L'industria delle costruzioni in generale, e Microsoft in particolare, è sempre più interessata alle opportunità di creare edifici che offrano uno stoccaggio netto di carbonio anziché generare emissioni di gas serra (GHG) nella produzione dei materiali da costruzione. Una gamma di materiali per l'immagazzinamento del carbonio offre un potenziale potenziale per sostituire i materiali esistenti che sono "punti caldi" di GHG negli attuali progetti di edifici, comprese fondazioni, strutture e recinzioni.^[3]  Questo studio esplora nuovi materiali a basso tenore di carbonio e ad accumulo di carbonio che integrano alghe, micelio, suolo, fibre appositamente coltivate e residui agricoli, identificando materiali da costruzione e tecnologie nascenti che presentano opportunità di "alto rischio/alto rendimento" per contribuire alla riduzione del carbonio. immagazzinare gli edifici in un lasso di tempo ridotto, accelerando lo sviluppo del prodotto, la produzione e l'uso nell'edilizia. Lo sfondo e il contesto attraverso i quali sono stati scelti i materiali valutati in questo rapporto sono descritti qui (vedi Sezione 2).

Più specificamente, questa ricerca cerca di identificare le prime tecnologie per la terra, la vita e i materiali agricoli a basse emissioni di carbonio e di accumulo di carbonio e valuta la loro disponibilità al mercato per la produzione e l'uso regionali nel settore delle costruzioni, nonché le loro implicazioni per la progettazione architettonica e costruzione (vedi sezione 3).

La metodologia di ricerca include un'esplorazione della letteratura esistente e lo sviluppo di materiali in fase iniziale nei laboratori e nelle startup di produzione su piccola scala per identificare una gamma di materiali promettenti. Dopo aver caratterizzato e classificato questi materiali in base a un indice completo dei materiali di criteri (vedi Appendice 1), il team di ricerca ha scelto i materiali per l'uso di fondamenta, struttura e recinzione basandosi su precedenti ricerche sui materiali di stoccaggio del carbonio (Kriegh, Magwood e Srubar, 2021, Materiali per l'accumulo di carbonio). Una spiegazione dei criteri utilizzati per valutare ciascun materiale è fornita nella Sezione 4. Le questioni chiave per ciascun materiale in esame sono evidenziate nel rapporto, comprese le caratteristiche del materiale, i potenziali usi e l'ulteriore ricerca e sviluppo necessari per ogni materiale da ridimensionare per l'uso in il mercato (vedi sezione 4).

In generale, le caratteristiche considerate nel processo di sviluppo di materiali di laboratorio in fase iniziale per l'impiego in vari materiali da costruzione pienamente funzionanti includono: durabilità, capacità strutturale, umidità, conduttività termica e prestazioni al fuoco. Sebbene ogni materiale avrà uno specifico processo di test, produzione e marketing, viene delineato un piano di prova e vengono identificati i passaggi chiave sul percorso per i materiali in fase iniziale per raggiungere la prontezza di mercato (vedere la sezione 5).

Perché questa indagine è importante per Microsoft ora? Investire in un piano di prova per portare sul mercato nuove tecnologie di stoccaggio del carbonio si allinea con i valori ambientali di Microsoft e si impegna a diventare carbon negative nelle operazioni odierne entro il 2030 e a rimuovere dall'ambiente tutto il carbonio emesso dalla società storicamente entro il 2050.^[4]   Per superare il ritardo tipico di portare sul mercato la ricerca sullo sviluppo dei materiali in fase iniziale, i test e la produzione di prodotti e far sì che tali prodotti siano compresi e accettati dalle industrie di progettazione, ingegneria e costruzione, il percorso deve essere accelerato. Assumendosi la responsabilità di ridurre la propria impronta di carbonio, Microsoft sta elevando l'importanza dell'innovazione e della promozione di nuovi materiali per la conservazione del carbonio per guidare il mercato. Oltre a investire in nuove tecnologie di stoccaggio del carbonio, l'ambizione di Microsoft è quella di accelerare il processo a livello globale sviluppando tecnologie nascenti per i fornitori di tutto il mondo.

Inoltre, Microsoft si impegna a sostenere la politica pubblica relativa al carbonio sostenendo iniziative per accelerare la riduzione del carbonio, considerando le implicazioni per la giustizia ambientale. Una breve discussione di questi problemi, raccomandazioni e opportunità appare nella Sezione 6 di questo rapporto.

Questo studio si conclude con una proposta che delinea ulteriori passaggi per perseguire e raggiungere in modo aggressivo gli obiettivi di decarbonizzazione di Microsoft. Informare ed educare studenti, commercianti e professionisti in architettura, ingegneria e costruzioni (AEC) è essenziale per ispirare l'innovazione e rimuovere le barriere reali e percepite che inibiscono l'evoluzione tanto necessaria nei campi dell'AEC. Nella sezione 7, viene proposta una tabella di marcia per un programma di progettazione integrata, ingegneria e architettura (IDEA)^[5]  che potrebbe essere realizzato attraverso un'alleanza a lungo termine con istituzioni accademiche e sviluppato attraverso il Climate Innovation Fund di Microsoft. Il laboratorio IDEA propone di continuare l'esplorazione e l'analisi per portare sul mercato nuovi materiali per la conservazione del carbonio, nonché le implicazioni per l'istruzione e il bene sociale da raggiungere incorporando gli apprendistati di ricerca nei lavori di ricerca, progettazione e costruzione necessari per accelerare le tecnologie nascenti. Fondamentale per questo lavoro è la comprensione dei valori insiti in una spinta olistica socio-tecnologico-economica alla decarbonizzazione. La mappatura dei materiali in base al clima, alla disponibilità regionale, alle iniziative politiche e ai valori di mercato/industria è un esempio di progetto che potrebbe essere sviluppato in collaborazione con Microsoft AI for Earth e IDEA lab.

^[3]     Kriegh, Magwood e Srubar, 2021. Materiali per la conservazione del carbonio. https://carbonleadershipforum.org/carbon-storing-materials/

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

^[5]     Il laboratorio IDEA è adattato dalle proposte dei Drs. Lee, Kriegh e Dossick (UW College of Built Environments); Dott. Srubar (UC Boulder); e il direttore esecutivo Magwood (Endeavour Center) che sono stati avviati all'inizio del 2021.

2.1 Materiali che immagazzinano carbonio: Background

Con ogni nuovo edificio e paesaggio costruito, le emissioni di carbonio vengono rilasciate nell'atmosfera sia dalla produzione dei materiali che dalle attività di costruzione. La costruzione di edifici rappresenta oltre 11% di emissioni globali di carbonio,^[6]  gran parte del quale viene generato durante la produzione e la lavorazione dei materiali da costruzione. Il settore edile, in quanto consumatore primario di materiali, ha il potenziale per guidare il mercato di soluzioni materiali innovative che possono sia ridurre l'impatto dei materiali convenzionali sia immagazzinare carbonio nei prodotti per l'edilizia di lunga durata.

I materiali e i metodi già presenti sul mercato, in particolare le applicazioni ad alta intensità di carbonio (hotspot) come fondazioni/lastre, strutture e assiemi di copertura tetto/parete, possono portare a riduzioni significative del carbonio incorporato. Nel 2020 e nel 2021, Microsoft ha coinvolto il Carbon Leadership Forum (UW CLF) dell'Università di Washington in un progetto di ricerca per identificare materiali e metodi di stoccaggio del carbonio pronti per: a) sostituzione immediata 1:1, b) ridimensionamento per un mercato più ampio distribuzione in 2 o 3 anni con revisioni minime del design, c) test di laboratorio e/o pilotaggio su piccola scala e d) esplorazione di nuovi materiali per un potenziale impiego sul mercato in 5 anni.^[7]  La ricerca ha indicato che i materiali da costruzione a base biologica offrono vantaggi chiave a livello globale (riduzione delle emissioni e immagazzinamento del carbonio nei prodotti materiali a lunga durata) e a livello regionale (sostenendo i piccoli agricoltori e le imprese e migliorando la salute umana).

I materiali a base biologica disponibili per l'immagazzinamento del carbonio (come legno massiccio, bambù ingegnerizzato e pannelli a base di paglia) dimostrano la fattibilità dell'utilizzo di materiali da costruzione per immagazzinare carbonio, stabilendo così edifici e paesaggi come riduttori potenzialmente significativi delle emissioni di carbonio. Tali progetti offrono potenziali effetti a catena, incluso il supporto per le industrie emergenti di materiali da costruzione che immagazzinano carbonio, vale a dire posti di lavoro nei centri di produzione, centri di formazione e istruzione professionale e iniziative politiche. Riconoscendo l'importanza di queste vitali relazioni socio-tecniche-economiche, Microsoft sta sottolineando l'importanza dell'innovazione e portando avanti nuovi materiali per la conservazione del carbonio. Oltre a investire in nuove tecnologie di stoccaggio del carbonio, l'ambizione di Microsoft è quella di accelerare il processo a livello globale sviluppando tecnologie nascenti per i fornitori di tutto il mondo. Questo sforzo congiunto di promuovere lo sviluppo di nuovi materiali su scala di laboratorio e i test sui materiali e l'educazione alla progettazione è, a nostra conoscenza, il primo del suo genere.

Nel 2021, Microsoft ha commissionato l'attuale studio, Materiali trasformativi che immagazzinano carbonio: accelerare un ecosistema, per esplorare le opportunità per promettenti tecnologie di stoccaggio del carbonio in fase iniziale e innovative per portare avanti la decarbonizzazione del settore edile. Per dimostrare il potenziale di implementare con successo materiali nuovi, originali, freschi e unici in progetti costruiti, di seguito sono evidenziati diversi esempi e i loro usi.

^[6]     Per maggiori informazioni sulla sfida climatica e sul settore edile cfr. https://architecture2030.org/

^[7]     Kriegh, Magwood e Srubar, 2021. Materiali per la conservazione del carbonio. https://carbonleadershipforum.org/carbon-storing-materials/

2.2.1 Pannelli a base biologica

I materiali a base biologica possono essere assemblati come pannelli prefabbricati per l'uso in sistemi di copertura per pareti e tetti. Questi pannelli possono essere configurati come elementi strutturali o non strutturali: telaio, isolamento e guaina. I vantaggi della costruzione con pannelli a base biologica includono una facile integrazione nelle attuali pratiche di progettazione e costruzione, un'elevata capacità di stoccaggio del carbonio, un'opzione di materiale non tossico, l'uso di residui di fibra disponibili localmente e processi di produzione a bassa tecnologia. Alcuni, come l'intonaco/pannelli di argilla e il cemento di alghe, offrono anche resistenza al fuoco. Sebbene si possano trovare numerosi esempi nell'uso su piccola scala a livello globale, sono necessari ulteriori attività di ricerca e sviluppo (R&S) e supporto alla produzione per ridimensionare i prodotti a base biologica e portarli rapidamente sul mercato.

