento de carbono. https://carbonleadershipforum.org/carbon-storing-materials/

Figura 4. MIC para 10 de los 17 materiales explorados.

Figura 5. MIC para 7 de los 17 materiales y 3 consideraciones de construcción exploradas.

3.3 Criterios clave

Los doce criterios clave en los que se evaluó la gama inicial de materiales seleccionados para el análisis (ver arriba) incluyen criterios típicos de una exploración de viabilidad. Sin embargo, varias categorías van más allá de los aspectos prácticos e incorporan preocupaciones más amplias, como el potencial de generar un impacto altamente positivo en las comunidades circundantes y un alto impacto en la descarbonización del medio ambiente, de ahí el título de este informe, Materiales transformadores de almacenamiento de carbono: aceleración de un ecosistema. Estas consideraciones incluyen lo siguiente: las oportunidades de desarrollo económico aumentan a través de la creación de empleo, la educación y la capacitación; se reducen las cargas de contaminación; el material tiene un contenido de carbono extremadamente bajo, se puede fabricar para almacenar carbono, no tiene desperdicio y es duradero; el material tiene el potencial de impulsar la cadena de suministro y la fabricación con el despliegue de productos innovadores (especialmente en las economías en desarrollo); y los componentes del material tienen el potencial de ser diseñados para ser desmontados (DfD) y reutilizados.

Los métodos de construcción también se consideraron en la evaluación, incluido el potencial para la creación de prototipos, prefabricación, impresión 3D, DfD y diseño vertical (de varios pisos).

El enfoque para calificar los materiales en cada uno de estos criterios refleja el deseo de Microsoft de dar el máximo valor a los materiales que ofrecen alta recompensa potencial incluso en alto riesgo. Para recibir una puntuación alta de 5 en cualquier categoría, el material en cuestión tenía que demostrar no solo un alto grado de valor de recompensa, sino también el grado más bajo de prueba de concepto en todos los criterios. Este enfoque para calificar los materiales penalizados ya está en camino de estar listo para el mercado en favor de aquellos que aún se encuentran en las primeras fases de investigación y desarrollo.

bambú

Varias categorías que evaluamos van más allá de los aspectos prácticos e incorporan preocupaciones más amplias, como el potencial de generar un impacto altamente positivo en las comunidades circundantes y un alto impacto en la descarbonización del medio ambiente., de ahí el título de este informe, Materiales transformadores de almacenamiento de carbono: aceleración de un ecosistema.

3.4 Rendimiento, propiedades y capacidad de almacenamiento de carbono de los materiales

La lista de materiales bajo consideración en este estudio fue tomada de un proyecto anterior,[15]  durante el cual se revisaron para asegurar las propiedades de las que se podía esperar razonablemente que cumplieran con los requisitos de desempeño para su inclusión en un edificio. Después de examinar las revisiones de la literatura, los prototipos y los estudios de casos, el equipo de investigación considera que todos los materiales de este estudio son apropiados para el uso en edificios o lo suficientemente prometedores como para justificar una mayor exploración.

Siempre que fue posible, se consideraron evaluaciones del ciclo de vida y / o declaraciones ambientales de productos para medir el impacto potencial de las emisiones de GEI de los materiales. El almacenamiento de carbono es relativamente fácil de determinar, ya que se basa en la química del material, por lo que la cantidad de carbono contenida en el material se puede determinar con precisión sin estudiarlo / muestrearlo directamente. Las emisiones se calcularon a partir de la cosecha, la producción y los impactos posteriores del ciclo de vida en función de revisiones de la documentación que proporcionaron cuentas precisas de los perfiles de emisiones de los materiales. En los casos en que no se dispuso de estudios relevantes, se extrapolaron los impactos de GEI de materiales similares o relacionados.

A los efectos de este estudio, los materiales con la menor cantidad de datos disponibles se puntuaron alto por la falta de estudios o documentación existentes. Esta ponderación de preferencia significa que el perfil real de GEI de algunos materiales puede resultar mayor o menor que la caracterización inicial. El valor de las puntuaciones refleja el valor de aprender definitivamente esta información, incluso si un material seleccionado resulta ser más o menos impactante de lo que podría indicar la evaluación inicial.

 

[15]     Kriegh, Magwood y Srubar, 2021. Materiales de almacenamiento de carbono. https://carbonleadershipforum.org/carbon-storing-materials/

3.5 Sistemas de construcción / cerramiento de ensamblajes de materiales

La mayoría de los materiales de construcción funcionan como un componente en un ensamblaje, lo que significa que la evaluación de un material en particular requiere una comprensión de cómo podría interactuar dentro de un ensamblaje de construcción relevante, como el que se encuentra en un sistema de pared, piso o techo. Los materiales nuevos y transformadores a menudo requieren adaptación dentro de los ensamblajes para tener en cuenta características o procedimientos de construcción únicos. El equipo de investigación intentó determinar el nivel de facilidad o dificultad con el que cada material podría incorporarse en los tipos de ensamblaje existentes, reconociendo que algunos materiales implican requisitos mínimos para combinar con otros componentes del ensamblaje (por ejemplo, losa de piso de tierra) mientras que otros funcionan solo como un componente integrado de un conjunto (por ejemplo, aislamiento de fibra suelta). Una puntuación alta indica nuestro hallazgo de que el material se puede utilizar en un ensamblaje relevante de una manera sencilla.

3.6 Potencial de creación de prototipos y pilotaje

Un edificio prototipo constituye la siguiente etapa deseada de este trabajo, por lo que se consideró cada material por su capacidad para incorporarse en un nuevo proyecto de demostración. Una puntuación alta indica que demostrar el uso del material sentaría un precedente. Los materiales que ya se utilizan en los edificios obtuvieron la puntuación más baja. Como ninguno de los materiales de este estudio se ha utilizado de forma generalizada, la variación en las puntuaciones indica la relativa novedad de cada material. Sin embargo, tenga en cuenta que los edificios prototipo que incorporen cualquiera de estos materiales, especialmente la combinación de algunos o todos, serían impactantes.

Siempre que fue posible, consideramos evaluaciones del ciclo de vida y / o declaraciones ambientales de productos para medir el impacto potencial de las emisiones de GEI de los materiales. El almacenamiento de carbono es relativamente fácil de determinar, ya que se basa en la química del material, por lo que la cantidad de carbono contenida en el material se puede determinar con precisión sin estudiarlo / muestrearlo directamente.

4 materiales transformadores 

Cada uno de los materiales en consideración y finalmente seleccionados para una investigación adicional se evaluó utilizando la herramienta de comparación de impacto de materiales (MIC). Los resultados del análisis de MIC se dan a continuación.

4.1 Análisis

La herramienta MIC se utilizó para analizar y demostrar visualmente la clasificación de los diecisiete materiales y tres métodos de construcción de acuerdo con los doce criterios clave (ver Sección 3). A partir de este análisis, se seleccionaron seis materiales para una mayor investigación, incluidos los materiales de tierra (losas de piso de tierra y hormigón de cemento activado por álcali a base de arcilla calcinada), materiales vivos (ladrillos / paneles cultivados con algas y estructuras de micelio) y productos agrícolas (biomasa residual). y fibras cultivadas a propósito).

Los gráficos de radar MIC para cada uno de los seis materiales se proporcionan en la página siguiente (Figura 6). Los colores azul, amarillo y rojo se corresponden con las calificaciones numéricas de prioridad 5, 3 y 1, respectivamente. Las siguientes secciones describen estos materiales, sus características y etapa de desarrollo. Tenga en cuenta que no todos los materiales tienen una clasificación de prioridad alta (que se muestra en azul) en todas las categorías de criterios. En el ejemplo de Earthen Floor Slab (Figura 7), el material se clasifica con una puntuación baja (mostrada en rojo) con respecto al potencial de almacenamiento de carbono. En este caso, el material en sí no almacena carbono; sin embargo, el impacto de usar este material en lugar del hormigón convencional es muy beneficioso porque la fabricación y el uso del hormigón convencional incurre en una huella de carbono relativamente grande multiplicada a gran escala.

