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Jul 16, 2023

Nature Communications Band 14, Artikelnummer: 4574 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Wachsende Stadtbevölkerungen und sich verschlechternde Infrastruktur führen zu einer beispiellosen Nachfrage nach Beton, einem Material, für das es keine Alternative gibt, die seine funktionellen Kapazitäten erfüllen kann. Die Herstellung von Beton, insbesondere des hydraulischen Zements, der das Material zusammenklebt, ist eine der weltweit größten Quellen für Treibhausgasemissionen. Obwohl es sich hierbei um eine gut untersuchte Emissionsquelle handelt, sind die Konsequenzen effizienter struktureller Entwurfsentscheidungen zur Minderung dieser Emissionen noch nicht genau bekannt. Hier zeigen wir, dass eine Kombination aus Herstellungs- und Konstruktionsentscheidungen das Potenzial hat, über 76 % der Treibhausgasemissionen aus der Zement- und Betonproduktion zu reduzieren, was einer Reduzierung der Emissionen um 3,6 Gt CO2-Äquivalente im Jahr 2100 entspricht. Die untersuchten Methoden führen ebenfalls zu einer höheren Effizienz Ressourcennutzung durch Senkung der Zementnachfrage um bis zu 65 %, was zu einer erwarteten Reduzierung aller anderen Umweltbelastungen führt. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Flexibilität aktueller Betonkonstruktionsansätze zum Klimaschutz beitragen kann, ohne dass große Kapitalinvestitionen in alternative Herstellungsmethoden oder alternative Materialien erforderlich sind.

Zementbasierte Materialien sind für die Stadtentwicklung von wesentlicher Bedeutung, und es gibt kein alternatives Material, das deren Funktionsfähigkeit erfüllt1,2. Es gibt verschiedene Einsatzmöglichkeiten von Zement in solchen Materialien, beispielsweise in Beton und Mörtel (alle Verbundmaterialien, die Zement verwenden, werden hier als Beton bezeichnet, was die häufigste Anwendung darstellt). Mit dem Wachstum der Weltbevölkerung wird die Entwicklung, Erhaltung und Erweiterung städtischer Gebiete zunehmen; Hochgerechnete Schätzungen zeigen, dass bis 2030 fast 1 Milliarde (22 % Anstieg im Vergleich zu 2018) mehr Menschen in städtischen Gebieten leben werden3. Mit diesem städtischen Wachstum wird die Nachfrage nach Beton weiter steigen, und zwar mit Raten, die über denen des Bevölkerungswachstums liegen4.

Aufgrund der breiten Verfügbarkeit der Hauptbestandteile von Beton und der mit diesem Material erreichbaren Festigkeit und Haltbarkeit ist Beton bestens geeignet, die Anforderungen vieler ziviler Infrastruktur- und Gebäudesysteme zu erfüllen1,2. Beton besteht aus feinen und groben Zuschlagstoffen (Sand und Schotter), Wasser, Zusatzmitteln und einem hydraulischen Bindemittel (Zement), das mit dem Wasser reagiert und diese Bestandteile zu einem künstlichen Konglomerat zusammenklebt. Erhebliche Treibhausgasemissionen (THG) sind auf die Produktion zementbasierter Materialien zurückzuführen, etwa 8 % der weltweiten anthropogenen CO2-Emissionen5, die in erster Linie auf die Herstellung von Klinker (dem Vorläufer von Zement) zurückzuführen sind. Klinker ist ein kalziniertes und abgeschrecktes Material, das hohe Temperaturen erfordert, um die gewünschte Mineralogie zu erzeugen. Dies führt zu Emissionen im Zusammenhang mit Brennstoffen für Wärmeenergie und zu chemischen CO2-Emissionen aus der Dekarbonisierung von Kalkstein bei seiner Herstellung.

Die Gesellschaft muss bis 2050 Netto-Treibhausgasemissionen von Null erreichen, um die Erwärmung auf 1,5 °C über dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen6, und um dies zu erreichen, müssen die „schwer zu dekarbonisierenden“ Industrien wie Zement und Beton7 Wege zur Eindämmung finden. Es gibt mehrere häufig diskutierte Minderungsstrategien für diese Emissionen, darunter den Einsatz alternativer Brennstoffe, den Einsatz effizienterer Geräte, die Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung (CCUS) oder die Reduzierung des Klinkerbedarfs durch den Einsatz zusätzlicher zementhaltiger Materialien (SCMs)8,9 . CCUS-Technologien sind in der Industrie nicht gut etabliert10 und obwohl alternative Zemente und Zuschlagstoffe vorgeschlagen wurden11,12,13, kann ihre Wirksamkeit durch Ressourcenverfügbarkeit, Kosten oder eine risikoaverse Industrie14,15 beeinträchtigt werden. Entscheidend ist die Verbesserung der Materialeffizienz, bei der weniger Material verwendet wird, um die gleiche Leistung zu erzielen, ein wichtiger Schritt zur Minderung der Umweltauswirkungen der Materialproduktion16,17,18. Dieser Schritt sollte im Einklang mit emissionsarmen Materialalternativen genutzt werden, um die Herausforderungen der Treibhausgasemissionen in der bebauten Umwelt zu bewältigen.

Die Reduzierung des Materialbedarfs bei gleichzeitiger Erfüllung der Leistungsanforderungen wird die Bereitstellung der notwendigen Infrastruktur unterstützen und zur Reduzierung vielfältiger Umweltauswirkungen beitragen. Dennoch wurde die Rolle der technischen Tragwerksplanung bei der effizienten Nutzung von Betonsystemen nur begrenzt untersucht19,20. In dieser Arbeit quantifizieren wir systematisch die potenzielle Rolle von Fertigungsänderungen in Kombination mit Mischungsdosierung und technischem Design für die effiziente Nutzung von Beton weltweit (siehe Abb. 1). Hierbei betrachten wir Emissionsreduzierungen, die sich aus Folgendem ergeben: (i) der Einsatz von Fertigungsänderungen mit dem Potenzial zur Senkung der Treibhausgasemissionen; (ii) Änderungen an den Bestandteilen und der Dosierung der Betonmischung (z. B. Reduzierung des Zementgehalts durch teilweisen Ersatz durch SCMs); (iii) Variation der ausgewählten Betondruckfestigkeit, des ausgewählten Verstärkungsverhältnisses und der für Stahlbetonbauteile implementierten Konstruktionsvorschriften; und (iv) die Auswirkung einer längeren Lebensdauer von Gebäuden und Infrastruktur. Diese vielfältigen Methoden werden integriert, um die kumulative Wirkung von Emissionsreduzierungen zu bestimmen, von denen einige isoliert etabliert oder untersucht wurden, wie etwa Habert9, Reis21, Eleftheriadis20 und Marsh22. Die Auswirkungen sind von entscheidender Bedeutung für das Verständnis, wie alternative Materialtechnologien vorangetrieben werden können, die zu einer erheblichen Reduzierung der Treibhausgasemissionen führen, und Richtlinien, die eine angemessene Anwendung und Verwendung von Beton steuern, um den gesellschaftlichen Anforderungen gerecht zu werden und gleichzeitig die Emissionen zu verringern. Obwohl in bestimmten Szenarien eine Reduzierung der Treibhausgasemissionen auch durch den Einsatz alternativer Struktursysteme, wie z. B. Stahlrahmen anstelle von Betonrahmen, erreicht werden kann, konzentriert sich diese Studie nur auf die Minderung durch Stahlbeton. Die Analyse von Stahlbeton- und Stahlrahmen hängt stark vom betrachteten Tragwerkssystem ab und die Ergebnisse variieren von Fall zu Fall23.

Methoden zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen in drei Entwurfsphasen wurden untersucht, um das Minderungspotenzial zu bewerten: (i) Eingriffe bei der Zementherstellung; (ii) Eingriffe in die Dosierung der Betonmischung; (iii) Eingriffe in die Gestaltung konkreter Elemente – unter Berücksichtigung von Unterschieden in globalen Designstandards; und (iv) Eingriffe in die Gestaltung gebauter Systeme und die Verlängerung der Systemlebensdauer. Um den Nutzen dieser Phasen zu ermitteln, werden die Auswirkungen auf das globale Minderungspotenzial skaliert.

