CONCRETE-The Benefits of Locking Carbon Emissions in to Concrete

30/01/24-FR-English-NL-footer

BÉTON - Les avantages de verrouiller les émissions de carbone dans le béton

Image- Empa, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology

Pour atteindre l’objectif d’une Suisse climatiquement neutre d’ici 2050, des stratégies et des processus avec un bilan CO2 négatif sont nécessaires. Ces technologies dites à émissions négatives (NET) visent à contrebalancer les émissions restantes « difficiles à éviter » en 2050 et devraient contribuer à garantir que nous atteignons à terme le zéro net.

En tant que l'un des principaux émetteurs, le secteur de la construction a une obligation particulière. Environ huit pour cent des émissions mondiales de gaz à effet de serre sont dues à la production de ciment. Dans le même temps, de premiers efforts émergent pour utiliser le secteur de la construction, avec sa consommation massive de ressources, comme un éventuel puits de carbone.

Ce qui semble paradoxal réussira si nous commençons à « construire avec du CO2 » – ou plutôt à utiliser le carbone pour produire des matériaux de construction et ainsi l’éliminer de l’atmosphère à long terme. Pour que de telles visions deviennent réalité, de nombreuses recherches sont nécessaires, comme celles actuellement menées au laboratoire Béton & Asphalte de l’Empa.

Une équipe dirigée par Pietro Lura développe un procédé d'intégration du biochar dans le béton.
Les avantages de verrouiller les émissions de carbone dans le béton
Du béton sans émissions : les chercheurs de l'Empa Mateusz Wyrzykowski (à droite) et Nikolajs Toropovs remplacent les granulats conventionnels par des pellets à base de biocharbon, explorant ainsi le potentiel d'un béton neutre en CO2, voire négatif. Crédit : Empa.
Difficultés dues à la porosité

Le biochar est produit par un processus de carbonisation pyrolytique de la biomasse en l'absence d'oxygène et est constitué en grande partie de carbone pur – le carbone que les plantes ont extrait de l'atmosphère sous forme de CO2 au cours de leur croissance.

Même si le CO2 est émis lorsque les plantes sont brûlées, il reste à long terme lié au biochar. Les premiers produits en béton intégrant du biochar sont déjà sur le marché. Cependant, le biochar est souvent introduit dans le béton non traité, ce qui peut entraîner des difficultés.

«Le biochar est très poreux et absorbe donc non seulement beaucoup d'eau, mais aussi des adjuvants coûteux utilisés dans la production du béton», explique Mateusz Wyrzykowski, chercheur à l'Empa. "De plus, il est difficile à manipuler et n'est pas non plus totalement inoffensif." La fine poussière de charbon est problématique pour les voies respiratoires et comporte un certain risque d'explosion.

Pour ces raisons, les chercheurs proposent dans un article qui vient de paraître dans le Journal of Cleaner Production de transformer le biochar en pellets. « De tels granulats légers existent déjà à partir d'autres matériaux tels que l'argile expansée ou les cendres volantes. Le savoir-faire dans la manipulation de ces matériaux est disponible dans l'industrie, ce qui augmente les chances que le concept soit mis en pratique », déclare Wyrzykowski.
Zéro net à 20 pour cent de part

Pour produire les pellets, l'équipe a utilisé une bétonnière dotée d'une cuve rotative dans laquelle elle a mélangé le biocharbon avec de l'eau et du ciment et, grâce à la rotation, a obtenu de petits pellets d'un diamètre compris entre 4 et 32 millimètres. À leur tour, ils ont utilisé ces granulés pour produire du béton normal des classes de résistance C20/25 à C30/37 – les classes les plus largement utilisées aujourd'hui dans le génie civil.

« Avec une proportion de 20 % en volume de granulés de carbone dans le béton, nous atteignons zéro émission nette », déclare Mateusz Wyrzykowski. Autrement dit, la quantité de carbone stockée compense toutes les émissions produites lors de la production des granulés et du béton.

Alors que la limite n'est probablement pas encore atteinte pour le béton normal (densité entre 2 000 et 2 600 kg/m3) avec 20 pour cent en volume, le potentiel d'émission négatif est particulièrement frappant pour le béton léger (densité entre 1 800 kg/m3) : Un adjuvant de 45 pour cent en volume de pellets de carbone dans le béton conduit à des émissions négatives totales de moins 290 kg de CO2/m3. À titre de comparaison, le béton conventionnel émet environ 200 kg de CO2/m3.

Carbone de l'atmosphère

Pour Pietro Lura, directeur du laboratoire, la recherche dans son laboratoire constitue une contribution cruciale à la réalisation des objectifs climatiques. Il ne considère pas le biocharbon, qui sert de matériau modèle dans les recherches actuelles, comme la source de carbone la plus importante.

Il attire plutôt l'attention sur le vaste concept «Exploiter l'atmosphère», poursuivi par plusieurs laboratoires de l'Empa: la production de méthane synthétique à partir de l'énergie solaire, de l'eau et du CO2 de l'atmosphère dans les régions ensoleillées du monde, puis la pyrolyse du méthane. le gaz synthétique.