Losa de suelo de tierra
Cimientos Hormigón de algas sin cemento
Losa de suelo de tierra
Cimientos Hormigón de algas sin cemento
Losa de suelo de tierra
Fundación suelo de tierra

Figura 6. Gráficos de radar MIC para seis materiales transformadores. Clave de color para la puntuación: azul = 5, amarillo = 3, rojo = 1.

4.2 Materiales de tierra

 

4.2.1 Pisos de tierra

El uso de sistemas de cimientos / pisos de losas de concreto contribuye significativamente a las emisiones de GEI de los edificios. Se está trabajando mucho para abordar las emisiones del hormigón, pero una opción que ha recibido muy poca atención es el reemplazo del hormigón con tierra para los pisos de losas. A pesar de siglos de precedentes históricos, sorprendentemente se ha dedicado poca investigación a la idea en un contexto moderno. Los fabricantes de pisos de tierra contemporáneos han incorporado lecciones importantes de la industria del hormigón sobre la distribución del tamaño de los agregados y de la industria del linóleo sobre el uso de aceites duraderos y polimerizables de forma natural. A pequeña escala, se ha demostrado que los pisos de tierra son duraderos, impermeables y biofílicos (Figura 8).

Aunque los pisos de tierra no almacenan carbono en sí mismos, una pequeña cantidad de estudios de LCA ha demostrado que tienen una huella de carbono muy baja. La simple sustitución de los suelos de hormigón por otros de tierra podría reducir drásticamente la huella de carbono global de un edificio. Al incorporar fibras naturales para refuerzo y / o un agregado de almacenamiento de carbono (como el de Blue Planet), los sistemas de piso de tierra también podrían convertirse en almacenamiento de carbono.[16]

Entre quienes desconocen las mejoras modernas, la noción de un piso de tierra tiende a evocar asociaciones de pobreza y suciedad, por lo que la opción generalmente se descarta. Por esta razón, la fabricación de suelos de tierra se ha mantenido como un nicho de mercado, que todavía no se ha aplicado a los edificios modernos ni se considera que merezca ningún estudio significativo.

Los beneficios de desarrollar pisos de tierra son muchos: no solo las materias primas son de bajo costo, no tóxicas y ampliamente disponibles, sino que la maquinaria y técnicas de recolección, mezcla y aplicación ya existen dentro de la industria del concreto. Un estudio exhaustivo para explorar mezclas y propiedades estructurales tiene un gran potencial para desbloquear una solución de baja tecnología para un problema de alto impacto.

 

[16]     Nota: la clasificación de potencial de almacenamiento de carbono que se muestra en la tabla de radar no incluye fibras naturales para refuerzo y / o el uso de agregado de almacenamiento de carbono.

Figura 7. Gráfico de radar MIC con factores de prioridad para losas de suelo de tierra.

 

Losas de suelo de tierra

Figura 8. Opciones de acabado de losas de suelo de tierra.

4.2.2 Hormigón de cemento activado por álcalis a base de arcilla calcinada (sin cemento Portland)

Los cementos activados con álcali (AAC) comprenden una clase de nuevas alternativas de cemento Portland formadas mediante la activación con álcalis, un proceso que utiliza un activador químico a base de álcali o sal para promover la disolución de un precursor de aluminosilicato y la posterior precipitación de productos de reacción cementosos. Los AAC se pueden producir utilizando una variedad de precursores, y la escoria y las arcillas calcinadas emergen como las más sostenibles, en comparación con las cenizas volantes. La activación alcalina de los precursores puede provocar una serie de reacciones de policondensación, en las que se produce agua como resultado de la formación del producto de reacción, o reacciones de hidratación similares a las del cemento Portland ordinario (OPC), en el que se consume agua. El resultado son las mismas matrices cementosas que exhiben resistencia y durabilidad comparables en comparación con OPC. Consulte la Figura 9 para ver una tabla de MIC de este material y la Figura 10 para ver ejemplos de este material.

Los AAC son alternativas prometedoras, sostenibles y sin clinker al OPC debido a su bajo contenido de carbono incorporado (CO2) emisiones. El nivel exacto de estas estimaciones de emisiones varía ampliamente, un rango atribuible a la amplia variedad de precursores y fuentes de activadores alcalinos disponibles para producir AAC. Si bien muchos estudios sugieren que el carbono incorporado de los AAC es menor que el de OPC, se ha encontrado exactamente cuánto menos en el rango de 10% a> 90%.[17]

Debido a que el uso de AAC en lugar de hormigón OPC da como resultado reducciones netas de CO2 solo en comparación con el hormigón OPC, se le dio una calificación de 1 a esta categoría de material en términos de su potencial de almacenamiento de carbono. El co2 el almacenamiento podría mejorarse si el material se usara en conjunto con otras tecnologías de materiales de almacenamiento de carbono, como agregados y rellenos que almacenan carbono.

Varios productos de AAC, como morteros y hormigón, ladrillos, bloques sólidos / huecos, tejas, hormigón aislante, revestimientos resistentes a la temperatura y adoquines, exhibieron un rendimiento comparable o incluso mejor que el producido con OPC. Si bien las propiedades físicas y mecánicas iniciales del concreto AAC pueden ser comparables a las del concreto OPC, también se deben considerar las mismas consideraciones de durabilidad (por ejemplo, corrosión inducida por cloruros, resistencia al congelamiento-descongelamiento).

 

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

Cimientos Hormigón de algas sin cemento

Figura 9. Gráfico de radar MIC con factores de prioridad para hormigón activado por álcalis sin cemento

 

Figura 10. Izquierda y centro: cubos de mortero de escoria activada con álcali. Derecha: cubo OPC 100%. Foto cortesía de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Boulder de la Universidad de Colorado.

4.3 Materiales vivos

 

4.3.1 Algas

Si la fotosíntesis se considera un mecanismo de almacenamiento y captura de carbono eficiente de la naturaleza, entonces las algas son posiblemente las campeonas de la fijación de carbono. Las algas son organismos unicelulares fotosintéticos similares a las plantas. La alta eficiencia de fijación de carbono del cultivo de algas al aire libre (~ 200 tCO2 / hectárea / año) se debe en gran parte al crecimiento exponencial y la eficiencia de fijación de carbono de las células de las algas, que empequeñece drásticamente la eficiencia de fijación de carbono de los bosques en comparación (~ 3 tCO2 / hectárea / año).

El cultivo a gran escala de algas para la producción avanzada de biocombustibles ya está en marcha en muchas regiones de los EE. UU. Un atributo adicional del cultivo de algas al aire libre es que se puede realizar en tierras no cultivables. Por tanto, el cultivo de algas no tiene por qué competir con la agricultura y la producción de alimentos por la tierra y los recursos hídricos.

Si bien gran parte de la biomasa de algas se convierte actualmente en combustibles y / o se incinera para la coproducción de bioenergía, la biomasa de algas también se puede utilizar para crear una miríada de materiales de almacenamiento de carbono o neutros en carbono. El biocarbón de algas se puede utilizar en materiales de construcción de alto rendimiento (por ejemplo, hormigón, nanofibras de carbono). Se han utilizado paneles de algas translúcidas para crear fachadas en aplicaciones de iluminación natural por firmas de arquitectura e ingeniería de clase mundial (Arup y Ecologic Studio).[18]  Los sistemas de algas se han diseñado para admitir la purificación del aire interior (AlgenAir).[19]

4.3.1.1 Paneles y ladrillos cultivados con algas

Actualmente, las nuevas empresas emergentes están comercializando tecnologías de materiales derivados de algas con bajo contenido de carbono y almacenamiento de carbono en productos como ladrillos y paneles cultivados con algas, que se describen a continuación. Estos "ladrillos vivientes", que se cultivan a partir de una mezcla de arena, sol, agua de mar y cianobacterias, son una alternativa similar al hormigón que se puede cultivar a pedido. Existen múltiples pruebas de concepto, y el equipo de la Universidad de Colorado Boulder ha otorgado la licencia de la tecnología a Prometheus Materials, una empresa emergente en etapa inicial que establece una producción a escala piloto. Consulte la Figura 11 para ver un gráfico de radar MIC para este material. Investigadores de la Universidad de Colorado en Boulder han producido ladrillos cultivados con algas utilizando cianobacterias biomineralizantes (Figura 12).

