L'industrie de la construction en général, et Microsoft en particulier, s'intéresse de plus en plus aux opportunités de création de bâtiments offrant un stockage net de carbone plutôt que de générer des émissions de gaz à effet de serre (GES) lors de la production des matériaux de construction. Une gamme de matériaux de stockage de carbone offre un potentiel viable pour remplacer les matériaux existants qui sont des « points chauds » de GES dans les conceptions de bâtiments actuelles, y compris les fondations, les structures et les enceintes.^[3]  Cette étude explore de nouveaux matériaux à faible teneur en carbone et stockant du carbone qui intègrent les algues, le mycélium, le sol, les fibres cultivées à cet effet et les résidus agricoles, en identifiant les matériaux de construction et les technologies naissantes qui présentent des opportunités « à haut risque/haute récompense » pour contribuer à la réduction du carbone. stocker les bâtiments dans un laps de temps condensé, ce qui accélère le développement de produits, la fabrication et l'utilisation de la construction. L'historique et le contexte à travers lesquels les matériaux évalués dans ce rapport ont été choisis sont décrits ici (voir Section 2).

Plus précisément, cette recherche vise à identifier les technologies de matériaux terrestres, vivants et agricoles à faible émission de carbone et à stockage de carbone à un stade précoce et à évaluer leur préparation au marché pour la fabrication et l'utilisation régionales dans l'industrie de la construction, ainsi qu'à examiner leurs implications pour la conception architecturale et construction (voir la section 3).

La méthodologie de recherche comprend une exploration de la littérature existante et le développement de matériaux à un stade précoce dans les laboratoires et les startups de production à petite échelle pour identifier une gamme de matériaux prometteurs. Après avoir caractérisé et classé ces matériaux en fonction d'un indice complet de critères de matériaux (voir l'annexe 1), l'équipe de recherche a choisi des matériaux pour les fondations, la structure et l'utilisation de l'enceinte en s'appuyant sur des recherches antérieures sur les matériaux de stockage du carbone (Kriegh, Magwood et Srubar, 2021, Matériaux de stockage de carbone). Une explication des critères utilisés pour évaluer chaque matériau est donnée dans la section 4. Les problèmes clés pour chaque matériau à l'étude sont mis en évidence dans le rapport, y compris les caractéristiques des matériaux, les utilisations potentielles et les recherches et développements supplémentaires requis pour chaque matériau à l'échelle pour une utilisation dans le marché (voir la section 4).

En général, les caractéristiques prises en compte dans le processus de développement de matériaux de laboratoire à un stade précoce pour le déploiement dans divers matériaux de construction pleinement fonctionnels sont les suivantes : durabilité, capacité structurelle, humidité, conductivité thermique et résistance au feu. Bien que chaque matériau ait un processus de test, de fabrication et de commercialisation spécifique, un plan de validation de principe est décrit et les étapes clés sur la voie des matériaux à un stade précoce pour atteindre la préparation au marché sont identifiées (voir la section 5).

Pourquoi cette enquête est-elle importante pour Microsoft maintenant ? Investir dans un plan de validation de principe pour mettre sur le marché de nouvelles technologies de stockage du carbone s'aligne sur les valeurs environnementales de Microsoft et s'engage à devenir négatif en carbone dans les opérations actuelles d'ici 2030 et à éliminer de l'environnement tout le carbone émis historiquement par l'entreprise d'ici 2050.^[4]   Pour surmonter le retard typique de la mise sur le marché de la recherche, des tests et de la fabrication de produits en phase initiale de développement de matériaux et pour que ces produits soient compris et acceptés par les industries de la conception, de l'ingénierie et de la construction, la voie doit être accélérée. En assumant la responsabilité de réduire sa propre empreinte carbone, Microsoft élève l'importance de l'innovation et de la promotion de nouveaux matériaux de stockage de carbone pour stimuler le marché. En plus d'investir dans de nouvelles technologies de stockage du carbone, l'ambition de Microsoft est d'accélérer le processus à l'échelle mondiale en développant des technologies naissantes pour les fournisseurs du monde entier.

En outre, Microsoft s'engage à défendre les politiques publiques liées au carbone en soutenant des initiatives visant à accélérer la réduction des émissions de carbone tout en tenant compte des implications pour la justice environnementale. Une brève discussion de ces problèmes, recommandations et opportunités apparaît dans la section 6 de ce rapport.

Cette étude se termine par une proposition définissant des étapes supplémentaires pour poursuivre et atteindre agressivement les objectifs de décarbonation de Microsoft. Informer et éduquer les étudiants, les gens de métier et les professionnels de l'architecture, de l'ingénierie et de la construction (AEC) est essentiel pour inspirer l'innovation et éliminer les obstacles réels et perçus qui entravent l'évolution indispensable dans les domaines de l'AEC. Dans la section 7, une feuille de route est proposée pour un programme intégré de conception, d'ingénierie et d'architecture (IDEA)^[5]  qui pourrait être réalisé via une alliance à long terme avec des institutions académiques et développé par le biais du Climate Innovation Fund de Microsoft. Le laboratoire IDEA propose de poursuivre l'exploration et l'analyse de la mise sur le marché de nouveaux matériaux de stockage de carbone ainsi que les implications pour l'éducation et le bien social à atteindre en intégrant des apprentissages de recherche dans les travaux de recherche, de conception et de construction nécessaires pour accélérer les technologies naissantes. La compréhension des valeurs inhérentes à une dynamique socio-technologique-économique holistique vers la décarbonisation est fondamentale pour ce travail. La cartographie des matériaux en fonction du climat, de la disponibilité régionale, des initiatives politiques et des valeurs du marché/de l'industrie est un exemple de projet qui pourrait être développé en collaboration avec Microsoft AI for Earth et le laboratoire IDEA.

^[3]     Kriegh, Magwood et Srubar, 2021. Matériaux de stockage de carbone. https://carbonleadershipforum.org/carbon-storing-materials/

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

^[5]     Le laboratoire IDEA est adapté des propositions des Drs. Lee, Kriegh et Dossick (UW College of Built Environments); Dr Srubar (UC Boulder); et directeur exécutif Magwood (Endeavour Center) qui ont été lancés au début de 2021.

2.1 Matériaux de stockage de carbone : Contexte

Avec chaque nouveau bâtiment et paysage construit, des émissions de carbone sont libérées dans l'atmosphère par les activités de production de matériaux et de construction. La construction de bâtiments représente plus de 11% des émissions mondiales de carbone,^[6]  dont une grande partie est générée lors de la production et du traitement des matériaux de construction. Le secteur du bâtiment, en tant que principal consommateur de matériaux, a le potentiel de stimuler le marché des solutions de matériaux innovants qui peuvent à la fois réduire l'impact des matériaux conventionnels et stocker le carbone dans les produits de construction à longue durée de vie.

Les matériaux et les méthodes déjà sur le marché – en particulier les applications à forte intensité de carbone (points chauds) telles que les fondations/dalles, les structures et les assemblages de toits/murs – peuvent entraîner des réductions significatives du carbone incorporé. En 2020 et 2021, Microsoft a engagé le Carbon Leadership Forum de l'Université de Washington (UW CLF) dans un projet de recherche visant à identifier les matériaux et les méthodes de stockage du carbone qui étaient prêts pour les éléments suivants : a) remplacement immédiat 1:1, b) mise à l'échelle pour un marché plus large déploiement en 2 à 3 ans avec des révisions de conception minimales, c) tests en laboratoire et/ou pilotage à petite échelle, et d) exploration en tant que nouveaux matériaux pour un potentiel de déploiement sur le marché dans 5 ans.^[7]  La recherche a indiqué que les matériaux de construction biosourcés offrent des avantages clés à l'échelle mondiale (réduction des émissions et stockage du carbone dans les produits matériels à longue durée de vie) et régionale (soutien aux petits agriculteurs et entreprises et amélioration de la santé humaine).

Les matériaux biosourcés disponibles pour le stockage du carbone (tels que le bois massif, le bambou d'ingénierie et les panneaux à base de paille) démontrent la faisabilité de l'utilisation de matériaux de construction pour stocker le carbone, établissant ainsi les bâtiments et les paysages comme des réducteurs potentiellement importants des émissions de carbone. De tels projets offrent des effets d'entraînement potentiels, y compris le soutien aux industries émergentes de matériaux de construction stockant du carbone, à savoir les emplois dans les centres de fabrication, les centres de formation professionnelle et d'éducation, et les initiatives politiques. En reconnaissant l'importance de ces relations socio-techniques-économiques vitales, Microsoft souligne l'importance de l'innovation et propose de nouveaux matériaux de stockage du carbone. En plus d'investir dans de nouvelles technologies de stockage du carbone, l'ambition de Microsoft est d'accélérer le processus à l'échelle mondiale en développant des technologies naissantes pour les fournisseurs du monde entier. Cet effort combiné de promotion du développement de nouveaux matériaux à l'échelle du laboratoire et d'essais de matériaux et de formation à la conception est, à notre connaissance, le premier du genre.

En 2021, Microsoft a commandé la présente étude, Matériaux transformateurs de stockage de carbone : accélérer un écosystème, pour explorer les opportunités de nouvelles technologies prometteuses de stockage du carbone à un stade précoce pour faire avancer la décarbonation du secteur du bâtiment. Pour démontrer le potentiel de la mise en œuvre réussie de matériaux nouveaux, originaux, frais et uniques dans des projets construits, plusieurs exemples et leurs utilisations sont mis en évidence ci-dessous.

^[6]     Pour plus d'informations sur le défi climatique et le secteur du bâtiment, voir https://architecture2030.org/

^[7]     Kriegh, Magwood et Srubar, 2021. Matériaux de stockage de carbone. https://carbonleadershipforum.org/carbon-storing-materials/

2.2.1 Panels biosourcés

Les matériaux biosourcés peuvent être assemblés sous forme de panneaux préfabriqués pour une utilisation dans les systèmes de clôture de mur et de toit. Ces panneaux peuvent être configurés comme éléments structurels ou non structurels : charpente, isolation et revêtement. Les avantages de la construction avec des panneaux biosourcés comprennent une intégration facile dans les pratiques de conception et de construction actuelles, une capacité élevée de stockage de carbone, une option de matériau non toxique, l'utilisation de résidus de fibres disponibles localement et des processus de fabrication de faible technologie. Certains, tels que le plâtre/les panneaux d'argile et le ciment d'algues, offrent également une résistance au feu. Bien que de nombreux exemples puissent être trouvés dans l'utilisation à petite échelle dans le monde, d'autres recherches et développements (R&D) ainsi qu'un soutien à la fabrication sont nécessaires pour mettre à l'échelle les produits biosourcés et les mettre rapidement sur le marché.

