Koldioxidupptag i betong

Koldioxidupptag sker genom karbonatiseringsprocessen som uppstår när koldioxid i luften regerar med kalciumoxid i bindemedeln och bildar kalciumkarbonat och vatten. Med andra ord kan det beskrivas kort med formeln: 𝐶𝑎(𝑂𝐻)₂+ 𝐶𝑂₂ → 𝐶𝑎𝐶𝑂₃+ 𝐻₂𝑂

”Det längre alternativet är

1. 𝐶𝑂₂(𝑔) + 𝐻₂𝑂 → 𝐻𝐶𝑂₃⁻+ 𝐻⁺

Koldioxid i gasform måste först lösas upp i vatten för att karbonatjonerna kan reagera 2. 𝐻𝐶𝑂₃⁻ → 𝐶𝑂₃⁻²+ 𝐻⁺

Karbonatjonen (𝐶𝑂₃⁻²) reagerar med fria 𝐶𝑎 joner 3. 𝐶𝑎²⁺+ 𝐶𝑂₃²⁻ → 𝐶𝑎𝐶𝑂₃

Detta leder till att 𝐶𝑎 koncentrationen sjunker vilket gör att kalciumhydroxiden i pastan löses upp 4. 𝐶𝑎(𝑂𝐻)₂ → 𝐶𝑎²⁺+ 2 𝑂𝐻⁻

(2 𝑂𝐻− kan bilda vatten med de två fria 𝐻+ jonerna från steg 1 och 2) 5. 𝐶𝑎(𝑂𝐻)²⁺+ 𝐶𝑂₃²⁻ → 𝐶𝑎𝐶𝑂₃”

(Andersson, 2016)

Att betong tar upp koldioxid genom karbonatisering är en viktig del för att betongen ska kunna bli klimatneutral då den kommer att ta upp ca 17% av de totala utsläppen från cementproduceringen i Sverige. Ca 300 000 ton av koldioxid tas upp från luften av Sveriges betongkonstruktioner varje år.

Framtida konstruktioner kommer att ha en sämre förmåga att ta upp koldioxid i luften på grund av att man helt enkelt ersätter delar av cementen med material som inte bidrar till processen i samma kapacitet. Men det kan även tilläggas att när man ersätter delar av cemetenklinkern i betongen så sänker man andelen koldioxidutsläpp som krävs för att producera betongen, (Andersson m.fl., 2013).

Man har i accelererade tester av koldioxidupptag i betong visat att inblandning av flygaska i betong kan ge ett ökat karbonatiserings djup och hastighet, (Andersson, 2016 & Bohlin & Snibb, 2016).

Genom att öka betongens exponeringsyta så kan man öka mängden koldioxid som först tas upp i betongen. En grov yta ger bättre upptag, (Andersson m.fl., 2013 & Andersson, 2016).

Ett exempel på att öka exponeringsytan på en betongdel där det även får ett arkitoniskt värde är samverkansprojekt mellan Skanska och Locum. Det har resulterat i den prisnominerade behandlingsbyggnaden Chopin i Huddinge, (Byggindustrin AB & Bonnier Business Media, 2020).

Figur 4.1: Christoffersson. A (2020), Bild på Behandlingsbyggnad för operation, intervention och röntgen i Huddinge och visar en fasad som är helt i betong med en vågformad siluett.

En annan lösning är att göra konstruktionen tunn men då blir dess applicering begränsad. Till exempel en betongtakpanna som är tunn kan ta upp all den koldioxid som har avgetts från kalkstenen vid dess cementtillverkning bara efter några år. Tittar man istället på en mer tät och kraftig konstruktion av anläggningsbetong så tar den knappt upp någon koldioxid alls vilket man då bör ha i åtanke när man dimensionerar betongkonstruktioner, (Andersson med flera, 2013). Genom att bli bättre på att på att krossa betongen från använda konstruktioner och återanvända dessa antingen i cementtillverkningen eller som ballast i så kan man kraftigt öka upptaget av koldioxid i betongen, (Hökfors m.fl., 2016).