Um die Möglichkeiten zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen im Rahmen des derzeit akzeptierten Designs aufzuzeigen, haben wir die durchschnittlichen globalen Emissionen von der Produktion bis zum Werkstor aus der Produktion zementbasierter Materialien (Beton und Mörtel) auf der Grundlage der Basisproduktionswerte von 2015 geschätzt. Eine Prognose der globalen Emissionen aus der Produktion zementbasierter Materialien zwischen 2015 und 2100 wurde basierend auf den prognostizierten Pro-Kopf-Sättigungsgraden, der prognostizierten Bevölkerung und der durchschnittlichen Nutzungsdauer von Zement für 10 globale Regionen modelliert. Das verwendete Modell wurde ursprünglich von Cao et al.24 entwickelt. Die Minderungspotenziale für die hierin beschriebenen Strategien wurden kumulativ geschätzt, wobei die Reduzierungen im Zusammenhang mit Herstellung, Design und Mischungsverhältnis zwischen 2015 und 2100 linear zunehmen; Die Vorteile einer zunehmenden Materiallebensdauer wurden auf der Grundlage der dynamischen Auswirkungen für verschiedene Betonanwendungen und der damit verbundenen Reduzierung der Zementproduktion in den kommenden Jahren modelliert. Die Auswirkungen einer verbesserten Herstellungseffizienz von Zement und die Auswirkungen einer zunehmenden globalen Zementsubstitution durch SCMs wurden als Reduzierung der Treibhausgasemissionen für einen Kubikmeter Beton im Vergleich zur aktuellen Produktion ermittelt und anschließend auf die globale Betonproduktion skaliert, um die globale Reduzierung zu untersuchen an Emissionen. Die potenziellen Reduzierungen durch die Optimierung des Tragwerksdesigns wurden auf der Grundlage einer Beziehung zwischen Mischungsverhältnissen (Emissionen aus der Betonherstellung) und Druckfestigkeit25 sowie der Menge der verwendeten Stahlbewehrung berechnet. Beachten Sie, dass die Festigkeit des Betons und die Größe der verwendeten Stahlbewehrung das Volumen jedes dieser zu spezifizierenden Materialien beeinflussen. Um diesen Faktor anzugehen, wurde ein Modell abgeleitet, das die Betonfestigkeit und das Bewehrungsverhältnis mit den Umweltauswirkungen einer Stütze oder Platte26 für einen Einheitsstrukturrahmen verknüpft und auf drei verschiedenen Entwurfscodes basiert. Die Auswirkungen der Nutzungsdauerverlängerung zur Reduzierung der künftigen Nachfrage nach Zement basierten auf der durchschnittlichen Nutzungsdauer von zementbasierten Gebäuden und Infrastrukturen in jeder der zehn globalen Regionen.

Um die Wirksamkeit des Strukturdesigns bei der Reduzierung von Treibhausgasemissionen zu verstehen, werden in dieser Arbeit Vergleiche mit den diskutierten konventionelleren Minderungsmethoden gezogen, bei denen es typischerweise um Fertigungsverbesserungen für Zement und Beton geht. Während eine Reihe von Fertigungsverbesserungen umgesetzt werden können, um die Treibhausgasemissionen aus der Zement- und Betonproduktion zu reduzieren, betrachten wir hier gängige Methoden zur Verbesserung der Effizienz von Zementöfen, den Ersatz von Ofenbrennstoffen mit hohen Emissionen durch Erdgas und die Verwendung eines emissionsarmen Brennstoffs. Emissionen Stromnetz während der gesamten Produktion von Primärbestandteilen (z. B. Zement, Zuschlagstoffe).

Um einen solchen Vergleich durchzuführen, leiten wir die mit der Betonproduktion verbundenen Treibhausgasemissionen ab, indem wir etablierte Daten verwenden, die die aktuelle globale Praxis als Basis widerspiegeln, und bewerten dann die Auswirkungen von Fertigungsänderungen zur Senkung dieser Emissionen. Wir berücksichtigen prozessbasierte (z. B. Emissionen aus der Dekarbonisierung von Kalkstein) und energiebasierte Emissionen (z. B. aus thermischen Energieressourcen, Strombedarf und Transport). Während wir uns in den nachfolgenden Phasen mit der Rolle von Entwurfsentscheidungen und der Nutzungsphase befassen, bezieht sich die erste Modellierung auf die Auswirkungen von der Wiege bis zum Werkstor (d. h. von der Rohstoffbeschaffung bis zur Betonmischung) für einen Kubikmeter Beton. Annahmen für Energieressourcen, anfängliche Mengen an zusätzlichem zementhaltigem Material und Mischungsverhältnisse sind in den Methoden und den ergänzenden Informationen festgelegt.

Unsere Ergebnisse, die im Einklang mit der GCCA-Roadmap27 stehen, deuten darauf hin, dass die in Betracht gezogenen allgemeinen Fertigungsänderungen zu einer Reduzierung der Treibhausgasemissionen um 1 % bei erhöhter Ofeneffizienz und ~15 % bei Ersatz von stärker emittierenden thermischen Energiequellen in Öfen durch Erdgas beitragen könnten. ~6 % mit Windstrom zur Deckung des gesamten Strombedarfs, also ~20 % für alle Fertigungsverbesserungen zusammen (siehe Abb. 2d, e, f – Daten in Zusatzdaten 1). Insbesondere konzentrieren wir uns in dieser Arbeit auf Maßnahmen, die leicht umsetzbar sind, und schließen daher Technologien aus, die derzeit nicht etabliert sind (z. B. CCUS). Darüber hinaus stellen wir fest, dass sich die von uns vorgestellten Maßnahmen als machbar erwiesen haben (z. B. das Windstromsystem für die Zementproduktion in der kalifornischen Mojave-Wüste), ähnliche Emissionsreduzierungen jedoch mit anderen etablierten Technologien (z. B. Solarstrom) erreicht werden könnten.

Der Zusammenhang zwischen Klinkergehalt, Treibhausgasemissionen und Druckfestigkeit wird für diese Auswahl an Betonmischungen bestätigt und es wird gezeigt, dass durch die Umsetzung aller unten aufgeführten Herstellungsverbesserungen die durchschnittlichen Treibhausgasemissionen pro Kubikmeter Beton um ~20 % reduziert werden können. Darüber hinaus gibt es bei Mischungen derselben Festigkeitsklasse große Unterschiede im Zementgehalt und bei den Treibhausgasemissionen. a Beispielhafte Variation des Bindemittelgehalts (hier betrachten wir als Bindemittel die Trockenmasse des Klinkers plus aller mineralischen Zusatzstoffe) für jede der drei Druckfestigkeitskategorien basierend auf Mischungen aus der Literatur (siehe „Methoden“); Im Pulverbindemittel berücksichtigter Portlandzement und ergänzende zementhaltige Materialien. b Beispielvariation des Klinkergehalts für jede der drei Druckfestigkeiten. c Ungefähre Treibhausgasemissionen zur Herstellung dieser Betonmischungen. d Treibhausgasemissionen aus der Herstellung dieser Betonmischungen, wenn alle Öfen auf dem weltweit effizientesten Niveau betrieben würden; Beachten Sie, dass die meisten aktuellen Öfen effizient sind und daher kaum Verbesserungen zu verzeichnen sind. e Treibhausgasemissionen aus der Herstellung dieser Betonmischungen, wenn Gas als Ersatz für emissionsstärkere thermische Energiequellen in Öfen verwendet würde. f Treibhausgasemissionen aus der Herstellung dieser Betonmischungen, wenn der Strombedarf in der Lieferkette durch den Einsatz von Windkraftanlagen gedeckt würde. g Treibhausgasemissionen aus der Herstellung dieser Betonmischungen, wenn alle Verbesserungen (z. B. effiziente Öfen, Gaswärmeenergie und Windstrom) gleichzeitig genutzt würden. Hinweis: Für (d–g) stellen die gestrichelten Linien die mittleren Emissionen ohne Fertigungsverbesserungen dar.

Aufgrund der üblichen Mittel zur Erhöhung der Festigkeit (z. B. höherer Zementgehalt) kommt es jedoch bei Betonmischungen mit höherer Festigkeit tendenziell zu höheren Treibhausgasemissionen: Ohne Verbesserungen bei der Herstellung gibt es beispielsweise bei 50 einen Anstieg der Emissionen um 75 % MPa-Mischung im Verhältnis zu einer 20-MPa-Mischung (nämlich eine Differenz von 140 kg CO2-Äquivalent/m3 zwischen den mittleren Emissionen pro m3); Ein ähnlicher Unterschied bei den mittleren Emissionen bleibt bestehen, selbst wenn die Fertigungsverbesserungen umgesetzt werden (130 kg CO2-Äq/m3) (siehe Abb. 2c – Daten in Zusatzdaten 1).