 

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

[19]     https://algenair.com/

Figura 11. Gráfico de radar MIC con factores de prioridad para paneles y ladrillos cultivados con algas.

 

Figura 12. Ladrillos derivados de algas desarrollados en la Universidad de Colorado Boulder. Crédito de la foto: Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Boulder de la Universidad de Colorado.

4.3.1.2 Rellenos de piedra caliza que almacenan carbono y otros materiales derivados de algas para cemento y hormigón

Los investigadores del Laboratorio de Materiales Vivos de la Universidad de Colorado en Boulder también están utilizando algas como material de origen para varios otros materiales de construcción de última generación, que almacenan carbono y son neutros en carbono. Las algas crudas se utilizan en aditivos químicos para el hormigón que almacenan carbono. Las diatomeas fotosintéticas recién cultivadas, microalgas silíceas, se están explorando como una alternativa sostenible a los materiales cementantes suplementarios como las cenizas volantes o la escoria. El laboratorio también está utilizando cocolitóforos fotosintéticos (microalgas calcáreas), como rellenos de piedra caliza para producir un cemento de hormigón neutro en carbono biogénico Tipo 1L a escala, en colaboración con Minus Materials, una empresa en etapa inicial. Los investigadores de Arup y la Universidad de Tecnología de Sydney también han explorado la intersección de las algas vivas y los sistemas de construcción. El proyecto SolarLeaf de Arup fue el primer sistema de fachada viviente del mundo que cultiva microalgas para generar calor y biomasa como fuentes de energía renovables. Consulte la Figura 13 para ver un gráfico de radar MIC de los rellenos de piedra caliza que almacenan carbono y la Figura 14 para una imagen ilustrativa del cultivo de micro y macroalgas.

Figura 13. Gráfico de radar MIC con factores de prioridad para rellenos de piedra caliza de algas.

 

Figura 14. Imagen ilustrativa del cultivo de micro y macroalgas.

4.3.2 Micelio (y sustratos): estructura del tubo

La última década ha sido testigo de una oleada de exploraciones sobre el uso del micelio, la estructura "raíz" de los hongos, como material de construcción potencial. Los beneficios potenciales son muchos: es un material de almacenamiento de carbono cultivado específicamente que cambia el paradigma de recolectar materias primas de la tierra e inducir cambios en el uso de la tierra a favor de cultivar materiales de crecimiento rápido en un entorno interior controlado que se puede replicar en cualquier lugar. en una variedad de escalas. Las caracterizaciones iniciales del material indican que el micelio es naturalmente resistente al fuego y a la putrefacción, generalmente se cultiva en un sustrato de residuos agrícolas y proporciona beneficios de almacenamiento de carbono. Consulte la Figura 15 para ver una tabla de MIC de este material y la Figura 16 para ver un ejemplo visual.

Las primeras aplicaciones de los materiales de construcción de micelio han sido como aislantes. Este material tiene el potencial de reemplazar productos intensivos en carbono como la espuma petroquímica y la fibra mineral. Esta vía para los productos de micelio es muy prometedora, y nuestras exploraciones de sistemas de cerramiento con paneles apuntan a un papel central y viable para el aislamiento de micelio.

Un mayor impacto potencial podría resultar del desarrollo de componentes estructurales hechos de micelio. Algunas iteraciones a pequeña escala de materiales de bloques y tubos estructurales dan fe de su potencial para reemplazar materiales de alto impacto como el acero estructural y la mampostería. Dichos usos del micelio se encuentran en etapas incipientes de exploración, pero muestran un potencial revolucionario y, por lo tanto, constituyen un punto focal para este estudio. La Universidad de Colorado Boulder y el Endeavour Center ya se están asociando con Okomwrks,[20]  una pequeña puesta en marcha, para explorar la viabilidad y las aplicaciones de los materiales estructurales a base de micelio.

 

[20]     Ver https://www.okomwrks.co para obtener más información sobre el micelio estructural.

Figura 15. Gráfico de radar MIC con factores de prioridad para estructuras de tubos de micelio

 

Estructura de la raíz (izquierda) para materiales a base de micelio

Figura 16. Estructura de la raíz para materiales a base de micelio

4.4 Productos agrícolas

4.4.1 Biomasa residual[21]

Los cultivos agrícolas extraen de la atmósfera miles de millones de toneladas de CO2 cada año, y la mayoría de esta vegetación no es comestible. El quemarse o pudrirse poco después de la cosecha generalmente hace que esta importante reserva de residuos agrícolas libere su carbono de regreso a la atmósfera. Cada año se devuelven a la atmósfera miles de millones de toneladas de carbono adicionales a partir de nuestros flujos de residuos y reciclaje de productos de biomasa como papel, cartón y textiles. En conjunto, estos residuos ofrecen un enorme potencial para almacenar de forma duradera algunos de estos miles de millones de toneladas de carbono en materiales de construcción sin cambios adicionales en el uso de la tierra o mayores emisiones de producción. Consulte la Figura 17 para ver un gráfico MIC de paneles de paja y la Figura 18 para ver un ejemplo visual.

La valoración y el uso apropiado del carbono almacenado en esta biomasa podrían servir como un motor importante para un uso más generalizado en la industria de la construcción. El almacenamiento neto de carbono en los materiales residuales es intrínsecamente alto, ya que las emisiones relativamente bajas de los materiales de origen se "dividen" entre el uso principal, como alimento, y la producción de residuos, mientras que los insumos de fabricación tienden a ser bajos. Comparaciones de estudios de LCA[22] y un número limitado de EPD muestra consistentemente que los materiales residuales ofrecen el mayor almacenamiento neto de carbono en sus categorías de materiales.

Los materiales residuales se presentan en una amplia gama de formas. Históricamente, las fibras residuales que van desde la celulosa de papel de periódico hasta los recortes de mezclilla se han reciclado como aislamiento y guata. Los residuos agrícolas, en particular la paja de grano, tienen una larga historia de uso, a menudo como material aislante semi-estructural. El uso de estos materiales por parte de una serie de nuevas empresas de paneles de paredes y techos ha demostrado resultados de alto almacenamiento de carbono en componentes de construcción duraderos y asequibles. Los materiales residuales también se han utilizado en materiales compuestos y láminas, en los que se utilizan una variedad de colas para unir las fibras. Estos productos se han fabricado comercialmente a pequeña escala, pero aún no han alcanzado su potencial.

Los gobiernos y las organizaciones interesadas en su potencial como fuentes de energía han estudiado a fondo las reservas de biomasa residual disponibles y potenciales. En los Estados Unidos, se puede encontrar una contabilidad precisa de las existencias de biomasa a nivel de condado por condado e indica que cientos de millones de toneladas están disponibles de manera sostenible anualmente.[23]

Esta gran categoría de materiales abarca desde cáscaras de nueces que pueden reemplazar el agregado de concreto hasta fibras vegetales largas con potencial estructural para usarse como aislamiento. La exploración de materiales residuales en paneles de cerramientos de edificios estructurales / aislados, con un enfoque en productos de paja de grano, es muy prometedora debido a su disponibilidad global y al exitoso desarrollo a pequeña escala que ya está en marcha.

 

[21]     https://gramitherm.ch/?lang=en Una empresa europea que abre su segunda fábrica que produce aislamientos a partir de recortes de césped en los bordes de las carreteras municipales y de aeropuertos.