« Cela produit de l'hydrogène, qui peut être utilisé comme vecteur d'énergie dans l'industrie ou la mobilité, et du carbone solide, que nous pouvons transformer en granulés – comme le biocharbon – et incorporer dans le béton », explique Lura.
NJC.© Info Empa, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology

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30/01/24-English

CONCRETE-The Benefits of Locking Carbon Emissions in to Concrete

Image- Empa, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology

To achieve the goal of a climate-neutral Switzerland by 2050, strategies and processes with a negative CO2 balance are necessary. These so-called negative emission technologies (NET) are intended to counterbalance the remaining “hard-to-avoid” emissions in 2050 and should help ensure that we eventually achieve net zero.

As one of the main emitters, the construction sector has a particular obligation. Around eight percent of global greenhouse gas emissions are caused by cement production. At the same time, initial efforts are emerging to use the construction sector, with its massive consumption of resources, as a possible carbon sink.

What sounds paradoxical will succeed if we start “building with CO2” – or rather, using carbon to produce building materials and thus removing it from the atmosphere in the long term. For such visions to become reality, a great deal of research is needed – such as is currently being done at Empa’s Concrete & Asphalt lab.

A team led by Pietro Lura is developing a process for integrating biochar into concrete.
The Benefits of Locking Carbon Emissions in to Concrete
Concrete without emissions: Empa researchers Mateusz Wyrzykowski (right) and Nikolajs Toropovs are replacing conventional aggregates with pellets made from biochar, thus exploring the potential of CO2-neutral or even negative concrete. Credit: Empa.
Difficulties due to porosity

Biochar is produced by a pyrolytic carbonization process of biomass in the absence of oxygen and consists to a high extent of pure carbon – the carbon that the plants have extracted from the atmosphere in the form of CO2 as they grow.

While CO2 is emitted when plants are burned, it remains bound in the biochar over the long term. The first concrete products with integrated biochar are already on the market. However, biochar is often introduced into the concrete untreated, which can lead to difficulties.

“Biochar is very porous and therefore not only absorbs a lot of water, but also expensive admixtures used in concrete production,” explains Empa researcher Mateusz Wyrzykowski. “Moreover, it is difficult to handle and not completely harmless either.” The fine coal dust is problematic for the respiratory tract and carries a certain risk of explosion.

For these reasons, the researchers propose in a paper that has just published in the Journal of Cleaner Production processing the biochar into pellets. “Such lightweight aggregates already exist from other materials such as expanded clay or fly ash. The knowhow in handling these materials is available in industry, and this increases the chances that the concept will be put into practice,” says Wyrzykowski.
Net zero at 20 percent share

To produce the pellets, the team used a concrete mixer with a rotating pan in which they mixed the biochar with water and cement and, as a result of the rotation, obtained small pellets with a diameter of between 4 and 32 millimetres. In turn, they used these pellets to produce normal concrete of strength classes C20/25 to C30/37 – the classes that are most widely used in civil engineering today.

“With a proportion of 20 percent by volume of carbon pellets in the concrete, we achieve net zero emissions,” says Mateusz Wyrzykowski. That is, the amount of carbon stored offsets all the emissions produced in the production of both the pellets and the concrete.

While the limit has probably not yet been reached for normal concrete (density between 2,000 and 2,600 kg/m3) with 20 percent by volume, the negative emission potential is particularly striking for lightweight concrete (density approx. 1,800 kg/m3): An admixture of 45 percent by volume of carbon pellets in the concrete leads to total negative emissions of minus 290 kg CO2/m3. By comparison, conventional concrete emits around 200 kg CO2/m3.

Carbon from the atmosphere

For laboratory head Pietro Lura, research in his lab is a crucial contribution to achieving climate targets. He does not see biochar, which has served as a model material in current research, as the most important source of carbon.

Rather, he draws attention to the broad concept “Mining the Atmosphere”, which several labs at Empa are pursuing: the production of synthetic methane using solar energy, water and CO2 from the atmosphere in sunny regions of the world, and the subsequent pyrolysis of the synthetic gas.

“This yields hydrogen, which can be used as an energy carrier in industry or mobility, and solid carbon, which we can process into pellets – like biochar – and incorporate into concrete,” explains Lura.
NJC.© Info Empa, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology

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30/01/24-NL

BETON - De voordelen van het vastleggen van koolstofemissies in beton

Image- Empa, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology

Om het doel van een klimaatneutraal Zwitserland in 2050 te bereiken zijn strategieën en processen met een negatieve CO2-balans noodzakelijk. Deze zogenaamde negatieve emissietechnologieën (NET) zijn bedoeld om de resterende ‘moeilijk te vermijden’ emissies in 2050 te compenseren en moeten ervoor zorgen dat we uiteindelijk netto nul bereiken.