Allerdings können allein durch die Auswahl geeigneter Mischungen, beispielsweise solcher, die die gewünschte Festigkeit bei geringerem Klinkergehalt erreichen28, die Emissionen ohne Verbesserungen bei der Herstellung in ähnlichen Bereichen reduziert werden. Es gibt Schwankungen bei den Treibhausgasemissionen innerhalb der Festigkeitsgruppen, die auf unterschiedliche Mischungsverhältnisse zurückzuführen sind: Aus unseren Daten geht hervor, dass es bei 20 MPa eine Abweichung von ca. 20 %, bei 35 MPa eine Abweichung von ca. 40 % und bei 50 MPa eine Abweichung von ca. 55 % gibt, mit hoher Korrelation zwischen Beton-THG-Emissionen pro m3 und Klinkergehalt in der Mischung (R2 = 0,98). Vergleicht man das 25. Perzentil der Treibhausgasemissionen mit dem Median für Betonmischungen, die die gleiche Festigkeit erreichen können (ohne Fertigungsverbesserungen), so ist das 25. Perzentil 8 % niedriger als der Median für 20 MPa, 4,5 % niedriger als der Median für 35 MPa. und 9 % niedriger als der Median für 50 MPa. Diese Ergebnisse könnten erhebliche Auswirkungen darauf haben, wie wir präskriptives Design betrachten (bei dem ein Mindestzementgehalt anstelle eines Leistungsindikators angegeben wird, z. B. das Erreichen einer bestimmten Festigkeit innerhalb von 28 Tagen). Die Variabilität der Treibhausgasemissionen pro 28-Tage-Festigkeit spiegelt jedoch nicht andere Änderungen der Leistungsmerkmale wider, die durch den Ersatz von Zement zur Erzielung eines niedrigeren Klinkergehalts erzielt werden, wie z. B. Haltbarkeit und Verarbeitbarkeit, die wichtige Kennzahlen bei der Gestaltung von Betonmischungen sind.

Abgesehen von den Vorteilen, die sich aus der Auswahl gewünschter Mischungsverhältnisse ergeben und die in vielen Fällen ohne Kapitalinvestitionen in verbesserte Herstellungsverfahren umgesetzt werden können, gibt es erhebliche Unterschiede bei den Treibhausgasemissionen zwischen Strukturbauteilen, die für genau die gleichen Leistungsanforderungen ausgelegt sind. Tragwerksentwürfe werden oft nicht optimiert, weil es einen Kompromiss mit der Effizienz der Baubarkeit gibt, z. B. können Stützenabmessungen und Betonmischungsentwürfe bei einem großen Bauprojekt nur so stark variieren, dass der Bau zu komplex wird, was wirtschaftlich nicht wünschenswert ist. Diese Ergebnisse zeigen jedoch das Potenzial zur Minderung der Treibhausgasemissionen durch eine effizientere Nutzung von Materialien bei der Strukturplanung, das derzeit nicht berücksichtigt wird, da Umweltauswirkungen nicht in den Entwurfsvorschriften enthalten sind. Aufgrund der Vielzahl vorhandener Bauteile und Leistungsanforderungen beschränken wir diese Untersuchung auf Stützen und Platten, die zu den häufigsten Stahlbetonelementen für Gebäude gehören.

Es wurden die Auswirkungen einer Änderung des Stahlbewehrungsverhältnisses und der Betondruckfestigkeit auf die Senkung des Materialverbrauchs und der Treibhausgasemissionen untersucht. Insbesondere wurde die Gestaltung von Säulen und Platten untersucht, da diese einen erheblichen Teil der bebauten Umgebung ausmachen. Unter Verwendung von drei der am häufigsten verwendeten und angenommenen Konstruktionsnormen, die 105 Länder widerspiegeln, wurde die zulässige Bauteilkonstruktion mit Stahlverstärkung geprüft. Es wurde untersucht, welche Rolle höhere oder niedrigere Bewehrungsverhältnisse sowohl auf die Treibhausgasemissionen aus der benötigten Stahlmenge als auch auf die entsprechende Reduzierung des Betonbedarfs haben. Gleichzeitig wurden die Auswirkungen einer höheren Betondruckfestigkeit auf Parameter wie die Bauteilquerschnittsfläche untersucht. Hier gehen wir auf Emissionseinsparungen ein, da diese im Verhältnis zu den berücksichtigten mittleren Bewehrungsverhältnissen und mittleren Druckfestigkeiten anfallen könnten. Einzelheiten zu den durchgeführten Berechnungen und Annahmen zur Quantifizierung dieser Vorteile finden Sie in den Methoden und ergänzenden Informationen.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Auswahl der Betonfestigkeit und des Bewehrungsverhältnisses innerhalb aller akzeptierten Entwurfsvorschriften zu großen Emissionsschwankungen führen kann (siehe Abbildung 3 – Daten in den Zusatzdaten 1). Diese Schwankungen sind darauf zurückzuführen, dass die Treibhausgasemissionen pro m3 Stahl viel höher sind als pro m3 Beton und dass die erforderliche Querschnittsfläche von der Betonfestigkeit abhängt. Dadurch kann es durch die Angabe unterschiedlicher Volumina jedes Materials bei gleichzeitiger Erfüllung von Designanforderungen wie der maximal zulässigen Durchbiegung der Platte zu erheblichen Verschiebungen der Netto-Treibhausgasemissionen kommen. Insbesondere zeigt diese Arbeit, dass Beton mit geringer Festigkeit oder niedrige Bewehrungsverhältnisse nicht immer mit niedrigen Treibhausgasemissionen korrelieren, wenn die gesamte Bauteilkonstruktion berücksichtigt wird, was mit den Erkenntnissen von Belizario-Silva et al.29 übereinstimmt. Bei Strukturplatten, die im Streck- und Endstadium entworfen wurden, treten die niedrigsten Emissionen für die Belastungen unserer Fallstudie (in den ergänzenden Informationen besprochen) beim höchsten Bewehrungsverhältnis und der niedrigsten bewerteten Betondruckfestigkeit auf (die höchsten Emissionen treten beim niedrigsten Bewehrungsverhältnis und der höchsten Festigkeit auf). ). Für den Fall, dass die Rissverhinderung der entscheidende Designfaktor für eine Stahlbetonplatte ist (z. B. eine starre Straßendecke), sind der erforderliche Mindestbewehrungsanteil und eine geringe Druckfestigkeit gemäß Abb. 3a vorzuziehen. Anders als die Platte im Fließ- und Endstadium trägt die Bewehrung nicht zur Verringerung der erforderlichen Betonquerschnittsfläche bei und daher erhöht die Erhöhung des Bewehrungsverhältnisses lediglich die Umweltbelastung. Im Gegensatz zu den Platten (Nachgiebigkeit und Endstadium) treten jedoch bei den Stahlbetonstützen die niedrigsten Treibhausgasemissionen auf, wenn der minimale Stahlbewehrungsanteil und die höchste bewertete Betondruckfestigkeit ermittelt werden (die höchsten Emissionen treten bei maximalem Bewehrungsanteil und niedrigster Festigkeit auf). Anhand einer Beispielsäule, die den US-amerikanischen Designcode (ACI-318), dem europäischen Standard-Designcode (Eurocode 2) und dem indischen Standard-Designcode (IS 456:2000) entspricht, werden weitere Unterschiede bei den Emissionen für Mitglieder festgestellt: eine Differenz von >46 kg CO2-Äquivalent für die Säule unter Verwendung des ACI-318-Codes (das sind 70 % höhere Emissionen als die niedrigsten Säulenemissionen unter Verwendung dieses Codes); eine Differenz von >63,1 kg CO2-Äquivalent (90 % zwischen höchstem und niedrigstem Wert) für die Spalte unter Verwendung von Eurocode 2; und ein Unterschied von ~51 kg CO2-Äquivalent (60 % zwischen Höchst- und Tiefstwert) für die Spalte unter Verwendung des indischen Standardcodes. Bei Platten, die für das Biegen im Endstadium ausgelegt sind, besteht ein Unterschied von 58–93 % zwischen den Bauteilen mit den höchsten und niedrigsten Emissionen, die die Anforderungen der Konstruktionsvorschriften bei gleichen Randbedingungen und Belastungen erfüllen. Bei der Deckenbemessung (ultimativ) gibt es einen größeren Unterschied in den Treibhausgasemissionen bei niedrigem Bewehrungsverhältnis als bei höherem Bewehrungsverhältnis, was darauf hindeutet, dass bei Verwendung eines niedrigen Bewehrungsverhältnisses eine höhere Abhängigkeit von einer hohen Betonfestigkeit oder einer größeren Betonquerschnittsfläche besteht (Plattendicke), was zu einer höheren Schlagwirkung führt. Allerdings ist die Verwendung überschüssiger Bewehrung aufgrund der deutlich höheren volumetrischen Wirkung der Bewehrung ineffizient. Während die Trends zwischen den in verschiedenen Regionen verwendeten Codes ähnlich sind, führt die Bemessung von Platten nach Eurocode 2 und Säulen nach ACI-318 zu den geringsten Auswirkungen. Wenn alle Länder/Regionen die geringsten Auswirkungen gemäß Eurocode 2 und ACI-318 für Platten bzw. Säulen entwerfen würden, würde dies zu einer Reduzierung der Treibhausgasemissionen um etwa 67 Gt zwischen 2015 und 2100 führen (basierend auf einem Eins-Modell). Einheit, hier definiert als 1 Platte + 4 Stützen). Die Autoren erkennen an, dass es sich hierbei um ein vereinfachtes Modell handelt, das aber dennoch für die vorliegende Argumentation nützlich ist. Platten, die sich über mehrere Stützen erstrecken, sowie vor- und nachgespannte Platten sind gängige Konstruktionen, die zu anderen Ergebnissen führen können als die modellierte, einfach gestützte Platte. Dabei wurde davon ausgegangen, dass 20 % der Treibhausgasemissionen auf Beton zurückzuführen sind, der in anderen Anwendungen als Säulen und Platten verwendet wird, beispielsweise in Fundamenten. Wenn wir außerdem von einer Grundlinie von 30 MPa (der Mitte des in dieser Arbeit berücksichtigten Festigkeitsbereichs) und einem mittleren Längsverstärkungsverhältnis ausgehen (Platten, endgültig: 0,26 % Verstärkungsverhältnis und 0,45 m Dicke, Plattenrisse: 0,6 % Verstärkungsverhältnis und 0,34). (m Dicke, Säulen: 3,5 % Bewehrungsverhältnis und 0,18 m Säulenbreite), dann könnte die Wahl der optimalen Kombination aus Festigkeit und Bewehrungsverhältnis die Plattenemissionen um 20–25 %, die Säulenemissionen um 18–22 % und die Einheitenemissionen um etwa 23 senken % für diese drei Codes. Wenn stattdessen Bewehrungsstahl mit höherer Umweltbelastung verwendet wird, ergeben sich Reduzierungen von etwa 20 % für die Platte, etwa 30 % für die Stütze und etwa 21 % für eine Einheit (siehe Abschnitt „Methoden“ zur Sensitivitätsanalyse). In der Analyse wird jedoch die geringere Umweltbelastung durch Bewehrungsstahl berücksichtigt.