[22]     Estas EPD y LCA se basan en la base de datos de la herramienta BEAM de Builders for Climate Action que estará disponible públicamente en el invierno de 2021. La herramienta BEAM de Builders for Climate Action, https://www.buildersforclimateaction.org/

[23]     La promesa de la biomasa por Union of Concerned Scientists https://docs.house.gov/meetings/IF/IF03/20130723/101184/HHRG-113-IF03-20130723-SD024.pdf

Figura 17. Gráfico de radar MIC con factores de prioridad para paneles de paja

 

Figura 18. Panel prefabricado de fardos de paja

4.4.2 Fibras cultivadas específicamente (bambú, fibra de cáñamo)

Las fibras se pueden cultivar específicamente para proporcionar materiales de construcción, y cultivos como el bambú y el corcho se han cosechado durante siglos. El cáñamo, un recién llegado relativo a este espacio, se ha destacado por el gran potencial tanto de su fibra como del núcleo de la planta. Consulte la Figura 19 para ver una tabla de MIC de este material y la Figura 20 para ver un ejemplo.

El bambú se puede utilizar como material estructural en forma de postes y vigas laminados, paneles laminados cruzados y revestimiento estructural. Los proyectos que utilizan estos materiales han demostrado el potencial para reemplazar los materiales de alto impacto como el acero y el hormigón, así como los materiales a base de madera con beneficios inciertos de almacenamiento de carbono.

Hempcrete, que consiste en cáñamo recubierto con un aglutinante a base de cal, es un material aislante semi-estructural que demuestra un gran potencial para combinar el almacenamiento de carbono de material vegetal con una excelente resistencia al fuego y la humedad. Las exploraciones de este material pueden incorporar la sustitución de otros residuos vegetales concisos como el girasol, el tabaco y las coles.

El potencial de almacenamiento de carbono de estos materiales cultivados con este propósito rivaliza con el de la biomasa residual, pero conlleva una responsabilidad adicional para garantizar que los impactos asociados del uso de la tierra no se sumen a las cargas climáticas o ecológicas. Las prácticas sostenibles y regenerativas pueden amplificar los beneficios de almacenamiento de carbono de estos materiales, pero el desplazamiento de las tierras actuales de alimentos y bosques para proporcionar materiales de construcción podría anular sus beneficios. Si bien se recomienda un enfoque equilibrado, el beneficio superior de utilizar residuos de desecho sobre el cultivo de materiales cultivados específicamente en tierras cultivables es claro.

Fundación suelo de tierra

Figura 19. Gráfico de radar MIC con factores de prioridad para paneles de hempcrete.

 

Figura 20: Aislante de hempcrete derivado de la navaja de cáñamo y un aglutinante a base de cal.

4.5 Consideración de los métodos de construcción

4.5.1 Impresión 3D

Desde principios de la década de 2000, la impresión 3D de edificios completos y componentes de edificios se ha realizado a nivel experimental, con el potencial de aumentar la velocidad de construcción al tiempo que se reducen los costos laborales y se mejora la precisión.[24]

Los esfuerzos actuales de impresión 3-D tienden a depender de materiales de construcción con altas emisiones de carbono incorporado, específicamente cemento y plásticos petroquímicos, generalmente en formulaciones que generan emisiones de carbono aún más altas debido a los requisitos de plasticidad de las boquillas de impresión. Independientemente de otras eficiencias que puedan obtenerse utilizando técnicas de impresión 3-D, hasta que se aborden las emisiones de los materiales de impresión en bruto, esta tecnología no dará como resultado edificios que almacenen carbono.

Se han realizado algunos esfuerzos, sobre todo por WASP en Italia,[25] emplear arcilla como medio de impresión. Como se indica en la Sección 4.2.1 de este informe, las materias primas de la tierra producen emisiones de materiales excepcionalmente bajas y están disponibles en todo el mundo. Quizás este tipo de impresión 3-D para edificios podría combinar los beneficios de bajo desperdicio de esta técnica con emisiones iniciales reducidas.

Sin embargo, debemos tener en cuenta que, independientemente de los materiales utilizados, la impresión 3D de edificios completos se logra típicamente como una construcción monolítica continua. Cualquier edificio así creado es difícil de modificar en el futuro y no se presta a los métodos de construcción DfD, lo que limita la vida útil de los materiales a su forma actual en su ubicación actual. Además, la gama de materiales estructurales densos que se utilizan actualmente para la impresión 3D no ofrece prácticamente ningún valor de aislamiento. Este enfoque de “masa térmica” puede ser apropiado en ciertas zonas climáticas, pero en general, cualquier edificio impreso en 3-D requerirá una estrategia de aislamiento y revestimiento que puede borrar parte o toda la velocidad y la reducción de la mano de obra lograda por la impresión en 3D. Consulte la Figura 21 para ver un gráfico MIC de esta tecnología y la Figura 22 para ver un ejemplo visual.

Es probable que se encuentre un impacto más positivo de la impresión 3-D al usarla para crear componentes de construcción construidos en fábrica. En un entorno de fábrica, las impresoras pueden incorporar una gama más amplia de materiales y componentes y permitir el ensamblaje robótico de componentes en secciones más grandes, paneles prefabricados o componentes modulares que se prestan a los métodos DfD.

 

[24]     Para más información, ver https://doi.org/10.1080/24751448.2018.1420968

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

factores de prioridad para la impresión 3D

Figura 21. gráfico de radar con factores de prioridad para la impresión 3D.

 

consideraciones de diseño-3d-rpiniting

Figura 22. Impresión 3d (AVISPA en Italia)

comparación dinámica de lca

Figura 23. Una comparación dinámica de LCA. Adaptado de Chris Magwood, 2021

4.5.2 Diseño para desmontaje

La principal incertidumbre con el uso de materiales de construcción que almacenan carbono biogénico es tener en cuenta una ruta para el carbono almacenado al final del producto y / o la vida útil del edificio. Modelos de contabilidad climática como el Método Moura Costa indican que una tonelada de carbono biogénico almacenada durante 40-50 años, dentro de la vida útil de la mayoría de los edificios, tiene el impacto climático equivalente a evitar una tonelada de emisiones evitadas.

La mayoría de los edificios se demuelen para dar paso a nuevos desarrollos y no porque hayan llegado al final de su vida útil. DfD permite una alternativa preferible de eliminar los componentes del edificio para que puedan reutilizarse en su forma existente sin necesidad de reciclarlos. La imagen gráfica que se muestra en la Figura 23 sugiere que es posible un almacenamiento significativo de carbono cuando se tiene en cuenta el diseño para el desmontaje y la reutilización.

DfD puede trabajar en una variedad de escalas, desde acabados removibles (que permiten remodelaciones menores de edificios sin desechar los materiales existentes) hasta particiones interiores móviles (que permiten la reconfiguración de espacios interiores) hasta marcos estructurales y sistemas de cerramiento que se pueden desmontar y reconstruir en sus forma o adaptado a nuevas formas de construcción.

Los edificios en general son inusuales en este sentido: carecen de los componentes extraíbles y reemplazables diseñados en la mayoría de los productos manufacturados. Si un automóvil se construyera como un edificio, tendríamos que cortar el capó y reemplazarlo por uno nuevo cada vez que quisiéramos revisar el motor. Cada parte de un automóvil se puede quitar y reemplazar; una vez que un automóvil ya no está en condiciones de circular, se convierte en una fuente de repuestos para automóviles en funcionamiento. DfD emula esta premisa básica y la aplica a los materiales y componentes de construcción. Al permitirnos extender la vida útil potencial del carbono almacenado en un componente reutilizable más allá de la vida útil de un solo edificio, DfD extiende la residencia del carbono almacenado de 60 a 80 años típicos para duplicar o triplicar ese valor.

Todos los aspectos del conocimiento de diseño y la tecnología de construcción necesarios para que los edificios sean totalmente capaces de desmontarse ya existen. Los beneficios de este enfoque van mucho más allá de extender el valor del carbono almacenado, ya que otorga a los materiales y edificios completos un valor que antes no se consideraba más allá del de un activo fijo con una vida útil finita. Consulte la Figura 24 para ver un diagrama de MIC de este método y la Figura 25 para ver un ejemplo de construcción prefabricada.

Diseño para desmontaje

Figura 24. Gráfico de radar MIC con factores de prioridad para el diseño para el desmontaje.