La Louise Michel School (Figura 1) dimostra il potenziale dell'utilizzo di pannelli prefabbricati in balle di paglia in un edificio istituzionale a più piani.^[8] Questo edificio scolastico utilizza una struttura in legno massiccio racchiusa da pannelli prefabbricati in balle di paglia. Unico nella sua selezione dei materiali, l'edificio è stato utilizzato anche per stabilire nuovi standard in Francia per la resistenza al fuoco dei materiali a base biologica, che ora beneficiano di un protocollo di test che renderà più facile intraprendere progetti simili. Il design utilizza il recinto delle balle di paglia per soddisfare i più elevati standard di efficienza energetica e tenuta all'aria. La capacità del recinto di balle di paglia di essere a tenuta d'aria ma permeabile al vapore costituisce un importante passo avanti nella scienza delle costruzioni per grandi strutture.^[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 Canapa (e altri “creti”)

Hempcrete è un materiale isolante costituito da hurd scheggiato (nucleo) di canapa e altri steli agricoli concisi legati insieme con un legante a base minerale. Le caratteristiche di questo materiale isolante includono quanto segue: elevata resistenza al fuoco grazie alle proprietà del legante minerale, eccellenti capacità di gestione dell'umidità, buona capacità di stoccaggio del carbonio, non tossicità e utilizzo di residui di fibre disponibili localmente, tra cui girasole, tabacco e sunchoke.

Hempcrete è attualmente prodotto in tutto il mondo su piccola scala sia per le unità a blocchi che per le applicazioni di pannelli prefabbricati. È necessario espandere la ricerca e lo sviluppo per migliorare i leganti e le specifiche dei materiali per accelerare la produzione e portare questo prodotto su scala. Il flagship store di Marks & Spenser Cheshire Oaks Centre è un complesso commerciale sostenibile costruito con pannelli prefabbricati in cemento di canapa (Figura 2). Il loro più grande negozio fuori Londra, di 195.000 piedi quadrati e su due piani, è un progetto che dimostra il potenziale per l'uso del cemento di canapa in grandi strutture a più livelli.

Con la sua struttura in legno e i pannelli prefabbricati di recinzione in cemento di canapa, l'edificio ha ottenuto una valutazione BREEAM "Eccellente" per le prestazioni ambientali, le pareti in cemento di canapa gli conferiscono elevate prestazioni termiche e di gestione dell'umidità. Al termine, ha vinto i RIBA Awards nazionali e regionali, il RIBA Sustainability Award e il BCSC Gold Award for Sustainability.^[10]

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

2.2.3 Rivestimento prefabbricato in paglia

Il rivestimento in paglia prefabbricato è un sistema di rivestimento delle pareti (ovvero una superficie visibile sovrapposta a una strutturale) che utilizza la tradizionale paglia di canna adattata alla fabbricazione meccanizzata e pannellata. L'utilizzo di un biomateriale ampiamente disponibile, di basso valore ea basso costo come rivestimento per grandi edifici offre non solo un sistema durevole e conveniente, ma anche un elemento trasformativo nel suo aspetto biofilo. Il materiale offre un notevole valore di stoccaggio del carbonio grazie alla sua produzione semplice ed efficiente.

Già ampiamente utilizzati per la manutenzione e la sostituzione delle coperture tradizionali in Europa, Africa e Asia, i prodotti in paglia potrebbero essere immessi rapidamente sul mercato per un'applicazione globale con il supporto della ricerca e dello sviluppo.

Dalla sua apertura nel giugno 2015, l'Enterprise Center (Figura 3) è stato un centro fiorente e di supporto per le start-up e le piccole e medie imprese. Ha vinto numerosi premi ed è ampiamente riconosciuto come tra gli edifici più ecologici in Europa, soddisfacendo lo standard di efficienza energetica Passive House e ottenendo una valutazione BREEAM "Eccezionale". Questo edificio di 120.000 piedi quadrati incorpora molto più dei pannelli di paglia attaccati all'esterno. I materiali a base biologica in questo edificio includono strutture, pareti e pavimenti in legno massiccio; pannelli interni per pareti e soffitti in paglia; pannelli e intonaci a base di argilla e calce; e un approccio creativo per incorporare questi materiali in un'estetica stimolante.^[11] Raggiunge molteplici obiettivi nella costruzione di prestazioni come il rispetto degli standard BREEAM e Passive House, ottenendo anche il riconoscimento da RIBA e BCSC Gold Awards for Sustainability.

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

Per questo studio, è stata attentamente valutata un'ampia gamma di nuovi materiali, tenendo conto di molteplici obiettivi stabiliti da Microsoft e dal team di ricerca per il processo di selezione. I metodi ei criteri per la valutazione e la selezione dei materiali sono spiegati di seguito.

3.1 Indice dei materiali trasformativi^[12]

Sulla base della revisione della letteratura del team di ricerca e dei valori di Microsoft, è stata creata una matrice a due vie per caratterizzare il potenziale di ogni nuovo materiale studiato (vedi Appendice 1). I potenziali materiali candidati sono elencati nell'asse verticale e organizzati per uso di costruzione per fondazioni, strutture e recinzione (tetto e muro). Elencati sull'asse orizzontale sono dodici criteri chiave su cui valutare la gamma iniziale di materiali selezionati per l'analisi. Questi dodici criteri e un fattore di priorità ponderato (5, 3 o 1) sono descritti brevemente di seguito:

Criterio 1, fase di sviluppo:

5 – La ricerca e sviluppo in fase iniziale con test di laboratorio è attualmente in corso, con un periodo di 24-36 mesi previsto per la preparazione alla produzione

3 – Attualmente sono in corso attività di ricerca e sviluppo su piccola scala; si raccomandano ulteriori test di conformità al codice e dichiarazioni ambientali di prodotto (EPD) con un periodo di 12-24 mesi previsto per la scalabilità della produzione

1 – I prodotti sono attualmente distribuiti sul mercato, sebbene sia necessaria la scalabilità della produzione e/o la conformità al codice e gli standard regionali non siano completamente approvati, con un periodo di 6-12 mesi stimato per il completamento del processo di approvazione del codice

Criterio 2, mockup e potenziale prototipo:

5 – Un prototipo del materiale e/o dell'assieme deve ancora essere creato e sarebbe rivoluzionario

3 – È stato creato un prototipo del materiale e/o dell'assieme e lo sviluppo di un edificio/struttura costituirebbe un precedente

1 – È stato creato un prototipo del materiale e/o dell'assieme e l'implementazione in un edificio/struttura confermerebbe la fattibilità

Criterio 3, test sullo stato di conformità: (in tutti i casi, un budget per i test avrebbe un impatto importante sulla preparazione del mercato)

5 – I requisiti e i protocolli di prova sono inesistenti, minimi o mancanti per i materiali nella configurazione suggerita

3 – I requisiti e i protocolli di test sono stabiliti per alcuni ma non tutti gli standard del codice; i singoli prodotti o assiemi richiederanno probabilmente dei test

1 – I requisiti e i protocolli di test sono ben stabiliti per la maggior parte/tutti gli standard del codice e in corso/completati negli Stati Uniti e/o nell'Unione Europea

Criterio 4, Assiemi di costruzione e potenziale di prefabbricazione/modularizzazione:

5 – Sebbene non sia stato tentato alcun assemblaggio o prefabbricazione, il materiale si qualifica come candidato e mostra un alto potenziale per l'uso in edilizia come pannello prefabbricato o componente modulare

3 – Gli assiemi sono ben consolidati e hanno un potenziale non dimostrato ma elevato per l'uso nella costruzione come pannello prefabbricato o componente modulare

1 – I dettagli e gli assemblaggi sono ben stabiliti per questo materiale

Criterio 5, potenziale di accumulo di carbonio:

5 – Il materiale ha un'elevata capacità di stoccaggio netto >1kgCO2/kg, ovvero il livello più alto di capacità di stoccaggio del carbonio. I materiali derivati prevalentemente da materiale biogeno fotosintetico rientrano in questa categoria.

3 – Il materiale ha una capacità di stoccaggio moderata di 0,5 – 1 kgCO2/kg. Rientrano in questa categoria i materiali compositi composti da alcune fibre biogeniche mescolate con altri materiali non immagazzinatori di carbonio (ad esempio, adobe rinforzato con paglia) e materiali derivati prevalentemente dalla mineralizzazione del carbonato.

1 – Il materiale ha un basso stoccaggio di <0,5 kgCO2/kg di capacità, ovvero emissioni nette pari a zero (o anche moderate emissioni nette positive) incorporati nei benefici del carbonio. La capacità di stoccaggio del materiale è limitata (es. solai in terra battuta).

Criterio 6, dati sulla capacità di stoccaggio del carbonio:

5 – Non esiste documentazione verificata per la capacità di stoccaggio del carbonio del materiale (né LCA né EPD)

3 – Il materiale ha uno studio LCA; tuttavia, potrebbe mancare una EPD

1 – Il materiale ha un EPD

Criterio 7, ubicazioni potenziali e disponibilità delle materie prime:

5 – Il materiale è facilmente disponibile a livello globale

3 – Il materiale è disponibile nella maggior parte delle aree geografiche

1 – Il materiale è facilmente reperibile in alcune aree geografiche

Criterio 8, Potenziale impatto sulla comunità: (ad esempio, sviluppo economico, creazione di posti di lavoro, opportunità di istruzione e formazione, riduce il carico di inquinamento, aumenta la resilienza)

5 – Il materiale ha un alto potenziale di beneficio nuovo o condiviso nelle comunità in cui viene sviluppato

3 – Il materiale ha un moderato potenziale di modesto beneficio nelle comunità in cui viene sviluppato

1 – Il materiale ha un basso potenziale di benefici nuovi o condivisi nelle comunità in cui viene sviluppato

Criterio 9, Premio ad alto impatto: (materiali che sono nelle primissime fasi di sviluppo e hanno il potenziale per eccellere in tutte le categorie di criteri, ad esempio, carbonio incorporato estremamente basso, possono essere immagazzinati nel carbonio, zero rifiuti, di lunga durata, materiale disponibile a livello globale, potenziale per guidare la catena di approvvigionamento e produzione con materiali innovativi, specialmente nelle economie in via di sviluppo, potenziale per la costruzione per lo smontaggio)

5 – Il materiale ha più attributi di alta ricompensa (elencati sopra) e può essere pronto per il mercato ma non ha investimenti per scalare

3 – Il materiale ha una ricompensa moderata con alcuni mercati di distribuzione stabiliti, potenziale per essere prodotto in molte località a livello globale ed è maturo per una maggiore diffusione