L'école Louise Michel (figure 1) démontre le potentiel d'utiliser des panneaux préfabriqués en ballots de paille dans un bâtiment institutionnel à plusieurs étages.^[8] Ce bâtiment scolaire utilise une charpente en bois massif entourée de panneaux préfabriqués en ballots de paille. Unique dans sa sélection de matériaux, le bâtiment a également permis d'établir en France de nouvelles normes de résistance au feu des matériaux biosourcés, qui bénéficient désormais d'un protocole d'essais qui facilitera la réalisation de projets similaires. La conception utilise l'enceinte en ballots de paille pour répondre aux normes les plus élevées d'efficacité énergétique et d'étanchéité à l'air. La capacité de l'enceinte en ballots de paille à être étanche à l'air mais perméable à la vapeur constitue un grand pas en avant dans la science du bâtiment pour les grandes structures.^[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 Béton de chanvre (et autres « crètes »)

Le béton de chanvre est un matériau isolant fabriqué à partir de copeaux (noyau) de chanvre et d'autres tiges agricoles lapidaires liées par un liant à base minérale. Les caractéristiques de ce matériau isolant sont les suivantes : haute résistance au feu grâce aux propriétés du liant minéral, excellentes capacités de gestion de l'humidité, bonne capacité de stockage du carbone, non-toxicité et utilisation de résidus de fibres disponibles localement, notamment le tournesol, le tabac et tornade.

Le béton de chanvre est actuellement produit dans le monde entier à petite échelle pour les unités de blocs et les applications de panneaux préfabriqués. Une R&D étendue est nécessaire pour améliorer les liants et les spécifications des matériaux afin d'accélérer la fabrication et de mettre ce produit à l'échelle. Le magasin phare de Marks & Spenser Cheshire Oaks Centre est un complexe commercial durable construit avec des panneaux d'enceinte préfabriqués en béton de chanvre (Figure 2). Leur plus grand magasin à l'extérieur de Londres à 195 000 pieds carrés et sur deux étages, est un projet qui démontre le potentiel d'utilisation du béton de chanvre dans de grandes structures à plusieurs niveaux.

Avec sa charpente en bois et ses panneaux de clôture préfabriqués en béton de chanvre, le bâtiment a obtenu une note BREEAM « Excellent » pour les performances environnementales, les murs en béton de chanvre lui conférant des performances thermiques et de gestion de l'humidité élevées. Une fois terminé, il a remporté les prix RIBA nationaux et régionaux, le prix RIBA pour la durabilité et le prix BCSC Gold pour la durabilité.^[10]

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

2.2.3 Revêtement de chaume préfabriqué

Le revêtement de chaume préfabriqué est un système de revêtement mural (c'est-à-dire une surface visible superposée à une surface structurelle) utilisant un chaume traditionnel en roseau adapté à la fabrication mécanisée et en panneaux. L'utilisation d'un biomatériau largement disponible, de faible valeur et à faible coût comme revêtement pour les grands bâtiments offre non seulement un système durable et abordable, mais également un élément transformateur dans son aspect biophilique. Le matériau offre une valeur de stockage de carbone substantielle en raison de sa fabrication simple et efficace.

Déjà largement utilisés pour entretenir et remplacer les toitures traditionnelles dans toute l'Europe, l'Afrique et l'Asie, les produits de chaume pourraient être commercialisés rapidement pour une application mondiale avec le soutien de la R&D.

Depuis son ouverture en juin 2015, l'Enterprise Center (Figure 3) est une plateforme florissante et solidaire pour les start-ups et les petites et moyennes entreprises. Il a remporté de nombreux prix et est largement reconnu comme l'un des bâtiments les plus écologiques d'Europe, répondant à la norme d'efficacité énergétique Passive House et obtenant une note BREEAM « Outstanding ». Ce bâtiment de 120 000 pieds carrés incorpore bien plus que des panneaux de chaume fixés à l'extérieur. Les matériaux biosourcés dans ce bâtiment comprennent la charpente, les murs et les planchers en bois massif ; panneaux intérieurs en paille pour murs et plafonds; panneaux et plâtre à base d'argile et de chaux; et une approche créative pour incorporer ces matériaux dans une esthétique inspirante.^[11] Il atteint plusieurs objectifs en termes de performances de construction, tels que le respect des normes BREEAM et Passive House, tout en obtenant également la reconnaissance des prix RIBA et BCSC Gold Awards for Sustainability.

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

Pour cette étude, une large gamme de nouveaux matériaux a été soigneusement évaluée, en tenant compte des multiples objectifs définis par Microsoft et l'équipe de recherche pour le processus de sélection. Les méthodes et critères d'évaluation et de sélection des matériaux sont expliqués ci-dessous.

3.1 Indice des matériaux transformateurs^[12]

Sur la base de l'analyse documentaire de l'équipe de recherche et des valeurs de Microsoft, une matrice à double sens a été créée pour caractériser le potentiel de chaque nouveau matériau étudié (voir l'annexe 1). Les matériaux candidats potentiels sont répertoriés dans l'axe vertical et organisés par utilisation de construction pour les fondations, les structures et l'enceinte (toit et mur). Sur l'axe horizontal, douze critères clés permettent d'évaluer la gamme initiale de matériaux sélectionnés pour l'analyse. Ces douze critères et un facteur de priorité pondéré (5, 3 ou 1) sont brièvement décrits ci-dessous :

Critère 1, stade de développement :

5 – La R&D à un stade précoce avec des tests en laboratoire est actuellement en cours, avec une période de 24 à 36 mois prévue pour la préparation à la fabrication

3 – La R&D avec déploiement à petite échelle est actuellement en cours ; des tests de conformité au code supplémentaires et des déclarations environnementales de produit (EPD) sont recommandés avec une période de 12 à 24 mois prévue pour la mise à l'échelle de la fabrication

1 – Le ou les produits sont actuellement déployés sur le marché, bien qu'une mise à l'échelle de la fabrication soit nécessaire et/ou que la conformité au code et les normes régionales ne soient pas entièrement approuvées, avec une période de 6 à 12 mois estimée pour l'achèvement du processus d'approbation du code

Critères 2, maquette et potentiel de prototype :

5 – Un prototype de la matière et/ou de l'assemblage reste à créer et serait révolutionnaire

3 – Un prototype du matériau et/ou de l'assemblage a été créé et le développement d'un bâtiment/structure serait un précédent

1 – Un prototype du matériel et/ou de l'assemblage a été créé et le déploiement dans un bâtiment/une structure confirmerait la viabilité

Critère 3, État des tests de conformité : (dans tous les cas, un budget de test aurait un impact majeur sur la préparation au marché)

5 - Les exigences et les protocoles de test sont inexistants, minimes ou manquants pour les matériaux dans la configuration suggérée

3 – Les exigences et les protocoles de test sont établis selon certaines normes du code, mais pas toutes ; les produits ou assemblages individuels nécessiteront probablement des tests

1 - Les exigences et les protocoles de test sont bien établis pour la plupart/toutes les normes de code et en cours/complets aux États-Unis et/ou dans l'Union européenne

Critère 4, Ensembles de construction et potentiel de préfabrication/modularisation :

5 – Bien qu'aucun assemblage ou préfabrication n'ait été tenté, le matériau est considéré comme un candidat et présente un potentiel élevé d'utilisation dans la construction en tant que panneau préfabriqué ou composant modulaire

3 – Les assemblages sont bien établis et ont un potentiel non prouvé mais élevé pour une utilisation dans la construction en tant que panneau préfabriqué ou composant modulaire

1 – Les détails et les assemblages sont bien établis pour ce matériau

Critère 5, Potentiel de stockage de carbone :

5 – Le matériau a une capacité nette de stockage élevée >1kgCO2/kg, c'est-à-dire le plus haut niveau de capacité de stockage de carbone. Les matériaux dérivés principalement de matériaux biogéniques photosynthétiques entrent dans cette catégorie.

3 – Le matériau a une capacité de stockage modérée de 0,5 à 1 kgCO2/kg. Les matériaux composites composés de certaines fibres biogéniques mélangées à d'autres matériaux ne stockant pas de carbone (par exemple, l'adobe renforcé de paille) et les matériaux dérivés principalement de la minéralisation carbonatée entrent dans cette catégorie.

1 – Le matériau a une faible capacité de stockage de <0,5 kgCO2/kg, c'est-à-dire une émission nette nulle (ou même une émission nette positive modérée) incarnée par des bénéfices carbone. La capacité de stockage du matériau est limitée (ex : dalles de sol en terre).

Critère 6, Données sur la capacité de stockage du carbone :

5 - Aucune documentation vérifiée n'existe pour la capacité de stockage de carbone du matériau (pas d'ACV ou d'EPD)

3 – Le matériel a fait l'objet d'une étude ACV ; cependant, une EPD peut faire défaut

1 – Le matériel a une EPD

Critère 7, Emplacements potentiels et disponibilité des matières premières :

5 – Le matériel est facilement disponible dans le monde entier

3 – Le matériel est disponible dans la plupart des zones géographiques

1 – Le matériel est facilement disponible dans certaines zones géographiques

Critère 8, Potentiel d'impact sur la communauté : (p. ex., développement économique, création d'emplois, possibilités d'éducation et de formation, réduit le fardeau de la pollution, augmente la résilience)

5 – Le matériel a un potentiel élevé de bénéfices nouveaux ou partagés dans les communautés où ils sont développés

3 – Le matériel a un potentiel modéré pour un bénéfice modeste dans les communautés où il est développé

1 – Le matériel a un faible potentiel d'avantages nouveaux ou partagés dans les communautés où ils sont développés

Critère 9, Récompense à fort impact : (les matériaux qui en sont aux tout premiers stades de développement et ont le potentiel d'exceller dans toutes les catégories de critères, par exemple, le carbone incorporé extrêmement faible, peuvent être fabriqués pour stocker du carbone, zéro déchet, longue durée, matériau disponible dans le monde, potentiel de stimuler la chaîne d'approvisionnement et la fabrication avec des matériaux innovants, en particulier dans les économies en développement, potentiel de construction pour le démontage)

5 - Le matériel a plusieurs attributs de récompense élevée (énumérés ci-dessus) et peut être prêt pour le marché mais manque d'investissement à l'échelle

3 - Le matériau a une récompense modérée avec certains marchés de distribution établis, le potentiel d'être fabriqué dans de nombreux endroits dans le monde et est mûr pour une adoption majeure

1 – Le matériel a une faible récompense car il est bien développé et utilisé

Critère 10, risque élevé : (p. ex. scepticisme de la part des concepteurs, des constructeurs et des responsables du code ; nécessite des tests pour établir les paramètres du matériau ; perceptions d'impacts négatifs sur le calendrier et/ou le coût du projet, manque de familiarité pour se procurer, manque de connaissances sur la construction méthodes et garantie)

5 – Le matériau présente un risque élevé en raison du stade de développement précoce

3 – Le matériau présente un risque modéré car le matériau peut exister mais pas pour le nouvel usage prévu

1 – Le matériau présente un faible risque car le secteur est bien développé ou correspond aux normes d'ingénierie en vigueur

Critère 11, document de référence et/ou étude de cas existant :

5 - Le matériel a peu d'exemples construits à grande échelle ou de documents de recherche publiés

3 – Le matériau est encore en début d'exploration avec des projets de construction à petite échelle et quelques publications

1 – Le matériel est bien documenté et a été publié dans des revues à comité de lecture

Critère 12, Partenaires de développement potentiels :

5 – Aucun partenaire de développement connu ou un petit nombre de partenaires potentiels

3 – Les entreprises en phase de démarrage et en démarrage existent mais ne sont pas répandues dans toutes les régions

1 – Il existe des entreprises établies, dont certaines/beaucoup distribuent des produits manufacturés dans le monde

^[12]     Le Transformative Materials Index a été développé par le CLF (Kriegh, Lewis, Magwood, Srubar, 2021) avec la contribution des ingénieurs de WSP et de Microsoft.