5.1.2. Betongkonstruktioner

Krav och incitament för betongkonstruktioner

I nuläget finns det inte lagkrav på att byggnader och infrastrukturen ska reglera och deklarera sin klimatpåverkan ur ett livscykelperspektiv. Det finns andra befintliga styrmedel som syftar att minska byggsektorns klimatavtryck, som består av till exempel marknadsmässiga incitament och bonusar samt poängsätta kriterier i miljöcertifieringssystem, (Svensk betong, u.å.). Det krävs att både offentliga- och privata sektorn ställer krav på miljöarbetet och att kravet förnyas kontinuerligt för att successivt minska konstruktionernas klimatpåverkan, (Svensk betong, 2017 & Färdplan, 2018).

Trafikverket har jobbat med att ställa klimatkrav leverantörerna sedan 2016.I alla offentliga projekt som Trafikverket genomför på över 50 miljoner, och som avslutas 2020 eller senare ställs det krav på klimatkalkyl i olika byggskeden. I dessa stora projekt ställs också krav på ytterligare klimatförbättringar i jämförelse med dagens utgångsläge. Johansson berättar också att Trafikverket arbetar med incitamentsavtal som är en belöning för leverantörer som uppnår högre klimatreducering än fastställda krav, (Håkan Johansson, 2020).

Sedan våren 2018 ställs även materialkrav på leverantörer och underleverantörer som utför projekt under 50 miljoner, samt alla underhållsentreprenader. Materialkravet gäller bland annat armeringsstål, konstruktionsstål, betong, cement och drivmedel. Det införs successivt klimatkrav på andra verksamheter som till exempel räls och sliprar till växlar, beläggningsunderhåll och baskontrakt för sommar- och vinterunderhåll av vägar, (Johansson, 2020 & 13). Trafikverket går ett ytterligare steg till och kräver även EPD som är tredjepartsgranskad och registrerad hos programoperatör, som ett sätt att verifiera det enskilda materialet. Undantag för verifiering kan göras för material med mer än 90 procent godkänd EPD och material som är framtagen med en förgranskad LCA-modell. Både varianterna kan appliceras på betongen med ett fåtal uppfyllda krav, (Svensk betong, 2017).

Trafikverket skall vara klimatneutral år 2045 och delmål sättas genom att bland annat ställa krav och ge incitament redan i upphandlingen på materialleverantörer, entreprenader och konsulter. Här nedan följer de målen som kommer att ställas på reduceringen av klimatpåverkan och vilka incitament som kommer att erbjudas för respektive år. Detta ska bidra till en reducering av klimatpåverkan från entreprenader på uppdrag av Trafikverket.

“Vårt långsiktiga mål är att infrastrukturen ska vara klimatneutral senast 2045. Delmålen omsätter vi succesivt i upphandlingskrav på konsulter, entreprenörer och materialleverantörer. Delmålen är:

● 2020 – minst 15 procents reduktion av klimatpåverkan med bonus för reduktioner upp till 30 procent i projekt och järnvägsmateriel.

● 2025 – minst 30 procents reduktion av klimatpåverkan med bonus för upp till halverad klimatpåverkan i projekt och järnvägsmateriel.

● 2030 – minst 50 procents reduktion av klimatpåverkan med bonus för upp till 100 procents reduktion av klimatpåverkan i projekt och järnvägsmateriel.

Fossilfria drivmedel eller eldrift i alla entreprenader ”

(Trafikverket, 2020).

Boverket i samverkan med Kommittén för modernare byggregler har år 2018 lämnat in förslag på klimatdeklarationer av byggnader, där ändamålet är att öka kunskapen och medvetenheten av byggnaders klimatavtryck, samt att styra mot en lägre klimatpåverkan och att bidra till nationellt uppsatta målet. Implementering av kravet bedöms träda i kraft under januari 2021 för flerbostadshus och lokaler. För övriga byggnader till exempel småhus, uppskattas att detta sker ca 2 år senare.

Boverket räknar med även en klimatdeklaration i större omfattning, (Miljö- och klimatanpassade byggregler, 2016).

Betongsammansättning & konstruktionslösningar

Valet av en betongsammansättning kommer att avgöras av de förutsättningarna som ett byggnadsverk har vare sig det är en bro eller en husgrund, (M. Westerholm, intervju, 15 april 2020).