 

Diseño para desmontaje

Figura 25: Construcción de paneles de pared prefabricados

4.5.3 Arquitectura vertical

Los cimientos y losas de los pisos de los edificios son generalmente los mayores contribuyentes a las emisiones de carbono incorporadas. Si se puede diseñar el mismo volumen de espacio y área de piso en un edificio con una base más pequeña, la huella de carbono general del edificio se reduce. A medida que los códigos de energía se vuelven cada vez más estrictos y los materiales y conjuntos de cerramientos de paredes continúan mejorando con mejores valores de aislamiento y hermeticidad, los sistemas de revestimiento de almacenamiento de carbono están bien posicionados para mejorar el rendimiento general de los edificios en términos de carbono tanto operativo como incorporado.

La concentración temprana de edificios del proyecto con un análisis de ciclo de vida de alto nivel podrá proporcionar una amplia retroalimentación sobre las posibles reducciones de carbono que se pueden lograr a través del diseño vertical. Los valores de almacenamiento de carbono para sistemas innovadores de cerramiento y revestimiento pueden proporcionar retroalimentación sobre el aumento potencial en el almacenamiento general que acompañaría a los diseños verticales.

Los diseños verticales también pueden ser más eficientes energéticamente y pueden beneficiarse del efecto chimenea y otros sistemas pasivos de ventilación y calefacción. Consulte la Figura 26 para ver un gráfico MIC de esta estrategia y la Figura 27 para ver un ejemplo de consideraciones de diseño para la arquitectura vertical.

arquitectura vertical

Figura 26. Gráfico de radar MIC con factores de prioridad para la arquitectura vertical.

diseño para arquitectura vertical

Figura 27. Consideraciones de diseño para arquitectura vertical

4.6 Discusión

 

4.6.1 Cimientos: Hormigón de tierra / sin cemento

El WBLCA para el edificio industrial ligero considerado en el Estudio de materiales de almacenamiento de carbono[26] mostró que los pisos de losas de concreto son responsables de emisiones por un total de 2,48 millones de toneladas de CO2e, lo que representa casi 25% de la huella de carbono total del edificio. Como la principal fuente única de emisiones en el edificio de la muestra, este componente debe abordarse. Incluso si un material sustituido no almacenara por completo el carbono, se lograría una reducción sustancial de estas emisiones, lo que permitiría que todo el edificio alcanzara el almacenamiento neto de carbono más fácilmente.

 

[26]     Kriegh, Magwood y Srubar, 2021. Materiales de almacenamiento de carbono. https://carbonleadershipforum.org/carbon-storing-materials/

4.6.2 Pisos de tierra

Los datos actuales de LCA para pisos de tierra indican una huella de carbono de ~ 3,5 kgCO2e / m3, en comparación con ~ 290 kgCO2e / m3 para un piso de losa de concreto típico, lo que equivale a una reducción de 98% en la huella de carbono. De esta manera se podrían eliminar millones de toneladas de emisiones de cada piso de losa. Una cantidad relativamente pequeña de agregado de almacenamiento de carbono (de Blue Planet o arena cultivada con algas) volcaría un piso de tierra en almacenamiento neto de carbono, con el volumen de agregado variado para cumplir con un objetivo de almacenamiento de carbono dado para todo el edificio. Si bien la disponibilidad y el costo de los agregados que almacenan carbono pueden plantear problemas, pequeñas cantidades para tener un gran impacto en los pisos de tierra servirían como un buen uso temprano de estos materiales.

4.6.2 Hormigón activado por álcalis (sin cemento)

Los estudios de LCA existentes han demostrado que el carbono incorporado del hormigón activado por álcali puede ser significativamente menor que el del hormigón de cemento Portland tradicional. Como se señaló anteriormente, los datos de múltiples estudios sugieren que el carbono incorporado del concreto AAC puede ser de ~ 10 - 97% menos que el del concreto tradicional. Existe una gama tan amplia de estimaciones de emisiones de CO2 debido a la amplia variedad de fuentes de precursores y activadores alcalinos disponibles. Independientemente, la producción de concreto AAC produciría solo reducciones en el carbono incorporado, no en el almacenamiento neto, a menos que se usara agregado de almacenamiento de carbono para compensar las emisiones restantes.

4.6.3 Estructura: tubos de micelio / ladrillos de algas

Los componentes de acero estructural en el diseño actual del edificio de referencia contribuyen con 1,3 millones de toneladas de emisiones, lo que representa aproximadamente 15% de las emisiones totales del edificio y constituye la tercera categoría con mayor impacto. Los investigadores están explorando la producción de muros de carga cultivados con micelio o algas, incluida la formación de una masa densa con capacidades de carga adecuadas para sistemas de muros de carga. Esta perspectiva se está explorando en dos formas: micelio cultivado en formas tubulares y convertido en ladrillos comprimidos. Ambos métodos producen un material a base de micelio con mayor densidad y propiedades estructurales.

Los materiales de micelio se cultivan en una matriz rica en carbono de materia vegetal seca como paja, cáñamo, astillas de madera y / o cáscaras de nueces. El micelio no crece a través de la fotosíntesis, por lo que el almacenamiento de carbono en estos materiales ocurre cuando el micelio descompone el contenido de carbono de la materia vegetal e incorpora parte de este carbono para su propio crecimiento. El micelio no absorbe carbono adicional de la atmósfera, por lo que el valor de los materiales de micelio radica en su capacidad para transformar fibras biogénicas sueltas en un material coherente con un bajo coste adicional de carbono. Al igual que con los materiales que utilizan pegamento para adherir fibras sueltas, el almacenamiento neto de carbono de los materiales de micelio depende del perfil de emisión del proceso de fabricación (en este caso, de crecimiento). Los impactos del proceso de fabricación deben estudiarse más a fondo para garantizar que estos materiales retengan un perfil de almacenamiento neto de carbono.

 

4.6.4 Caja: Paneles de fibra / Paneles de algas

Los materiales de protección térmica y contra la humedad del edificio de referencia aportan 2,43 millones de toneladas de emisiones, lo que representa 24% del total y constituyen la segunda categoría de materiales con mayor impacto. Los paneles de fibra ofrecen una vía para eliminar estas emisiones por completo y ofrecen una gran cantidad de almacenamiento de carbono. La EPD de los paneles de pared a base de paja de Ecococon muestra un almacenamiento neto de 88 kgCO2e / m2 de área de pared, lo que indica que es posible un alto grado de almacenamiento de carbono en esta categoría.

Como compuestos de varios materiales distintos, los paneles de fibra son de particular interés cuando cada elemento contribuye al almacenamiento general de carbono, como se puede lograr a través de una amplia gama de opciones de materiales individuales. El hecho de que cada iteración dé como resultado un rendimiento y características de almacenamiento de carbono ligeramente diferentes puede ofrecer una ventaja, permitiendo la sustitución de materiales disponibles regionalmente dentro de un tamaño de panel estandarizado y un índice de rendimiento, pero también puede hacer que esta categoría de materiales sea difícil de resumir. Cada uno de estos materiales / sistemas requiere diferentes grados de humedad y pruebas / protección contra incendios que variarán según la aplicación. La exploración de estos temas está más allá del alcance de este estudio.