Bei gleichen Lastbedingungen und gleicher Länge/Höhe können die Druckfestigkeit und das Verstärkungsverhältnis eines für Druck oder Biegung ausgelegten Elements optimiert werden, um seine Umweltauswirkungen zu minimieren. Bei einer Stütze werden die Treibhausgasemissionen bei niedrigem Bewehrungsverhältnis und hoher Druckfestigkeit minimiert, während bei einem Balken die Verwendung eines höheren Bewehrungsverhältnisses und einer geringen Festigkeit zu den geringsten Auswirkungen führt. a Treibhausgasemissionen für beispielsweise Bauteile, die nach jedem der drei Entwurfsvorschriften entworfen wurden, wobei unterschiedliche Betondruckfestigkeiten und Bewehrungsverhältnisse berücksichtigt wurden. Hinweis: Die Belastungen und Entwurfsstadien der Moment-Krümmungs-Beziehung variieren zwischen der Stütze, der Platte, die unter Risskontrolle ausgelegt ist, der Platte, die unter Bewehrungsnachgiebigkeit ausgelegt ist, und der Platte, die unter maximaler Tragfähigkeit ausgelegt ist. Für die Plattenkonstruktion berücksichtigt diese Arbeit Bewehrungsverhältnisse innerhalb der zulässigen Durchbiegung. b Karte der Orte, an denen diese Codes oder ihre Permutationen implementiert werden (Hinweis: Ländergrenzen für die Karte verwenden eine von C. Greene geschriebene Funktion. „Grenzen“. University of Texas at Austin's Institute for Geophysics (UTIG), Austin , TX. (2015)56). Informationen zu Code-Implementierungen und Verwendung von Refs. 57,58,59,60.

Diese Arbeit geht davon aus, dass das Bevölkerungswachstum in städtischen Gebieten voraussichtlich größer sein wird als das Gesamtbevölkerungswachstum und dass städtische Gebiete überwiegend in Küstenregionen liegen3. Die Verwendung von SCMs durch deren Einarbeitung in gemischte Zemente erhöht die Beständigkeit des Betons gegen das Eindringen von Chloriden und damit die Haltbarkeit in Küstenregionen30,31. Obwohl die Karbonisierung ein weiteres häufiges Problem der Haltbarkeit darstellt, insbesondere bei der Korrosion von Stahlbewehrungen, wurde die Karbonisierung in dieser Analyse nicht berücksichtigt, da verschiedene Faktoren vorhanden sein müssen, damit die Korrosion initiiert werden kann, wie in den ergänzenden Informationen dargelegt. Prognosen zur Betonnachfrage und den damit verbundenen Treibhausgasemissionen wurden bis zum Jahr 2100 erstellt, wobei Veränderungen im Bevölkerungswachstum, im Pro-Kopf-Bedarf an verwendetem Beton und im nationalen Wohlstand berücksichtigt wurden (siehe Methoden). Die erhöhte Betonhaltbarkeit in Küstenregionen wurde verwendet, um die Vorteile für die Betonlebensdauer abzuschätzen (siehe Abb. 4 – Daten in Zusatzdaten 1). Die Verwendung eines gemischten Zementansatzes bietet in diesem Fall einen doppelten Vorteil: (a) eine erhebliche Verlängerung der Lebensdauer, indem eine vorzeitige Verschlechterung aufgrund des Eindringens von Chlorid (mit den damit verbundenen Auswirkungen auf die Reparatur) und „Obsoleszenz“ vermieden wird32,33 und (b ), dass SCMs in der Regel eine Reduzierung der Treibhausgasemissionen von Beton im Vergleich zu reinem Portlandzement34 ermöglichen und dadurch die Nachhaltigkeit des Systems verbessern.

Durch die Anpassung ausgereifter Reduktionsstrategien können die globalen Treibhausgasemissionen (THG) aus Stahlbeton im Jahr 2100 im Vergleich zu einem Business-as-usual-Szenario um bis zu 76 % reduziert werden. Den größten Einfluss haben die Reduzierung der Zementnachfrage durch den verstärkten Einsatz von SCM und die Erhöhung der strukturellen Langlebigkeit. Die potenzielle Reduzierung der Treibhausgasemissionen zwischen 2015 und 2100, wenn alle Methoden umgesetzt werden, nämlich: (i) wenn alle Fertigungseingriffe berücksichtigt werden; (ii) wenn die Auswirkungen eines verstärkten Ersatzes von Zement durch zusätzliches zementäres Material berücksichtigt werden; (iii) wenn eine Designoptimierung der Mitglieder in Betracht gezogen wird; und (iv) wenn eine erhöhte strukturelle Langlebigkeit in Betracht gezogen wird. Für (i)–(iii) werden Emissionsreduzierungen hier als linear zunehmende Umsetzung im Zeitverlauf modelliert, mit einer Umsetzung von 100 % bis 2100; Allerdings könnte die Umsetzung viel schneller erfolgen. Zur Verlängerung der Lebensdauer von Anlagen werden Emissionsminderungen als Funktion der Bestandsdynamik modelliert. a Ausmaß der Emissionsreduzierung durch jede Maßnahme, die separat betrachtet wird. b Ausmaß der Emissionsreduzierung durch jede kumulativ betrachtete Maßnahme. Der Rückgang der Treibhausgasemissionen zwischen 2018 und 2030 sowie die anschließenden Rückgänge spiegeln Prognosemodelle wider, die die jährliche Zementproduktion als Funktion des Zementvorrats pro Kopf und des Bevölkerungswachstums schätzen. Der Rückgang der jährlichen Emissionen spiegelt Regionen wie Europa und China wider, in denen der Zementbedarf in Bezug auf diese Parameter sinkt oder sich stabilisiert. Das erwartete Bevölkerungswachstum und Investitionen in den Aufbau der Infrastruktur in Ländern/Regionen wie Indien, Afrika und den Entwicklungsländern Asiens werden voraussichtlich zu einem weltweiten Anstieg der Treibhausgasemissionen aus der Zementproduktion führen (beachten Sie den schnellen Anstieg nach etwa 2030). (Hinweis: Die Prognosen basieren auf Daten, Bevölkerungswachstum und Ressourcensättigungsvorhersagen, die vor der COVID-19-Pandemie entwickelt wurden. Da neue Daten gesammelt werden, sollten künftige Arbeiten die Auswirkungen dieser Pandemie auf die konkrete Nachfrage berücksichtigen.)