3.2 Outil de comparaison d'impact sur les matériaux (MIC)^[13]

À partir de recherches antérieures, dix-sept matériaux ont été explorés par rapport à trois systèmes de construction de points chauds – fondations, structures et enceintes.^[14]  En outre, trois méthodes de construction – l'impression 3D, la conception pour le démontage (DfD) et la conception architecturale verticale ou à plusieurs étages – ont été envisagées. Le potentiel pour ces matériaux et méthodes de construction d'exercer un impact sur la base des douze critères est résumé ci-dessous (voir Figure 4 et Figure 5).

^[13]     L'outil de comparaison d'impact sur les matériaux (MIC) a été utilisé avec la permission de ZGF Architects (développeur d'outils, 2021).

^[14]     Kriegh, Magwood et Srubar, 2021. Matériaux de stockage de carbone. https://carbonleadershipforum.org/carbon-storing-materials/

3.3 Critères clés

Les douze critères clés sur lesquels la gamme initiale de matériaux sélectionnés pour l'analyse (voir ci-dessus) ont été évalués incluent des critères typiques d'une exploration de faisabilité. Cependant, plusieurs catégories vont au-delà des questions pratiques et intègrent des préoccupations plus larges, telles que le potentiel d'avoir un impact très positif sur les communautés environnantes et un impact élevé sur la décarbonisation de l'environnement, d'où le titre de ce rapport, Matériaux transformateurs de stockage de carbone : accélérer un écosystème. Ces considérations sont les suivantes : les opportunités de développement économique sont augmentées par la création d'emplois, l'éducation et la formation ; les charges de pollution sont réduites; le matériau a une teneur en carbone incorporé extrêmement faible, peut être transformé en stockage de carbone, ne contient aucun déchet et est durable ; le matériau a le potentiel de stimuler la chaîne d'approvisionnement et la fabrication avec le déploiement de produits innovants (en particulier dans les économies en développement) ; et les composants du matériau ont le potentiel d'être conçus pour être désassemblés (DfD) et réutilisés.

Les méthodes de construction ont également été prises en compte dans l'évaluation, y compris le potentiel de prototypage, de préfabrication, d'impression 3D, de DfD et de conception verticale (à plusieurs étages).

L'approche de notation des matériaux sur chacun de ces critères reflétait le désir de Microsoft d'accorder une valeur maximale aux matériaux qui offrent haute récompense potentiel même à risque élevé. Afin de recevoir un score élevé de 5 dans n'importe quelle catégorie, le matériel examiné devait démontrer non seulement un degré élevé de valeur de récompense, mais également le degré le plus bas de preuve de concept pour tous les critères. Cette approche de la notation pénalisait déjà les matériaux en bonne voie d'être prêts pour le marché en faveur de ceux qui en sont encore aux premières phases de recherche et développement.

3.4 Performances, propriétés et capacités de stockage du carbone des matériaux

La liste des matériaux à l'étude dans cette étude a été reprise d'un projet antérieur,^[15]  au cours de laquelle ils ont été examinés pour s'assurer que les propriétés dont on pouvait raisonnablement s'attendre à répondre aux exigences de performance pour l'inclusion dans un bâtiment. Après avoir examiné les revues de la littérature, les prototypes et les études de cas, l'équipe de recherche considère que tous les matériaux de cette étude sont appropriés pour une utilisation dans le bâtiment ou suffisamment prometteurs pour qu'une exploration plus approfondie soit justifiée.

Dans la mesure du possible, des évaluations du cycle de vie et/ou des déclarations environnementales de produits ont été prises en compte pour évaluer l'impact potentiel des émissions de GES des matériaux. Le stockage du carbone est relativement facile à déterminer car il est basé sur la chimie du matériau, de sorte que la quantité de carbone contenue dans le matériau peut être déterminée avec précision sans l'étudier/l'échantillonner directement. Les émissions ont été calculées à partir de la récolte, de la production et des impacts ultérieurs du cycle de vie sur la base d'examens de la documentation fournissant des comptes rendus précis des profils d'émissions des matériaux. Dans les cas où aucune étude pertinente n'était disponible, les impacts sur les GES de matériaux similaires ou apparentés ont été extrapolés.

Aux fins de cette étude, les matériaux avec le moins de données disponibles ont reçu une note élevée pour le manque d'études ou de documentation existantes. Cette pondération de préférence signifie que le profil GES réel de certains matériaux peut s'avérer supérieur ou inférieur à la caractérisation initiale. La valeur des scores reflète la valeur de l'apprentissage définitif de cette information, même si un matériel sélectionné s'avère plus ou moins percutant que l'évaluation initiale pourrait l'indiquer.

^[15]     Kriegh, Magwood et Srubar, 2021. Matériaux de stockage de carbone. https://carbonleadershipforum.org/carbon-storing-materials/

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3.5 Ensembles de matériaux Enceintes/Systèmes de construction

La plupart des matériaux de construction fonctionnent comme un seul composant dans un assemblage, ce qui signifie que l'évaluation d'un matériau particulier nécessite une compréhension de la façon dont il pourrait interagir au sein d'un assemblage de construction pertinent tel que celui trouvé dans un mur, un sol ou un système de toit. Les matériaux nouveaux et transformateurs nécessitent souvent une adaptation au sein des assemblages pour tenir compte des caractéristiques uniques ou des procédures de construction. L'équipe de recherche a tenté de déterminer le niveau de facilité ou de difficulté avec lequel chaque matériau pourrait être incorporé dans des types d'assemblage existants, reconnaissant que certains matériaux nécessitent des exigences minimales pour être combinés avec d'autres composants d'assemblage (par exemple, une dalle de sol en terre), tandis que d'autres ne fonctionnent que comme un composant intégré d'un assemblage (p. ex., isolation en fibres lâches). Un score élevé indique notre conclusion selon laquelle le matériau peut être utilisé de manière simple dans un assemblage pertinent.

3.6 Potentiel de prototypage et de pilotage

Un bâtiment prototype constitue une prochaine étape souhaitée de ce travail, de sorte que chaque matériau a été considéré pour sa capacité à être incorporé dans un nouveau projet de démonstration. Un score élevé indique que la démonstration de l'utilisation du matériel créerait un précédent. Les matériaux déjà utilisés dans les bâtiments ont reçu les notes les plus faibles. Comme aucun des matériaux de cette étude n'a été utilisé à grande échelle, la variation des scores indique la nouveauté relative de chaque matériau. Notez, cependant, que les bâtiments prototypes incorporant l'un de ces matériaux - en particulier en combinant certains ou tous - auraient un impact.

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Chacun des matériaux examinés et finalement sélectionnés pour une enquête plus approfondie a été évalué à l'aide de l'outil Materials Impact Comparison (MIC). Les résultats de l'analyse MIC sont donnés ci-dessous.

4.1 Analyse

L'outil MIC a été utilisé pour analyser et démontrer visuellement le classement des dix-sept matériaux et trois méthodes de construction selon les douze critères clés (voir Section 3). À partir de cette analyse, six matériaux ont été sélectionnés pour une étude plus approfondie, y compris les matériaux de terre (dalles de sol en terre et béton de ciment activé par les alcalis à base d'argile calcinée), les matériaux vivants (briques/panneaux cultivés aux algues et structures de mycélium) et les produits agricoles (résidus de biomasse et fibres cultivées à cet effet).

Les cartes radar MIC pour chacun des six matériaux sont fournies à la page suivante (Figure 6). Les couleurs bleu, jaune et rouge correspondent aux cotes numériques de notation 5, 3 et 1 respectivement. Les sections suivantes décrivent ces matériaux, leurs caractéristiques et leur stade de développement. Notez que tous les matériaux n'ont pas une cote de priorité élevée (indiquée en bleu) dans chaque catégorie de critères. Dans l'exemple de dalle de sol en terre (Figure 7), le matériau est évalué avec un score faible (indiqué en rouge) par rapport au potentiel de stockage de carbone. Dans ce cas, le matériau lui-même ne stocke pas de carbone ; cependant, l'impact de l'utilisation de ce matériau à la place du béton conventionnel est très bénéfique car la fabrication et l'utilisation de béton conventionnel entraîne une empreinte carbone relativement importante multipliée à grande échelle.

4.2 Matériaux en terre

4.2.1 Sols en terre

L'utilisation de systèmes de plancher/fondation en dalles de béton contribue de manière significative aux émissions de GES des bâtiments. Beaucoup de travail est fait pour lutter contre les émissions du béton, mais une option qui a reçu trop peu d'attention est le remplacement du béton par de la terre pour les dalles de plancher. Malgré des siècles de précédents historiques, étonnamment peu de recherches ont été consacrées à l'idée dans un contexte moderne. Les fabricants contemporains de sols en terre cuite ont intégré d'importantes leçons de l'industrie du béton sur la distribution granulométrique des granulats et de l'industrie du linoléum sur l'utilisation d'huiles durables à polymérisation naturelle. À petite échelle, les sols en terre se sont avérés durables, imperméables et biophiles (Figure 8).

