La industria de la construcción en general, y Microsoft específicamente, está cada vez más interesada en 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 críticos" de GEI en los diseños de edificios actuales, incluidos los cimientos, las estructuras y los recintos.^[3]  Este estudio explora nuevos materiales bajos en carbono y que almacenan carbono que integran algas, micelio, suelo, fibras cultivadas con fines específicos y residuos agrícolas, identificando materiales y tecnologías de construcción incipientes que presentan oportunidades de "alto riesgo/alta recompensa" para contribuir a la reducción del carbono. almacenar edificios en un marco de tiempo condensado, acelerando 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 con bajas emisiones de carbono y almacenamiento de carbono en etapas iniciales y evaluar su preparación para el mercado para la fabricación regional y el uso 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 materiales en etapa inicial en laboratorios y nuevas empresas de producción a pequeña escala para identificar una gama de materiales que se muestran prometedores. Después de caracterizar y clasificar estos materiales de acuerdo con un índice de materiales de criterios integrales (consulte el Apéndice 1), el equipo de investigación eligió materiales para uso de cimientos, estructuras y cerramientos en la investigación previa de materiales de almacenamiento de carbono (Kriegh, Magwood y Srubar, 2021, Materiales de almacenamiento de carbono). En la Sección 4 se proporciona una explicación de los criterios utilizados para evaluar cada material. En el informe se destacan las cuestiones clave de cada material en consideración, incluidas las características del material, los usos potenciales y la investigación y el desarrollo adicionales necesarios para escalar cada material para su uso en el mercado (ver Sección 4).

En general, las características consideradas en el proceso de desarrollo de materiales de laboratorio en etapa inicial para su implementación en varios materiales de construcción en pleno funcionamiento incluyen lo siguiente: 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 para que los materiales en etapa inicial logren la preparación para el mercado (consulte la Sección 5).

¿Por qué esta investigación es importante para Microsoft ahora? Invertir en un plan de prueba de concepto para llevar al mercado nuevas tecnologías de almacenamiento de carbono 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 históricamente por la empresa 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 etapas iniciales y hacer que esos productos sean entendidos y aceptados por las industrias de diseño, ingeniería y construcción, se debe acelerar el camino. Al asumir la responsabilidad de reducir su propia huella de carbono, Microsoft está elevando la importancia de la innovación y la promoción de nuevos materiales 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 nuevas tecnologías para proveedores de todo el mundo.

Además, Microsoft se compromete a defender la política pública relacionada con el carbono mediante el apoyo a iniciativas para acelerar la reducción de carbono al mismo tiempo que considera las implicaciones para la justicia ambiental. Una breve discusión de estos temas, recomendaciones y oportunidades aparece en la Sección 6 de este informe.

Este estudio concluye con una propuesta que delinea pasos adicionales para perseguir y cumplir agresivamente los objetivos de descarbonización de Microsoft. Informar y educar a 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 tan 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]  eso 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 la comercialización de nuevos materiales de almacenamiento de carbono, así como las implicaciones para la educación y el bien social que se lograrán mediante la incorporación de aprendizajes de investigación en el trabajo de investigación, diseño y construcción necesarios para acelerar las tecnologías nacientes. Fundamental para este trabajo es una comprensión de los valores inherentes a un impulso social, tecnológico y económico holístico hacia la descarbonización. El mapeo de materiales para el clima, la disponibilidad regional, las iniciativas de políticas y los valores del mercado/industria es un ejemplo de un proyecto que podría desarrollarse en conjunto 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 IDEA está adaptado de las propuestas de los Dres. Lee, Kriegh y Dossick (Colegio de Entornos Construidos de la UW); Dr. Srubar (UC Boulder); y el Director Ejecutivo Magwood (Endeavour Center) que se iniciaron a principios de 2021.

2.1 Materiales de almacenamiento de carbono: antecedentes

Con cada nuevo edificio y paisaje construido, se liberan emisiones de carbono a la atmósfera tanto por la producción de materiales como por las actividades de construcción. La construcción de edificios representa más del 11% de las emisiones globales de carbono,^[6]  gran parte del cual se genera durante la producción y el procesamiento de materiales de construcción. El sector de la construcción, como principal consumidor de materiales, tiene el potencial de impulsar el mercado de soluciones de materiales innovadores 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 críticos) como cimientos/losas, estructuras y ensamblajes de cerramiento de techo/pared, pueden generar reducciones significativas de carbono incorporado. En 2020 y 2021, Microsoft involucró al Carbon Leadership Forum (UW CLF) de la Universidad de Washington 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) escalar para un mercado más amplio despliegue en 2 a 3 años con revisiones mínimas de diseño, c) pruebas de laboratorio y/o pruebas piloto a pequeña escala, y d) exploración como materiales novedosos para el despliegue potencial 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 a nivel regional (apoyo a pequeños agricultores y empresas, y mejora de la salud humana).

Los materiales de base biológica disponibles para almacenar carbono (como la madera en masa, el bambú diseñado y los paneles a base de paja) demuestran la viabilidad de utilizar materiales de construcción para almacenar carbono, estableciendo así los edificios y los 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, empleos en centros de fabricación, centros educativos y de capacitación profesional e iniciativas políticas. Al reconocer la importancia de estas relaciones socio-técnicas-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 de todo el mundo. Este esfuerzo combinado de promover el desarrollo de nuevos materiales a escala de laboratorio y pruebas de materiales y educación en diseño es, hasta donde sabemos, el primero de su tipo.