Die Produktion neuer Zemente könnte durch eine verbesserte Nutzung und Verlängerung der Lebensdauer der Lagerbestände für Betonsysteme eingeschränkt werden; Diese Kürzung würde wiederum die Menge der Treibhausgasemissionen beeinflussen, die mit einer Reduzierung der Zementproduktion einhergehen. In dieser Arbeit wenden wir dieses Konzept an, indem wir die Stoffflüsse untersuchen, die mit der Zement- und Betonproduktion verbunden sind. Wir befassen uns nämlich mit der regionalen Variabilität in der Menge des produzierten Betons, unabhängig davon, ob er in Wohngebäuden, Nichtwohngebäuden oder ziviler Infrastruktur verwendet wird, und mit der aktuellen geschätzten Langlebigkeit des Betons in jeder dieser Anwendungen für jede der 10 Regionen, die dies widerspiegeln Welt. Anhand dieser Basisstatistiken zu Produktion, Nutzung und Langlebigkeit quantifizieren wir die Auswirkungen einer Verringerung der Nachfrage nach neuem Zement, wenn bestehende Zementanwendungen eine längere Lebensdauer hätten. Indem wir nämlich den künftigen Bedarf an Beton projizieren (unter Berücksichtigung von Unterschieden in der Anwendung, regionalen Nachfragetreibern wie dem Bevölkerungswachstum und wann vorhandener Beton Grenzzustände erreichen würde und ersetzt werden müsste), modellieren wir die Auswirkungen einer Verlängerung des Zeitraums bis zum Erreichen eines Grenzzustands . Hier gehen wir davon aus, dass, wenn ein Grenzzustand nicht erreicht wird, der vorhandene Beton in Betrieb bleiben kann und kein neuer Beton erforderlich wäre, um ihn zu ersetzen. Infolgedessen verringert die Verlängerung dieses Zeitraums bis zum Erreichen eines Grenzzustands den zukünftigen Betonverbrauch.

Eine solche Modellierung erfordert mehrere Annahmen in Bezug auf Faktoren, wie z. B. welche Regionen Zugang und Fähigkeit haben, SCMs für eine verbesserte Haltbarkeit zu nutzen, welche Regionen anfällig für Verschlechterungs- und Ausfallmechanismen sind, die von der Nutzung von SCMs profitieren, und wie stark die Lebensdauer verlängert werden kann erwartet. Hier betrachten wir ein Szenario, in dem der gesamte herkömmliche Portlandzement in Küstengebieten mit chloridreichen Umgebungen durch bis zu 50 % SCM ersetzt werden kann, was dazu führt, dass sich die Lebensdauer neuer Gebäude um das Dreifache und andere Betonsysteme um das Vierfache verlängert ( siehe Schätzungen zur Serviceerweiterung in den Methoden und den Zusatzinformationen). In diesem Fall könnte eine Reduzierung der Treibhausgasemissionen um 175,7 Gt (47,1 %) erreicht werden (siehe Abb. 4); Selbst wenn diese Vorteile nur in der Hälfte aller betrachteten Fälle erreicht würden, würde dies einer Emissionsreduzierung von ~ 25 % oder ~ 90 Gt gleichkommen, immer noch sehr erhebliche Reduzierungen. Unter Verwendung anderer Szenarien, in denen eine geringere Nutzungsdauerverlängerung erreicht werden kann oder nicht alle Regionen auf dieses hohe Maß an SCMs für eine verbesserte Betonhaltbarkeit zugreifen bzw. diese nutzen können, oder bei denen es aufgrund der aktuellen Nutzung von SCMs früher zu Verschiebungen bei der Nutzungsdauerverlängerung kommt, sehen wir weiterhin erhebliche Vorteile durch die Erhöhung der Lebensdauer von Bauwerken, da eine Reduzierung der Zementproduktion um 25–55 % erforderlich ist und ebenso eine Reduzierung der Treibhausgasemissionen um 25–55 % (siehe Sensitivitätsanalyse in den Methoden und den Zusatzinformationen). Die Autoren erkennen an, dass die Erhöhung der Lebensdauer von Betonkonstruktionen über die Materialhaltbarkeit hinaus noch andere Faktoren berücksichtigen muss, wie z. B. die Einführung von Weiterentwicklungen im Design, die die gleiche Funktionalität bei geringeren Betriebskosten bieten, Nutzungsänderungen und Änderungen von Normen oder Gesetzen, die sich auf die Struktur auswirken wirtschaftliche Lebensdauer. Darüber hinaus können für eine längere Nutzungsdauer von Bauwerken Nachrüstungen und Wartungen erforderlich sein, die einen zusätzlichen Materialverbrauch zur Folge haben. Trotz dieser Einschränkungen ist es von entscheidender Bedeutung, dass wir die Lebensdauer unserer Systeme berücksichtigen, da durch die Nutzung von Materialverlagerungen in dieser Phase erhebliche Umweltvorteile erzielt werden können.

Bei der Prognose der Zementnachfrage und der Emissionen aus der Produktion werden die kumulativen Auswirkungen der zuvor diskutierten Strategien zwischen 2015 und 2100 untersucht: Alle Verbesserungen in der Fertigung würden zu einer Reduzierung der Treibhausgasemissionen um 21 % führen; Ein erhöhter Einsatz von Flugasche und Schlacke (GGBS) als SCM würde zu einer Reduzierung der Treibhausgasemissionen um 11 % (bei 30 % Ersatz) bis 34 % (bei 50 % Ersatz) führen; Die Optimierung der Betonfestigkeit und Stahlbewehrung für Bauanwendungen würde zu einer Reduzierung der Treibhausgasemissionen um 18,5 % führen. Erhöhung der Lebensdauer des Betonsystems um bis zu das Vierfache der aktuellen regionalen durchschnittlichen Nutzungsdauer, was zu einer Reduzierung der weltweiten Zementnachfrage um 47,1 % und 175,7 Gt CO2-Äq-Emissionen führt. Abhängig vom globalen Bevölkerungswachstum variiert die daraus resultierende globale Zementnachfrage und damit auch die verursachten Treibhausgasemissionen. Eine Sensitivitätsanalyse für ein Szenario mit niedrigem und hohem Bevölkerungswachstum finden Sie in den Zusatzinformationen.

Der Grad der Reduzierung der Treibhausgasemissionen, der durch den effizienten Einsatz von Zement und Beton möglich ist und durch Designverbesserungen innerhalb aktueller Designvorschriften erreicht wird, könnte zur Information von Ingenieuren, Materialwissenschaftlern, politischen Entscheidungsträgern (oder Codeschreibern) und anderen Interessengruppen genutzt werden. Viele Regulierungsbehörden haben betont, dass gemäß den Erkenntnissen des Zwischenstaatlichen Gremiums für Klimaänderungen6 alle CO2-Emissionen innerhalb der kommenden Jahrzehnte Netto-Null erreichen müssen. Bei Versuchen, die im Pariser Abkommen35 und in regionalen Vorschriften festgelegten Ziele zu erreichen (z. B. der kalifornische Gesetzentwurf zur Beseitigung von Treibhausgasemissionen aus Zement36), wurde ein Schwerpunkt auf Emissionen im Zusammenhang mit der Zementproduktion festgestellt. Aufgrund der Schwierigkeiten bei der vollständigen Eliminierung der Kalkstein-Dekarbonisierungsemissionen aus der Zementproduktion7 werden Materialeffizienzstrategien, die die Nachfrage nach diesen Materialien begrenzen, ein entscheidender Aspekt bei der Erreichung der Emissionsziele sein1,18. Dieser notwendige Mechanismus zur Emissionsreduzierung wurde auch von der Industrie akzeptiert (z. B. der Global Cement and Concrete Association27). Hier zeigen wir, dass bereits akzeptierte Designs große Möglichkeiten zur Reduzierung von Emissionen bieten. Die Einbeziehung von Umweltverträglichkeitsprüfungen zur Berechnung der Reduzierung der Treibhausgasemissionen im Rahmen konventioneller Vorschriften, Materialspezifikationen und Beschaffungs-/Designentscheidungen ist von entscheidender Bedeutung. Da solche Methoden bereits umgesetzt werden können, sollten sie sofort in die Tat umgesetzt werden.

In dieser Arbeit stellen wir die erwarteten globalen Treibhausgasemissionseinsparungen zusammen, die durch den Einsatz mehrerer wichtiger technischer Strategien zur Reduzierung der Emissionen während der Betonproduktion und zur effizienten Nutzung zementbasierter Materialien entstehen. Dazu schätzen wir die Treibhausgasemissionen bei der Herstellung zementbasierter Materialien weltweit (d. h. „Cradle-to-Gate“-Emissionen). Anschließend passen wir diese Modelle an, um den Einfluss verschiedener Fertigungsverbesserungen auf die Reduzierung der Treibhausgasemissionen widerzuspiegeln. Schließlich untersuchen wir den Einfluss, den konstruktionsbasierte Verbesserungen (nämlich die Dosierung der Betonmischung, die Auswahl geeigneter Stahlbewehrungsverhältnisse zur Einhaltung von Konstruktionsstandards bei gleichzeitiger Begrenzung der Emissionen und die Verbesserung der Nutzungsdauer von Beton) auf das Erreichen der Netto-Null-THG-Emissionsziele haben können . Die Methoden für diese Arbeit werden nachstehend vorgestellt. Einzelheiten zu den verwendeten Methoden und Daten finden Sie in den Zusatzinformationen.