Genom att konstruktören noga beräknar den exakta exponeringsklassen som är nödvändig och föreskriva ett högt vct och en låg exponeringsklass så kan klimatpåverkan av en betong sänkas, (Staffansson, 2019).

Flera betongtillverkare erbjuder produkter som specifikt är utformade för att sänka betongens klimatpåverkan med runt 50%, (Grön betong låg klimatpåverkan, 2020, BI Optimal – för hållbart byggande, 2020 & Varumärkesprodukter, 2020).

Genom smarta konstruktionslösningar kan man effektivisera användningen av betongen i en konstruktion vilket leder till en minskad total mängd använd betong. Idag kan det vid produktionen bli betong över som inte används. Arbete pågår för att minska denna restbetong som också kan användas som fyllnadsmaterial i vägbyggnad. I vissa konstruktioner kan man bespara upp till 30%

betong, (Svensk betong, 2017)

Sammanställning av olika EPD:er

Här har det gjorts en sammanställning av olika EPD:er av olika betongsorter, cement och masugnsslagg. En del av den data används i framställning av resultatet men ska för övrigt ge läsarna likt den gett författarna en uppfattning av relationen mellan de olika produkternas GWP. Den ska även visa hur skillnaden i betongens styrka och exponeringsklass förhåller sig till utsläppen av koldioxidekvivalenter.

Produkt Cementsort/ Bindemedelkombination Hållfasthetsklass för cement Hållfasthetsklass betong VCT Exponeringsklass

GWP kg Co2/m3

(kg cement i produkten) ((kg slagg i produkten))

Råmaterial Transport Tillverkning Transport(till gjutning) Totalt

Nesher Israel Cement Enterprises Ltd (endast giltig i Israel)

Portlandcement CEM I 52.5 - - - 126 (1000) 754 880

JSW Cement Limited (endast giltig i Indien)

GGBS - - - - - ((1000)) - - - 60.21

Thomas Betong AB (klimatförbättrande betong med slagg: Cementas Byggcement) Thomagrön LC:

AB Sydsten (Klimatförbättrande betong med slagg: Bascement eller motsvarande och GGBFS (Ground granulated blast-furnace slag)

Figur 4.2: Sammanställning av flera Epder. Alla cementsorternas hållfasthetsklass är enligt EN 197–1, EPD:er har hämtats från två olika sökmotorer, (EPD Search - The International EPD® System, 2020 och EPDer, 2020).

5.1.3. CCS

Huvudparten av cementens utsläpp är processutsläpp från kalcineringen av cementklinker och kan inte bindas till energiåtgången och bränsle som krävs för uppvärmning vid cementproduktionen.

Dessa processutsläpp kan inte påverkas genom energieffektivisering eller förbättring av bränslemixen. Det är därför det krävs utveckling av teknologier och innovationer, som avskiljer koldioxid från rökgaserna och som bidrar till långsiktiga lösningar för koldioxidlagring eller återanvändning av uppfångad koldioxid i andra industriella processer, (Färdplan, u.å.).

CCS står för Carbon Capture and Storage, och är en metod där koldioxid från större punktutsläpp såsom kraftverk, förbränningsanläggningar, processindustrier och cementindustrier avskiljs från rökgaser och lagras i underjordiska geologiska formationer djupt under berggrunden eller havsbotten.

Processen CCS består av tre olika delmoment, som är avskiljning, transport och lagring, (SGU, 2017).

Koldioxidavskiljning

Avskiljningen är första steget av de tre delmoment och innebär att CO2 skiljs från rökgaserna vid punktkällan, (SGU, 2017). Detta är den mest kostnadskrävande momentet kan uppgå upp till 75 procent av den totala kostnaden, (Mikael Erlström med flera, 2011).

Först samlar man ihop de rökgaser och processgaser som uppstår vid exempelvis cementtillverkning.

Därefter avskiljs koldioxiden från rökgaserna genom användning av en kemisk rening med aminer, och sedan komprimeras den för att skickas vidare till lagringsplats där den pumpas ner under marken eller används till andra industriella processer i form av CCU. För att driva denna avskiljning krävs det extra energi men man har på Cementa sett att man genom att återvinna den spillvärme som finns idag på cementfabriken Norcem i Norge uppskattningsvis ca 50% koldioxid avskiljs från rökgaserna utan att tillföra mer energi, (IVL Svenska Miljöinstitutet, 2011 och SGU, 2017).