Bien que les sols en terre cuite ne stockent pas eux-mêmes du carbone, un petit nombre d'études ACV ont montré qu'ils encourent une très faible empreinte carbone. Le simple remplacement des sols en béton par des sols en terre pourrait réduire considérablement l'empreinte carbone globale d'un bâtiment. En incorporant des fibres naturelles pour le renforcement et/ou un agrégat de stockage de carbone (comme celui de Blue Planet), les systèmes de sol en terre pourraient également être rendus stockant du carbone.^[16]

Parmi ceux qui ne connaissent pas les améliorations modernes, la notion de sol en terre cuite a tendance à évoquer des associations de pauvreté et de saleté, de sorte que l'option est généralement rejetée. Pour cette raison, la fabrication de sols en terre cuite est restée un marché de niche, non encore appliqué aux bâtiments modernes ou considéré comme méritant une étude significative.

Les avantages du développement des sols en terre battue sont nombreux : non seulement les matières premières sont peu coûteuses, non toxiques et largement disponibles, mais les machines et techniques de récolte, de mélange et d'application existent déjà dans l'industrie du béton. Une étude approfondie pour explorer les mélanges et les propriétés structurelles a un fort potentiel pour débloquer une solution low-tech à un problème à fort impact.

^[16]     Remarque : la cote de potentiel de stockage de carbone indiquée dans le tableau radar n'inclut pas les fibres naturelles pour le renforcement et/ou l'utilisation d'agrégats de stockage de carbone.

Les ciments activés par les alcalis (AAC) comprennent une classe de nouvelles alternatives au ciment portland formées par activation alcaline - un processus utilisant un activateur chimique à base d'alcali ou de sel pour favoriser la dissolution d'un précurseur d'aluminosilicate et la précipitation ultérieure des produits de réaction cimentaires. Les AAC peuvent être produits à l'aide d'une variété de précurseurs, les scories et les argiles calcinées étant les plus durables par rapport aux cendres volantes. L'activation alcaline des précurseurs peut provoquer une série de réactions de polycondensation, dans lesquelles de l'eau est produite à la suite de la formation de produits de réaction, ou des réactions d'hydratation similaires à celles du ciment Portland ordinaire (OPC), dans lesquelles l'eau est consommée. Le résultat est les mêmes matrices cimentaires qui présentent une résistance et une durabilité comparables à celles de l'OPC. Voir la figure 9 pour un graphique MIC de ce matériau et la figure 10 pour des exemples de ce matériau.

Les AAC sont des alternatives prometteuses, durables et sans clinker aux OPC en raison de leur faible teneur en carbone incorporé (CO₂) émissions. Le niveau exact de ces estimations d'émissions varie considérablement, une plage attribuable à la grande variété de précurseurs et de sources d'activateurs alcalins disponibles pour fabriquer les AAC. Alors que de nombreuses études suggèrent que le carbone incorporé des AAC est inférieur à celui de l'OPC, il s'est avéré que la quantité exacte de carbone inférieure allait de 10% à >90%.^[17]

Étant donné que l'utilisation d'AAC à la place du béton OPC entraîne des réductions nettes de CO2 uniquement par rapport au béton OPC, une note de 1 a été attribuée à cette catégorie de matériau en termes de potentiel de stockage de carbone. Le CO₂ le stockage pourrait être amélioré si le matériau était utilisé en tandem avec d'autres technologies de matériaux de stockage du carbone, telles que les agrégats et les charges de stockage du carbone.

Divers produits AAC, tels que les mortiers et le béton, les briques, les blocs pleins/creux, les tuiles, le béton isolant, les revêtements résistants à la température et les pavés, ont présenté des performances comparables ou même supérieures à celles produites avec OPC. Bien que les propriétés physiques et mécaniques initiales du béton AAC puissent être comparables à celles du béton OPC, les mêmes considérations de durabilité doivent également être prises en compte (par exemple, corrosion induite par le chlorure, résistance au gel-dégel).

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

4.3 Matériaux vivants

4.3.1 Algues

Si la photosynthèse est considérée comme le mécanisme efficace de capture et de stockage du carbone de la nature, alors les algues sont sans doute le champion de la fixation du carbone. Les algues sont des organismes unicellulaires photosynthétiques similaires aux plantes. L'efficacité élevée de fixation du carbone de la culture d'algues en plein air (~200 tCO2/hectare/an) est due en grande partie à la croissance exponentielle et à l'efficacité de fixation du carbone des cellules d'algues, ce qui éclipse considérablement l'efficacité de fixation du carbone des forêts en comparaison (~3 tCO2/hectare/an).

La culture à grande échelle d'algues pour la production avancée de biocarburants est déjà en cours dans de nombreuses régions des États-Unis. L'un des avantages de la culture d'algues en plein air est qu'elle peut être pratiquée sur des terres non arables. Ainsi, la culture des algues n'a pas besoin de concurrencer l'agriculture et la production alimentaire pour les ressources en terre et en eau.

Alors qu'une grande partie de la biomasse algale est actuellement convertie en carburants et/ou incinérée pour la coproduction de bioénergie, la biomasse algale peut également être utilisée pour créer une myriade de matériaux de stockage de carbone ou neutres en carbone. Le biochar d'algues peut être utilisé dans des matériaux de construction à haute performance (par exemple, béton, nanofibres de carbone). Des panneaux d'algues translucides ont été utilisés pour créer des façades dans des applications d'éclairage naturel par des cabinets d'architecture et d'ingénierie de classe mondiale (Arup et Ecologic Studio).^[18]  Les systèmes d'algues ont été conçus pour soutenir la purification de l'air intérieur (AlgenAir).^[19]

4.3.1.1 Briques et panneaux cultivés aux algues

Actuellement, de nouvelles startups commercialisent des technologies de matériaux dérivés d'algues à faible émission de carbone et de stockage de carbone dans des produits tels que des briques et des panneaux cultivés à partir d'algues, décrits ci-dessous. Cultivées à partir d'un mélange de sable, de soleil, d'eau de mer et de cyanobactéries, ces « briques vivantes » sont une alternative semblable au béton qui peut être cultivée à la demande. De multiples preuves de concept existent, et l'équipe de l'Université du Colorado à Boulder a concédé la technologie à Prometheus Materials, une start-up en phase de démarrage établissant une production à l'échelle pilote. Voir la figure 11 pour un graphique radar MIC pour ce matériau. Des chercheurs de l'Université du Colorado à Boulder ont produit des briques d'algues à l'aide de cyanobactéries biominéralisantes (Figure 12).

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

^[19]     https://algenair.com/

4.3.1.2 Charges calcaires stockant du carbone et autres matériaux dérivés d'algues pour le ciment et le béton

Des chercheurs du laboratoire des matériaux vivants de l'Université du Colorado à Boulder utilisent également les algues comme matériau de base pour un certain nombre d'autres matériaux de construction de pointe, stockant le carbone et neutres en carbone. Les algues brutes sont utilisées dans les adjuvants chimiques de stockage de carbone pour le béton. Les diatomées photosynthétiques fraîchement cultivées, les microalgues siliceuses, sont explorées comme une alternative durable aux matériaux cimentaires supplémentaires comme les cendres volantes ou les scories. Le laboratoire utilise également des coccolithophores photosynthétiques (microalgues calcaires) comme charges calcaires pour produire un ciment biogénique neutre en carbone de type 1L à grande échelle, en partenariat avec Minus Materials, une entreprise en démarrage. Des chercheurs d'Arup et de l'Université de technologie de Sydney ont également exploré l'intersection des algues vivantes et des systèmes de construction. Le projet SolarLeaf d'Arup a été le premier système de façade vivante au monde à cultiver des micro-algues pour générer de la chaleur et de la biomasse en tant que sources d'énergie renouvelables. Voir la figure 13 pour un graphique radar MIC des charges calcaires stockant du carbone et la figure 14 pour une image illustrative de la culture des micro- et macroalgues.

4.3.2 Mycélium (et substrats) - Structure du tube

La dernière décennie a vu une vague d'explorations sur l'utilisation du mycélium – la structure «racinaire» des champignons – comme matériau de construction potentiel. Les avantages potentiels sont nombreux : il s'agit d'un matériau de stockage de carbone spécialement conçu qui change le paradigme de la collecte de matières premières de la terre et induit des changements d'utilisation des terres en faveur de la culture de matériaux à croissance rapide dans un environnement intérieur contrôlé qui peut être reproduit n'importe où à différentes échelles. Les caractérisations initiales des matériaux indiquent que le mycélium est naturellement résistant au feu et à la pourriture, généralement cultivé dans un substrat de résidus agricoles, et offre des avantages en termes de stockage de carbone. Voir la figure 15 pour un graphique MIC de ce matériau et la figure 16 pour un exemple visuel.

Les premières applications des matériaux de construction à base de mycélium ont été l'isolation. Ce matériau a le potentiel de remplacer les produits à forte intensité de carbone comme la mousse pétrochimique et la fibre minérale. Cette voie pour les produits à base de mycélium est très prometteuse, et nos explorations des systèmes d'enceintes à panneaux indiquent un rôle central et viable pour l'isolation du mycélium.

Un impact potentiel plus important pourrait résulter du développement de composants structurels fabriqués à partir de mycélium. Quelques itérations à petite échelle de matériaux de tubes et de blocs structurels attestent de leur potentiel pour remplacer les matériaux à fort impact tels que l'acier de construction et la maçonnerie. De telles utilisations du mycélium sont à des stades d'exploration naissants mais montrent un potentiel révolutionnaire et constituent donc un point focal pour cette étude. L'Université du Colorado Boulder et l'Endeavour Center sont déjà en partenariat avec Okomwrks,^[20]  une petite start-up, pour explorer la viabilité et les applications des matériaux structuraux à base de mycélium.

^[20]     Voir https://www.okomwrks.co pour plus d'informations sur le mycélium structurel.

4.4 Produits agricoles

4.4.1 Biomasse résiduelle^[21]

Des milliards de tonnes de CO2 sont extraites de l'atmosphère chaque année par les cultures agricoles, la majorité de cette végétation étant non comestible. Le brûlage ou la pourriture peu de temps après la récolte provoque généralement la libération de carbone dans l'atmosphère par cet important réservoir de résidus agricoles. Des milliards de tonnes supplémentaires de carbone sont renvoyées dans l'atmosphère chaque année à partir de nos flux de déchets et de recyclage de produits de la biomasse tels que le papier, le carton et les textiles. Collectivement, ces résidus offrent un énorme potentiel pour stocker durablement certains de ces milliards de tonnes de carbone dans les matériaux de construction sans changements supplémentaires d'utilisation des terres ou augmentation des émissions de production. Voir la figure 17 pour un graphique MIC des panneaux de paille et la figure 18 pour un exemple visuel.