Die Emissionen aus der Produktion zementbasierter Materialien wurden für sechs repräsentative Jahre modelliert: 1990, 1995, 2000, 2005, 2010, 2015. Für jedes dieser Jahre wurden Ofeneffizienz, thermischer Energiemix, Strombedarf und SCM-Gehalt für die zementhaltigen Materialien ermittelt Materialien (z. B. Portlandzement und SCMs) wurden auf Grundlage der Getting the Numbers Right (GNR) Initiative37,38 bestimmt. Der Strommix für das gesamte Produktionssystem basierte auf dem weltweiten Durchschnitt der gleichen Jahre der Internationalen Energieagentur (IEA)39. Die verbleibenden Betonbestandteile, einschließlich Zuschlagstoffe und Wasser, wurden als Funktion der Zementverwendung bestimmt, und zwar entweder in Beton oder Mörtel (alle nichtbetonischen Verwendungen von Zement wurden so modelliert, dass sie Bestandteile enthielten, die denen von Mörtel entsprechen); Berechnungsmethoden für diese Verhältnisse sind in den Zusatzinformationen dargestellt. Der Betonbedarf wurde nach Festigkeitsklassen aufgeschlüsselt und die Verteilungen der Betonbestandteile wurden anhand einer Datenbank mit Betonmischungen ermittelt, die aus der wissenschaftlichen Literatur stammen und für häufig verwendete Betonbestandteile und -stärken repräsentativ sind, die weltweit verwendet werden (siehe Diskussion der Daten in den Zusatzinformationen). In diesem Datensatz wurden Verteilungen an Betonmischungen angepasst, die in die von der European Ready Mixed Concrete Organization (ERMCO) festgelegten Festigkeitsgruppen fielen; In diesen Verteilungen wurden alle zementhaltigen Materialien zu einer Verteilung zusammengefasst, die dann basierend auf dem von der GNR-Initiative37 gemeldeten Gehalt an mineralischen Zusatzstoffen unterteilt wurde. Um die Mörtelbestandteile abzuschätzen, wurden Verteilungen auf der Grundlage der von ASTM International40 gemeldeten Standardmörtelbestandteile modelliert. Wie bereits erwähnt, modellieren wir Materialien auf Zementbasis, die nicht aus Beton bestehen, so, dass sie ungefähre Bestandteile von Mörtel haben. Wir weisen darauf hin, dass diese Vereinfachung nicht alle zementbasierten Materialien erfasst. Aufgrund der schlechten Datenverfügbarkeit für andere zementbasierte Produkte und der Tatsache, dass Mörtel den größten Teil der Nichtbetonprodukte ausmacht, handelt es sich hierbei jedoch um eine akzeptierte Näherung in der wissenschaftlichen Literatur41.

Die Treibhausgasemissionen aus der Herstellung von Beton und Mörtel im Jahr 2015 (auf diesem Datum basieren alle Minderungsergebnisse und wurden auf der Grundlage jedes verwendeten Kilogramms Zement modelliert) wurden hier als Basis betrachtet. Diese Emissionen wurden auf das Jahr 2100 prognostiziert, indem die gleichen Emissionen pro kg verbrauchtem Zement und die gleiche Menge an Zement verwendet wurden, die in künftigen Jahren benötigt wird, also ein „Nichtstun“- oder „Business-as-usual“-Szenario. Die Autoren weisen darauf hin, dass die Daten vor 1990 begrenzt waren; Daher wurde davon ausgegangen, dass die Emissionen pro kg Zement für alle Jahre vor 1990 den Emissionen pro kg Zement im Jahr 1990 entsprechen, und Änderungen der kumulierten Emissionen in diesen Jahren spiegelten Unterschiede in der jährlich produzierten Zementmenge wider.

Um den zukünftigen Zementbedarf abzuschätzen, wurde der Bedarf für 10 Länder und Regionen anhand des von Cao et al.24 entwickelten Modells projiziert. Bei diesem Modellierungsansatz wurde die Verwendung von Zement nach Kategorien unterteilt: Wohngebäude (Res), Nichtwohngebäude (NonRes) und andere Anwendungen im Tiefbau (CE). Denn das Modell von Cao et al.24. Der Schwerpunkt liegt auf der Produktion nach 1950. Für diese Arbeit werden historische Daten zum Zementzufluss für die Jahre 1931–1950 verwendet. Anschließend wurde der Zementzufluss zwischen 1951 und 2100 auf der Grundlage eines bestandsgesteuerten Ansatzes erfasst, der dem von Cao et al.24 beschriebenen Verfahren folgte und Pro-Kopf-Sättigungsniveaus (d. h. den oberen Schwellenwert der Pro-Kopf-Nachfrage pro Person und Jahr) verwendet ), die Nutzungsdauer zementbasierter Materialien (d. h. die Langlebigkeit zementbasierter Materialien im Lagerbestand) und Bevölkerungsprognosestatistiken (basierend auf Daten der Vereinten Nationen), synthetisiert von Cao et al.24. Der prognostizierte Zementverbrauch wurde mithilfe eines kombinierten Gompertz-Modells ermittelt, das die Wachstumskurve des künftigen Materialbestands pro Kopf auf der Grundlage von Nutzungsdauern und Bestandsmustern berechnet24. Die Lebensdauer reichte von ~31 bis 100 Jahren für Res, ~31 bis 76 Jahre für NonRes und ~30 bis 75 Jahre für CE-Anwendungen. Im Allgemeinen sind in Entwicklungsländern/-regionen für alle drei Anwendungen kürzere Nutzungsdauern zu beobachten. Die Nutzungsdauer im Einsatz wurde als nicht deterministischer Wert modelliert, d. h. der gesamte Zement wird nicht außer Betrieb genommen, wenn die durchschnittliche Nutzungsdauer für das jeweilige Land/die jeweilige Region erreicht ist, und daher wird der im Einsatz verbleibende Zement als modelliert eine Verteilung, wiederum basierend auf Cao et al.24.

Um erwartete Veränderungen in der Bevölkerung zu erfassen, wurden prognostizierte Bevölkerungsdaten aus den UN-Weltbevölkerungsaussichten42 unter Verwendung der mittleren Variante angewendet. Es wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, um die Auswirkungen alternativer Bevölkerungswachstumsmuster zwischen 2020 und 2100 zu erfassen, wobei die Variante mit niedriger und hoher Bevölkerungszahl ebenfalls aus den UN World Population Prospects42 verwendet wurde. Die Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse sind in den Zusatzinformationen dargestellt. Die zehn modellierten Länder/Regionen waren: (1) Nordamerika; (2) Lateinamerika; (3) Europa; (4) Gemeinschaft Unabhängiger Staaten (GUS); (5) China; (6) Indien; (7) Afrika; (8) der Nahe Osten; (9) Entwickeltes Asien und Ozeanien; und (10) sich entwickelndes Asien. Der Zementbedarf wurde auf der Grundlage des Zuflusses für jede Anwendung (nämlich Res, NonRes und CE) für jedes der genannten Länder/Regionen berechnet.

Um die Auswirkungen typischer Unterschiede in den Treibhausgasemissionen in Abhängigkeit von Betonbestandteilen und Herstellungsverfahren zu untersuchen, wurde derselbe Betonmischungsdatensatz verwendet. Für Vergleiche wurden Mischungen mit einer Druckfestigkeit von 20 MPa, 35 MPa und 50 MPa nach 28 Tagen innerhalb von ±3 MPa verwendet; Die Mischungen hatten unterschiedliche Wasser-zu-Bindemittel-Verhältnisse, SCM-Austauschmengen und Zuschlagstoffgehalte, um die gleiche 28-Tage-Festigkeit zu erreichen.

Berechnungen der Treibhausgasemissionen zur Herstellung von Betonmischungen wurden für die Produktion von der Wiege bis zum Werkstor durchgeführt. Das heißt, diese Berechnungen umfassten Quellen von Treibhausgasemissionen aus der Rohstoffbeschaffung bis hin zur Vermischung von Bestandteilen, jedoch nicht die Platzierung oder andere konstruktionsbedingte Emissionen. Für diese Arbeit wird davon ausgegangen, dass die vorgeschlagenen Änderungen zwischen den Alternativen nur begrenzte Auswirkungen auf die Bau-, Nutzungsphase oder die Treibhausgasemissionen von Beton am Lebensende haben werden; Daher werden Treibhausgasflüsse, die in Lebenszyklusphasen nach der Betonproduktion auftreten, als äquivalent zwischen Alternativen modelliert und nicht in die Berechnungen einbezogen. Die Emissionen für jede Mischung wurden als volumetrische Auswirkung berechnet, d. h. in kg CO2-Äquivalent-Emissionen pro m3 Beton (kg CO2-Äquivalent/m3). Die in dieser Arbeit berücksichtigten Treibhausgase sind CO2, CH4 und N2O und wurden im Hinblick auf CO2-Äquivalente anhand der 100a-Potentiale zur globalen Erwärmung des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC)43 bewertet. Einzelheiten zur Durchführung der Umweltverträglichkeitsprüfungen und weiteren getroffenen Annahmen finden Sie in den Ergänzenden Informationen.