Transport

Med hjälp av kompressorer formas ett högt tryck, där koldioxiden når ett superkritiskt tillstånd, vilket innebär att koldioxiden i princip blir flytande vätska. Koldioxiden kan därefter transporteras i ledningar eller andra transportmedel som båtar eller lastbilar till lagringsplatsen, (SGU, 2017).

Lagring

Största potentialen för koldioxidlagring finns i djupet, under den sedimentära berggrunden, där det råder tryck och temperaturförhållandet som gör att koldioxiden fortsätter hålla sig i superkritiskt tillstånd. Koldioxiden kan lagras på olika platser som till exempel tömda olje- och gasfält, djupa saltvattensakviferer och djupt liggande kolflötslar.

Enligt, (SGU, 2017) krävs det att lagringsplatsen uppfyller flera kriterier. En viktig förutsättning för att kunna lagra koldioxid är att det vid lagringsplatsen finns en stabil och tät bergart som till exempel skiffer eller lera som fungerar likt ett tak och förhindrar att koldioxiden vandrar upp till markytan eller havsbottnen

“För att en reservoar (salin akvifer) ska kunna utgöra ett koldioxidlager måste flera kriterier vara uppfyllda:

➢ Sandavsnittens totala mäktighet måste vara minst 15 meter.

➢ Reservoaren måste ligga på minst 800 meters djup, för att säkerställa att trycket är så stort att koldioxiden är flytande.

➢ Berggrunden måste också vara tillräckligt porös (mikroporer) och det ska finnas kontakt mellan porerna så att koldioxiden kan fylla upp utrymmet.

➢ Det måste även finnas en tät bergart ovanför akviferen som kan fungera som ett "tak'' så att koldioxiden stannar kvar i reservoaren”, (Teknik för koldioxidlagring, 2019).

Tekniken koldioxidavskiljning och lagrings finns i drift på flera platser runt om världen. Tekniken är fortfarande under sin utvecklingsfas och Sverige är delaktig i flera nationella och internationella projekt. Norge är ledande nationen för utvecklingen av CCS-tekniken. Det finns vissa projekt som har pågått sedan 90-talet, där tekniken har använts med goda resultat framhållna enligt Naturskyddsvården. Norge har de bästa förutsättningarna gällande CO2-lagringsutrymme. I Sverige däremot är utbredningen av sedimentära bergarter begränsad till mindre delar av landet och till havs, framförallt sydvästra Skåne och sydöstra Östersjön. Geologiska lagring av koldioxid är endast tillåtet till havs sedan första mars 2014, (SGU,2017).

Det finns stor potential för geologiska lagring av koldioxid inom Norden. 18 mest lämpliga platserna för koldioxidlagring i Norden utgör tillsammans en teoretisk lagringskapacitet som är mer än 86 gigaton, (SGU, 2017), vilket innebär att vi, med samma takt som dagens utsläpp skulle kunna lagra 564 års koldioxidutsläpp inom Nordens vida gränser, (SGU, 2017).

Enligt Cementa AB som representerar svenska cementindustrin, finns det tekniska lösningar för koldioxidavskiljning knutet till cementproduktion. Cementas systerbolag Norcem i Brevik, har arbetet med projekt sedan 2011, kring koldioxidavskiljning, där goda resultat erhållits i både pilot- och demonstrationsanläggningarna. Projektet har varit del av ett större projekt som är finansierat och organiserat av norska staten, där ambitionen varit att hitta lösningar på alla delmomenten i CCS processen, från avskiljning till transport och geologiska lagring av koldioxiden.

Karin Comstedt Webb, Sustainability Manager Heidelberg Cement Northern Europe och hållbarhetsansvarig inom Cementa sa i en artikel på Dagens Nyheter 2019, att de tänker genomföra

”första CCS-anläggningen inom cementbranschen på plats 2024, med möjlighet att arbeta vidare för en lösning i Sverige innan 2030’’, (Höök, 2019).