1 – Il materiale ha una bassa ricompensa perché è ben sviluppato e in uso

Criterio 10, alto rischio: (ad es. scetticismo da parte di progettisti, costruttori e funzionari del codice; richiede test per stabilire parametri per il materiale; percezioni di impatti negativi sulla pianificazione e/o sui costi del progetto, mancanza di familiarità per l'approvvigionamento, mancanza di conoscenza sulla costruzione modalità e garanzia)

5 – Il materiale presenta un rischio elevato a causa della fase di sviluppo iniziale

3 – Il materiale presenta un rischio moderato in quanto il materiale può esistere ma non per il nuovo uso previsto

1 – Il materiale ha un rischio basso perché il settore è ben sviluppato o si adatta agli standard ingegneristici attuali

Criterio 11, documento di riferimento e/o caso di studio esiste:

5 – Il materiale ha pochi esempi costruiti su larga scala o documenti di ricerca pubblicati

3 – Il materiale è ancora in fase di esplorazione iniziale con progetti di costruzione su piccola scala e alcune pubblicazioni

1 – Il materiale è ben documentato ed è stato pubblicato su riviste peer-reviewed

Criterio 12, potenziali partner di sviluppo:

5 – Nessun partner di sviluppo noto o un piccolo numero di potenziali partner

3 – Le imprese in fase iniziale e in fase di avviamento esistono ma non sono diffuse in tutte le regioni

1 – Esistono aziende affermate, con alcune/molte che distribuiscono manufatti a livello globale

^[12]     Il Transformative Materials Index è stato sviluppato dal CLF (Kriegh, Lewis, Magwood, Srubar, 2021) con il contributo degli ingegneri WSP e di Microsoft.

3.2 Strumento di confronto dell'impatto dei materiali (MIC)^[13]

Da ricerche precedenti, sono stati esplorati diciassette materiali rispetto a tre sistemi di costruzione hotspot: fondazioni, strutture e recinzioni.^[14]  Inoltre, sono stati considerati tre metodi di costruzione: stampa 3D, progettazione per il disassemblaggio (DfD) e progettazione architettonica verticale o multipiano. Il potenziale per questi materiali e metodi di costruzione di esercitare un impatto sulla base dei dodici criteri è riassunto di seguito (vedi Figura 4 e Figura 5).

^[13]     Il Materials Impact Comparison Tool (MIC) è stato utilizzato con il permesso di ZGF Architects (sviluppatore di strumenti, 2021).

^[14]     Kriegh, Magwood e Srubar, 2021. Materiali per la conservazione del carbonio. https://carbonleadershipforum.org/carbon-storing-materials/

3.3 Criteri chiave

I dodici criteri chiave su cui è stata valutata la gamma iniziale di materiali selezionati per l'analisi (vedi sopra) includono criteri tipici di un'esplorazione di fattibilità. Tuttavia, diverse categorie guardano oltre le questioni di praticità e incorporano preoccupazioni più ampie, come il potenziale di avere un impatto altamente positivo sulle comunità circostanti e un alto impatto sulla decarbonizzazione dell'ambiente, da cui il titolo di questo rapporto, Materiali trasformativi che immagazzinano carbonio: accelerare un ecosistema. Queste considerazioni includono quanto segue: le opportunità di sviluppo economico sono aumentate attraverso la creazione di posti di lavoro, l'istruzione e la formazione; gli oneri di inquinamento sono ridotti; il materiale ha un contenuto di carbonio incorporato estremamente basso, può essere immagazzinato nel carbonio, ha zero rifiuti ed è di lunga durata; il materiale ha il potenziale per guidare la catena di approvvigionamento e la produzione con l'implementazione di prodotti innovativi (soprattutto nelle economie in via di sviluppo); e i componenti del materiale hanno il potenziale per essere progettati per lo smontaggio (DfD) e riutilizzati.

Nella valutazione sono stati presi in considerazione anche i metodi di costruzione, compreso il potenziale per la prototipazione, la prefabbricazione, la stampa 3D, la DfD e la progettazione verticale (a più piani).

L'approccio al punteggio dei materiali su ciascuno di questi criteri riflette il desiderio di Microsoft di attribuire il massimo valore ai materiali che offrono alta ricompensa potenziale anche a alto rischio. Per ricevere un punteggio elevato di 5 in qualsiasi categoria, il materiale in esame doveva dimostrare non solo un alto grado di valore della ricompensa, ma anche il grado più basso di proof-of-concept in tutti i criteri. Questo approccio al punteggio ha penalizzato i materiali già sulla buona strada per essere pronti per il mercato a favore di quelli ancora nelle prime fasi di ricerca e sviluppo.

3.4 Prestazioni dei materiali, proprietà e capacità di immagazzinamento del carbonio

L'elenco dei materiali in esame in questo studio è stato portato avanti da un progetto precedente,^[15]  durante il quale sono stati riesaminati per garantire proprietà che ci si poteva ragionevolmente aspettare per soddisfare i requisiti prestazionali per l'inclusione in un edificio. Dopo aver esaminato le revisioni della letteratura, i prototipi e i casi di studio, il team di ricerca considera tutti i materiali in questo studio appropriati per l'uso edilizio o abbastanza promettenti da giustificare un'ulteriore esplorazione.

Ove possibile, sono state prese in considerazione valutazioni del ciclo di vita e/o dichiarazioni ambientali di prodotto per misurare il potenziale impatto sulle emissioni di GHG dei materiali. Lo stoccaggio del carbonio è relativamente facile da accertare poiché si basa sulla chimica del materiale, quindi la quantità di carbonio contenuta nel materiale può essere determinata con precisione senza studiarla/campionare direttamente. Le emissioni sono state calcolate dalla raccolta, dalla produzione e dal successivo impatto del ciclo di vita sulla base di revisioni della documentazione che hanno fornito resoconti accurati dei profili di emissione dei materiali. Nei casi in cui non erano disponibili studi pertinenti, sono stati estrapolati gli impatti dei gas serra da materiali simili o correlati.

Ai fini di questo studio, i materiali con la minor quantità di dati disponibili hanno ottenuto un punteggio elevato per la mancanza di studi o documentazione esistenti. Questa ponderazione di preferenza significa che l'effettivo profilo GHG di alcuni materiali può risultare maggiore o minore della caratterizzazione iniziale. Il valore nei punteggi riflette il valore dell'apprendimento definitivo di queste informazioni, anche se un materiale selezionato risulta essere più o meno impattante di quanto potrebbe indicare la valutazione iniziale.

^[15]     Kriegh, Magwood e Srubar, 2021. Materiali per la conservazione del carbonio. https://carbonleadershipforum.org/carbon-storing-materials/

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3.5 Materiali Assemblaggi Involucro/Sistemi di costruzione

La maggior parte dei materiali da costruzione funziona come un componente in un assieme, il che significa che la valutazione di un particolare materiale richiede la comprensione di come potrebbe interagire all'interno di un assieme di costruzione rilevante come quello che si trova in un sistema di pareti, pavimenti o tetti. I materiali nuovi e trasformativi spesso richiedono un adattamento all'interno degli assemblaggi per tenere conto di caratteristiche o procedure di costruzione uniche. Il team di ricerca ha tentato di accertare il livello di facilità o difficoltà con cui ogni materiale potrebbe essere incorporato nei tipi di assemblaggio esistenti, riconoscendo che alcuni materiali richiedono requisiti minimi per la combinazione con altri componenti dell'assemblaggio (ad es. componente integrato di un assieme (ad es. isolamento in fibra sfusa). Un punteggio elevato indica la nostra scoperta che il materiale può essere utilizzato in un assemblaggio pertinente in modo semplice.

3.6 Prototipazione e potenziale di pilotaggio

Un prototipo di edificio costituisce una fase successiva desiderata di questo lavoro, quindi ogni materiale è stato considerato per la sua capacità di essere incorporato in un nuovo progetto dimostrativo. Un punteggio elevato indica che dimostrare l'uso del materiale costituirebbe un precedente. I materiali già utilizzati negli edifici hanno ottenuto il punteggio più basso. Poiché nessuno dei materiali in questo studio è stato utilizzato in modo diffuso, la variazione nei punteggi indica la relativa novità per ciascun materiale. Si noti, tuttavia, che gli edifici prototipo che incorporano uno di questi materiali, in particolare combinando alcuni o tutti, avrebbero un impatto.

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Ciascuno dei materiali in esame e infine selezionato per ulteriori indagini è stato valutato utilizzando lo strumento Materials Impact Comparison (MIC). I risultati dell'analisi MIC sono riportati di seguito.

4.1 Analisi

Lo strumento MIC è stato utilizzato per analizzare e dimostrare visivamente la classificazione dei diciassette materiali e dei tre metodi di costruzione secondo i dodici criteri chiave (vedere la sezione 3). Da questa analisi, sono stati selezionati sei materiali per ulteriori indagini, tra cui Earthen Materials (pavimenti in terra e calcestruzzo a base di argilla calcinata attivati ​​da alcali), Living Materials (mattoni/pannelli coltivati ​​con alghe e strutture di micelio) e Agricultural Products (biomassa residua e fibre appositamente coltivate).

Le carte radar MIC per ciascuno dei sei materiali sono fornite nella pagina successiva (Figura 6). I colori blu, giallo e rosso corrispondono rispettivamente ai punteggi numerici di priorità 5, 3 e 1. Le sezioni seguenti descrivono questi materiali, le loro caratteristiche e lo stadio di sviluppo. Nota che non tutti i materiali hanno un'alta priorità (mostrata in blu) in ogni categoria di criteri. Nell'esempio Earthen Floor Slab (Figura 7), il materiale è valutato con un punteggio basso (mostrato in rosso) rispetto al potenziale di accumulo di carbonio. In questo caso, il materiale stesso non immagazzina carbonio; tuttavia, l'impatto dell'utilizzo di questo materiale al posto del calcestruzzo convenzionale è molto vantaggioso perché la produzione e l'uso del calcestruzzo convenzionale comportano un'impronta di carbonio relativamente grande moltiplicata su vasta scala.

4.2 Materiali di terra

4.2.1 Pavimenti in terra

L'uso di sistemi di pavimento/fondazione con soletta in calcestruzzo contribuisce in modo significativo alle emissioni di gas a effetto serra degli edifici. Si sta facendo molto per affrontare le emissioni dal calcestruzzo, ma un'opzione che ha ricevuto troppo poca attenzione è la sostituzione del calcestruzzo con terra per i solai in lastre. Nonostante secoli di precedenti storici, sorprendentemente poca ricerca è stata dedicata all'idea in un contesto moderno. I produttori di pavimenti in terracotta contemporanei hanno incorporato importanti lezioni dall'industria del calcestruzzo sulla distribuzione delle dimensioni degli aggregati e dall'industria del linoleum sull'uso di oli durevoli a polimerizzazione naturale. Su piccola scala, i pavimenti in terracotta si sono dimostrati durevoli, impermeabili e biofili (Figura 8).