Um Änderungen zu bewerten, die die Treibhausgasemissionen während der Produktion von Beton von der Wiege bis zum Werkstor verändern könnten, untersucht diese Arbeit Änderungen sowohl bei den Zementherstellungsmethoden als auch bei den Betonmischungsanteilen (mit Schwerpunkt auf einer verstärkten Nutzung von SCMs). Für Herstellungsmethoden konzentriert sich diese Arbeit auf die vorteilhaften Auswirkungen häufig diskutierter Strategien zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen während der Zementproduktion, nämlich: Steigerung der Ofeneffizienz, Umstellung von Ofenbrennstoffen mit höheren Emissionen auf Erdgas, Umstellung von Stromquellen mit höheren Emissionen auf Windkraft und eine Kombination aus beidem diese Strategien.

Um die Nutzung von SCMs zu berücksichtigen, umfasste die erste Bewertung außerdem die Auswirkungen im Zusammenhang mit der Einbeziehung von Kalksteinfüllern (LS), natürlichen Puzzolanen (NP), Schieferasche (SA), kalziniertem Ton (CC), Quarzstaub (SF) und Flugasche (FA). ) und Hochofenschlacke (GGBS) in Betonmischungen. Die Spannen der Umweltauswirkungen durch die Verwendung eines erhöhten SCM-Gehalts basierten auf einem Anstieg vom durchschnittlichen SCM-Gehalt im Jahr 2015 (20,3 %), wie von der GNR-Initiative37 gemeldet, auf 30 % und 50 % SCM-Gehalt44. Die Autoren stellen fest, dass die Versorgung mit GGBS und FA könnten in Zukunft abnehmen, aber wir gehen davon aus, dass durch die Verwendung von NP eine ähnliche Leistung erzielt werden kann, und obwohl die Verfügbarkeit bestimmter NP regional ist, könnte eine breite Palette puzzolanischen Materials verwendet werden (z. B. Tuff, kalzinierter Ton, landwirtschaftliche). Nebenprodukte)45,46. Aufgrund der Schwankungen der Treibhausgasemissionen aus der Produktion verschiedener SCMs (siehe ergänzende Informationen) wird der zusätzliche SCM-Gehalt hier so modelliert, dass er äquivalente Emissionen wie NP aufweist.

Diese häufiger diskutierten Strategien können mit den durch die Tragwerksplanung möglichen Schadensminderungsmaßnahmen verglichen werden, um einen Kontext für die Bedeutung des Entwurfs für eine effiziente Betonnutzung als Schadensminderungsmethode zu schaffen. Darüber hinaus wurden diese Änderungen verwendet, um eine kumulative potenzielle Minderung der Treibhausgasemissionen aus der weltweiten Betonproduktion und -verwendung zu bewerten.

In dieser Studienphase wird der Einfluss der Menge an Bewehrungsstahl und der Betondruckfestigkeit auf die Konstruktion von Betonbauteilen in Gebäuden untersucht, um deren Fähigkeit zu ermitteln, zur Minderung der Treibhausgasemissionen beizutragen. Um die Wirkung dieser Faktoren zu bestimmen, koppelt diese Arbeit zwei Modelle aus der Literatur: (1) die von Fan25 entwickelten Mischungsverhältnisbeziehungen, um Treibhausgasemissionen aus der Betonproduktion mit seiner Druckfestigkeit zu verknüpfen, und (2) die von Kourehpaz26 entwickelten Methoden, um Beton zu verknüpfen Druckfestigkeit und Verstärkungsverhältnis zu Umwelteinflüssen. Um die von Fan25 abgeleiteten Beziehungen anzuwenden, wurden Parameter für die Auswirkungen des Bindemittelgehalts in Bezug auf Treibhausgasemissionen und Betondruckfestigkeit abgeleitet (Herleitung und ermittelte Parameter sind in den Zusatzinformationen dargestellt). Die von Kourehpaz26 entwickelte Methode basierte auf Stahlbetonbauteilen, die dem Entwurfscode ACI 318 des American Concrete Institute47 entsprachen. In dieser Arbeit wurden ähnliche Beziehungen abgeleitet, um die Bemessung von bewehrten Stützen (3,5 m Standardhöhe) und bewehrten Platten (7 m Spannweite) bei Rissbildung, Streckgrenze des Bewehrungsstahls und Tragfähigkeitsstadien anhand gleichwertiger Elemente auf der Grundlage von Eurocode 248 und Indian zu untersuchen Standardcode49. Die Platten sind für Biegungen ausgelegt, und während andere strukturelle Gestaltungsaspekte wie Scherung die Treibhausgasemissionen beeinflussen können, fallen diese nicht in den Rahmen dieser Analyse. Die Gleichungen wurden entwickelt, um zu ermöglichen, dass die Querschnittsfläche der Stütze bei einer festen aufgebrachten Axiallast variiert und die Plattentiefe bei einer konstanten gleichmäßigen Last für einen Bereich von Druckfestigkeiten und Verstärkungsverhältnissen variiert. Weitere Einzelheiten zu den getroffenen Annahmen und deren Anwendung finden Sie in den Zusatzinformationen. Um die Treibhausgasemissionen für Bewehrungsstahl zu berücksichtigen, geht diese Arbeit davon aus, dass der verwendete Stahl zu 80 % aus recyceltem Stahl besteht, was eine Auswirkung von 1,03 kg CO2-Äquivalent pro kg Stahl hat (basierend auf 50, was den recycelten Anteil von Stahl berücksichtigt). Allerdings weisen die Autoren darauf hin, dass unterschiedliche Produktionsmethoden für Stahl (z. B. Verwendung eines Hochofens oder Elektrolichtbogenofens, unterschiedliche Recyclinganteile und unterschiedliche Energiemixe bei der Herstellung) zu unterschiedlichen Treibhausgasemissionen führen können. Um Unterschiede in den Herstellungsmethoden zu berücksichtigen, wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, um die Auswirkungen der Verwendung von Bewehrungsstahl mit höherer Umweltbelastung zu untersuchen. Der höhere verwendete Wert, 2,29 kg CO2-Äquivalent pro kg Stahl, wurde basierend auf Referenz gewählt. 50. Der Beitrag anderer Bewehrungen als Längsstahl, wie Bügel, Matten oder Schubbewehrung, wurde der Einfachheit halber in dieser Studie nicht berücksichtigt.

Um die Auswirkungen einer Nutzungsdauerverlängerung für Betonkonstruktionen und verwendeten Mörtel auf die Treibhausgasemissionen zu analysieren, wurden mehrere Faktoren gleichzeitig bewertet. Diese Arbeit verwendet das von Cao et al.24 entwickelte Modell. zur Schätzung des verwendeten Zementbestands und skaliert diesen Bestand, um den Bedarf an zementbasierten Materialien auf der Grundlage der in den Zusatzinformationen ausführlich erläuterten Modelle abzuschätzen. Auch dieses Modell kategorisiert die Zementnachfrage in drei verschiedene Anwendungen (Gebäude (einschließlich Res und NonRes) und CE). Die Nutzungsverhältnisse in jedem dieser Sektoren und die Nutzungsdauer basierten auf Daten von Cao et al.24, wobei die Nutzungsdauermodellierung auf einer statistischen Analyse der Langlebigkeit konkreter Systeme in den hier genannten 10 Ländern/Regionen basiert , die kumulativ die Welt repräsentieren.

Die Rolle der Mischungsauswahl und des Strukturdesigns für die Langlebigkeit von Betonsystemen wurde analysiert, indem die für jede konkrete Anwendung modellierten Lagerzeithorizonte geändert wurden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Betone mit gemischten Zementen im Allgemeinen einen viel höheren spezifischen Widerstand aufweisen als reine Portlandbetone, wodurch mögliche Stahlkorrosion während der aktiven Korrosionsphase besser kontrolliert und bewältigt werden kann, wodurch die Lebensdauer weiter verlängert wird30,31,51. Die Auswahl des Bindemittels ist entscheidend für die Verlängerung der Betonlebensdauer. Nehmen wir Chloride als Beispiel für Dauerhaftigkeit: die erwartete korrosionsfreie Lebensdauer einer Betonkonstruktion mit 40 mm Stahlüberdeckung in einer typischen Meeresumgebung unter Verwendung verschiedener Bindemitteltypen (einfacher Portlandzement; Portlandzement mit Mischungen von entweder 30 % FA, oder 50 % GGBS) kann wie folgt geschätzt werden30,31. Basierend auf dem allgemein akzeptierten kritischen Chlorid-Schwellenwert von 0,4 % Chloriden pro Masse des Bindemittels am Stahl als Korrosionsauslöseschwelle kann für verschiedene Bindemittelsysteme eine unterschiedliche korrosionsfreie Lebensdauer erwartet werden: <5 Jahre für OPC, ~25 Jahre für FA, und ~50 Jahre für GGBS. Das Problem wird hier vereinfacht dargestellt, zeigt aber dennoch die Möglichkeit auf, die Lebensdauer durch eine kluge Wahl der Betonmaterialien erheblich zu verlängern und gleichzeitig alle notwendigen mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Betons beizubehalten. Der Einsatz von SCMs kann zwar die Karbonatisierungsfähigkeit einer Betonstruktur erhöhen52, dies führt jedoch nicht zwangsläufig zu einer höheren Korrosionsanfälligkeit, wie in den Zusatzinformationen angegeben.