Det är nödvändigt att fånga upp, lagra och återanvänd koldioxid för nå en klimatneutral betong år 2045, (Färdplan, u.å.). I infrastrukturen och industrin behövs det lösningar för att ta hand om processrelaterade CO2-utsläpp och kräver ett engagemang, stöd och handling hos både den offentliga sektorn och cementindustrin. För att utvecklingen av CCS-teknik ska kunna ske behövs det beslut i riksdagen. Dessa beslut blir då gällande under en längre tid och myndigheter som SGU, Naturvårdsverket och Energimyndigheten kan arbeta efter tydliga uppdrag. Även länsstyrelser och kommuner behöver vara med och stötta utvecklingen, (Cementa, u, å & SGU, 2019 & SOU 2020).

CCU/CCR

Carbon Capture and Utilization (CCU), som också nämns som Carbon Capture and Recycling (CCR), är process, där man fångar upp CO2 för att återvinna för ytterligare användning i industriella processer. Till skillnad från permanent koldioxidlagring innebär CCU i normalfallet att den avskilda koldioxiden återgår till atmosfären efter en tid. Hur lång den temporära koldioxidlagringen är hänger på produktens livslängd eller beständighet. Det finns flera områden där avskild koldioxid kan återanvändas idag. Det största användningsområdet är, att omvandla koldioxid till metangas, genom en process så kallad elektrolys, processen kräver dock stora mängder av energi. Det finns ändå möjligheter att utnyttja tekniken under de tider då elnätet har överskott. Det är ett känt faktum att det blåser mest vid vindkraftverken när behovet i elnätet är som minst, och då det uppstår stora mängder elöverskott som kan riktas till framtagningen av metangas i framtiden. Metanet recirkuleras ett varv innan det släpps ut i atmosfären, och i det ”nya” varvet reduceras behovet av nytillförsel av kol. Cementa som företrädare för cementbranschen, deltar i projektet Power to gas (Ptg) på Gotland där möjligheterna till att binda koldioxid från cementproduktionen och därmed lagra en del av överskottselen studeras, (SOU, 2020 & Energiforskning, 2017).

Ett annat sätt att återanvända avskild koldioxid är att leda rökgaserna genom dammar eller växthus.

Växthusodlade grödorna och algerna binder upp CO2 från gaserna. Algerna kan utnyttjas som djurfoder eller värdefulla algbiomassa. I algprojektet vid fabriken i Degerhamn hämtas mikroalger från Östersjön. Projektet som leds av Catherine Legrand, professor i marinekologi på Linnéuniversitetet, och som har beviljats medel av Energimyndigheten, samarbetar med Cementa och har fokus på att återvinna 5–10% av cementindustrins utsläpp av både koldioxid och kväveoxider, (Hökfors m.fl., 2016 & Cementas algprojekt når framgångar, u.å.).

Andra användningsområden för avskild koldioxid är t.ex. genom att direkt använda den i livsmedelsindustrin som kolsyra eller omvandla det till biologiskt, kemiskt och/- eller mineraliseras till andra nya produkter, som t.ex. plaster och olika konstruktionsmaterial (SOU, 2020), och Flera andra nuvarande och potentiella användningsområden för CCU illustreras i Figur 4.3.

Ett annat begrepp som används ibland är CCUS vilket står för Carbon Capture, Utilization and Storage, och omfattar både CCS och CCU. Begreppet CCUS är något slags utveckling av CCS och beskriver en modell där avskilt koldioxid binds in långsiktigt via återföring eller upptag i ett material som utnyttjas till något värdefull och användbart, till exempel kan lagring och användandet av slaggrus från avfallsförbränning ses som CCU, (SOU, 2020).

Det är också värt att nämna att CCU inte är en permanent lösning på koldioxidutsläppen.

Koldioxiden kommer förr eller senare att hamna i atmosfären. Kolinlagringen beror på olika användningsområdena för CCU och kan variera mellan någon månad och 100-tals år. Till exempel användning av avskild koldioxid till drivmedel tar endast någon månad, innan det hamnar i luften.

Det är också viktigt att påpeka att CCU ger mer nytta om produkter som producerats med avskild koldioxid kan ersätta produkter som är baserade på fossila insatsvaror, (SOU, 2020).

Figur 4.3: Illustrering av en schematisk bild över befintliga och tillkommande användningsområden för CCU, (SOU, 2020).