Sebbene i pavimenti in terracotta non siano essi stessi ad immagazzinare carbonio, un piccolo numero di studi LCA ha dimostrato che comportano un'impronta di carbonio molto bassa. La semplice sostituzione dei pavimenti in cemento con quelli in terra battuta potrebbe ridurre drasticamente l'impronta di carbonio complessiva di un edificio. Incorporando fibre naturali per il rinforzo e/o un aggregato per l'immagazzinamento del carbonio (come quello di Blue Planet), i sistemi di pavimento in terra battuta potrebbero anche essere resi in grado di immagazzinare il carbonio.^[16]

Tra coloro che non sono a conoscenza dei miglioramenti moderni, la nozione di un pavimento di terra tende a evocare associazioni di povertà e sporcizia, quindi l'opzione viene generalmente respinta. Per questo motivo la realizzazione di pavimenti in cotto è rimasta un mercato di nicchia, non ancora applicato all'edilizia moderna o ritenuto meritevole di studi significativi.

I vantaggi dello sviluppo di pavimenti in terracotta sono molti: non solo le materie prime sono a basso costo, non tossiche e ampiamente disponibili, ma i macchinari e le tecniche di raccolta, miscelazione e applicazione esistono già nell'industria del calcestruzzo. Uno studio approfondito per esplorare miscele e proprietà strutturali ha un forte potenziale per sbloccare una soluzione a bassa tecnologia a un problema ad alto impatto.

^[16]     Nota: la valutazione del potenziale di accumulo di carbonio mostrata nel grafico radar non include le fibre naturali per il rinforzo e/o l'uso di aggregati di accumulo di carbonio.

I cementi attivati da alcali (AAC) comprendono una classe di nuove alternative al cemento portland formate tramite attivazione alcalina, un processo che utilizza un attivatore chimico a base di alcali o sali per promuovere la dissoluzione di un precursore di alluminosilicato e la successiva precipitazione dei prodotti di reazione cementizi. Gli AAC possono essere prodotti utilizzando una varietà di precursori, con le scorie e le argille calcinate che emergono come le più sostenibili rispetto alle ceneri volanti. L'attivazione alcalina dei precursori può causare una serie di reazioni di policondensazione, in cui viene prodotta acqua come risultato della formazione del prodotto di reazione, o reazioni di idratazione simili a quelle del normale cemento Portland (OPC), in cui viene consumata acqua. Il risultato sono le stesse matrici cementizie che mostrano resistenza e durata comparabili rispetto all'OPC. Vedere la Figura 9 per un grafico MIC di questo materiale e la Figura 10 per esempi di questo materiale.

Le CAA sono alternative promettenti, sostenibili e prive di clinker all'OPC grazie al loro basso contenuto di carbonio incorporato (CO₂) emissioni. Il livello esatto di queste stime di emissione varia ampiamente, un intervallo attribuibile all'ampia varietà di precursori e fonti di attivatori alcalini disponibili per produrre CAA. Mentre molti studi suggeriscono che il carbonio incorporato nelle CAA è inferiore a quello dell'OPC, è stato trovato esattamente quanto meno varia da 10% a >90%.^[17]

Poiché l'uso di CAA al posto del calcestruzzo OPC comporta riduzioni nette di CO2 solo rispetto al calcestruzzo OPC, è stata assegnata una valutazione di 1 a questa categoria di materiale in termini di potenziale di accumulo di carbonio. il CO₂ lo stoccaggio potrebbe essere migliorato se il materiale fosse utilizzato in tandem con altre tecnologie di materiali per lo stoccaggio del carbonio, come gli aggregati e i riempitivi per lo stoccaggio del carbonio.

Vari prodotti AAC, come malte e calcestruzzo, mattoni, blocchi pieni/vuoti, tegole, calcestruzzo isolante, rivestimenti resistenti alla temperatura e blocchi per pavimentazione, hanno mostrato prestazioni paragonabili o addirittura migliori di quelle prodotte con OPC. Sebbene le proprietà fisiche e meccaniche iniziali del calcestruzzo AAC possano essere paragonabili a quelle del calcestruzzo OPC, è necessario considerare anche le stesse considerazioni sulla durabilità (ad es. corrosione indotta da cloruri, resistenza al gelo e al disgelo).

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

4.3 Materiali viventi

4.3.1 Alghe

Se la fotosintesi è vista come l'efficiente meccanismo naturale di cattura e stoccaggio del carbonio, allora le alghe sono probabilmente le campionesse della fissazione del carbonio. Le alghe sono organismi unicellulari fotosintetici simili alle piante. L'elevata efficienza di fissazione del carbonio della coltivazione all'aperto di alghe (~200 tCO2/ettaro/anno) è dovuta in gran parte alla crescita esponenziale e all'efficienza di fissazione del carbonio delle cellule algali, che a confronto fa impallidire l'efficienza di fissazione del carbonio delle foreste (~3 tCO2/ettaro/anno).

La coltivazione su larga scala di alghe per la produzione di biocarburanti avanzati è già in corso in molte regioni degli Stati Uniti. Un vantaggio della coltivazione di alghe all'aperto è che può essere praticata su terreni non coltivabili. Pertanto, la coltivazione delle alghe non deve competere con l'agricoltura e la produzione alimentare per la terra e le risorse idriche.

Sebbene gran parte della biomassa algale sia attualmente convertita in combustibili e/o incenerita per la coproduzione di bioenergia, la biomassa algale può anche essere utilizzata per creare una miriade di materiali che immagazzinano carbonio o a emissioni zero. Il biochar algale può essere utilizzato in materiali da costruzione ad alte prestazioni (ad es. cemento, nanofibre di carbonio). Pannelli di alghe traslucidi sono stati utilizzati per creare facciate in applicazioni di illuminazione diurna da studi di architettura e ingegneria di livello mondiale (Arup ed Ecologic Studio).^[18]  I sistemi algali sono stati progettati per supportare la purificazione dell'aria interna (AlgenAir).^[19]

4.3.1.1 Mattoni e pannelli coltivati con alghe

Attualmente, nuove startup stanno commercializzando tecnologie di materiali derivati da alghe a basso contenuto di carbonio e ad accumulo di carbonio in prodotti come mattoni e pannelli coltivati con alghe, descritti di seguito. Cresciuti da una miscela di sabbia, sole, acqua di mare e cianobatteri, questi "mattoni viventi" sono un'alternativa simile al cemento che può essere coltivata su richiesta. Esistono molteplici prove di concetto e il team dell'Università del Colorado Boulder ha concesso in licenza la tecnologia a Prometheus Materials, una start-up in fase iniziale che stabilisce una produzione su scala pilota. Vedere la Figura 11 per un grafico radar MIC per questo materiale. I ricercatori dell'Università del Colorado Boulder hanno prodotto mattoni coltivati con alghe utilizzando cianobatteri biomineralizzanti (Figura 12).

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

^[19]     https://algenair.com/

4.3.1.2 Riempitivi calcarei ad accumulo di carbonio e altri materiali derivati da alghe per cemento e calcestruzzo

I ricercatori del Living Materials Laboratory dell'Università del Colorado Boulder stanno anche usando le alghe come materiale di partenza per una serie di altri materiali da costruzione all'avanguardia, che immagazzinano carbonio e carbon neutral. Le alghe grezze vengono utilizzate negli additivi chimici per la conservazione del carbonio per il calcestruzzo. Le diatomee fotosintetiche appena coltivate, le microalghe silicee, vengono esplorate come un'alternativa sostenibile ai materiali cementizi supplementari come ceneri volanti o scorie. Il laboratorio utilizza anche coccolitofori fotosintetici (microalghe calcaree), come riempitivi calcarei per produrre un cemento biogenico di tipo 1L a zero emissioni di carbonio su larga scala, lavorando in collaborazione con Minus Materials, una società in fase iniziale. I ricercatori dell'Arup e della University of Technology di Sydney hanno anche esplorato l'intersezione tra alghe viventi e sistemi edilizi. Il progetto SolarLeaf di Arup è stato il primo sistema di facciate viventi al mondo che coltiva microalghe per generare calore e biomassa come fonti di energia rinnovabile. Vedere la Figura 13 per un grafico radar MIC dei riempitivi calcarei che immagazzinano carbonio e la Figura 14 per un'immagine illustrativa della coltivazione di micro e macroalghe.

4.3.2 Micelio (e substrati) - Struttura del tubo

L'ultimo decennio ha visto un'ondata di esplorazioni sull'uso del micelio - la struttura "radice" dei funghi - come potenziale materiale da costruzione. I potenziali vantaggi sono molti: si tratta di un materiale per l'immagazzinamento del carbonio appositamente coltivato che sposta il paradigma della raccolta di materie prime dalla terra e dell'induzione di cambiamenti nell'uso del suolo a favore della coltivazione di materiali a crescita rapida in un ambiente chiuso e controllato che può essere replicato ovunque a una gamma di scale. Le caratterizzazioni iniziali dei materiali indicano che il micelio è naturalmente resistente al fuoco e alla putrefazione, tipicamente coltivato in un substrato di residui agricoli e fornisce vantaggi in termini di stoccaggio del carbonio. Vedere la Figura 15 per un grafico MIC di questo materiale e la Figura 16 per un esempio visivo.

Le prime applicazioni per i materiali da costruzione in micelio sono state come isolanti. Questo materiale ha il potenziale per sostituire prodotti ad alta intensità di carbonio come la schiuma petrolchimica e la fibra minerale. Questo percorso per i prodotti a base di micelio è molto promettente e le nostre esplorazioni sui sistemi di recinzione a pannelli indicano un ruolo centrale e vitale per l'isolamento del micelio.

Un impatto potenziale maggiore potrebbe derivare dallo sviluppo di componenti strutturali realizzati con il micelio. Alcune iterazioni su piccola scala di tubi strutturali e materiali a blocchi attestano il loro potenziale per sostituire materiali ad alto impatto come l'acciaio strutturale e la muratura. Tali usi del micelio sono in fasi nascenti di esplorazione ma mostrano un potenziale rivoluzionario e costituiscono quindi un punto focale per questo studio. L'Università del Colorado Boulder e l'Endeavour Center stanno già collaborando con Okomwrks,^[20]  una piccola start-up, per esplorare la fattibilità e le applicazioni dei materiali strutturali a base di micelio.

^[20]     Vedere https://www.okomwrks.co per ulteriori informazioni sul micelio strutturale.