In dieser Arbeit wird davon ausgegangen, dass die mittlere Lebensdauer für jede der drei Anwendungskategorien aufgrund der verbesserten Haltbarkeit um das Dreifache bzw. Vierfache (siehe ergänzende Informationen) für Gebäude und Infrastruktur erhöht wurde, wobei verschiedene Szenarien zur Verlängerung der Lebensdauer berücksichtigt wurden zur Verwendung von Zement. Um die möglichen Auswirkungen von Zementersatz und längeren Nutzungsdauern im Nachhinein abzuschätzen, wurde ein Idealszenario modelliert, bei dem davon ausgegangen wurde, dass alle Länder/Regionen Zugang zu 50 % SCM hätten und sich dadurch die Nutzungsdauern um das Vierfache erhöhen könnten. Es wurde auch ein realistischeres Szenario modelliert, bei dem davon ausgegangen wurde, dass nur bestimmte Teile der Welt (50 %) Zugang zu SCMs haben werden, um bis zu 50 % des Zements im Beton zu ersetzen. Für dieses Szenario wurde außerdem davon ausgegangen, dass der Zugang zu SCMs seit 1931 zugenommen hätte, und daher wurde eine vierfache und eine dreifache Nutzungsdauerverlängerung für historische und prognostizierte Daten modelliert. Die Ergebnisse der auf diesen Szenarien basierenden Sensitivitätsanalyse sind in den Zusatzinformationen zusammengefasst. Die Nutzungsdauer wurde als Verteilung modelliert und daher wurde nicht der gesamte in Gebrauch befindliche Zement gleichzeitig außer Betrieb genommen, um die effektive Nutzungsdauer von Gebäuden und Infrastruktur widerzuspiegeln. Diese Lebensdauerverlängerung basierte auf empirischen Erkenntnissen über den Einfluss des Einsatzes von FA und GGBS auf die Verhinderung der Korrosion von Stahlbewehrungen in Küstenregionen und die damit verbundene Erhöhung der Lebensdauer der Betonkonstruktionen30,31. Es wurde angenommen, dass dieser Grad an erhöhter Langlebigkeit mit einem SCM-Gehalt von 30 oder 50 % erreicht werden würde. Die Treibhausgasemissionen aus der Herstellung dieser SCMs wurden hier so modelliert, dass sie den Treibhausgasemissionen natürlicher Puzzolane entsprechen. Da in den letzten Jahren in der Zement- und Betonproduktion immer mehr SCMs eingesetzt wurden (in den letzten 30 Jahren wurde ein Anstieg der Nutzung um ca. 10 % gemeldet53), wurde davon ausgegangen, dass eine längere Nutzung mit Strukturen beginnt, die derzeit für eines der Unternehmen auf Lager sind idealisierte Szenarien; Für die im Manuskript betrachtete Basislinie wird jedoch davon ausgegangen, dass nur zukünftige Bestände (2015–2100) eine verlängerte Lebensdauer haben. Darüber hinaus wurde davon ausgegangen, dass die Erhöhung der Standzeit zu einer effizienten Ressourcennutzung beitragen und damit den Bedarf an neuem Zement verringern würde.

In dieser Bewertungsphase wurde das Minderungspotenzial jeder Strategie berücksichtigt. In dieser Komponente der Analyse wird das Minderungspotenzial durch Verbesserungen in der Herstellung (z. B. höhere Ofeneffizienz), geringere Klinkerwerte pro Kubikmeter Beton durch den Einsatz von SCMs, gewünschte Betondruckfestigkeit und Verstärkungsverhältnis für Infrastruktursysteme usw. untersucht Die zunehmende Lebenserwartung durch SCM-Einsatz wurde kumulativ untersucht. Um den Einfluss der Druckfestigkeit und des Verstärkungsverhältnisses auf die Treibhausgasemissionen auf globaler Ebene zu bewerten, wurden Emissionsunterschiede basierend auf Festigkeiten, SCM-Gehalt und Herstellungsmethoden berechnet, die zu geringeren Treibhausgasemissionen im Vergleich zum globalen Durchschnitt im Jahr 2015 führen würden. und Verstärkungsverhältnisse, die im Verhältnis zum Mittelwert der Verstärkungsverhältnisse zu geringeren Treibhausgasemissionen führen würden.

Um die Mitgliedsentwürfe auf globale Infrastruktursysteme zu skalieren, wurden zwei Hauptansätze verfolgt. Beton, der in der zivilen Infrastruktur verwendet wird, wurde hier nicht für Verbesserungen an bewehrten Bauteilen berücksichtigt, da dieser Beton von bewehrtem bis zu wesentlichem Einsatz als unbewehrter oder nominell bewehrter Beton (z. B. Dämme, Gehwege, Massenbetonanwendungen usw.) variieren kann; Daher modellieren wir diese Anwendungen so, dass sie nicht wie Gebäude verstärkt werden können54. Für Gebäude wurden die Bauteilentwürfe erweitert, um Betonstrukturen widerzuspiegeln, basierend auf einer von Schmidt et al.55 vorgeschlagenen Methode, nämlich, dass die Anforderungen an Bauteile in Bezug auf Festigkeit und Querschnittsfläche mit dem relativen Volumen horizontaler Bauteile (z. B. flach) in Beziehung gesetzt wurden Platten) und vertikalen Elementen (z. B. Stützen) sowie der Belastungsgrad in Abhängigkeit von der Höhe des Bauwerks. Hier wurde ein vereinfachter Ansatz angewendet, bei dem sowohl NonRes- als auch Res-Gebäude mit einer durchschnittlichen Höhe von 3,5 m pro Stockwerk modelliert wurden. Vertikale Elemente wurden auf der Grundlage der Entwurfsmethodik für verstärkte Stützen modelliert, und horizontale Elemente wurden auf der Grundlage der Methode für die Biegung der Platte im Endstadium modelliert. Diese Methode ermöglichte die Bewertung des Minderungspotenzials anhand der mittleren Bewehrungsverhältnisse und des derzeit weltweit verwendeten Betons mit durchschnittlicher Festigkeit. Weitere Einzelheiten zu den getroffenen Annahmen und deren Anwendung finden Sie in den Zusatzinformationen. Der Code zur Wiedergabe der Abbildungen im Manuskript wurde von den Autoren zur Verfügung gestellt.

Die in dieser Studie verwendeten Betonmischungsdaten, Designdaten und Verbrauchsdaten finden Sie in den Zusatzinformationen.

Code zur Reproduktion der Zahlen im Manuskript ist unter https://doi.org/10.25338/B8793W verfügbar.

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SM dankt dem National Center for Sustainable Transportation und dem California Department of Transportation (65A0686/TO 027, SM) sowie der National Science Foundation (CBET 2143981, SM) für die Finanzierung. SM und JO danken für die Finanzierung in Form einer Schenkung der ClimateWorks Foundation (Geschenkfonds, SM). Diese Arbeit repräsentiert die Ansichten der Autoren, nicht unbedingt die der Geldgeber.

Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwesen, University of California, Davis, Davis, CA, USA

Josefine A. Olsson und Sabbie A. Miller

Fakultät für Bauingenieurwesen, Universität Kapstadt, Kapstadt, Südafrika

Mark G. Alexander

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SM hat den methodischen Ansatz entwickelt. JO sammelte die Daten und wertete die Ergebnisse aus. JO, MA und SM haben das Manuskript geschrieben und bearbeitet.

Korrespondenz mit Sabbie A. Miller.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Communications dankt den anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Eine Peer-Review-Datei ist verfügbar.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Olsson, JA, Miller, SA & Alexander, MG Kurzfristige Wege zur Dekarbonisierung der globalen Betonproduktion. Nat Commun 14, 4574 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-40302-0

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Eingegangen: 27. Januar 2023

Angenommen: 21. Juli 2023

Veröffentlicht: 29. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-40302-0

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