En 2021, Microsoft encargó el estudio actual, Materiales transformadores de almacenamiento de carbono: acelerando un ecosistema, para explorar oportunidades de nuevas y prometedoras tecnologías de almacenamiento de carbono en etapa inicial para avanzar en 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 más información sobre el reto climático y el sector de la edificación ver https://architecture2030.org/

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

2.2.1 Paneles de base biológica

Los materiales de base biológica se pueden ensamblar como paneles prefabricados para usar en sistemas de cerramiento de paredes y techos. Estos paneles se pueden configurar como elementos estructurales o no estructurales: estructura, aislamiento y revestimiento. Los beneficios de construir con paneles de base biológica incluyen una fácil integración en las prácticas actuales de diseño y construcción, 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 de uso a pequeña escala en todo el mundo, se necesita más investigación y desarrollo (I+D), así como apoyo a la fabricación, para escalar los productos de base biológica y llevarlos rápidamente al mercado.

La Escuela Louise Michel (Figura 1) demuestra el potencial del uso de paneles prefabricados de fardos de paja en un edificio institucional de varios pisos.^[8] Este edificio escolar utiliza una estructura de madera maciza encerrada por paneles prefabricados de fardos 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 pacas de paja para cumplir con los más altos estándares de eficiencia energética y hermeticidad. La capacidad del recinto de fardos de paja de ser hermético pero permeable al vapor constituye un gran paso adelante en la ciencia de la construcción de grandes estructuras.^[9]

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

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

2.2.2 Hempcrete (y otras “cretas”)

Hempcrete es un material de aislamiento hecho de astillas (núcleo) de cáñamo y otros tallos agrícolas concisos unidos con un aglutinante a base de minerales. Las características de este material aislante 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 fibra disponibles localmente, incluidos girasol, tabaco y solchoque

El cáñamo se produce actualmente en todo el mundo a pequeña escala tanto para unidades de bloques como para aplicaciones de paneles prefabricados. Es necesario ampliar la I+D para mejorar las especificaciones de los materiales y los aglutinantes a fin de 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 prefabricados de cáñamo (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 del uso de cáñamo en estructuras de varios niveles con placas de piso grandes.

Con su estructura de madera y paneles de cerramiento prefabricados de cáñamo, el edificio logró una calificación BREEAM "Excelente" por 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 de sostenibilidad RIBA y el premio BCSC Gold Award for Sustainability.^[10]

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

2.2.3 Revestimiento de paja prefabricado

El revestimiento de paja prefabricado es un sistema de revestimiento de paredes (es decir, una superficie visible superpuesta a una estructural) que utiliza un techo de caña tradicional que se ha adaptado a la fabricación mecanizada y panelada. El uso de un biomaterial ampliamente disponible, de bajo valor y bajo costo 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 sustancial de almacenamiento de carbono debido a su fabricación simple y eficiente.

Ya ampliamente utilizados para mantener y reemplazar los techos tradicionales en toda Europa, África y Asia, los productos de paja podrían comercializarse rápidamente para una 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 empresas emergentes y pequeñas y medianas empresas. Ha ganado múltiples premios y es ampliamente reconocido como uno de los edificios más ecológicos de Europa, cumple con el estándar de eficiencia energética Passive House y logra una calificación BREEAM "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 estructuras, paredes y pisos de madera maciza; paneles interiores de paja para paredes y techos; paneles y yesos a base de arcilla y cal; y un enfoque creativo para incorporar estos materiales en una estética inspiradora.^[11] Logra múltiples objetivos en el rendimiento 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/

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

3.1 Índice de materiales transformativos^[12]

Con base en la revisión de la literatura del equipo de investigación y los valores de Microsoft, se creó una matriz bidireccional para caracterizar el potencial de cada nuevo material investigado (consulte el Apéndice 1). Los posibles materiales candidatos se enumeran en el eje vertical y se organizan por uso de construcción para cimientos, estructuras y cerramiento (techo y muro). 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 marcha, con un período previsto de 24 a 36 meses para la preparación para la fabricación

3 – Actualmente se está realizando I+D con implementación a pequeña escala; Se recomiendan más pruebas de cumplimiento del código y declaraciones ambientales de productos (EPD) con un período previsto de 12 a 24 meses para escalar la fabricación.

1: los productos se implementan actualmente en el mercado, aunque se necesita escalar la fabricación 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 prototipo potencial:

5 – Aún no se ha creado un prototipo del material y/o montaje y sería revolucionario

3 – Se ha creado un prototipo del material y/o ensamblaje y el desarrollo de un edificio/estructura sentaría 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 pruebas tendría un impacto importante en la preparación del mercado)

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

3 – Los requisitos y protocolos de prueba se establecen para algunos, pero no para todos los estándares del código; los productos o ensamblajes individuales probablemente requerirán pruebas

1 – Los requisitos y protocolos de prueba están bien establecidos para la mayoría/todas las normas de códigos y están en curso/completados en los Estados Unidos y/o la Unión Europea

Criterio 4, Montajes 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 probado 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 >1kgCO2/kg, es decir, el nivel más alto de capacidad de almacenamiento de carbono. Los materiales derivados predominantemente de material biogénico fotosintético caen dentro de esta categoría.

3 – El material tiene una capacidad de almacenamiento moderada de 0,5 – 1 kgCO2/kg. Los materiales compuestos compuestos por alguna fibra biogénica mezclada con otros materiales que no almacenan carbono (p. ej., adobe reforzado con paja) y los materiales derivados predominantemente de la mineralización de carbonato se encuentran dentro de esta categoría.