4.4 Prodotti agricoli

4.4.1 Biomassa residua^[21]

Miliardi di tonnellate di CO2 vengono estratte dall'atmosfera ogni anno dalle colture agricole, la maggior parte di questa vegetazione non è commestibile. Bruciare o marcire poco dopo il raccolto fa sì che questo consistente pool di residui agricoli rilasci il proprio carbonio nell'atmosfera. Ulteriori miliardi di tonnellate di carbonio vengono restituiti all'atmosfera ogni anno dai nostri rifiuti e dai flussi di riciclaggio di prodotti di biomassa come carta, cartone e tessuti. Complessivamente, questi residui offrono un enorme potenziale per immagazzinare in modo duraturo alcuni di questi miliardi di tonnellate di carbonio nei materiali da costruzione senza ulteriori cambiamenti nell'uso del suolo o un aumento delle emissioni di produzione. Vedere la Figura 17 per un grafico MIC dei pannelli di paglia e la Figura 18 per un esempio visivo.

La valutazione e l'uso appropriato del carbonio immagazzinato in questa biomassa potrebbe fungere da importante motore per un uso più diffuso nel settore edile. Lo stoccaggio netto di carbonio nei materiali residui è intrinsecamente elevato poiché le emissioni relativamente basse dei materiali di base sono "divise" tra l'uso primario - come cibo - e la produzione di residui, mentre gli input di produzione tendono ad essere bassi. Confronti di studi LCA^[22] e un numero limitato di EPD mostra costantemente che i materiali residui offrono il più alto stoccaggio netto di carbonio nelle loro categorie di materiali.

I materiali residui sono disponibili in una vasta gamma di forme. Storicamente, le fibre residue che vanno dalla cellulosa della carta da giornale agli scarti del denim sono state riciclate come isolanti e ovatta. I residui agricoli, in particolare la paglia di grano, hanno una lunga storia di utilizzo, spesso come materiale isolante semi-strutturale. L'uso di questi materiali da parte di un certo numero di startup di pannelli per pareti e tetti ha dimostrato risultati di alto accumulo di carbonio in componenti edili durevoli e convenienti. I materiali residui sono stati utilizzati anche in compositi e prodotti in fogli, in cui vengono utilizzate una varietà di colle per legare le fibre. Questi prodotti sono stati fabbricati commercialmente su piccola scala ma devono ancora raggiungere il loro potenziale.

I pool disponibili e potenziali di biomassa residua sono stati studiati a fondo da governi e organizzazioni interessati al loro potenziale come fonti di energia. Negli Stati Uniti, una contabilità accurata degli stock di biomassa può essere trovata a livello di contea per contea e indica che centinaia di milioni di tonnellate sono disponibili in modo sostenibile su base annua.^[23]

Questa vasta categoria di materiali spazia dai gusci di noce che possono sostituire l'aggregato di calcestruzzo alle lunghe fibre vegetali con potenziale strutturale da utilizzare come isolante. L'esplorazione dei materiali residui nei pannelli di recinzione degli edifici strutturali/isolati, con particolare attenzione ai prodotti in paglia di grano, è molto promettente a causa della loro disponibilità globale e del successo dello sviluppo su piccola scala già in corso.

^[21]     https://gramitherm.ch/?lang=en Un'azienda europea apre la sua seconda fabbrica per la produzione di isolamento da erba tagliata sui bordi delle strade comunali e aeroportuali.

^[22]     Queste EPD e LCA si basano sul database dello strumento BEAM di Builders for Climate Action che sarà pubblicamente disponibile nell'inverno del 2021. Lo strumento BEAM di Builders for Climate Action, https://www.buildersforclimateaction.org/

^[23]     La promessa della biomassa dell'Unione degli scienziati interessati https://docs.house.gov/meetings/IF/IF03/20130723/101184/HHRG-113-IF03-20130723-SD024.pdf

​​Le fibre possono essere coltivate appositamente per fornire materiali da costruzione, con colture come bambù e sughero che sono state raccolte per secoli. La canapa, una relativamente nuova arrivata in questo spazio, è stata notata per il grande potenziale sia della sua fibra che del hurd (nucleo) della pianta. Vedere la Figura 19 per un grafico MIC di questo materiale e la Figura 20 per un esempio.

Il bambù può essere utilizzato come materiale strutturale sotto forma di pali e travi laminati, pannelli laminati incrociati e guaine strutturali. I progetti che utilizzano questi materiali hanno dimostrato il potenziale per sostituire materiali ad alto impatto come acciaio e cemento, nonché materiali a base di legno con incerti vantaggi in termini di accumulo di carbonio.

Hempcrete, costituito da paglia di canapa rivestita in un legante a base di calce, è un materiale isolante semi-strutturale che dimostra un grande potenziale per combinare lo stoccaggio del carbonio del materiale a base vegetale con un'eccellente resistenza al fuoco e all'umidità. Le esplorazioni di questo materiale possono comprendere la sostituzione di altri residui vegetali concisi come girasole, tabacco e cavoli.

Il potenziale di stoccaggio del carbonio di questi materiali appositamente coltivati rivaleggia con quello della biomassa residua, ma comporta un'ulteriore responsabilità per garantire che gli impatti associati all'uso del suolo non si aggiungano agli oneri climatici o ecologici. Pratiche sostenibili e rigenerative possono amplificare i vantaggi di stoccaggio del carbonio di questi materiali, ma lo spostamento degli attuali terreni alimentari e forestali per fornire materiali da costruzione potrebbe negare i loro benefici. Sebbene si raccomandi un approccio equilibrato, è chiaro il vantaggio superiore dell'utilizzo di residui di rifiuti rispetto alla coltivazione di materiali appositamente coltivati su terreni coltivabili.

4.5.1 Stampa 3D

Dall'inizio degli anni 2000, la stampa 3D di interi edifici e componenti dell'edificio si è verificata a livello sperimentale, con il potenziale per aumentare la velocità di costruzione riducendo i costi di manodopera e migliorando la precisione.^[24]

Gli attuali sforzi di stampa 3D tendono a fare affidamento su materiali da costruzione con elevate emissioni di carbonio incorporate, in particolare cemento e plastica petrolchimica, in genere in formulazioni che generano emissioni di carbonio ancora più elevate a causa dei requisiti di plasticità degli ugelli di stampa. Indipendentemente da altre efficienze che possono essere ottenute utilizzando tecniche di stampa 3D, fino a quando non verranno affrontate le emissioni dei materiali di stampa grezzi, questa tecnologia non si tradurrà in edifici che immagazzinano carbonio.

Alcuni sforzi sono stati fatti, in particolare da WASP in Italia,^[25] impiegare l'argilla come mezzo di stampa. Come notato nella sezione 4.2.1 di questo rapporto, le materie prime della terra producono emissioni di materiale eccezionalmente basse e sono disponibili ampiamente e in tutto il mondo. Forse questo tipo di stampa 3D per gli edifici potrebbe combinare i vantaggi a basso spreco di questa tecnica con emissioni iniziali ridotte.

Dobbiamo notare, tuttavia, che indipendentemente dai materiali utilizzati, la stampa 3D di interi edifici viene generalmente realizzata come una costruzione continua e monolitica. Qualsiasi edificio così creato è difficile da modificare in futuro e non si presta ai metodi di costruzione DfD, limitando la durata dei materiali alla loro forma attuale nella loro posizione attuale. Inoltre, la gamma di materiali strutturali densi attualmente utilizzati per la stampa 3D non offre praticamente alcun valore di isolamento. Questo approccio di "massa termica" può essere appropriato in determinate zone climatiche, ma in generale qualsiasi edificio stampato in 3D richiederà una strategia di isolamento e rivestimento che potrebbe cancellare parte o tutta la velocità e la riduzione del lavoro ottenute dalla stampa 3D. Vedere la Figura 21 per un grafico MIC di questa tecnologia e la Figura 22 per un esempio visivo.

È probabile che un impatto più positivo della stampa 3D si trovi nell'usarla per creare componenti di edifici costruiti in fabbrica. In un'impostazione di fabbrica, le stampanti potrebbero incorporare una gamma più ampia di materiali e componenti e consentire l'assemblaggio robotico di componenti in sezioni più grandi, pannelli prefabbricati o componenti modulari che si prestano ai metodi DfD.

^[24]     Per ulteriori informazioni, vedere https://doi.org/10.1080/24751448.2018.1420968

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

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La principale incertezza con l'uso di materiali da costruzione che immagazzinano carbonio biogenico è tenere conto di un percorso per il carbonio immagazzinato alla fine del prodotto e/o della durata della vita dell'edificio. Modelli di contabilità climatica come il Metodo Moura Costa indicano che una tonnellata di carbonio biogenico immagazzinata per 40-50 anni – ben all'interno della durata di vita della maggior parte degli edifici – ha l'impatto climatico equivalente a prevenire una tonnellata di riduzione delle emissioni.

La maggior parte degli edifici viene demolita per far posto a nuove costruzioni e non perché hanno raggiunto la fine del loro ciclo di vita sicuro. DfD consente un'alternativa preferibile alla rimozione dei componenti dell'edificio in modo che possano essere riutilizzati nella loro forma esistente senza necessità di riciclaggio. L'immagine grafica mostrata nella Figura 23 suggerisce che è possibile uno stoccaggio significativo del carbonio quando si prende in considerazione la progettazione per lo smontaggio e il riutilizzo.

DfD può funzionare a una vasta gamma di scale, dalle finiture rimovibili (che consentono piccole ristrutturazioni edilizie senza demolire i materiali esistenti) alle partizioni interne mobili (che consentono la riconfigurazione degli spazi interni) ai telai strutturali e ai sistemi di recinzione che possono essere smontati e ricostruiti nella loro esistente forma o adattato a nuove forme edilizie.

Gli edifici in generale sono insoliti in questo senso: mancano dei componenti rimovibili e sostituibili progettati nella maggior parte dei prodotti fabbricati. Se un'automobile fosse costruita come un edificio, dovremmo tagliare il cofano e sostituirlo con uno nuovo ogni volta che volessimo controllare il motore. Ogni parte di un'automobile può essere rimossa e sostituita; una volta che un'auto non è più idonea alla circolazione su strada, diventa una fonte di parti per auto funzionanti. DfD emula questa premessa di base e la applica a materiali e componenti da costruzione. Consentendoci di estendere la durata potenziale del carbonio immagazzinato in un componente riutilizzabile oltre la durata di un singolo edificio, DfD estende la residenza del carbonio immagazzinato da un tipico 60-80 anni per raddoppiare o triplicare tale valore.

Ogni aspetto della conoscenza progettuale e della tecnologia costruttiva necessaria per rendere gli edifici completamente smontabili esiste già. I vantaggi di questo approccio vanno ben oltre l'estensione del valore del carbonio immagazzinato, poiché garantisce a materiali e interi edifici un valore precedentemente non considerato oltre quello di un bene fisso con una durata di vita finita. Vedere la Figura 24 per un grafico MIC di questo metodo e la Figura 25 per un esempio di costruzione prefabbricata.