La valorisation et l'utilisation appropriée du carbone stocké dans cette biomasse pourraient constituer un moteur important pour une utilisation plus répandue dans l'industrie du bâtiment. Le stockage net de carbone dans les matières résiduelles est intrinsèquement élevé, car les émissions relativement faibles des matières premières sont « réparties » entre l'utilisation principale – en tant qu'aliment – et la production de résidus, tandis que les intrants de fabrication ont tendance à être faibles. Comparaisons des études ACV^[22] et un nombre limité d'EPD montrent systématiquement que les matières résiduelles offrent le stockage net de carbone le plus élevé dans leurs catégories de matières.

Les matières résiduelles se présentent sous une vaste gamme de formes. Historiquement, les fibres résiduelles allant de la cellulose du papier journal aux chutes de denim ont été recyclées en tant qu'isolant et ouate. Les résidus agricoles – la paille de céréales en particulier – ont une longue histoire d'utilisation, souvent comme matériau isolant semi-structural. L'utilisation de ces matériaux par un certain nombre de startups de panneaux muraux et de toit a démontré des résultats de stockage de carbone élevés dans des composants de construction durables et abordables. Des matières résiduelles ont également été utilisées dans des composites et des produits en feuille, dans lesquels diverses colles sont utilisées pour lier les fibres. Ces produits ont été fabriqués commercialement à petite échelle mais n'ont pas encore atteint leur potentiel.

Les réserves disponibles et potentielles de biomasse résiduelle ont été étudiées en profondeur par les gouvernements et les organisations intéressées par leur potentiel en tant que sources d'énergie. Aux États-Unis, une comptabilité précise des stocks de biomasse peut être trouvée au niveau du comté et indique que des centaines de millions de tonnes sont durablement disponibles sur une base annuelle.^[23]

Cette grande catégorie de matériaux va des coquilles de noix qui peuvent remplacer les agrégats de béton aux longues fibres végétales ayant un potentiel structurel à utiliser comme isolant. L'exploration des matériaux résiduels dans les panneaux d'enceinte structurelle/isolées des bâtiments, en mettant l'accent sur les produits de paille de céréales, est très prometteuse en raison de leur disponibilité mondiale et du développement réussi à petite échelle déjà en cours.

^[21]     https://gramitherm.ch/?lang=en Une entreprise européenne ouvre sa deuxième usine de production d'isolants à partir d'herbe coupée en bordure des routes municipales et aéroportuaires.

^[22]     Ces EPD et ACV sont basées sur la base de données de l'outil BEAM de Builders for Climate Action qui sera accessible au public à l'hiver 2021. L'outil BEAM de Builders for Climate Action, https://www.buildersforclimateaction.org/

^[23]     La promesse de la biomasse par Union of Concerned Scientists https://docs.house.gov/meetings/IF/IF03/20130723/101184/HHRG-113-IF03-20130723-SD024.pdf

Les fibres peuvent être cultivées spécifiquement pour fournir des matériaux de construction, des cultures comme le bambou et le liège étant ainsi récoltées depuis des siècles. Le chanvre, un nouveau venu dans cet espace, a été remarqué pour le grand potentiel de sa fibre et du noyau (noyau) de la plante. Voir la figure 19 pour un graphique MIC de ce matériau et la figure 20 pour un exemple.

Le bambou peut être utilisé comme matériau structurel sous forme de poteaux et de poutres stratifiés, de panneaux stratifiés croisés et de revêtement structurel. Les projets utilisant ces matériaux ont démontré le potentiel de remplacer les matériaux à fort impact comme l'acier et le béton ainsi que les matériaux à base de bois avec des avantages incertains de stockage de carbone.

Le béton de chanvre, composé de hurd de chanvre enrobé d'un liant à base de chaux, est un matériau isolant semi-structural qui démontre un grand potentiel pour combiner le stockage de carbone des matériaux d'origine végétale avec une excellente résistance au feu et à l'humidité. Les explorations de ce matériau peuvent incorporer la substitution d'autres résidus végétaux lapidaires tels que le tournesol, le tabac et le chou.

Le potentiel de stockage de carbone de ces matériaux cultivés à cet effet rivalise avec celui de la biomasse résiduelle, mais s'accompagne d'une responsabilité supplémentaire pour garantir que les impacts associés sur l'utilisation des terres n'ajoutent pas aux charges climatiques ou écologiques. Les pratiques durables et régénératives peuvent amplifier les avantages du stockage du carbone de ces matériaux, mais le déplacement des terres alimentaires et forestières actuelles pour fournir des matériaux de construction pourrait annuler leurs avantages. Bien qu'une approche équilibrée soit recommandée, l'avantage supérieur de l'utilisation des résidus de déchets par rapport à la culture de matériaux cultivés à cet effet sur des terres cultivables est clair.

4.5.1 Impression 3D

Depuis le début des années 2000, l'impression 3D de bâtiments entiers et de composants de bâtiments s'est produite à un niveau expérimental, avec le potentiel d'augmenter la vitesse de construction tout en réduisant les coûts de main-d'œuvre et en améliorant la précision.^[24]

Les efforts d'impression 3D actuels ont tendance à s'appuyer sur des matériaux de construction à fortes émissions de carbone incorporé, en particulier le ciment et les plastiques pétrochimiques, généralement dans des formulations qui génèrent des émissions de carbone encore plus élevées en raison des exigences de plasticité des buses d'impression. Indépendamment des autres gains d'efficacité qui peuvent être obtenus en utilisant les techniques d'impression 3D, jusqu'à ce que les émissions de matières premières d'impression soient traitées, cette technologie n'entraînera pas de bâtiments de stockage de carbone.

Des efforts ont été faits, notamment par WASP en Italie,^[25] d'utiliser l'argile comme support d'impression. Comme indiqué dans la section 4.2.1 de ce rapport, les matières premières de la terre produisent des émissions de matières exceptionnellement faibles et sont disponibles largement et dans le monde. Peut-être que ce type d'impression 3D pour les bâtiments pourrait combiner les avantages de cette technique à faible déchet avec des émissions initiales réduites.

Il convient toutefois de noter que quels que soient les matériaux utilisés, l'impression 3D de bâtiments entiers est généralement réalisée sous la forme d'une construction monolithique continue. Tout bâtiment ainsi créé est difficile à modifier dans le futur et ne se prête pas aux méthodes de construction DfD, limitant la durée de vie des matériaux à leur forme actuelle à leur emplacement actuel. De plus, la gamme de matériaux structurels denses actuellement utilisés pour l'impression 3D n'offre pratiquement aucune valeur d'isolation. Cette approche de « masse thermique » peut être appropriée dans certaines zones climatiques, mais en général, tout bâtiment imprimé en 3D nécessitera une stratégie d'isolation et de revêtement qui peut effacer tout ou partie de la vitesse et de la réduction de la main-d'œuvre obtenues par l'impression 3D. Voir la figure 21 pour un graphique MIC de cette technologie et la figure 22 pour un exemple visuel.

L'impression 3D aura probablement un impact plus positif sur son utilisation pour créer des composants de construction préfabriqués. En usine, les imprimantes peuvent incorporer une plus large gamme de matériaux et de composants et permettre l'assemblage robotisé de composants dans des sections plus grandes, des panneaux préfabriqués ou des composants modulaires qui se prêtent aux méthodes DfD.

^[24]     Pour plus d'informations voir https://doi.org/10.1080/24751448.2018.1420968

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

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La principale incertitude liée à l'utilisation de matériaux de construction biogènes stockant le carbone est la prise en compte d'une voie pour le carbone stocké à la fin de la durée de vie du produit et/ou du bâtiment. Les modèles de comptabilité climatique tels que le Méthode Moura Costa indiquent qu'une tonne de carbone biogénique stockée pendant 40 à 50 ans - bien pendant la durée de vie de la plupart des bâtiments - a l'impact climatique équivalent d'éviter une tonne d'émissions évitées.

La plupart des bâtiments sont démolis pour faire place à de nouveaux aménagements et non parce qu'ils ont atteint la fin de leur durée de vie sûre. DfD permet une alternative préférable d'enlever les composants de construction afin qu'ils puissent être réutilisés sous leur forme existante sans avoir besoin de recyclage. L'image graphique présentée à la figure 23 suggère qu'un stockage significatif du carbone est possible lorsque la conception pour le démontage et la réutilisation sont prises en considération.

DfD peut fonctionner à différentes échelles, des finitions amovibles (permettant une rénovation mineure du bâtiment sans mettre au rebut les matériaux existants) aux cloisons intérieures mobiles (permettant la reconfiguration des espaces intérieurs) aux cadres structurels et aux systèmes de clôture qui peuvent être démontés et reconstruits dans leur forme ou adapté à de nouvelles formes de construction.

Les bâtiments en général sont inhabituels à cet égard : il leur manque les composants amovibles et remplaçables conçus dans la plupart des produits manufacturés. Si une automobile était construite comme un bâtiment, nous aurions besoin de découper le capot et de le remplacer par un nouveau chaque fois que nous voulions vérifier le moteur. Chaque partie d'une automobile peut être retirée et remplacée; une fois qu'une voiture n'est plus en état de rouler, elle devient une source de pièces pour les voitures de travail. DfD émule ce principe de base et l'applique aux matériaux et composants de construction. En nous permettant de prolonger la durée de vie potentielle du carbone stocké dans un composant réutilisable au-delà de la durée de vie d'un seul bâtiment, DfD prolonge la résidence du carbone stocké de 60 à 80 ans pour doubler ou tripler cette valeur.

Tous les aspects des connaissances de conception et de la technologie de construction nécessaires pour rendre les bâtiments entièrement démontables existent déjà. Les avantages de cette approche vont bien au-delà de l'extension de la valeur du carbone stocké, car elle confère aux matériaux et aux bâtiments entiers une valeur auparavant inconsidérée au-delà de celle d'un actif fixe à durée de vie limitée. Voir la figure 24 pour un graphique MIC de cette méthode, et la figure 25 pour un exemple de construction préfabriquée.

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Les fondations et les dalles de plancher des bâtiments sont généralement les plus gros contributeurs aux émissions de carbone intrinsèque. Si le même volume d'espace et la même surface au sol peuvent être conçus dans un bâtiment avec une fondation plus petite, l'empreinte carbone globale du bâtiment est réduite. Alors que les codes de l'énergie deviennent de plus en plus stricts et que les matériaux et les assemblages d'enceintes murales continuent de s'améliorer avec de meilleures valeurs d'isolation et d'étanchéité à l'air, les systèmes de revêtement de stockage de carbone sont bien placés pour améliorer les performances globales des bâtiments en termes de carbone opérationnel et incorporé.