1 – El material tiene una capacidad de almacenamiento baja de <0,5 kgCO2/kg, es decir, emisiones netas cero (o incluso emisiones positivas netas moderadas) beneficios de carbono incorporado. La capacidad de almacenamiento del material es limitada (por ejemplo, losas de piso 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 (ya sea sin LCA o 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 fácilmente disponible a nivel mundial

3 – El material está disponible en la mayoría de las geografías

1 – El material está fácilmente disponible en algunas geografías

Criterio 8, Potencial de impacto en la comunidad: (p. ej., desarrollo económico, creación de empleo, oportunidades educativas y de 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 para beneficio modesto en las comunidades donde se desarrollan

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 etapas muy tempranas de desarrollo y tienen el potencial de sobresalir en todas las categorías de criterios, p. material disponible a nivel mundial, potencial para impulsar la cadena de suministro y la fabricación con materiales innovadores, especialmente en las economías en desarrollo, potencial para la construcción para el 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 fabricarse en muchos lugares del mundo 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 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 la construcción métodos y garantía)

5 – El material tiene un alto riesgo debido a la etapa temprana de desarrollo

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 encaja con los estándares de ingeniería actuales

Criterio 11, Existe un documento de referencia y/o un estudio de caso:

5 – El material tiene pocos ejemplos construidos a gran escala o artículos de investigación publicados

3 – El material todavía está en exploración temprana con proyectos de construcción a pequeña escala y algunas publicaciones.

1 – El material está bien documentado y ha sido publicado en revistas revisadas por pares

Criterio 12, Socios de Desarrollo Potenciales:

5 – No hay socios de desarrollo conocidos o un pequeño número de socios potenciales

3 – Existen empresas en fase inicial y de puesta en marcha, pero no están generalizadas en todas las regiones

1 – Existen empresas establecidas, con 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 los ingenieros de WSP y Microsoft.

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 críticos: 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 el permiso de ZGF Architects (desarrollador de la herramienta, 2021).

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

3.3 Criterios clave

Los doce criterios clave sobre los que se evaluó la gama inicial de materiales seleccionados para el análisis (véase más arriba) incluyen criterios típicos de una exploración de viabilidad. Sin embargo, varias categorías van más allá de cuestiones prácticas 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: acelerando un ecosistema. Estas consideraciones incluyen lo siguiente: las oportunidades para el 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 nivel extremadamente bajo de carbono incorporado, se puede hacer que almacene 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 desarmados (DfD) y reutilizados.

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

El enfoque para calificar los materiales en cada uno de estos criterios reflejó el deseo de Microsoft de otorgar el máximo valor a los materiales que ofrecen alta recompensa potencial incluso en alto riesgo. Para recibir un puntaje alto de 5 en cualquier categoría, el material bajo consideración 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 materiales penalizados que ya estaban en camino de estar listos para el mercado a favor de aquellos que aún se encuentran en las primeras fases de investigación y desarrollo.

3.4 Desempeño, propiedades y capacidades de almacenamiento de carbono de los materiales

La lista de materiales bajo consideración en este estudio se tomó de un proyecto anterior,^[15]  durante el cual fueron revisados para asegurar que las propiedades pudieran razonablemente esperarse 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 su uso en la construcción 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 del producto 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 contenido 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 las revisiones de la documentación que proporcionaba cuentas precisas de los perfiles de emisiones de los materiales. En los casos en los que no se disponía 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 recibieron una puntuación alta debido a 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/

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3.5 Ensamblajes de materiales Sistemas de construcción/cerramiento

La mayoría de los materiales de construcción funcionan como un componente en un conjunto, lo que significa que la evaluación de un material en particular requiere una comprensión de cómo podría interactuar dentro de un conjunto de construcción relevante, como el que se encuentra en un sistema de pared, piso o techo. Los materiales nuevos y transformadores a menudo requieren una adaptación dentro de los ensamblajes para tener en cuenta características únicas o procedimientos de construcción. El equipo de investigación intentó determinar el nivel de facilidad o dificultad con el que cada material podría incorporarse a los tipos de ensamblaje existentes, reconociendo que algunos materiales implican requisitos mínimos para combinarse con otros componentes del ensamblaje (p. ej., 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 nuestra conclusión de que el material se puede usar en un ensamblaje relevante de una manera sencilla.

3.6 Potencial de creación de prototipos y pruebas piloto

Un edificio prototipo constituye la próxima 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 novedad relativa de cada material. Tenga en cuenta, sin embargo, que los edificios prototipo que incorporen cualquiera de estos materiales, especialmente la combinación de algunos o todos, serían impactantes.

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Cada uno de los materiales bajo consideración y finalmente seleccionados para una mayor investigación se evaluó utilizando la herramienta Comparación de impacto de materiales (MIC). Los resultados del análisis 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 los tres métodos de construcción de acuerdo con los doce criterios clave (consulte la Sección 3). A partir de este análisis, se seleccionaron seis materiales para una mayor investigación, incluidos los materiales de tierra (losas de suelo de tierra y hormigón de cemento activado con 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 con fines específicos).

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 clasificaciones de prioridad de puntuación numérica 5, 3 y 1, respectivamente. En las siguientes secciones se describen estos materiales, sus características y etapa de desarrollo. Tenga en cuenta que no todos los materiales tienen una clasificación de alta prioridad (que se muestra en azul) en todas las categorías de criterios. En el ejemplo de losa de piso de tierra (Figura 7), el material tiene una calificación 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 concreto convencional es muy beneficioso porque la fabricación y el uso del concreto convencional genera una huella de carbono relativamente grande que se multiplica a gran escala.