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7 Le fondamenta e le solette degli edifici sono generalmente i maggiori contribuenti alle emissioni di carbonio incorporate. Se lo stesso volume di spazio e superficie può essere progettato in un edificio con fondamenta più piccole, l'impronta di carbonio complessiva dell'edificio è ridotta. Poiché i codici energetici diventano sempre più rigorosi e i materiali e gli assemblaggi delle pareti continuano a migliorare con migliori valori di isolamento e tenuta all'aria, i sistemi di rivestimento con accumulo di carbonio sono ben posizionati per migliorare le prestazioni complessive degli edifici in termini di carbonio sia operativo che incorporato.

Il primo volume degli edifici del progetto con un'analisi del ciclo di vita di alto livello sarà in grado di fornire un ampio feedback sulle potenziali riduzioni di carbonio ottenibili attraverso la progettazione verticale. I valori di stoccaggio del carbonio per sistemi di rivestimento e recinzione innovativi possono fornire un feedback sul potenziale aumento dello stoccaggio complessivo che accompagnerebbe i progetti verticali.

I progetti verticali possono anche essere più efficienti dal punto di vista energetico e in grado di beneficiare dell'effetto camino e di altri sistemi di ventilazione e riscaldamento passivi. Vedere la Figura 26 per un grafico MIC di questa strategia e la Figura 27 per un esempio di considerazioni di progettazione per l'architettura verticale.

4.6 Discussione

4.6.1 Fondazioni: terra/calcestruzzo esente da cemento

Il WBLCA per l'edificio industriale leggero in esame nello studio sui materiali per la conservazione del carbonio^[26] ha mostrato che i pavimenti in lastre di cemento sono responsabili di emissioni per un totale di 2,48 milioni di tonnellate di CO2e, che rappresentano quasi 25% dell'impronta di carbonio totale dell'edificio. Essendo la principale fonte di emissioni nell'edificio campione, questo componente deve essere affrontato. Anche se un materiale sostitutivo non immagazzinasse completamente il carbonio, si otterrebbe una riduzione sostanziale di queste emissioni, consentendo all'intero edificio di raggiungere più facilmente lo stoccaggio netto del carbonio.

^[26]     Kriegh, Magwood e Srubar, 2021. Materiali per la conservazione del carbonio. https://carbonleadershipforum.org/carbon-storing-materials/

4.6.2 Pavimenti in terra

Gli attuali dati LCA per i pavimenti in terra battuta indicano un'impronta di carbonio di ~3,5 kgCO2e/m3, rispetto a ~290 kgCO2e/m3 per un tipico pavimento in lastre di cemento, pari a una riduzione di 98% dell'impronta di carbonio. In questo modo si potrebbero eliminare milioni di tonnellate di emissioni da ogni solaio. Una quantità relativamente piccola di aggregato di accumulo di carbonio (da Blue Planet o sabbia di alghe) farebbe cadere un pavimento di terra in un accumulo di carbonio netto, con il volume dell'aggregato variato per soddisfare un determinato obiettivo di stoccaggio del carbonio per l'intero edificio. Sebbene la disponibilità e il costo degli aggregati per l'immagazzinamento del carbonio possano porre problemi, piccole quantità per avere un grande impatto nei pavimenti in terra battuta servirebbero come un buon uso iniziale di questi materiali.

4.6.2 Calcestruzzo attivato con alcali (senza cemento)

Gli studi LCA esistenti hanno dimostrato che il carbonio incorporato nel calcestruzzo attivato con alcali può essere significativamente inferiore a quello del tradizionale calcestruzzo di cemento Portland. Come notato in precedenza, i dati di più studi suggeriscono che il carbonio incorporato nel calcestruzzo AAC può essere compreso tra ~ 10 - 97% inferiore a quello del calcestruzzo tradizionale. Esiste una gamma così ampia di stime delle emissioni di CO2 a causa dell'ampia varietà di precursori e di fonti di attivatori alcalini disponibili. Indipendentemente da ciò, la produzione di calcestruzzo AAC produrrebbe solo riduzioni del carbonio incorporato – non stoccaggio netto – a meno che non venisse utilizzato un aggregato di stoccaggio del carbonio per compensare le emissioni rimanenti.

4.6.3 Struttura: tubi di micelio/mattoni di alghe​

I componenti strutturali in acciaio nell'attuale progetto di edificio di riferimento contribuiscono con 1,3 milioni di tonnellate di emissioni, che rappresentano circa 15% delle emissioni totali dell'edificio e comprendono la terza categoria di impatto. I ricercatori stanno esplorando la produzione di pareti portanti coltivate con micelio o alghe, inclusa la loro formazione in una massa densa con capacità portanti adatte a sistemi di pareti portanti. Questa prospettiva viene esplorata in due forme: micelio cresciuto in forme tubolari e cresciuto in mattoni che vengono compressi. Entrambi i metodi producono un materiale a base di micelio con maggiore densità e proprietà strutturali.

I materiali di micelio vengono coltivati in una matrice ricca di carbonio di materia vegetale secca come paglia, canapa, trucioli di legno e/o gusci di noci. Il micelio non cresce tramite la fotosintesi, quindi l'accumulo di carbonio in questi materiali si verifica quando il micelio scompone il contenuto di carbonio della materia vegetale e incorpora parte di questo carbonio per la propria crescita. Il micelio non assorbe carbonio aggiuntivo dall'atmosfera, quindi il valore dei materiali di micelio risiede nella loro capacità di trasformare le fibre biogeniche sciolte in un materiale coerente con un costo di carbonio aggiuntivo minimo. Come con i materiali che utilizzano la colla per far aderire le fibre sciolte, lo stoccaggio netto di carbonio dei materiali del micelio dipende dal profilo di emissione del processo di produzione (in questo caso, crescita). Gli impatti del processo di produzione devono essere ulteriormente studiati per garantire che questi materiali mantengano un profilo netto di stoccaggio del carbonio.

4.6.4 Involucro: pannelli in fibra / pannelli in alghe

I materiali di protezione termica e dall'umidità nell'edificio di riferimento contribuiscono con 2,43 milioni di tonnellate di emissioni, che rappresentano 24% del totale e comprendono la seconda categoria di materiali più impattanti. I pannelli in fibra offrono un percorso per eliminare completamente queste emissioni e offrono una grande quantità di stoccaggio del carbonio. L'EPD dei pannelli per pareti a base di paglia di Ecococon mostra uno stoccaggio netto di 88 kgCO2e/m2 di superficie muraria, indicando che in questa categoria è possibile un alto grado di stoccaggio del carbonio.

Come compositi di una serie di materiali distinti, i pannelli in fibra sono di particolare interesse quando ogni elemento contribuisce allo stoccaggio complessivo del carbonio, come può essere ottenuto attraverso un'ampia gamma di opzioni di materiali individuali. Il fatto che ogni iterazione si traduca in prestazioni leggermente diverse e caratteristiche di immagazzinamento del carbonio può offrire un vantaggio, consentendo la sostituzione di materiali disponibili a livello regionale all'interno di una dimensione del pannello e un indice di prestazione standardizzati, ma può anche rendere difficile la sintesi di questa categoria di materiali. Ciascuno di questi materiali/sistemi richiede diversi gradi di umidità e prove/protezione al fuoco che variano in base all'applicazione. L'esplorazione di questi problemi esula dallo scopo di questo studio.

I pannelli di recinzione sono composti da quattro elementi di base, ciascuno dei quali potrebbe essere realizzato con diversi materiali a base di fibre:

1. Telaio strutturale. I prodotti di questa categoria attualmente si basano su telai in legno (legname dimensionale o prodotti in legno ingegnerizzato), ma questi potrebbero essere potenzialmente sostituiti con canapa, bambù o altri materiali in fibra strutturale, comprese le strutture di tubi di micelio.
2. Guaina interna ed esterna. I prodotti di questa categoria attualmente si basano su prodotti in legno (compensato o OSB), ma questi potrebbero essere potenzialmente sostituiti con fibre legate a colla o micelio di vario genere. I prodotti di rivestimento sono già realizzati con un'ampia varietà di residui agricoli, tra cui paglia, canapa, stufato di mais, bagassa da zucchero, gambi di girasole, gusci di noci e molte altre fonti di fibre regionali. Anche le fibre del flusso di scarto come scatole per bere e tessuti sono state riciclate come materiali di rivestimento efficaci.
3. Isolamento. Una vasta gamma di materiali isolanti che immagazzinano carbonio può riempire i pannelli. Le opzioni esistenti come la cellulosa (da carta e/o cartone riciclati) offrono un percorso comprovato a basso costo con un buon potenziale di stoccaggio del carbonio. Quasi ogni fibra di scarto o residuo ha il potenziale per isolare, con esempi su piccola scala di paglia, canapa e tessuti di scarto che dimostrano valori netti di stoccaggio del carbonio elevati.
4. Rivestimento. Le finiture esterne e interne possono anche immagazzinare carbonio. Gli approcci convenzionali includono il rivestimento in legno e, in misura minore, il sughero. Anche i materiali compositi derivati da carta, cartone, gusci di riso, paglia e fibre di canapa sono stati trovati vitali.

Ogni variazione del pannello in fibra avrebbe il suo valore di stoccaggio del carbonio e le implicazioni per la scienza dell'edilizia. Identificare le combinazioni di pannelli in fibra con il maggior potenziale aiuterebbe a far evolvere questa categoria di materiali. Inoltre, lo sviluppo di uno studio prototipo per la prefabbricazione (comprensivo di una varietà di configurazioni di pannelli) e opzioni DfD garantirebbe che la durata di vita di questi componenti dell'edificio si estenda oltre quella di una singola struttura.

Questo studio raccomanda che i leader dell'edilizia o del settore, in quanto utenti finali interessati a prodotti innovativi per l'edilizia con accumulo di carbonio che devono ancora scalare fino al punto di approvvigionamento diretto, considerino le seguenti regole di impegno prima della prototipazione e della sperimentazione pilota di tecnologie dei materiali emergenti.

5.1 Regole di ingaggio per l'accelerazione e gli accordi di non divulgazione

5.1.1 Impegnarsi direttamente con i produttori di prodotti per l'edilizia innovativi che immagazzinano carbonio.

L'impegno diretto richiederà probabilmente il completamento di memorandum d'intesa (MOU) accordi di non divulgazione (NDA) tra clienti e produttori di edifici o materiali. Questo NDA consentirà una comunicazione chiara e trasparente in merito all'attuale maturità della tecnologia dei materiali e consentirà ai produttori di divulgare completamente l'attuale scala di produzione, i test completati e pianificati e le certificazioni ottenute o ancora da ottenere, nonché il costo e le tempistiche associate a ciascuno. I MOU e/o le NDA definiranno anche i termini di un accordo di proprietà intellettuale (IP) tra le due parti.