Le regroupement précoce des bâtiments du projet avec une analyse de cycle de vie de haut niveau sera en mesure de fournir de nombreux commentaires sur les réductions de carbone potentielles réalisables grâce à la conception verticale. Les valeurs de stockage du carbone pour les systèmes d'enceinte et de revêtement innovants peuvent fournir des informations sur l'augmentation potentielle du stockage global qui accompagnerait les conceptions verticales.

Les conceptions verticales peuvent également être plus économes en énergie et bénéficier de l'effet de cheminée et d'autres systèmes de ventilation et de chauffage passifs. Voir la figure 26 pour un graphique MIC de cette stratégie et la figure 27 pour un exemple de considérations de conception pour l'architecture verticale.

4.6 Débat

4.6.1 Fondations : Terre / Béton sans ciment

Le WBLCA pour le bâtiment industriel léger considéré dans l'étude sur les matériaux de stockage du carbone^[26] a montré que les dalles de béton étaient responsables d'émissions totalisant 2,48 millions de tonnes de CO2e, soit près de 25% de l'empreinte carbone totale du bâtiment. En tant que principale source d'émissions dans le bâtiment échantillon, cette composante doit être abordée. Même si un matériau de substitution ne stockait pas entièrement le carbone, une réduction substantielle de ces émissions serait atteinte, permettant à l'ensemble du bâtiment d'atteindre plus facilement le stockage net de carbone.

^[26]     Kriegh, Magwood et Srubar, 2021. Matériaux de stockage de carbone. https://carbonleadershipforum.org/carbon-storing-materials/

4.6.2 Sols en terre

Les données actuelles de l'ACV pour les sols en terre cuite indiquent une empreinte carbone de ~3,5 kgCO2e/m3, contre ~290 kgCO2e/m3 pour un sol en dalle de béton typique, ce qui équivaut à une réduction de 98% de l'empreinte carbone. Des millions de tonnes d'émissions de chaque dalle de plancher pourraient ainsi être éliminées. Une quantité relativement faible d'agrégats de stockage de carbone (de Blue Planet ou de sable cultivé par des algues) ferait basculer un sol en terre dans un stockage net de carbone, le volume d'agrégats variant pour atteindre un objectif de stockage de carbone donné pour l'ensemble du bâtiment. Bien que la disponibilité et le coût des agrégats de stockage de carbone puissent poser des problèmes, de petites quantités pour avoir un impact important sur les sols en terre constitueraient une bonne utilisation précoce de ces matériaux.

4.6.2 Béton activé aux alcalis (sans ciment)

Les études d'ACV existantes ont montré que le carbone incorporé du béton activé par les alcalis peut être significativement inférieur à celui du béton de ciment Portland traditionnel. Comme indiqué précédemment, les données de plusieurs études suggèrent que le carbone incorporé du béton AAC peut être de ~10 à 97% inférieur à celui du béton traditionnel. Une telle gamme d'estimations d'émissions de CO2 existe en raison de la grande variété de précurseurs et de sources d'activateurs alcalins disponibles. Quoi qu'il en soit, la production de béton AAC ne produirait que des réductions de carbone incorporé - pas de stockage net - à moins que des agrégats de stockage de carbone ne soient utilisés pour compenser les émissions restantes.

4.6.3 Structure : tubes de mycélium/briques d'algues

Les composants en acier de construction dans la conception actuelle du bâtiment de référence contribuent à 1,3 million de tonnes d'émissions, ce qui représente environ 15% des émissions totales du bâtiment et constitue la troisième catégorie la plus impactante. Les chercheurs explorent la production de murs porteurs cultivés avec du mycélium ou des algues, y compris la formation d'une masse dense avec des capacités portantes adaptées aux systèmes de murs porteurs. Cette perspective est explorée sous deux formes : le mycélium cultivé sous forme tubulaire et cultivé en briques comprimées. Les deux méthodes produisent un matériau à base de mycélium avec une densité et des propriétés structurelles accrues.

Les matériaux de mycélium sont cultivés dans une matrice riche en carbone de matières végétales sèches telles que la paille, le chanvre, les copeaux de bois et/ou les coquilles de noix. Le mycélium ne se développe pas par photosynthèse, de sorte que le stockage du carbone dans ces matériaux se produit lorsque le mycélium décompose la teneur en carbone de la matière végétale et incorpore une partie de ce carbone pour sa propre croissance. Le mycélium n'absorbe aucun carbone supplémentaire de l'atmosphère, de sorte que la valeur des matériaux de mycélium réside dans leur capacité à transformer les fibres biogéniques lâches en un matériau cohérent avec peu de coût supplémentaire en carbone. Comme pour les matériaux qui utilisent de la colle pour faire adhérer les fibres lâches, le stockage net de carbone des matériaux de mycélium dépend du profil d'émission du processus de fabrication (dans ce cas, de croissance). Les impacts du processus de fabrication doivent être étudiés plus avant pour s'assurer que ces matériaux conservent un profil net de stockage de carbone.

4.6.4 Boîtier : Panneaux de fibres/Panneaux d'algues

Les matériaux de protection thermique et contre l'humidité du bâtiment de référence contribuent à 2,43 millions de tonnes d'émissions, soit 24% du total et constituent la deuxième catégorie de matériaux la plus impactante. Les panneaux de fibres offrent une voie pour éliminer complètement ces émissions et offrent une grande quantité de stockage de carbone. L'EPD des panneaux muraux à base de paille de Ecococon montre un stockage net de 88 kgCO2e/m2 de surface de mur, indiquant qu'un degré élevé de stockage de carbone est possible dans cette catégorie.

En tant que composites d'un certain nombre de matériaux distincts, les panneaux de fibres sont particulièrement intéressants lorsque chaque élément contribue au stockage global du carbone, comme cela peut être réalisé grâce à un large éventail d'options de matériaux individuels. Le fait que chaque itération se traduise par des performances légèrement différentes et des caractéristiques de stockage de carbone peut offrir un avantage, permettant la substitution de matériaux disponibles localement dans une taille de panneau et un indice de performance standardisés, mais peut également rendre cette catégorie de matériaux difficile à résumer. Chacun de ces matériaux/systèmes nécessite différents degrés d'essais/protection contre l'humidité et le feu qui varieront en fonction de l'application. L'exploration de ces questions dépasse le cadre de cette étude.

Les panneaux d'enceinte sont composés de quatre éléments de base, chacun pouvant être fabriqué à partir d'un certain nombre de matériaux à base de fibres différents :

1. Cadre structurel. Les produits de cette catégorie reposent actuellement sur des ossatures en bois (bois d'œuvre dimensionnel ou produits en bois d'ingénierie), mais ceux-ci pourraient potentiellement être remplacés par du chanvre, du bambou ou d'autres matériaux en fibres structurelles, y compris des structures tubulaires en mycélium.
2. Revêtement intérieur et extérieur. Les produits de cette catégorie reposent actuellement sur des produits en bois (contreplaqué ou OSB), mais ceux-ci pourraient potentiellement être remplacés par des fibres liées à de la colle ou du mycélium de toutes sortes. Les produits de revêtement sont déjà fabriqués à partir d'une grande variété de résidus agricoles, notamment de la paille, du chanvre, des tiges de maïs, de la bagasse à sucre, des tiges de tournesol, des coquilles de noix et de nombreuses autres sources de fibres régionales. Les fibres de flux de déchets telles que les boîtes à boissons et les textiles ont également été recyclées en tant que matériaux de gainage efficaces.
3. Isolation. Une large gamme de matériaux isolants stockant le carbone peut remplir les panneaux. Les options existantes comme la cellulose (à partir de papier et/ou de carton recyclé) offrent une voie peu coûteuse et éprouvée avec un bon potentiel de stockage du carbone. Presque tous les déchets ou résidus de fibres ont le potentiel d'isoler, avec des exemples à petite échelle de paille, de béton de chanvre et de déchets textiles démontrant des valeurs élevées de stockage net de carbone.
4. Bardage. Les finitions extérieures et intérieures peuvent également stocker du carbone. Les approches conventionnelles incluent le bardage en bois et, dans une moindre mesure, le liège. Les matériaux composites dérivés du papier, du carton, des coques de riz, de la paille et des fibres de chanvre se sont également révélés viables.

Chaque variante de panneau de fibres aurait sa propre valeur de stockage de carbone et ses propres implications en science du bâtiment. L'identification des combinaisons de panneaux de fibres présentant le plus grand potentiel permettrait de faire évoluer cette catégorie de matériaux. En outre, le développement d'une étude de prototype pour la préfabrication (incluant une variété de configurations de panneaux) et les options DfD garantiraient que la durée de vie de ces composants de construction s'étend au-delà de celle d'une seule structure.

Cette étude recommande que les chefs de file de la construction ou de l'industrie, en tant qu'utilisateurs finaux intéressés de produits de construction innovants à stockage de carbone qui n'ont pas encore atteint le stade de l'approvisionnement direct, prennent en compte les règles d'engagement suivantes avant le prototypage et les tests pilotes de technologies de matériaux émergents.

5.1 Règles d'engagement pour l'accélération et les NDA

5.1.1 Collaborer directement avec les fabricants de produits de construction innovants pour le stockage du carbone.

L'engagement direct nécessitera probablement la conclusion de protocoles d'accord (PE) d'accords de non-divulgation (NDA) entre les clients du bâtiment ou des matériaux et les fabricants. Cette NDA permettra une communication claire et transparente concernant la maturité actuelle de la technologie des matériaux et permettra aux fabricants de divulguer pleinement l'échelle actuelle de production, les tests terminés et prévus, et les certifications obtenues ou à obtenir, ainsi que le coût et les délais associés à chacun. Les protocoles d'entente et/ou les accords de non-divulgation définiront également les termes d'un accord de propriété intellectuelle (PI) entre les deux parties.

5.1.2 Choisissez parmi deux voies de partenariat avec les fabricants au cours de l'exercice financier (AF) 2022 : sélection directe ou demande de propositions (DDP).