4.2 Materiales de tierra

4.2.1 Pisos de tierra

El uso de sistemas de cimentación/pisos de losa de hormigón contribuye significativamente a las emisiones de GEI de los edificios. Se está trabajando mucho para abordar las emisiones del concreto, pero una opción que ha recibido muy poca atención es el reemplazo del concreto con tierra para los pisos de losa. 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 concreto sobre la distribución del tamaño de los agregados y de la industria del linóleo sobre el uso de aceites duraderos que polimerizan naturalmente. A pequeña escala, los pisos de tierra han demostrado ser duraderos, impermeables y biofílicos (Figura 8).

Aunque los pisos de tierra no almacenan carbono en sí mismos, una pequeña cantidad de estudios de LCA han demostrado que incurren en una huella de carbono muy baja. Simplemente reemplazar los pisos de concreto con pisos de tierra podría reducir drásticamente la huella de carbono general de un edificio. Al incorporar fibras naturales para el 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 aquellos que desconocen las mejoras modernas, la noción de un piso de tierra tiende a evocar asociaciones de pobreza y suciedad, por lo que la opción suele descartarse. Por esta razón, la fabricación de pisos de tierra se ha mantenido como un nicho de mercado, uno que aún no se aplica a los edificios modernos o que merece un estudio significativo.

Los beneficios de desarrollar pisos de tierra son muchos: no solo las materias primas son de bajo costo, no son tóxicas y están ampliamente disponibles, sino que la maquinaria y las 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 calificación del potencial de almacenamiento de carbono que se muestra en el gráfico de radar no incluye fibras naturales para refuerzo y/o el uso de agregados de almacenamiento de carbono.

Los cementos activados por álcalis (AAC) comprenden una clase de nuevas alternativas de cemento portland formadas a través de la activación alcalina, 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, siendo la escoria y las arcillas calcinadas los 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 de productos de reacción, o reacciones de hidratación similares a las del cemento portland ordinario (OPC), en las que se consume agua. El resultado son las mismas matrices cementosas que muestran una resistencia y durabilidad comparables en comparación con OPC. Consulte la Figura 9 para ver un gráfico MIC de este material y la Figura 10 para ver ejemplos de este material.

Los AAC son alternativas prometedoras, sostenibles y sin clinker a 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 fabricar AAC. Si bien muchos estudios sugieren que el carbono incorporado de los AAC es menor que el de OPC, exactamente cuánto menos se ha encontrado que oscila entre 10% y >90%.^[17]

Debido a que el uso de AAC en lugar de concreto OPC da como resultado reducciones netas de CO2 solo en comparación con el concreto OPC, se otorgó 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 junto con otras tecnologías de materiales de almacenamiento de carbono, como agregados y rellenos de almacenamiento de carbono.

Varios productos AAC, como morteros y hormigón, ladrillos, bloques macizos/huecos, tejas, hormigón aislante, revestimientos resistentes a la temperatura y adoquines, mostraron 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 (p. ej., corrosión inducida por cloruro, resistencia a la congelación y descongelación).

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

4.3 Materiales vivos

4.3.1 Algas

Si la fotosíntesis es vista como el mecanismo eficiente de captura y almacenamiento de carbono 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 a la eficiencia de fijación de carbono de las células de algas, que eclipsa drásticamente la eficiencia de fijación de carbono de los bosques en comparación (~3 tCO2/ha/año).

El cultivo de algas a gran escala 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 lo tanto, el cultivo de algas no tiene por qué competir con la agricultura y la producción de alimentos por los recursos de tierra y agua.

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 neutrales en carbono. El biocarbón de algas se puede utilizar en materiales de construcción de alto rendimiento (p. ej., hormigón, nanofibras de carbono). Los paneles de algas translúcidas se han utilizado para crear fachadas en aplicaciones de iluminación natural por parte de firmas de arquitectura e ingeniería de clase mundial (Arup y Ecologic Studio).^[18]  Los sistemas de algas han sido diseñados para apoyar la purificación del aire interior (AlgenAir).^[19]

4.3.1.1 Ladrillos y paneles cultivados con algas

Actualmente, las nuevas empresas están comercializando tecnologías de materiales derivados de algas con bajo contenido de carbono y que almacenan carbono en productos como ladrillos y paneles cultivados con algas, que se describen a continuación. Cultivados a partir de una mezcla de arena, sol, agua de mar y cianobacterias, estos "ladrillos vivos" son una alternativa similar al concreto que se puede cultivar según se requiera. Existen múltiples pruebas de concepto, y el equipo de la Universidad de Colorado en Boulder otorgó la licencia de la tecnología a Prometheus Materials, una empresa emergente que se encuentra en etapa inicial y 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 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/

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 Boulder también están utilizando algas como material de origen para una serie de otros materiales de construcción de vanguardia, 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 cementicios complementarios 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 neutro en carbono biogénico Tipo 1L a escala, trabajando en asociación con Minus Materials, una empresa en etapa inicial. Los investigadores de Arup y la Universidad Tecnológica 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 viva del mundo que cultiva microalgas para generar calor y biomasa como fuentes de energía renovable. Consulte la Figura 13 para ver un gráfico de radar MIC de rellenos de piedra caliza que almacenan carbono y la Figura 14 para ver una imagen ilustrativa del cultivo de micro y macroalgas.