5.1.2 Selezionare tra due percorsi per la partnership con i produttori durante l'anno fiscale (FY) 2022: selezione diretta o richiesta di proposte (RFP).

La selezione diretta comporterebbe un cliente dell'edilizia o dei materiali che sceglie 1-2 produttori con cui interagire durante l'anno fiscale 2022. Al contrario, un processo RFP getterebbe una rete più ampia e consentirebbe ai clienti dell'edilizia o dei materiali di chiedere informazioni specifiche, compresa l'attuale scala di produzione, test e certificazione, nonché strutture e partnership attuali/esistenti che potrebbero essere sfruttate durante l'anno fiscale 2022. La richiesta di offerta potrebbe essere emessa solo su invito, consentendo ai clienti dell'edilizia o dei materiali di combinare la selezione diretta con il processo di richiesta di offerta. Un cliente di un edificio o di un materiale potrebbe quindi ottenere informazioni sul livello di prontezza tecnologica (TRL) di vari materiali prima della loro selezione per l'incarico FY 2022 e farlo senza prima completare il processo MOU o NDA. Un tale processo ibrido (RFP solo su invito) consentirebbe ai clienti dell'edilizia o dei materiali di selezionare non solo i produttori con materiali nuovi o su scala di laboratorio/banco (ad es. pannelli).

5.2 Prototipazione, implementazione e utilizzo desiderato

5.2.1 Definizione di obiettivi e aspettative.

Una volta selezionato per l'impegno per l'anno fiscale 2022, ogni produttore discuterà con i clienti dell'edilizia o dei materiali obiettivi e aspettative specifici e realistici per la prototipazione in base a ciò che i clienti dell'edilizia o dei materiali immaginano come l'applicazione finale desiderata. Questi obiettivi e aspettative dovrebbero allinearsi ai valori e ai criteri di selezione dei clienti dell'edificio o dei materiali (ad es. potenziale di accumulo di carbonio, investimento ad alto rischio/rendimento elevato, potenziale di impatto).

5.2.2 Impostazione di un ambito di lavoro.

Una chiara discussione degli obiettivi e delle aspettative consentirà ai produttori di stabilire un ambito di lavoro (SOW) di 9-12 mesi e una proposta di costo in linea con i requisiti di utilizzo finale dei clienti dell'edilizia o dei materiali, nonché qualsiasi partnership suggerita o obbligatoria che edificio o materiale richiesto dai clienti (ad es. progettazione/produzione, ricerca e sviluppo, prototipazione/assemblaggio). i clienti di edifici o materiali dovrebbero anche richiedere altri termini di impegno come una riunione di avvio del progetto, la frequenza delle riunioni, le revisioni dei progressi e i risultati finali.

5.3 Prototipazione e test pilota

5.3.1 Piani per la prototipazione

Il SOW e la proposta di costo delineata da ciascun produttore devono essere presentati e approvati dai clienti dell'edilizia o dei materiali. Il SOW dovrebbe delineare chiaramente i piani per la prototipazione e/o il test pilota che si allineino con gli obiettivi, le aspettative e i requisiti di utilizzo finale dei clienti dell'edificio o del materiale.

5.3.2 Finanziamento dei test pilota

Una volta approvato il SOW, i leader del settore tecnologico verseranno i fondi direttamente al produttore per avviare e completare il SOW in collaborazione con i partner di progettazione, ricerca e sviluppo e prototipazione/assemblaggio suggeriti (ad esempio, identificati in questo studio) o selezionati dalla costruzione leader del settore.

5.4 Test di conformità e certificazioni richieste e desiderate (opportunità/barriera) in generale

5.4.1 Test di conformità e certificazioni possono essere richiesti per qualsiasi nuovo materiale da utilizzare sui progetti.

I test e le certificazioni possono richiedere supporto finanziario, tempistiche di progetto più lunghe durante l'adozione anticipata e lavorare con i funzionari del codice per fornire istruzione e sviluppare percorsi di conformità standard.

5.4.2 L'accettazione del legno lamellare incrociato (CLT) fornisce un esempio per nuovi materiali.

​CLT è stato riconosciuto negli anni 2000 come un nuovo sistema costruttivo dall'industria del legno e da architetti e ingegneri interessati ad esplorare questa nuova soluzione di materiale. Tuttavia, i regolamenti edilizi esistenti prevedevano significative limitazioni di altezza per gli edifici in legno. Mentre le organizzazioni commerciali del settore hanno contribuito a supportare i test per verificare le prestazioni, architetti e ingegneri volontari hanno organizzato (ad esempio, il gruppo di lavoro Mass Timber di Seattle AIA), condividendo risorse e unendo codici e comitati standard per sostenere l'uso di questa nuova soluzione materiale. Tale supporto da parte degli utenti dei prodotti in legno è stato determinante per ottenere le modifiche al codice. Per scalare rapidamente un numero maggiore di materiali per raggiungere gli obiettivi climatici sarà necessario un supporto diretto simile. Il Carbon Leadership Forum si concentra sulla fornitura di supporto tecnico per gli sforzi politici emergenti e sull'informazione e il coinvolgimento dei professionisti del settore edile attraverso la nostra rete globale e gli hub regionali.

5.5 Test di conformità, costi correlati e pianificazione

In un dato momento, ogni nuova tecnologia dei materiali è situata su un continuum di ricerca e sviluppo che alla fine determina quali test di conformità, se del caso, devono essere completati prima che un produttore produca un prodotto minimo vitale (MVP). Eventuali norme e certificazioni applicabili devono essere ottenute anche prima dell'applicazione industriale. Ad esempio, alcuni prodotti richiedono test strutturali mentre altri richiedono test di conduttività termica, valutazioni di umidità, muffe e funghi, valutazioni di fuoco e/o test acustici. Quasi tutti trarrebbero beneficio da una Dichiarazione Ambientale di Prodotto (EPD). Per confermare l'impatto ambientale della produzione dei materiali e l'impatto sull'uso/fine del ciclo di vita, le valutazioni del ciclo di vita ambientale dovrebbero essere eseguite durante tutto il processo di sviluppo del prodotto. Quali test, standard e certificazioni sono già stati completati e quali devono ancora essere completati determineranno in definitiva i costi dei test di conformità. Inoltre, la tempistica per l'acquisizione di fondi, la pianificazione dei test e la produzione dei risultati modellerà il programma per la produzione su vasta scala.

5.6 Considerazioni sulla prototipazione per i componenti negli assiemi

Le considerazioni sulla prototipazione includono non solo i test sui materiali, come descritto sopra, ma anche i test sul materiale come componente di un assieme. I test di assemblaggio sono fondamentali per raggiungere gli obiettivi di Microsoft per la produzione accelerata e l'uso di materiali per la conservazione del carbonio. Pertanto, sono necessari più modelli o prototipi per ogni test e spesso entrano in gioco considerazioni sui costi poiché ogni modello viene testato fino al fallimento.

5.7 Potenziale di scalabilità della produzione e della catena di fornitura

Affinché i materiali trasformativi possano scalare e diventare disponibili nel mercato generale dei materiali da costruzione richiede che convergano quattro fattori principali: (1) una maggiore consapevolezza del materiale all'interno del settore edile, (2) una domanda di mercato dimostrata per materiali per giustificare lo sviluppo di infrastrutture di produzione, ( 3) rimozione degli ostacoli all'adozione delle policy e (4) comprensione e mitigazione delle preoccupazioni degli utenti.

5.7.1 Maggiore consapevolezza

Affinché i nuovi materiali possano essere utilizzati in modo più ampio, architetti, ingegneri, appaltatori (AEC) e altri nel settore dell'edilizia devono essere consapevoli dei loro vantaggi e sentirsi sicuri che un progetto in cui sono specificati avrà successo. Le strategie per aumentare la consapevolezza includono:

• Mappare la disponibilità di materiali per connettere i professionisti AEC con materiali e produttori nelle loro regioni e limitare le preoccupazioni sulla disponibilità di risorse di materie prime/capacità di scala (più discusso nella Sezione 7);
• Costruire edifici di alto profilo come prototipi per fornire casi di studio su come il materiale può essere utilizzato e un modello per i dettagli costruttivi su progetti futuri; e
• Sviluppo di assemblaggi o componenti che facilitano l'uso di nuovi materiali integrandoli nei processi di progettazione e costruzione esistenti (ad esempio, assemblaggi di pareti che includono un nuovo materiale per facciate per eliminare la necessità di ricercare e sviluppare nuove tecniche di impermeabilizzazione.

5.7.2 Domanda di mercato dimostrata

Ridimensionare le catene di produzione e fornitura di nuovi materiali richiede un investimento importante da parte dei produttori che può essere difficile da azzardare se mancano di certezze sul mercato per i loro materiali. Le politiche pubbliche e gli impegni di sostenibilità aziendale che richiedono riduzioni dell'impronta di carbonio di progetti o materiali sono fondamentali per dimostrare la domanda del mercato per lo sviluppo di questi materiali.

5.7.3 Rimozione degli ostacoli alla politica

Le politiche pubbliche e aziendali creano ostacoli alla scalabilità rendendo il processo troppo costoso o limitando i mercati/progetti in cui è possibile utilizzare i materiali. Gli ostacoli alle politiche pubbliche includono test e percorsi di conformità eccessivamente estesi (come discusso sopra), ma possono anche includere l'esclusione di nuovi materiali dalle politiche climatiche a causa della mancanza di consapevolezza. Lo sviluppo dei dati di valutazione del ciclo di vita già richiesti per altri materiali (come le dichiarazioni ambientali di prodotto) per documentare la conformità alle politiche sul carbonio incorporato è la chiave per comunicare il valore di questi materiali e la necessità che vengano aggiunti alle politiche mirate alla riduzione del carbonio incorporato.

Le politiche aziendali creano ostacoli anche per le aziende più piccole che cercano di essere selezionate per un progetto. Alcuni degli stessi requisiti volti ad aumentare la sostenibilità delle catene di approvvigionamento e fornitura di un'azienda, come richiedere la certificazione di un impianto di produzione o un codice di condotta per i fornitori, possono presentare barriere per le piccole aziende che non hanno ancora le risorse per sviluppare sofisticati sistemi di gestione per la responsabilità ambientale e sociale. I team di approvvigionamento aziendale possono prendere in considerazione l'adozione di percorsi alternativi per le aziende più piccole o più nuove durante la scalata, ad esempio consentire a una percentuale del budget di un progetto di andare a organizzazioni piccole o in crescita che soddisfano i requisiti climatici o di giustizia sociale.