La sélection directe impliquerait qu'un client de construction ou de matériaux choisisse 1 ou 2 fabricants avec lesquels s'engager au cours de l'exercice 2022. En revanche, un processus d'appel d'offres jetterait un filet plus large et permettrait aux clients de construction ou de matériaux de demander des informations spécifiques, y compris l'échelle actuelle de la production, les essais et la certification, ainsi que les installations et les partenariats actuels/existants qui pourraient être exploités au cours de l'exercice 2022. L'appel d'offres pourrait être émis sur invitation uniquement, permettant aux clients du bâtiment ou des matériaux de combiner la sélection directe avec le processus d'appel d'offres. Un client de bâtiment ou de matériel pourrait ainsi obtenir des informations concernant le niveau de préparation technologique (TRL) de divers matériaux avant leur sélection pour l'engagement pour l'exercice 2022 et le faire sans avoir au préalable terminé le processus de protocole d'entente ou de NDA. Un tel processus hybride (appel d'offres sur invitation uniquement) permettrait aux clients de la construction ou des matériaux de sélectionner non seulement des fabricants avec des matériaux nouveaux ou à l'échelle du laboratoire/de laboratoire (par exemple, des briques cultivées à partir d'algues), mais aussi d'autres plus avancés dans la production à petite échelle (par exemple, la fibre panneaux).

5.2 Prototypage, mise en œuvre et utilisation souhaitée

5.2.1 Fixer des objectifs et des attentes.

Une fois sélectionné pour l'engagement pour l'exercice 2022, chaque fabricant discuterait avec les clients du bâtiment ou des matériaux d'objectifs et d'attentes spécifiques et réalistes en matière de prototypage en fonction de ce que les clients du bâtiment ou des matériaux envisagent comme application finale souhaitée. Ces objectifs et attentes doivent s'aligner sur les valeurs et les critères de sélection des clients du bâtiment ou des matériaux (par exemple, potentiel de stockage de carbone, investissement à haut risque/rémunération élevée, potentiel d'impact).

5.2.2 Définition d'une portée des travaux.

Une discussion claire des objectifs et des attentes permettra aux fabricants d'établir une portée des travaux de 9 à 12 mois et une proposition de coûts qui s'alignent sur les exigences d'utilisation finale des clients en matière de construction ou de matériaux, ainsi que tout partenariat suggéré ou obligatoire qui bâtiments ou matériaux dont les clients ont besoin (par exemple, conception/production, R&D, prototypage/assemblage). les clients du bâtiment ou des matériaux doivent également exiger d'autres conditions d'engagement, telles qu'une réunion de lancement du projet, la fréquence des réunions, les examens de l'avancement et les livrables finaux.

5.3 Prototypage et test pilote

5.3.1 Plans de prototypage

L'EDT et la proposition de coûts décrits par chaque fabricant doivent être soumis et approuvés par les clients du bâtiment ou des matériaux. L'EDT doit clairement décrire les plans de prototypage et/ou d'essais pilotes qui s'alignent sur les objectifs, les attentes et les exigences d'utilisation finale des clients en matière de construction ou de matériaux.

5.3.2 Financement des essais pilotes

Une fois l'EDT approuvé, les leaders de l'industrie technologique verseront les fonds directement au fabricant pour lancer et terminer l'EDT en collaboration avec les partenaires de conception, de R&D et de prototypage/assemblage suggérés (par exemple, identifiés dans cette étude) ou sélectionnés par la construction leaders de l'industrie.

5.4 Tests de conformité et certifications requis et souhaités (opportunité/barrière) au sens large

5.4.1 Des tests de conformité et des certifications peuvent être requis pour tout nouveau matériel à utiliser sur des projets.

Les tests et les certifications peuvent nécessiter un soutien financier, des délais de projet plus longs lors de l'adoption précoce et une collaboration avec les responsables du code pour fournir une formation et développer des voies de conformité standard.

5.4.2 L'acceptation du bois lamellé-croisé (CLT) fournit un exemple de nouveaux matériaux.

Le CLT a été reconnu dans les années 2000 comme un nouveau système de construction par l'industrie du bois et par les architectes et ingénieurs intéressés à explorer cette nouvelle solution matérielle. Cependant, les codes du bâtiment existants stipulaient des restrictions de hauteur importantes pour les bâtiments en bois. Alors que les organisations professionnelles de l'industrie ont aidé à soutenir les tests pour vérifier les performances, des architectes et des ingénieurs bénévoles se sont organisés (par exemple, le groupe de travail Seattle AIA Mass Timber), partageant des ressources et rejoignant des comités de codes et de normes pour plaider en faveur de l'utilisation de cette nouvelle solution matérielle. Un tel soutien de la part des utilisateurs de produits du bois a joué un rôle déterminant dans la réalisation des modifications du code. La mise à l'échelle rapide d'un plus grand nombre de matériaux pour atteindre les objectifs climatiques nécessitera un soutien direct similaire. Le Carbon Leadership Forum se concentre sur la fourniture d'un soutien technique aux efforts politiques émergents et sur l'information et l'engagement des professionnels de l'industrie du bâtiment via notre réseau mondial et nos centres régionaux.

5.5 Tests de conformité, coûts associés et calendrier

À tout moment, chaque nouvelle technologie de matériau se situe sur un continuum de recherche et développement qui dicte en fin de compte quels tests de conformité, le cas échéant, doivent être effectués avant qu'un fabricant ne produise un produit minimum viable (MVP). Toutes les normes et certifications applicables doivent également être obtenues avant l'application industrielle. Par exemple, certains produits nécessitent des tests structurels tandis que d'autres nécessitent des tests de conductivité thermique, des indices d'humidité, de moisissure et de mildiou, des indices de résistance au feu et/ou des tests acoustiques. Presque tous bénéficieraient d'une déclaration environnementale de produit (EPD). Afin de confirmer l'impact environnemental de la production de matériaux et les impacts de l'utilisation/de la fin de vie, des évaluations environnementales du cycle de vie doivent être effectuées tout au long du processus de développement du produit. Quels tests, normes et certifications ont déjà été effectués et lesquels doivent encore l'être détermineront en fin de compte les coûts des tests de conformité. De plus, le calendrier d'acquisition des fonds, de planification des tests et de production des résultats façonnera le calendrier de la production à grande échelle.

5.6 Considérations relatives au prototypage des composants dans les assemblages

Les considérations de prototypage incluent non seulement les tests de matériaux, comme décrit ci-dessus, mais également les tests du matériau en tant que composant d'un assemblage. Les tests d'assemblage sont essentiels pour atteindre les objectifs de Microsoft en matière de production et d'utilisation accélérées de matériaux de stockage de carbone. En tant que tel, plusieurs maquettes ou prototypes sont nécessaires pour chaque test et des considérations de coût entrent souvent en jeu lorsque chaque maquette est testée jusqu'à l'échec.

5.7 Potentiel de mise à l'échelle de la fabrication et de la chaîne d'approvisionnement

Pour que les matériaux de transformation évoluent et deviennent disponibles sur le marché général des matériaux de construction, il faut que quatre facteurs principaux convergent : (1) une sensibilisation accrue au matériau dans le secteur de la construction, (2) une demande démontrée du marché en matériaux pour justifier le développement d'infrastructures de fabrication, ( 3) suppression des obstacles politiques à l'adoption, et (4) compréhension et atténuation des préoccupations des utilisateurs.

5.7.1 Sensibilisation accrue

Pour que les nouveaux matériaux soient plus largement utilisés, les architectes, ingénieurs, entrepreneurs (AEC) et autres acteurs du secteur du bâtiment doivent prendre conscience de leurs avantages et être convaincus qu'un projet dans lequel ils sont spécifiés réussira. Les stratégies pour accroître la sensibilisation comprennent :

• Cartographier la disponibilité des matériaux pour connecter les praticiens de l'AEC avec les matériaux et les fabricants dans leurs régions et limiter les préoccupations concernant la disponibilité des ressources/capacités de matières premières à l'échelle (discutée plus en détail dans la section 7) ;
• Construire des bâtiments de grande envergure en tant que prototypes pour fournir des études de cas sur la façon dont le matériau peut être utilisé et un modèle pour les détails de construction des futurs projets ; et
• Développement d'assemblages ou de composants qui facilitent l'utilisation de nouveaux matériaux en les intégrant dans les processus de conception et de construction existants (par exemple, des assemblages muraux qui incluent un nouveau matériau de façade pour éliminer le besoin de rechercher et de développer de nouvelles techniques d'étanchéité.

5.7.2 Demande démontrée du marché

La mise à l'échelle des chaînes de fabrication et d'approvisionnement de nouveaux matériaux nécessite un investissement majeur de la part des fabricants qu'il peut être difficile de risquer s'ils manquent de certitude quant au marché de leurs matériaux. Les politiques publiques et les engagements de durabilité des entreprises qui nécessitent des réductions de l'empreinte carbone des projets ou des matériaux sont essentiels pour démontrer la demande du marché pour le développement de ces matériaux.

5.7.3 Suppression des obstacles politiques

Les politiques publiques et d'entreprise créent des obstacles à la mise à l'échelle en rendant le processus trop coûteux ou en limitant les marchés/projets où les matériaux peuvent être utilisés. Les obstacles de politique publique incluent des tests trop étendus et des voies de conformité (comme discuté ci-dessus), mais peuvent également inclure l'exclusion de nouveaux matériaux des politiques climatiques en raison d'un manque de sensibilisation. Le développement des données d'évaluation du cycle de vie déjà requises d'autres matériaux (comme les déclarations environnementales de produits) pour documenter la conformité aux politiques de carbone incorporé est essentiel pour communiquer la valeur de ces matériaux et la nécessité de les ajouter aux politiques ciblant la réduction du carbone incorporé.

Les politiques d'entreprise créent également des obstacles pour les petites entreprises qui cherchent à être sélectionnées pour un projet. Certaines des exigences mêmes destinées à accroître la durabilité des chaînes d'approvisionnement et d'approvisionnement d'une entreprise, telles que la certification d'une installation de fabrication ou un code de conduite des fournisseurs, peuvent constituer des obstacles pour les petites entreprises qui n'ont pas encore les ressources nécessaires pour développer des systèmes de gestion sophistiqués. pour la responsabilité environnementale et sociale. Les équipes d'approvisionnement d'entreprise peuvent envisager l'adoption de voies alternatives pour les entreprises plus petites ou plus récentes pendant leur évolution, par exemple en permettant à un pourcentage du budget d'un projet d'aller à des organisations petites ou en croissance qui répondent aux exigences climatiques ou de justice sociale.