4.3.2 Micelio (y sustratos) - Estructura del tubo

La última década ha visto una oleada de exploraciones sobre el uso del micelio, la estructura de "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 del cultivo de materiales de rápido crecimiento en un entorno interior controlado que se puede replicar en cualquier lugar en un rango 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 brinda beneficios de almacenamiento de carbono. Consulte la Figura 15 para ver un gráfico 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 aislamiento. Este material tiene el potencial de reemplazar productos intensivos en carbono como la espuma petroquímica y la fibra mineral. Este camino para los productos de micelio es muy prometedor, 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 tubos estructurales y materiales de bloques 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 Centro Endeavor ya se han asociado 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.

4.4 Productos Agrícolas

4.4.1 Biomasa Residual^[21]

Miles de millones de toneladas de CO2 son extraídas de la atmósfera cada año por los cultivos agrícolas, siendo la mayoría de esta vegetación no comestible. Quemarse o pudrirse poco después de la cosecha generalmente hace que esta gran cantidad de residuos agrícolas libere su carbono a la atmósfera. Miles de millones de toneladas adicionales de carbono se devuelven a la atmósfera cada año a partir de nuestros flujos de residuos y reciclaje de productos de biomasa como papel, cartón y textiles. Colectivamente, estos residuos ofrecen un tremendo potencial para almacenar de manera 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 de 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 podría servir como un impulsor importante para un uso más generalizado en la industria de la construcción. El almacenamiento neto de carbono en los materiales residuales es inherentemente 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 LCA^[22] y un número limitado de EPD muestran consistentemente que los materiales residuales ofrecen el almacenamiento de carbono neto más alto en sus categorías de materiales.

Los materiales residuales vienen en una amplia gama de formas. Históricamente, las fibras residuales que van desde la celulosa del papel 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 de aislamiento semiestructural. El uso de estos materiales por parte de una serie de nuevas empresas de paneles de pared y techo ha demostrado que el alto almacenamiento de carbono da como resultado componentes de construcción duraderos y asequibles. Los materiales residuales también se han utilizado en materiales compuestos y laminados, en los que se utiliza una variedad de pegamentos para unir las fibras. Estos productos se han fabricado comercialmente a pequeña escala, pero aún no han alcanzado su potencial.

Las reservas disponibles y potenciales de biomasa residual han sido estudiadas minuciosamente por gobiernos y organizaciones interesadas en su potencial como fuentes de energía. 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 cada año.^[23]

Esta gran categoría de materiales abarca desde cáscaras de nuez que pueden reemplazar el agregado de concreto hasta largas fibras vegetales con potencial estructural para usarse como aislamiento. La exploración de materiales residuales en paneles de cerramiento de edificios estructurales/aislantes, 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 abre su segunda fábrica de aislamiento a partir de cortes de césped en los bordes de las carreteras municipales y aeroportuarias.

^[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 la Unión de Científicos Preocupados https://docs.house.gov/meetings/IF/IF03/20130723/101184/HHRG-113-IF03-20130723-SD024.pdf

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 a este espacio, se ha destacado por el gran potencial tanto de su fibra como del núcleo (núcleo) de la planta. Consulte la Figura 19 para ver un gráfico 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 laminadas, paneles laminados cruzados y revestimientos estructurales. Los proyectos que utilizan estos materiales han demostrado el potencial para reemplazar materiales de alto impacto como el acero y el hormigón, así como materiales a base de madera con beneficios inciertos de almacenamiento de carbono.

El cáñamo, que consiste en cañamo recubierto con un aglomerante a base de cal, es un material de aislamiento semiestructural que demuestra un gran potencial para combinar el almacenamiento de carbono del material de origen vegetal con una excelente resistencia al fuego y a la humedad. Las exploraciones de este material pueden incorporar la sustitución de otros residuos vegetales medulares como el girasol, el tabaco y la col rizada.

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

4.5.1 Impresión 3D

Desde principios de la década de 2000, la impresión 3D de edificios completos y componentes de edificios ha estado ocurriendo a nivel experimental, con el potencial de aumentar la velocidad de construcción al tiempo que reduce los costos de mano de obra y mejora la precisión.^[24]

Los esfuerzos actuales de impresión 3D tienden a depender de materiales de construcción con altas emisiones de carbono incorporadas, específicamente cemento y plásticos petroquímicos, generalmente en formulaciones que generan emisiones de carbono aún mayores debido a los requisitos de plasticidad de las boquillas de impresión. Independientemente de otras eficiencias que se puedan obtener con las técnicas de impresión 3D, hasta que se aborden las emisiones de materias primas de impresión, esta tecnología no generará edificios que almacenen carbono.

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

Sin embargo, debemos tener en cuenta que, independientemente de los materiales utilizados, la impresión 3D de edificios completos generalmente se logra 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 en 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 3D requerirá una estrategia de aislamiento y revestimiento que puede eliminar parte o la totalidad de la velocidad y la reducción de mano de obra lograda por la impresión 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 3D 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/)

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La principal incertidumbre con el uso de materiales de construcción biogénicos que almacenan carbono es tener en cuenta un camino para el carbono almacenado al final de la vida útil del producto y/o del edificio. Los modelos de contabilidad climática como el Método Moura Costa indican que una tonelada de carbono biogénico almacenado durante 40 a 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 segura. DfD permite una alternativa preferible de eliminar los componentes del edificio para que puedan reutilizarse en su forma actual sin necesidad de reciclaje. 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 funcionar en una variedad de escalas, desde acabados removibles (que permiten una remodelación menor del edificio sin desechar los materiales existentes) hasta particiones interiores móviles (que permiten la reconfiguración de espacios interiores) a marcos estructurales y sistemas de cerramiento que se pueden desmontar y reconstruir en su estado actual. o adaptado a nuevas formas de construcción.