Als een van de belangrijkste uitstoters heeft de bouwsector een bijzondere verplichting. Ongeveer acht procent van de mondiale uitstoot van broeikasgassen wordt veroorzaakt door de cementproductie. Tegelijkertijd komen de eerste pogingen naar voren om de bouwsector, met zijn enorme verbruik van hulpbronnen, als mogelijke koolstofput te gebruiken.

Wat paradoxaal klinkt, zal slagen als we gaan ‘bouwen met CO2’ – of beter gezegd, koolstof gebruiken om bouwmaterialen te produceren en dit op de lange termijn uit de atmosfeer te verwijderen. Om dergelijke visies werkelijkheid te laten worden, is er veel onderzoek nodig – zoals momenteel gebeurt in het Beton & Asfaltlab van Empa.

Een team onder leiding van Pietro Lura ontwikkelt een proces voor de integratie van biochar in beton.
De voordelen van het vastleggen van koolstofemissies in beton
Beton zonder uitstoot: Empa-onderzoekers Mateusz Wyrzykowski (rechts) en Nikolajs Toropovs vervangen conventionele aggregaten door pellets gemaakt van biochar en onderzoeken zo het potentieel van CO2-neutraal of zelfs negatief beton. Krediet: Empa.
Moeilijkheden vanwege porositeit

Biochar wordt geproduceerd door een pyrolytisch carbonisatieproces van biomassa in afwezigheid van zuurstof en bestaat voor een groot deel uit pure koolstof – de koolstof die de planten tijdens hun groei in de vorm van CO2 uit de atmosfeer hebben gehaald.

Terwijl CO2 vrijkomt bij de verbranding van planten, blijft het op lange termijn gebonden in de biochar. De eerste betonproducten met geïntegreerde biochar zijn al op de markt. Biochar wordt echter vaak onbehandeld in het beton gebracht, wat tot problemen kan leiden.

“Biochar is erg poreus en absorbeert daarom niet alleen veel water, maar ook dure hulpstoffen die worden gebruikt bij de betonproductie”, legt Empa-onderzoeker Mateusz Wyrzykowski uit. “Bovendien is het lastig te hanteren en ook niet geheel onschadelijk.” Het fijne kolenstof is problematisch voor de luchtwegen en brengt een zeker explosiegevaar met zich mee.

Om deze redenen stellen de onderzoekers in een artikel dat zojuist is gepubliceerd in de Journal of Cleaner Production voor om de biochar tot pellets te verwerken. “Dergelijke lichtgewicht aggregaten bestaan al uit andere materialen zoals geëxpandeerde klei of vliegas. De kennis over het omgaan met deze materialen is beschikbaar in de industrie, en dit vergroot de kans dat het concept in de praktijk wordt gebracht”, zegt Wyrzykowski.
Netto nul bij een aandeel van 20 procent

Voor de productie van de pellets gebruikte het team een betonmixer met een roterende pan waarin ze de biochar mengden met water en cement. Door de rotatie ontstonden er kleine pellets met een diameter tussen de 4 en 32 millimeter. Op hun beurt gebruikten ze deze pellets om normaal beton te produceren met de sterkteklassen C20/25 tot C30/37 – de klassen die tegenwoordig het meest worden gebruikt in de civiele techniek.

“Met een volumeaandeel van 20 procent koolstofpellets in het beton bereiken we een netto nuluitstoot”, zegt Mateusz Wyrzykowski. Dat wil zeggen dat de hoeveelheid opgeslagen koolstof alle emissies compenseert die worden geproduceerd bij de productie van zowel de pellets als het beton.

Terwijl de grens voor normaal beton (dichtheid tussen 2.000 en 2.600 kg/m3) met 20 volumeprocent waarschijnlijk nog niet is bereikt, is het negatieve emissiepotentieel vooral opvallend voor lichtgewicht beton (dichtheid ca. 1.800 kg/m3): een hulpstof van 45 volumeprocent koolstofpellets in het beton leidt tot een totale negatieve uitstoot van minus 290 kg CO2/m3. Ter vergelijking: conventioneel beton stoot ongeveer 200 kg CO2/m3 uit.

Koolstof uit de atmosfeer

Voor laboratoriumhoofd Pietro Lura is onderzoek in zijn laboratorium een cruciale bijdrage aan het behalen van de klimaatdoelstellingen. Biochar, dat in het huidige onderzoek als modelmateriaal heeft gediend, ziet hij niet als de belangrijkste koolstofbron.

In plaats daarvan vestigt hij de aandacht op het brede concept ‘Mining the Atmosphere’, dat verschillende laboratoria van Empa nastreven: de productie van synthetisch methaan met behulp van zonne-energie, water en CO2 uit de atmosfeer in zonnige delen van de wereld, en de daaropvolgende pyrolyse van het synthetische gas.

“Dit levert waterstof op, dat gebruikt kan worden als energiedrager in de industrie of mobiliteit, en vaste koolstof, die we tot pellets – zoals biochar – kunnen verwerken en in beton kunnen verwerken”, legt Lura uit.
NJC.© Info Empa, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology

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