5.7.4 Sondage pour comprendre et atténuer les préoccupations des utilisateurs

Les préoccupations et les perceptions des utilisateurs sur les risques d'utiliser un nouveau matériau constituent un obstacle important à la mise en œuvre de nouveaux matériaux. Les professionnels de l'AEC peuvent hésiter à utiliser de nouveaux matériaux aux performances ou aux caractéristiques esthétiques inconnues. L'identification des préoccupations des utilisateurs est une première étape clé pour atténuer les craintes concernant l'utilisation de nouveaux matériaux, à aborder via des ressources éducatives et une formation. Les stratégies identifiées pour accroître la sensibilisation aux nouveaux matériaux dans la section ci-dessus joueraient également un rôle clé dans l'atténuation des préoccupations des utilisateurs. Mieux encore, l'administration d'une enquête à l'échelle de l'industrie pour comprendre les valeurs sous-jacentes, les motivations et les préoccupations perçues concernant l'utilisation de nouveaux matériaux fournirait des données précieuses sur les raisons pour lesquelles un professionnel de l'AEC, un fabricant, un fournisseur et/ou un installateur serait ou non motivé à utiliser de nouveaux matériaux dans la conception et la réalisation de leurs projets.

6.1 Pourquoi promouvoir la recherche et les opportunités de développement de matériel à un stade précoce maintenant ?

Les matériaux à faible teneur en carbone et à stockage de carbone ont une longue histoire de recherche, de développement et d'utilisation. L'engagement avec ces types de matériaux naturels a généralement été motivé par le souci des impacts positifs sur la santé des occupants et écologiques et/ou l'efficacité des matériaux. Cependant, la reconnaissance récente de la gravité de la crise climatique et du besoin urgent d'interventions majeures et percutantes a accéléré l'intérêt pour les matériaux qui peuvent corriger les émissions provenant des matériaux de construction conventionnels. Des décennies de travail pour développer, améliorer et mettre en œuvre ces matériaux fournissent désormais une base utile de recherche, de développement de produits et d'études de cas qui peuvent aider à accélérer la mise sur le marché de ces matériaux rapidement.

L'expérience passée sur le marché du bois lamellé-croisé et des matériaux de bois massif a montré que les matériaux à faible émission de carbone et de stockage de carbone sont réalisables et atteignent la parité avec des alternatives plus conventionnelles en termes de coût, de conformité au code et de calendriers de construction. Cependant, ces matériaux, manquant d'influence sur l'un de ces fronts et nécessitant des investissements importants pour augmenter la production, n'ont pas atteint le statut de grand public. Leur potentiel collectif d'impact climatique massif nous oblige à exploiter leurs propriétés afin de rediriger le profil climatique des bâtiments d'un moteur majeur du changement climatique à un atout majeur pour l'inverser.

6.2 Implications en matière de justice environnementale

La fabrication et le transport des matériaux sont souvent colocalisés avec des communautés à faible revenu et des communautés de couleur. Les évaluations matérielles basées uniquement sur les émissions mondiales de gaz à effet de serre (« carbone ») peuvent manquer d'aborder les impacts importants sur la santé humaine des émissions locales sur ces communautés, ainsi que d'autres problèmes critiques de santé publique, d'équité, de justice et de travail. L'intégration de la justice climatique dans les choix matériels est nécessaire pour éviter les conséquences négatives involontaires des actions développées avec une focalisation trop étroite sur la décarbonisation. C'est un domaine d'intérêt croissant pour le Carbon Leadership Forum. La CLF estime qu'un travail important doit être fait pour mieux comprendre comment garantir que le développement de matériel et l'engagement de la chaîne d'approvisionnement peuvent soutenir les objectifs de justice climatique.

À mesure que les matériaux de la chaîne d'approvisionnement de fabrication évoluent pour augmenter la disponibilité des matériaux de transformation, une opportunité se présente d'intégrer l'équité et la justice comme priorités clés dès le départ, plutôt que d'essayer d'atténuer les dommages une fois les chaînes d'approvisionnement et les installations établies. Ces priorités signifient s'assurer que les installations n'ajoutent pas aux fardeaux existants sur la santé environnementale des communautés de première ligne, mais pourraient également signifier l'identification de partenaires de fabrication et de centres qui offrent des opportunités économiques aux communautés historiquement exclues.

6.3 Opportunités pour des impacts plus larges

6.3.1 Fabrication de matériaux négatifs en carbone pour réduire les émissions intrinsèques dans les bâtiments​

Au début de 2021, l'Agence américaine des projets de recherche avancée – Énergie (ARPA-E) – a publié une demande d'informations (DE-FOA-0002506) pour un nouveau programme de subventions proposé, « Manufacturing Carbon Negative Materials to Reduce Embodied Emissions in in Immeubles." Ce programme, dont les objectifs sont susceptibles de bien s'aligner avec les recommandations de cette étude, signale clairement que le sujet est maintenant sur le radar du gouvernement fédéral. Un aspect de ces possibilités de financement est l'exigence souvent obligatoire de partage des coûts. De telles subventions offrent une opportunité de multiplier l'investissement d'un leader de l'industrie technologique dans des matériaux de construction à faible émission de carbone et à stockage de carbone.

6.3.2 Cartographie des matériaux en fonction du climat et de la disponibilité régionale

Deux études sur la disponibilité de la biomasse aux États-Unis ont été menées, la première par le laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du département américain de l'Énergie et la seconde – en réponse – par l'Union of Concerned Scientists (UCS).^[27]  Tous deux se sont concentrés sur la disponibilité de la biomasse pour la production d'énergie, et non pour les matériaux de construction, mais ils fournissent néanmoins une évaluation au niveau du comté de la biomasse disponible dans les catégories de résidus forestiers et agricoles, de flux de déchets et de cultures destinées à des fins particulières, en s'alignant sur les catégories des matériaux de biomasse dans cette étude. L'estimation la plus élevée de l'ORNL citait 1 milliard de tonnes de biomasse disponible par an, tandis que l'UCS, imposant des normes écologiques plus élevées, a estimé 680 millions de tonnes. Les deux études, mettant en évidence le vaste réservoir de matières premières pour les matériaux potentiels de stockage de carbone, peuvent aider à affiner les efforts pour identifier et s'approvisionner en ces matières à travers le pays.^[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 Conclusion

Le potentiel d'impact climatique significatif grâce à des matériaux à faible teneur en carbone et stockant du carbone met en avant les matériaux qui ont le potentiel de changer le profil climatique des bâtiments d'un facteur de changement climatique de premier plan à un réservoir de carbone de premier plan qui l'inverse.

Les résultats de cette étude mettent en évidence six matériaux à utiliser dans les fondations, la structure et/ou les systèmes d'enceinte des bâtiments. Ces matériaux - dalles de terre, dalles de béton de ciment non Portland, briques/panneaux cultivés aux algues, tubes structurels en mycélium, fibres spécialement conçues et panneaux de déchets agricoles - justifient un enthousiasme réaliste et méritent un investissement pour aider et accélérer leur prototypage, leur mise à l'échelle , la fabrication et l'utilisation commercialisable dans la chaîne d'approvisionnement de l'industrie du bâtiment. En outre, il existe des opportunités d'investissement dans des opportunités d'éducation et de formation dans des apprentissages intégrés dans des laboratoires de recherche, de conception et de construction, sur des sites de fabrication et avec des entreprises de conception professionnelles AEC.^[29]

7.2 Limites

L'une des limites de cette étude est que sa portée excluait une enquête à l'échelle de l'industrie. Des questions d'enquête ciblées pourraient identifier les valeurs sous-jacentes, les motivations et les préoccupations perçues des parties prenantes de l'industrie concernant l'utilisation de nouveaux matériaux, ce qui est essentiel pour comprendre les opportunités et les obstacles au succès du marché. Une telle enquête fournirait des données concrètes sur les raisons pour lesquelles les professionnels de l'AEC, les fabricants, les fournisseurs et les installateurs seraient motivés à utiliser de nouveaux matériaux dans la conception et la livraison de leurs projets.

7.3 Opportunités futures

Le Micro-Cloud^[30] est un concept qui intègre le prototypage de matériaux, la maquette d'assemblages et le déploiement de bâtiments à petite échelle (centres de données) à l'échelle mondiale (pour la feuille de route conceptuelle, voir l'annexe II). Il offre à Microsoft une opportunité de tirer parti de plusieurs objectifs et stratégies pour mettre en œuvre ses valeurs et atteindre ses objectifs de décarbonation à l'échelle mondiale.

La préfabrication de composants matériels à faible émission de carbone et de stockage de carbone dans des systèmes en panneaux rend plausible la construction d'une structure de centre de données à petite échelle pour servir de module incarnant les stratégies DfD et donc capable d'être assemblé et réassemblé plusieurs fois pour de nombreux déploiements. La conception utilise les six matériaux identifiés dans cette étude - dalles de terre, dalles de béton de ciment non Portland, briques/panneaux cultivés aux algues, tubes structurels en mycélium, fibres spécialement conçues et panneaux de déchets agricoles - pour créer des panneaux structurels modulaires qui peuvent être transportés à divers sites de projet pour l'assemblage.

De plus, le concept Micro-Cloud s'adapte facilement aux exigences programmatiques d'un site donné, qu'il soit rural ou urbain, dans un pays développé ou sous-développé, empilé verticalement ou horizontalement, pour répondre aux besoins informatiques d'une communauté, d'une entreprise ou d'un établissement d'enseignement. en tant qu'entreprise technologique juste sur le plan social et environnemental.

^[29]    Le laboratoire IDEA est adapté des propositions des Drs. Lee, Kriegh et Dossick (UW College of Built Environments); Dr Srubar (UC Boulder); et ED. Magwood (Endeavour Center) qui ont été initiés début 2021.

^[30]     Le terme Micro-Cloud a été inventé pour la première fois par le Dr Chris Lee (UW College of Built Environments, Dept. Construction Management) lors d'un atelier du consortium CIRC entre les universités de Washington et de l'Arizona en 2020.

Déclaration de conflit d'intérêts

L'équipe de recherche tient à remercier l'implication des auteurs dans des activités connexes dans un souci de transparence.

• Dr. Julie Kreigh, AIA, est la fondatrice et propriétaire de Kriegh Architecture Studios | Design + Research et consultant en recherche auprès du UW Carbon Leadership Forum.
• Chris Magwood est directeur exécutif de l'Endeavour Center qui explore l'enseignement des méthodes de construction utilisant de nouveaux matériaux. Il développe un outil d'estimation du carbone des matériaux pour le secteur de la construction résidentielle.
• Le Dr Wil V. Srubar III dirige le Laboratoire des matériaux vivants à l'Université du Colorado à Boulder. Il est également fondateur et directeur général d'Aureus Earth, et co-fondateur de Minus Materials et Prometheus Materials.

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