Los edificios en general son inusuales en este sentido: carecen de los componentes removibles y reemplazables diseñados en la mayoría de los productos fabricados. Si un automóvil estuviera construido 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.

Ya existen todos los aspectos del conocimiento del diseño y la tecnología de construcción necesarios para hacer que los edificios sean completamente desmontables. 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 no considerado anteriormente más allá del de un activo fijo con una vida útil finita. Consulte la Figura 24 para ver un gráfico MIC de este método y la Figura 25 para ver un ejemplo de construcción prefabricada.

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

La masificación temprana de los edificios del proyecto con un análisis del 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 información 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 de 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.

4.6 Discusión

4.6.1 Cimientos: Tierra / Hormigón sin cemento

El WBLCA para el edificio industrial ligero bajo consideración en el estudio de materiales de almacenamiento de carbono^[26] mostró que los pisos de losa 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 muestra, este componente debe abordarse. Incluso si un material sustituido no almacenara completamente el carbono, se lograría una reducción sustancial de estas emisiones, lo que permitiría que todo el edificio alcance 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) convertiría un piso de tierra en un almacenamiento neto de carbono, y el volumen de agregado variaría para cumplir con un objetivo de almacenamiento de carbono determinado 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 Concreto activado con álcali (sin cemento)

Los estudios LCA existentes han demostrado que el carbono incorporado del hormigón activado con 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 a 971 TP2T menos que el del concreto tradicional. Existe una gama tan amplia de estimaciones de emisiones de CO2 debido a la gran variedad de precursores y fuentes de 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 del edificio de referencia actual aportan 1,3 millones de toneladas de emisiones, lo que representa aproximadamente 15% de las emisiones totales del edificio y comprende la tercera categoría de 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 los sistemas de muros de carga. Esta perspectiva se está explorando en dos formas: micelio cultivado en formas tubulares y convertido en ladrillos que se comprimen. 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 se produce 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 costo de carbono adicional mínimo. Al igual que con los materiales que usan 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, el crecimiento). Los impactos del proceso de fabricación deben estudiarse más a fondo para garantizar que estos materiales retengan un perfil de almacenamiento de carbono neto.

4.6.4 Recinto: Paneles de fibra / Paneles de algas

Los materiales de protección térmica y contra la humedad en el edificio de referencia aportan 2,43 millones de toneladas de emisiones, lo que representa 24% del total y comprende la segunda categoría de materiales con mayor impacto. Los paneles de fibra ofrecen un camino 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 ecocon 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. Que cada iteración resulte en un rendimiento ligeramente diferente y características de almacenamiento de carbono puede ofrecer una ventaja, permitiendo la sustitución de materiales disponibles regionalmente dentro de un tamaño de panel e índice de rendimiento estandarizados, pero también puede hacer que esta categoría de materiales sea difícil de resumir. Cada uno de estos materiales/sistemas requiere diferentes grados de pruebas/protección contra la humedad y el fuego 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 a base de fibra:

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 sustituirse potencialmente 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 actualmente se basan en productos de madera (madera contrachapada u OSB), pero estos podrían sustituirse potencialmente 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, como paja, cáñamo, rastrojo de maíz, bagazo de azúcar, tallos de girasol, cáscaras de nuez y muchas otras fuentes regionales de fibra. Las fibras de flujo de desechos, como las cajas de bebidas y los textiles, también se han reciclado como materiales de revestimiento efectivos.
3. Aislamiento. Una amplia gama de materiales aislantes que almacenan carbono pueden llenar los paneles. Las opciones existentes como la celulosa (a partir de papel y/o cartón reciclado) ofrecen una vía comprobada 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, cáñamo 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 el revestimiento de madera y, en menor medida, el corcho. También se han encontrado viables materiales compuestos derivados de papel, cartón, cascarilla de arroz, paja y fibra de cáñamo.

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

Este estudio recomienda que los líderes de la industria o 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 compromiso antes de crear prototipos y probar tecnologías de materiales emergentes.

5.1 Reglas de compromiso para aceleración y NDA

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

El compromiso directo probablemente requerirá 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 del material 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 plazos asociados a 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 la asociación con los fabricantes durante el año fiscal (FY) 2022: selección directa o solicitud de propuestas (RFP).

La selección directa implicaría que un cliente de construcción o material elija 1 o 2 fabricantes con los que interactuar durante el año fiscal 2022. Por el contrario, un proceso de solicitud de propuesta arrojaría una red más amplia y permitiría a los clientes de construcción o material solicitar información específica, incluida la escala actual de producción, prueba y certificación, así como instalaciones y asociaciones actuales/existentes que podrían aprovecharse durante el año fiscal 2022. La RFP podría emitirse solo por invitación, lo que permitiría a los clientes de construcción o materiales combinar la selección directa con el proceso de RFP. Por lo tanto, un cliente de construcción o material podría 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. Un proceso híbrido de este tipo (Solicitud de propuestas solo por invitación) permitiría a los clientes de construcción o materiales seleccionar no solo fabricantes con materiales novedosos o a escala de laboratorio/banco (p. ej., ladrillos cultivados con algas), sino también algunos más avanzados en la producción a pequeña escala (p. ej., 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 construcción o materiales objetivos y expectativas específicos y realistas para la creación de prototipos en función de qué construcción o material los clientes imaginan como la aplicación de uso final deseada. Estos objetivos y expectativas deben alinearse con los valores y criterios de selección de los clientes de construcción o material (p. ej., 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 costo 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 material que requieren los clientes (por ejemplo, diseño/producción, I+D, creación de prototipos/ensamblaje). Los clientes de construcción o materiales también deben exigir otros términos de compromiso, como una reunión de inicio del proyecto, la frecuencia de las reuniones, las revisiones de progreso y los entregables finales.