Los paneles de cerramiento se componen de cuatro elementos básicos, cada uno de los cuales podría estar hecho de varios materiales diferentes basados en fibras:

  1. Marco estructural. Los productos de esta categoría actualmente se basan en estructuras de madera (madera dimensional o productos de madera de ingeniería), pero estos podrían potencialmente sustituirse por cáñamo, bambú u otros materiales de fibra estructural, incluidas las estructuras de tubos de micelio.
  2. Revestimiento interior y exterior. Los productos de esta categoría se basan actualmente en productos de madera (madera contrachapada u OSB), pero estos podrían potencialmente ser sustituidos por fibras ligadas con pegamento o micelio de muchos tipos. Los productos de revestimiento ya se fabrican a partir de una amplia variedad de residuos agrícolas, que incluyen paja, cáñamo, rastrojo de maíz, bagazo de azúcar, tallo de girasol, cáscaras de nueces y muchas otras fuentes regionales de fibra. También se han reciclado como materiales de revestimiento eficaces fibras de flujo de residuos, como cajas para beber y textiles.
  3. Aislamiento. Una amplia gama de materiales aislantes que almacenan carbono puede llenar los paneles. Las opciones existentes como la celulosa (de papel y / o cartón reciclados) ofrecen una vía probada de bajo costo con un buen potencial de almacenamiento de carbono. Casi cualquier fibra de desecho o residuo tiene el potencial de aislar, con ejemplos a pequeña escala de paja, hempcrete y textiles de desecho que demuestran altos valores netos de almacenamiento de carbono.
  4. Revestimiento. Los acabados exteriores e interiores también pueden almacenar carbono. Los enfoques convencionales incluyen revestimientos de madera y, en menor grado, corcho. También se han encontrado viables materiales compuestos derivados de papel, cartón, cáscaras de arroz, paja y fibra de cáñamo.

Cada variación de panel de fibra tendría su propio valor de almacenamiento de carbono e implicaciones científicas de la construcción. La identificación de combinaciones de paneles de fibra con el mayor potencial ayudaría a desarrollar esta categoría de materiales. Además, el desarrollo de un estudio de prototipo para la prefabricación (que incluye una variedad de configuraciones de paneles) y las opciones de DfD garantizaría que la vida útil de estos componentes del edificio se extienda más allá de la de una sola estructura.

5 Prueba de concepto y camino al mercado

Este estudio recomienda que los líderes de la industria o de la construcción, como usuarios finales interesados de productos de construcción innovadores que almacenan carbono y que aún tienen que escalar hasta el punto de la adquisición directa, consideren las siguientes reglas de participación antes de la creación de prototipos y la prueba piloto de tecnologías de materiales emergentes.

 

5.1 Reglas de compromiso para la aceleración y NDA

 

5.1.1 Interactuar directamente con los fabricantes de productos de construcción innovadores que almacenan carbono.

Es probable que la participación directa requiera la finalización de memorandos de entendimiento (MOU), acuerdos de no divulgación (NDA) entre los clientes de construcción o materiales y los fabricantes. Este NDA permitirá una comunicación clara y transparente con respecto a la madurez actual de la tecnología de materiales y permitirá a los fabricantes divulgar completamente la escala actual de producción, las pruebas completadas y planificadas y las certificaciones logradas o aún por lograr, así como el costo. y cronogramas asociados con cada uno. Los MOU y / o NDA también definirán los términos de un acuerdo de propiedad intelectual (PI) entre las dos partes.

5.1.2 Seleccione entre dos caminos para asociarse con fabricantes durante el año fiscal (AF) 2022: Selección directa o Solicitud de propuestas (RFP).

La selección directa implicaría que un cliente de materiales o de construcción elija entre 1 y 2 fabricantes con los que interactuar durante el año fiscal 2022. Por el contrario, un proceso de solicitud de propuesta generaría una red más amplia y permitiría a los clientes de materiales o de construcción solicitar información específica, incluida la escala actual de producción, pruebas y certificación, así como instalaciones y asociaciones actuales / existentes que podrían aprovecharse durante el año fiscal 2022. La RFP se puede emitir solo por invitación, lo que permite a los clientes de materiales o construcción combinar la selección directa con el proceso de RFP. Un cliente de construcción o material podría, por lo tanto, obtener información sobre el nivel de preparación tecnológica (TRL) de varios materiales antes de su selección para el compromiso del año fiscal 2022 y hacerlo sin completar primero el proceso de MOU o NDA. Tal proceso híbrido (RFP solo por invitación) permitiría a los clientes de materiales o construcción seleccionar no solo fabricantes con materiales novedosos o de laboratorio / escala de laboratorio (por ejemplo, ladrillos cultivados con algas) sino también algunos más avanzados en la producción a pequeña escala (por ejemplo, fibra paneles).

 

5.2 Creación de prototipos, implementación y uso deseado

 

5.2.1 Establecimiento de metas y expectativas.

Una vez seleccionado para el compromiso del año fiscal 2022, cada fabricante discutiría con los clientes de materiales o de construcción los objetivos y expectativas realistas y específicos para la creación de prototipos en función de lo que los clientes de materiales o edificios visualizan como la aplicación de uso final deseada. Estos objetivos y expectativas deben alinearse con los valores y criterios de selección de los clientes de materiales o edificios (por ejemplo, potencial de almacenamiento de carbono, inversión de alto riesgo / alta recompensa, potencial de impacto).

5.2.2 Establecimiento de un alcance de trabajo.

Una discusión clara de los objetivos y expectativas permitirá a los fabricantes establecer un alcance de trabajo (SOW) de 9 a 12 meses y una propuesta de costos que se alinee con los requisitos de uso final de los clientes de construcción o materiales, así como cualquier asociación sugerida u obligatoria que construcción o materiales que los clientes requieran (por ejemplo, diseño / producción, I + D, creación de prototipos / ensamblaje). Los clientes de construcción o materiales también deben requerir otros términos de participación, como una reunión de inicio del proyecto, frecuencia de reuniones, revisiones de progreso y entregables finales.

 

5.3 Creación de prototipos y pruebas piloto

 

5.3.1 Planes para la creación de prototipos

La SOW y la propuesta de costo descrita por cada fabricante deben ser enviadas y aprobadas por los clientes de construcción o materiales. El SOW debe describir claramente los planes para la creación de prototipos y / o pruebas piloto que se alineen con los objetivos, expectativas y requisitos de uso final de los clientes de materiales o edificios.

5.3.2 Financiamiento de pruebas piloto

Una vez que se aprueba el SOW, los líderes de la industria de tecnología desembolsarán los fondos directamente al fabricante para iniciar y completar el SOW en colaboración con los socios de diseño, I + D y creación de prototipos / ensamblaje sugeridos (por ejemplo, identificados en este estudio) o seleccionados por la construcción. Líderes de la industria.

 

5.4 Pruebas de cumplimiento y certificaciones requeridas y deseadas (oportunidad / barrera) en general

 

5.4.1 Pueden requerirse pruebas de cumplimiento y certificaciones para cualquier material nuevo que se utilice en proyectos.

Las pruebas y certificaciones pueden requerir apoyo financiero, plazos de proyecto más largos durante la adopción temprana y trabajar con los funcionarios del código para brindar educación y desarrollar vías de cumplimiento estándar.

5.4.2 La aceptación de madera laminada cruzada (CLT) proporciona un ejemplo de materiales novedosos.

CLT fue reconocido en la década de 2000 como un nuevo sistema de construcción por la industria de la madera y por arquitectos e ingenieros interesados ​​en explorar esta nueva solución de material. Sin embargo, los códigos de construcción existentes estipulaban importantes restricciones de altura para los edificios de madera. Si bien las organizaciones comerciales de la industria ayudaron a respaldar las pruebas para verificar el rendimiento, los arquitectos e ingenieros voluntarios se organizaron (por ejemplo, el grupo de trabajo Seattle AIA Mass Timber), compartiendo recursos y uniéndose a comités de códigos y estándares para abogar por el uso de esta novedosa solución de material. Ese apoyo de los usuarios de productos de madera fue fundamental para lograr los cambios en el código. Escalar rápidamente una mayor cantidad de materiales para lograr los objetivos climáticos requerirá un apoyo directo similar. El Carbon Leadership Forum se centra en brindar apoyo técnico para los esfuerzos de políticas emergentes e informar e involucrar a los profesionales de la industria de la construcción a través de nuestra red global y centros regionales.