​5.7.4 Indagine per comprendere e mitigare le preoccupazioni degli utenti

Le preoccupazioni e le percezioni degli utenti sui rischi derivanti dall'utilizzo di un nuovo materiale rappresentano un ostacolo significativo all'implementazione di nuovi materiali. I professionisti AEC possono esitare a utilizzare nuovi materiali con prestazioni o caratteristiche estetiche sconosciute. Identificare le preoccupazioni degli utenti è un primo passo fondamentale per mitigare i timori sull'utilizzo di nuovi materiali, da affrontare tramite risorse educative e formazione. Le strategie identificate per aumentare la consapevolezza dei nuovi materiali nella sezione precedente svolgerebbero anche un ruolo chiave nel mitigare le preoccupazioni degli utenti. Meglio ancora, la gestione di un sondaggio a livello di settore per comprendere i valori sottostanti, le motivazioni e le preoccupazioni percepite sull'uso di nuovi materiali fornirebbe dati preziosi sul perché un professionista, produttore, fornitore e/o installatore AEC sarebbe o non sarebbe motivato a utilizzare nuovi materiali nella progettazione e nella consegna dei loro progetti.

6.1 Perché promuovere subito la ricerca e le opportunità per lo sviluppo dei materiali in fase iniziale?

I materiali a basse emissioni di carbonio e ad accumulo di carbonio hanno una lunga storia di ricerca, sviluppo e utilizzo. L'impegno con questi tipi di materiali naturali è stato tipicamente motivato dalla preoccupazione per gli occupanti positivi e gli impatti sulla salute ecologica e/o l'efficienza dei materiali. Tuttavia, il recente riconoscimento della gravità della crisi climatica e dell'urgente necessità di interventi importanti e di grande impatto ha accelerato l'interesse per i materiali in grado di ridurre le emissioni derivanti dai materiali da costruzione convenzionali. Decenni di lavoro per sviluppare, migliorare e implementare questi materiali ora forniscono una base utile per la ricerca, lo sviluppo del prodotto e gli studi di casi che possono aiutare ad accelerare la spinta a portare rapidamente questi materiali sul mercato.

L'esperienza passata nel portare sul mercato legno lamellare incrociato e materiali in legno massiccio ha dimostrato che i materiali a basso tenore di carbonio e ad accumulo di carbonio sono fattibili e raggiungono la parità con le alternative più convenzionali in termini di costi, conformità alle normative e tempi di costruzione. Tuttavia, questi materiali, privi di leva su nessuno di questi fronti e che necessitano di investimenti significativi per aumentare la produzione, non hanno raggiunto lo status di mainstream. Il loro potenziale collettivo per un enorme impatto climatico ci costringe a sfruttare le loro proprietà al fine di reindirizzare il profilo climatico degli edifici da un fattore trainante del cambiamento climatico a una risorsa principale per invertirlo.

6.2 Implicazioni sulla giustizia ambientale

La produzione e il trasporto dei materiali sono spesso co-localizzati con comunità a basso reddito e comunità di colore. Le valutazioni materiali basate esclusivamente sulle emissioni globali di gas serra ("carbonio") possono non affrontare i significativi impatti sulla salute umana delle emissioni locali su queste comunità, così come altri problemi critici per la salute pubblica, l'equità, la giustizia e il lavoro. Integrare la giustizia climatica nelle scelte materiali è necessario per evitare conseguenze negative indesiderate di azioni sviluppate con un focus troppo ristretto sulla decarbonizzazione. Questa è un'area di crescente interesse per il Carbon Leadership Forum. Il CLF ritiene che sia necessario un lavoro significativo per comprendere meglio come garantire che lo sviluppo materiale e il coinvolgimento della catena di approvvigionamento possano supportare gli obiettivi di giustizia climatica.

Poiché i materiali della catena di approvvigionamento di produzione scalano per aumentare la disponibilità di materiali trasformativi, si presenta un'opportunità per integrare equità e giustizia come priorità chiave fin dall'inizio, piuttosto che cercare di mitigare i danni dopo che le catene di approvvigionamento e le strutture sono state stabilite. Queste priorità significano garantire che le strutture non si aggiungano agli oneri sanitari ambientali esistenti sulle comunità in prima linea, ma potrebbero anche significare identificare partner e hub di produzione che offrono opportunità economiche per le comunità storicamente escluse.

6.3 Opportunità per impatti più ampi

6.3.1 Produzione di materiali negativi al carbonio per ridurre le emissioni incorporate negli edifici​

All'inizio del 2021, l'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti - Energia (ARPA-E) - ha pubblicato una richiesta di informazioni (DE-FOA-0002506) per un nuovo programma di sovvenzione proposto, "Produzione di materiali negativi al carbonio per ridurre le emissioni incorporate in edifici.” Questo programma, i cui obiettivi probabilmente si allineano bene con le raccomandazioni di questo studio, segnala chiaramente che l'argomento è ora sul radar del governo federale. Un aspetto di queste opportunità di finanziamento è il requisito spesso obbligatorio per la condivisione dei costi. Tali sovvenzioni rappresentano un'opportunità per moltiplicare gli investimenti di un leader del settore tecnologico in materiali da costruzione a basse emissioni di carbonio e ad accumulo di carbonio.

6.3.2 Mappatura dei materiali in base al clima e alla disponibilità regionale

Sono stati condotti due studi sulla disponibilità di biomassa negli Stati Uniti, il primo dall'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e il secondo, in risposta, dall'Union of Concerned Scientists (UCS).^[27]  Entrambi si sono concentrati sulla disponibilità di biomassa per la produzione di energia, non per materiali da costruzione, ma forniscono comunque una valutazione a livello di contea della biomassa disponibile nelle categorie di residui forestali e agricoli, flussi di rifiuti e colture appositamente coltivate, allineandosi con le categorie di materiali da biomassa in questo studio. La stima più alta dell'ORNL citava 1 miliardo di tonnellate di biomassa disponibile all'anno, mentre l'UCS, imponendo standard ecologici più elevati, stimava 680 milioni di tonnellate. Entrambi gli studi, mettendo in evidenza il vasto pool di materie prime per potenziali materiali di stoccaggio del carbonio, possono aiutare a perfezionare gli sforzi per identificare e reperire questi materiali in tutto il paese.^[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 Conclusione

Il potenziale di un impatto climatico significativo attraverso materiali a basse emissioni di carbonio e ad accumulo di carbonio mette in primo piano i materiali che hanno il potenziale per cambiare il profilo climatico degli edifici da un importante fattore di cambiamento climatico a un importante serbatoio di carbonio che lo inverte.

I risultati di questo studio evidenziano sei materiali da utilizzare nelle fondamenta degli edifici, nella struttura e/o nei sistemi di recinzione. Questi materiali – lastre di terra, lastre di cemento cemento non Portland, mattoni/pannelli cresciuti con alghe, tubi strutturali di micelio, fibre appositamente coltivate e pannelli di rifiuti agricoli – garantiscono un entusiasmo realistico e sono degni di investimento per aiutare e accelerare la loro prototipazione, ridimensionamento , produzione e uso commerciale nella catena di fornitura del settore edile. Inoltre, esistono opportunità di investimento in opportunità di istruzione e formazione in apprendistati integrati nei laboratori di ricerca, progettazione e costruzione, nei siti di produzione e con società di progettazione professionale AEC.^[29]

7.2 Limitazioni

Un limite di questo studio è che la sua portata precludeva un'indagine a livello di settore. Le domande mirate del sondaggio potrebbero identificare i valori sottostanti, le motivazioni e le preoccupazioni percepite dalle parti interessate del settore per quanto riguarda l'uso di nuovi materiali, tutto ciò che è essenziale per comprendere le opportunità e gli ostacoli al successo del mercato. Tale sondaggio fornirebbe dati concreti sul motivo per cui i professionisti, i produttori, i fornitori e gli installatori AEC sarebbero motivati a utilizzare nuovi materiali nella progettazione e nella consegna dei loro progetti.

7.3 Opportunità future

La Micro-Nuvola^[30] è un concetto che incorpora la prototipazione di materiali, la simulazione di assiemi e la distribuzione di edifici su piccola scala (data center) a livello globale (per la tabella di marcia concettuale vedere l'Appendice II). Offre a Microsoft l'opportunità di sfruttare molteplici obiettivi e strategie per implementare i propri valori e raggiungere i propri obiettivi di decarbonizzazione a livello globale.

La prefabbricazione di componenti di materiali a basse emissioni di carbonio e ad accumulo di carbonio in sistemi a pannelli rende plausibile la costruzione di una struttura di data center su piccola scala che funga da modulo che incorpora le strategie DfD e quindi in grado di essere assemblato e riassemblato più volte per numerose implementazioni. Il progetto utilizza tutti e sei i materiali identificati in questo studio - lastre di terra, lastre di cemento non Portland, mattoni/pannelli coltivati con alghe, tubi strutturali di micelio, fibre appositamente sviluppate e pannelli di rifiuti agricoli - per creare pannelli strutturali modulari che possono essere trasportati a vari siti di progetto per il montaggio.

Inoltre, il concetto di Micro-Cloud si adatta facilmente ai requisiti programmatici di un determinato sito, rurale o urbano, in un paese sviluppato o sottosviluppato, impilato verticalmente o distribuito orizzontalmente, per soddisfare le esigenze informatiche di una comunità, un'azienda o un'istituzione educativa come un'impresa tecnologica socialmente-ambientalmente giusta.

^[29]    Il laboratorio IDEA è adattato dalle proposte dei Drs. Lee, Kriegh e Dossick (UW College of Built Environments); Dott. Srubar (UC Boulder); e ED. Magwood (Endeavour Center) che sono stati avviati all'inizio del 2021.

^[30]     Il termine Micro-Cloud è stato coniato per la prima volta dal Dr. Chris Lee (UW College of Built Environments, Dept. Construction Management) in un workshop del consorzio CIRC tra le Università di Washington e Arizona nel 2020.

Dichiarazione di conflitto di interessi

Il team di ricerca desidera riconoscere il coinvolgimento degli autori nelle attività correlate nell'interesse della trasparenza.

• La dott.ssa Julie Kreigh, AIA, è la fondatrice e proprietaria di Kriegh Architecture Studios | Design + Research e consulente di ricerca con l'UW Carbon Leadership Forum.
• Chris Magwood è direttore esecutivo dell'Endeavour Center che esplora l'educazione ai metodi di costruzione utilizzando nuovi materiali. Sta sviluppando uno strumento di stima del carbonio materiale per il settore dell'edilizia residenziale.
• Il Dr. Wil V. Srubar III dirige il Living Materials Laboratory presso l'Università del Colorado Boulder. È anche fondatore e amministratore delegato di Aureus Earth e co-fondatore di Minus Materials e Prometheus Materials.

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