5.3 Prototipos y Pruebas Piloto

5.3.1 Planes para prototipos

El SOW y la propuesta de costos descritos por cada fabricante deben ser presentados y aprobados por los clientes de construcción o materiales. El SOW debe delinear 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 construcción o materiales.

5.3.2 Prueba piloto de financiación

Una vez que se apruebe la SOW, los líderes de la industria tecnológica desembolsarán los fondos directamente al fabricante para iniciar y completar la SOW en colaboración con los socios de diseño, I+D y creación de prototipos/ensamblaje sugeridos (p. ej., 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 términos generales

5.4.1 Es posible que se requieran pruebas y certificaciones de cumplimiento para cualquier material novedoso que se utilice en los proyectos.

Las pruebas y certificaciones pueden requerir apoyo financiero, cronogramas de proyecto más prolongados 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 la madera contralaminada (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 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 de Seattle AIA Mass Timber), compartieron recursos y se unieron a los comités de códigos y normas para abogar por el uso de esta solución de material novedoso. Tal apoyo de los usuarios de productos de madera fue fundamental para lograr los cambios en el código. Escalar una mayor cantidad de materiales rápidamente para lograr los objetivos climáticos requerirá un apoyo directo similar. El Carbon Leadership Forum se enfoca 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). Todas las normas 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 Ambiental de Producto (EPD). 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 a lo largo del 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 creación de prototipos para componentes en ensamblajes

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

5.7 Potencial de escalamiento de la cadena de suministro y fabricación

Para que los materiales transformadores se amplíen y estén disponibles en el mercado general de materiales de construcción, se requiere que converjan cuatro factores principales: (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 obstáculos de políticas para la adopción, y (4) comprensión y mitigación de las preocupaciones de los usuarios.

5.7.1 Mayor conciencia

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

• Mapear 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/capacidad de materias primas a escala (discutido más detalladamente 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 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 (p. ej., ensamblajes de muros que incluyen un material de fachada novedoso para eliminar la necesidad de investigar y desarrollar nuevas técnicas de impermeabilización.

5.7.2 Demanda de mercado demostrada

Escalar las cadenas de fabricación y suministro de materiales novedosos requiere una gran inversión 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 sustentabilidad que requieren reducciones en la huella de carbono de los proyectos o materiales son clave para demostrar la demanda del mercado para el desarrollo de estos materiales.

5.7.3 Eliminación de obstáculos de política

Las políticas públicas y corporativas crean obstáculos para escalar haciendo que el proceso sea demasiado costoso o limitando los mercados/proyectos donde se pueden usar los materiales. Los obstáculos de la política pública incluyen pruebas demasiado 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 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 que apuntan a la reducción del carbono incorporado.

Las políticas corporativas también crean obstáculos para las empresas más pequeñas que buscan ser seleccionadas para un proyecto. Algunos de los mismos requisitos destinados a aumentar la sostenibilidad de las cadenas de abastecimiento y suministro de una empresa, como exigir la certificación de una instalación de fabricación o un código de conducta del proveedor, 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 preocupaciones de los usuarios

Las preocupaciones y percepciones de los usuarios sobre los riesgos de usar un material nuevo presentan un obstáculo importante para la implementación de materiales novedosos. Los profesionales de AEC pueden dudar en utilizar nuevos materiales con rendimiento o características estéticas desconocidas. Identificar las preocupaciones 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 utilizan materiales novedosos en el diseño y entrega de sus proyectos.

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

Los materiales bajos en carbono y que almacenan carbono tienen una larga historia de investigación, desarrollo y uso. El compromiso con estos tipos de materiales naturales generalmente ha sido motivado 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 necesidad urgente de intervenciones importantes e impactantes ha acelerado el interés en los materiales que pueden compensar las emisiones derivadas 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.

Experiencias pasadas en la comercialización de madera contralaminada y materiales de madera en masa han demostrado que los materiales bajos en carbono y que almacenan carbono son factibles y alcanzan la paridad con alternativas más convencionales en términos de costo, cumplimiento de códigos y cronogramas de construcción. Sin embargo, estos materiales, que carecen de influencia 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 principal para revertirlo.

6.2 Implicaciones de la justicia ambiental

La fabricación y el transporte de materiales a menudo se ubican junto con comunidades de bajos ingresos y comunidades de color. Las evaluaciones 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. Es necesario integrar la justicia climática en las elecciones materiales 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. CLF cree que se necesita hacer un trabajo significativo para comprender mejor cómo garantizar que el desarrollo material y el compromiso de la cadena de suministro puedan apoyar 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 la oportunidad de integrar la equidad y la justicia como prioridades clave desde el principio, en lugar de tratar de mitigar el daño una vez que se establecen las cadenas de suministro y las instalaciones. Estas prioridades significan garantizar que las instalaciones no aumenten 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 de carbono negativo 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 de carbono para reducir las emisiones incorporadas en Edificios.” Este programa, cuyos objetivos probablemente coincidan 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 financiamiento es el requisito a menudo obligatorio de compartir los costos. Dichos fondos de subvenciones presentan una oportunidad de multiplicar la inversión de un líder de la industria tecnológica en materiales de construcción bajos en carbono y que almacenan carbono.