 

5.5 Pruebas de cumplimiento, costos relacionados y cronograma

En un momento dado, cada nueva tecnología de materiales se sitúa en un continuo de investigación y desarrollo que, en última instancia, dicta qué pruebas de cumplimiento, si las hay, deben completarse antes de que un fabricante produzca un producto mínimo viable (MVP). Todos los estándares y certificaciones aplicables también deben lograrse antes de la aplicación industrial. Por ejemplo, algunos productos requieren pruebas estructurales mientras que otros requieren pruebas de conductividad térmica, índices de humedad, moho y hongos, índices de resistencia al fuego y / o pruebas acústicas. Casi todos se beneficiarían de una Declaración de producto medioambiental (DAP). Para confirmar el impacto ambiental de la producción de materiales y los impactos del uso / final de la vida útil, se deben realizar evaluaciones del ciclo de vida ambiental durante todo el proceso de desarrollo del producto. Qué pruebas, estándares y certificaciones ya se han completado y cuáles aún no se han completado determinarán en última instancia los costos de las pruebas de cumplimiento. Además, el cronograma para adquirir fondos, programar pruebas y producir resultados dará forma al cronograma para la producción a gran escala.

 

5.6 Consideraciones sobre la creación de prototipos para componentes en ensamblajes

Las consideraciones de creación de prototipos incluyen no solo las pruebas de materiales, como se describió anteriormente, sino también las pruebas del material como un componente en un ensamblaje. Las pruebas de ensamblaje son cruciales para cumplir los objetivos de Microsoft de acelerar la producción y el uso de materiales de almacenamiento de carbono. Como tal, se requieren múltiples maquetas o prototipos para cada prueba y las consideraciones de costo a menudo entran en juego a medida que cada maqueta se prueba hasta que falla.

 

5.7 Potencial de escalamiento de fabricación y cadena de suministro

Para que los materiales transformadores escalen y estén disponibles en el mercado general de materiales de construcción, se requieren cuatro factores principales que converjan: (1) Mayor conocimiento del material dentro del sector de la construcción, (2) demanda demostrada del mercado de materiales para justificar el desarrollo de la infraestructura de fabricación, ( 3) eliminación de los obstáculos a la adopción de políticas y (4) comprensión y mitigación de las preocupaciones de los usuarios.

5.7.1 Mayor conciencia

Para que los materiales novedosos se utilicen de manera más amplia, los arquitectos, ingenieros, contratistas (AEC) y otros en el sector de la construcción deben ser conscientes de sus beneficios y tener la confianza de que el proyecto en el que se especifican tendrá éxito. Las estrategias para aumentar la conciencia incluyen:

  • Mapeo de la disponibilidad de materiales para conectar a los profesionales de AEC con materiales y fabricantes en sus regiones y limitar las preocupaciones sobre la disponibilidad de recursos de materia prima / capacidad para escalar (más discutido en la Sección 7);
  • Construir edificios de alto perfil como prototipos para proporcionar estudios de casos de cómo se puede usar el material y una plantilla para los detalles de construcción en proyectos futuros; y
  • Desarrollo de ensamblajes o componentes que faciliten el uso de materiales novedosos integrándolos en los procesos de diseño y construcción existentes (por ejemplo, ensamblajes de pared que incluyen un material de fachada novedoso para eliminar la necesidad de investigar y desarrollar nuevas técnicas de impermeabilización.

5.7.2 Demanda demostrada del mercado

Escalar las cadenas de fabricación y suministro de materiales novedosos requiere una inversión importante por parte de los fabricantes que puede ser difícil de arriesgar si no tienen certeza sobre el mercado de sus materiales. Las políticas públicas y los compromisos corporativos de sostenibilidad que requieren reducciones en la huella de carbono de los proyectos o materiales son claves para demostrar la demanda del mercado por el desarrollo de estos materiales.

5.7.3 Eliminación de obstáculos políticos

Las políticas públicas y corporativas crean obstáculos para escalar al hacer que el proceso sea demasiado costoso o al limitar los mercados / proyectos donde se pueden usar materiales. Los obstáculos de las políticas públicas incluyen pruebas excesivamente extensas y vías de cumplimiento (como se discutió anteriormente), pero también pueden incluir la exclusión de materiales novedosos de las políticas climáticas debido a la falta de conciencia. Desarrollar los datos de evaluación del ciclo de vida que ya se requieren de otros materiales (como las declaraciones ambientales de productos) para documentar el cumplimiento de las políticas de carbono incorporado es clave para comunicar el valor de estos materiales y la necesidad de que se agreguen a las políticas dirigidas a reducir el carbono incorporado.

Las políticas corporativas también crean obstáculos para las empresas más pequeñas que buscan ser seleccionadas para un proyecto. Algunos de los propios requisitos destinados a aumentar la sostenibilidad de las cadenas de abastecimiento y suministro de una empresa, como exigir la certificación de una planta de fabricación o un código de conducta para proveedores, pueden presentar barreras para las pequeñas empresas que aún carecen de los recursos para desarrollar sistemas de gestión sofisticados. por la responsabilidad ambiental y social. Los equipos de adquisiciones corporativas pueden considerar la adopción de vías alternativas para empresas más pequeñas o más nuevas mientras escalan, como permitir que un porcentaje del presupuesto de un proyecto se destine a organizaciones pequeñas o en crecimiento que cumplan con los requisitos climáticos o de justicia social.

5.7.4 Encuestas para comprender y mitigar las inquietudes de los usuarios

Las preocupaciones y percepciones de los usuarios sobre los riesgos de usar un nuevo material presentan un obstáculo importante para la implementación de nuevos materiales. Los profesionales de AEC pueden dudar en utilizar nuevos materiales con prestaciones o características estéticas desconocidas. Identificar las inquietudes de los usuarios es un primer paso clave para mitigar los temores sobre el uso de materiales novedosos, que se abordarán a través de recursos educativos y capacitación. Las estrategias identificadas para aumentar el conocimiento de los materiales novedosos en la sección anterior también desempeñarían un papel clave para mitigar las preocupaciones de los usuarios. Mejor aún, administrar una encuesta en toda la industria para comprender los valores subyacentes, las motivaciones y las preocupaciones percibidas en torno al uso de materiales novedosos proporcionaría datos valiosos sobre por qué un profesional, fabricante, proveedor y / o instalador de AEC estaría o no motivado para utilizar materiales novedosos en el diseño y ejecución de sus proyectos.

6 Discusión

6.1 ¿Por qué promover ahora la investigación y las oportunidades de desarrollo de materiales en etapa inicial?

Los materiales con bajo contenido de carbono y que almacenan carbono tienen una larga historia de investigación, desarrollo y uso. El compromiso con este tipo de materiales naturales ha estado motivado típicamente por la preocupación por los impactos positivos en la salud ecológica y de los ocupantes y / o la eficiencia del material. Sin embargo, el reconocimiento reciente de la gravedad de la crisis climática y la urgente necesidad de intervenciones importantes e impactantes ha acelerado el interés en los materiales que pueden corregir las emisiones que surgen de los materiales de construcción convencionales. Décadas de trabajo para desarrollar, mejorar e implementar estos materiales ahora brindan una base útil de investigación, desarrollo de productos y estudios de casos que pueden ayudar a acelerar el impulso para llevar estos materiales al mercado rápidamente.

La experiencia pasada en la comercialización de madera laminada cruzada y materiales de madera maciza ha demostrado que los materiales con bajo contenido de carbono y de almacenamiento de carbono son factibles y alcanzan la paridad con las alternativas más convencionales en términos de costo, cumplimiento del código y cronogramas de construcción. Sin embargo, estos materiales, que carecen de apalancamiento en cualquiera de estos frentes y necesitan una inversión significativa para aumentar la producción, no han alcanzado el estatus de corriente principal. Su potencial colectivo para un impacto climático masivo nos obliga a aprovechar sus propiedades para redirigir el perfil climático de los edificios de un impulsor principal del cambio climático a un activo líder para revertirlo.