6.3.2 Mapeo de materiales para el clima y la disponibilidad regional

Se han realizado dos estudios de disponibilidad de biomasa en EE. UU., el primero por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía de EE. UU. y el segundo, en respuesta, por 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 sin embargo proporcionan una evaluación a nivel de condado de la biomasa disponible en las categorías de residuos forestales y agrícolas, flujos 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 la UCS, que impone estándares ecológicos más altos, estimó 680 millones de toneladas. Ambos estudios, que destacan la gran cantidad de materias primas para materiales potenciales 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

7.1 Conclusión

El potencial de un impacto climático significativo a través de materiales bajos en carbono y que almacenan carbono destaca los materiales que tienen el potencial de cambiar el perfil climático de los edificios de un impulsor principal del cambio climático a un reservorio 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 sin cemento portland, ladrillos/paneles cultivados con algas, tubos estructurales de micelio, fibra cultivada específicamente y paneles de desechos agrícolas) garantizan un entusiasmo realista y merecen una inversión para ayudar y acelerar su creación de prototipos y escalado. , fabricación y uso comercializable 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 firmas de diseño profesional AEC.^[29]

7.2 Limitaciones

Una limitación de este estudio es que su alcance impidió una encuesta en toda la industria. Las preguntas específicas de la encuesta 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 en el mercado. Tal encuesta proporcionaría datos concretos sobre por qué los profesionales, fabricantes, proveedores e instaladores de AEC estarían motivados para usar materiales novedosos en el diseño y la entrega 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 obtener una 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 con bajo contenido de carbono y almacenamiento de carbono en sistemas de paneles 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, capaz de ensamblarse y volver a ensamblarse varias veces para numerosas implementaciones. El diseño utiliza los seis materiales identificados en este estudio (losas de tierra, losas de hormigón sin cemento Portland, ladrillos/paneles cultivados con algas, tubos estructurales de micelio, fibra cultivada específicamente y paneles de desechos agrícolas) para crear paneles estructurales modulares que se pueden transportar a varios sitios del proyecto para su 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 u horizontalmente distribuido, para satisfacer las necesidades informáticas de una comunidad, empresa o institución educativa. como una empresa tecnológica social y ambientalmente justa.

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

^[30]     El término Micro-Nube fue acuñado por primera vez por el Dr. Chris Lee (Colegio de Entornos Construidos de la UW, Departamento de Gestión de la Construcción) 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.

• La Dra. 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 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 de la Universidad de Colorado Boulder. También es fundador y director general de Aureus Earth, y cofundador de Minus Materials y Prometheus Materials.

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Avila, F., Puertas, E. y Gallego, R. (2021) Caracterización de las propiedades mecánicas y físicas del tapial no estabilizado: Una revisión. Construcción y materiales de construcción, Elsevier Lt., 270, pp. 1-12.

Arquitectura 2030. Accedido el 11.12.20 en architecture2030.org

Beaudry, K. y MacDougall, C. (2019). Comportamiento estructural de paneles de pared modulares de fardos de paja sin revocar bajo cargas transversales y de gravedad. Construcción y Materiales de Construcción, Elsevier Lt., 216, pp. 424-439.

Ben-Alon, L., Loftness, V., Harries, K., Hameen, E., and Bridges, M. (2020). Iterating Earthen Building Materials and Methods into Mainstream Construction. Journal of Green Building, Downloaded from the internet on Jan, 28, 2021, https://meridan.allenpress.com/jgb/article-pdf/15/1/87/2439260/i1943-4618-15-1-87.pdf

Cantor, D. y Manea, D. (2015). Materiales de construcción innovadores utilizando residuos agrícolas. Science Direct, Energy Procedia, Elsevier Lt, 126 (201709) págs. 456-462. www.elsevier.com/locate/procedia.

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Cornaro, C., Zanella, V., Robazza, P., Belloni, E. y Buratti, C. (2020). Un innovador paquete de muros de pacas de paja para edificios sostenibles: caracterización experimental, evaluación del desempeño energético y ambiental. Energy & Buildings, Elsevier Lt, 208, pp. 1-14.

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Halbert, G., Rock, M., Steininger, K., Lupisek, A., Birgisdottir, H., Desing, H., Chandrakumar, C., Pittau, F., Passer, A., Rovers, R., Slavkovic, K., Hollberg, A., Hoxha, E., Juisselme, T., Nault, E., Allacker, K. y Lutzkendorf, T. (2020). Presupuestos de carbono para edificios: armonizando las dimensiones temporal, espacial y sectorial. Edificios y Ciudades, 1(1), pp. 429-452. DOI: https://doi.org/10.5334/bc.47.

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IPCC, 2018: Calentamiento global de 1,5°C. Un informe especial del IPCC sobre los impactos del calentamiento global de 1,5 °C por encima de los niveles preindustriales y las vías de emisión de gases de efecto invernadero relacionadas, en el contexto del fortalecimiento de la respuesta global a la amenaza del cambio climático, el desarrollo sostenible y los esfuerzos para erradicar la pobreza [v. Masson-Delmotte, P. Zhai, HO Pörtner, D. Roberts, J. Skea, PR Shukla, A. Pirani, W. Moufouma-Okia, C. Péan, R. Pidcock, S. Connors, JBR Matthews, Y. Chen , X. Zhou, MI Gomis, E. Lonnoy, T. Maycock, M. Tignor, T. Waterfield (eds.)]. https://www.ipcc.ch/sr15/download/

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