6.2 Implicaciones de la justicia ambiental

La fabricación y el transporte de materiales a menudo se ubican junto a comunidades de bajos ingresos y comunidades de color. Las evaluaciones de materiales basadas únicamente en las emisiones globales de gases de efecto invernadero ('carbono') pueden pasar por alto los impactos significativos en la salud humana de las emisiones locales en estas comunidades, así como otras preocupaciones críticas de salud pública, equidad, justicia y trabajo. La integración de la justicia climática en las opciones materiales es necesaria para evitar consecuencias negativas no deseadas de las acciones desarrolladas con un enfoque demasiado estrecho en la descarbonización. Esta es un área de creciente interés para el Carbon Leadership Forum. El CLF cree que se debe realizar un trabajo significativo para comprender mejor cómo garantizar que el desarrollo de materiales y el compromiso de la cadena de suministro puedan respaldar los objetivos de justicia climática.

A medida que los materiales de la cadena de suministro de fabricación escalan para aumentar la disponibilidad de materiales transformadores, surge una oportunidad para integrar la equidad y la justicia como prioridades clave desde el principio, en lugar de tratar de mitigar el daño después de que se establezcan las cadenas de suministro y las instalaciones. Estas prioridades significan garantizar que las instalaciones no se sumen a las cargas de salud ambiental existentes en las comunidades de primera línea, pero también podrían significar identificar socios y centros de fabricación que brinden oportunidades económicas para comunidades históricamente excluidas.

 

6.3 Oportunidades para impactos más amplios

 

6.3.1 Fabricación de materiales negativos en carbono para reducir las emisiones incorporadas en los edificios

A principios de 2021, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada del Departamento de Energía de EE. UU., Energía (ARPA-E), publicó una solicitud de información (DE-FOA-0002506) para un nuevo programa de subvenciones propuesto, “Fabricación de materiales negativos al carbono para reducir las emisiones incorporadas en Edificios ". Este programa, cuyos objetivos probablemente se alineen bien con las recomendaciones de este estudio, indica claramente que el tema está ahora en el radar del gobierno federal. Un aspecto de estas oportunidades de financiación es el requisito a menudo obligatorio de compartir los costos. Dichos fondos de subvenciones presentan una oportunidad para multiplicar la inversión de un líder de la industria de la tecnología en materiales de construcción con bajo contenido de carbono y almacenamiento de carbono.

6.3.2 Mapeo de materiales para el clima y la disponibilidad regional

Se han realizado dos estudios sobre la disponibilidad de biomasa en los EE. UU., El primero a cargo del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía de EE. UU. Y el segundo, en respuesta, a la Unión de Científicos Preocupados (UCS).[27]  Ambos se centraron en la disponibilidad de biomasa para la producción de energía, no para materiales de construcción, pero, no obstante, proporcionan una evaluación a nivel de condado de la biomasa disponible en las categorías de residuos forestales y agrícolas, corrientes de desechos y cultivos específicos, alineándose con las categorías. de materiales de biomasa en este estudio. La estimación más alta de ORNL citó mil millones de toneladas de biomasa disponible anualmente, mientras que UCS, imponiendo estándares ecológicos más altos, estimó 680 millones de toneladas. Ambos estudios, que destacan la gran cantidad de materias primas para los posibles materiales de almacenamiento de carbono, pueden ayudar a refinar los esfuerzos para identificar y obtener estos materiales en todo el país.[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 Conclusión, limitaciones y oportunidades futuras

7.1 Conclusión

El potencial de un impacto climático significativo a través de materiales bajos en carbono y que almacenan carbono pone en primer plano los materiales que tienen el potencial de cambiar el perfil climático de los edificios de un impulsor principal del cambio climático a un depósito de carbono líder que lo revierte.

Los hallazgos de este estudio destacan seis materiales para su uso en cimientos, estructuras y / o sistemas de cerramiento de edificios. Estos materiales (losas de tierra, losas de hormigón que no sean de cemento Portland, ladrillos / paneles cultivados con algas, tubos estructurales de micelio, fibra cultivada para tal fin y paneles de desechos agrícolas) merecen un entusiasmo realista y son dignos de inversión para ayudar y acelerar su creación de prototipos, escalado , fabricación y uso comercial en la cadena de suministro de la industria de la construcción. Además, existen oportunidades para invertir en oportunidades educativas y de capacitación en aprendizajes integrados en laboratorios de investigación, diseño y construcción, en sitios de fabricación y con empresas de diseño profesional de AEC.[29]

7.2 Limitaciones

Una limitación de este estudio es que su alcance excluyó una encuesta de toda la industria. Las preguntas de la encuesta dirigida podrían identificar los valores subyacentes, las motivaciones y las preocupaciones percibidas de las partes interesadas de la industria con respecto al uso de materiales novedosos, todo lo cual es esencial para comprender las oportunidades y las barreras para el éxito del mercado. Una encuesta de este tipo proporcionaría datos concretos sobre por qué los profesionales, fabricantes, proveedores e instaladores de AEC estarían motivados para utilizar materiales novedosos en el diseño y la ejecución de sus proyectos.

7.3 Oportunidades futuras

La Micro-Nube[30] es un concepto que incorpora la creación de prototipos de materiales, la simulación de ensamblajes y la implementación de edificios a pequeña escala (centros de datos) a nivel mundial (para ver la hoja de ruta conceptual, consulte el Apéndice II). Presenta una oportunidad para que Microsoft aproveche múltiples objetivos y estrategias para implementar sus valores y cumplir sus objetivos de descarbonización a nivel mundial.

La prefabricación de componentes de materiales de bajo carbono y almacenamiento de carbono en sistemas panelizados hace plausible la construcción de una estructura de centro de datos a pequeña escala para que sirva como un módulo que incorpore estrategias DfD y, por lo tanto, pueda ser ensamblado y reensamblado varias veces para numerosas implementaciones. El diseño utiliza los seis materiales identificados en este estudio: losas de tierra, losas de hormigón de cemento que no sea de Portland, ladrillos / paneles cultivados con algas, tubos estructurales de micelio, fibra cultivada específicamente y paneles de desechos agrícolas, para crear paneles estructurales modularizados que se pueden transportar a varios sitios del proyecto para el montaje.

Además, el concepto Micro-Cloud se adapta fácilmente a los requisitos programáticos de un sitio determinado, ya sea rural o urbano, en un país desarrollado o subdesarrollado, apilado verticalmente o distribuido horizontalmente, para satisfacer las necesidades informáticas de una comunidad, empresa o institución educativa. como una empresa tecnológica social y ambientalmente justa.

 

[29]    El laboratorio de IDEA está adaptado de las propuestas de los Dres. Lee, Kriegh y Dossick (Universidad de Ambientes Construidos de la Universidad de Washington); Dr. Srubar (UC Boulder); y ED. Magwood (Endeavour Center) que se iniciaron a principios de 2021.

[30]     El término Micro-Cloud fue acuñado por primera vez por el Dr. Chris Lee (UW College of Built Environments, Dept. Construction Management) en un taller del consorcio CIRC entre las universidades de Washington y Arizona en 2020.

Declaracion de conflicto de interes

El equipo de investigación desea agradecer la participación de los autores en actividades relacionadas en aras de la transparencia.

  • Dr. Julie Kreigh, AIA, es la fundadora y propietaria de Kriegh Architecture Studios | Design + Research y consultor de investigación del UW Carbon Leadership Forum.
  • Chris Magwood es el director ejecutivo del Endeavour Center, que explora la educación en métodos de construcción utilizando materiales novedosos. Está desarrollando una herramienta de estimación de carbono material para el sector de la construcción residencial.
  • El Dr. Wil V. Srubar III dirige el Laboratorio de Materiales Vivos en la Universidad de Colorado Boulder. También es fundador y director general de Aureus Earth, y cofundador de Minus Materials y Prometheus Materials.

8 Referencias y lecturas adicionales

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Apéndice 1: Índice de materiales transformadores

Apéndice 2: laboratorio de IDEA

Laboratorio IDEA - Educación de materiales transformadores

El laboratorio de IDEA está adaptado de las propuestas de los Dres. Lee, Kriegh y Dossick (Universidad de Ambientes Construidos de la Universidad de Washington);
Dr. Srubar (UC Boulder); y ED. Magwood (Endeavour Center) que se iniciaron a principios de 2021.

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