Cement, beton en CO2 Feiten en trends
Cement&BetonCentrum 1
Twee kanten van één medaille Het broeikasgas kooldioxide (CO2) is een van de meest veelomvattende beleidsthema’s ooit. De belasting op auto’s is afhankelijk geworden van de hoeveelheid CO2 die per gereden kilometer wordt uitgestoten. Fabrieken worden tegenwoordig afgerekend op hun jaarlijkse CO2-emissie. CO2 komt ook vrij bij de productie van cement en beton. Dat is de ene kant van de medaille. De andere kant is dat men door intelligent gebruik te maken van het bouwmateriaal beton ook weer een grote hoeveelheid CO2 kan besparen. Energiebesparing in gebouwen is een probaat middel ter voorkoming van het versterkte broeikaseffect. In deze brochure laat het Cement&BetonCentrum beide kanten van deze medaille zien. 2
Verantwoordelijkheid nemen Als vuistregel wordt wel aangenomen dat de cementindustrie ongeveer 5% van het wereldwijd door mensen veroorzaakte broeikasgas CO2 uitstoot. Voor andere broeikasgassen is de bijdrage van de cementindustrie praktisch nihil. De spreiding verloopt van 0% in landen zonder eigen cementindustrie tot 20% in de grootste cementproducerende natie ter wereld: China. In het jaar 2000 was het totale gebruik van beton over de hele wereld circa 5 miljard m3. Dat is bijna 1 m3 per aardbewoner per jaar. Cement is de belangrijkste grondstof voor de productie van beton. Het is het bindmiddel dat nodig is om de toeslagmaterialen (in onze streken meestal zand en grind) aan elkaar te kitten. Cement maakt ongeveer 15% van de massa van beton uit. Praktisch overal waar gebouwd wordt is er beton. In dat licht is het niet verwonderlijk dat de productie van cement en beton een substantieel deel van de mondiale CO2-uitstoot veroorzaakt. Na het bouwen komt veelal een lange gebruiksfase van de bouwconstructie. Vooral die levensfase vraagt energie en leidt tot de uitstoot van CO2. De koel- en verwarmingsinstallaties van woningen en utiliteitsgebouwen zijn grote energieverbruikers. Met energiezuinige apparatuur zijn aanzienlijke besparingen te realiseren, maar een echte kwantumsprong komt alleen binnen bereik als ook de bouwmethoden en de bouwmaterialen daarop goed worden afgestemd. Beton is dan andermaal een logische keuze, niet in de laatste plaats door het warmteaccumulerend vermogen. Het Cement&BetonCentrum wil met deze brochure laten zien wat de CO2-uitstoot in de productiefase is, wat er met beton aan CO2-uitstoot kan worden voorkomen en hoe deze zaken in de bouw- en gebruiksketen met elkaar samenhangen en wat we met elkaar kunnen doen om de CO2-uitstoot flink te verkleinen. Dat beton ook kan beschermen tegen de gevolgen van het broeikaseffect, zoals zeespiegelrijzing of extreme weersomstandigheden, dat nemen we voor bekend aan. In Nederland – en in vele andere landen - is beton verreweg het meest toegepaste bouwmateriaal. In een eeuwenlange bouwtraditie heeft het nauwelijks vijftig jaar geduurd voordat deze onbetwiste koploperspositie werd bereikt. Beton is een winnaar, maar omdat beton tegelijk zo héél gewoon is en van niemand en iedereen tegelijk, worden daarvoor al lang geen medailles meer uitgereikt. Het Cement&BetonCentrum behartigt de belangen van de cement- en betonindustrie in Nederland. We staan voor het belangrijkste bouwmateriaal van de moderne geschiedenis èn voor de overzienbare toekomst. Men kan dus met enig recht tegen ons zeggen: ‘neem je verantwoordelijkheid’. Dat doen we graag, want niets minder dan het klimaat staat op het spel.
Boudewijn Donceel Voorzitter Cement&BetonCentrum
André Burger Directeur Cement&BetonCentrum
3
Enkele kernpunten Eén ton cement die in de Europese Unie wordt geproduceerd veroorzaakt in de eerste benadering gemiddeld 750 kg CO2-equivalenten. Bij deze CO2-equivalenten zijn tevens inbegrepen: de uitstoot ten gevolge van de noodzakelijke elektriciteitsproductie, de uitstoot van processen voorafgaande aan cementproductie en de (ondergeschikte) uitstoot van enkele andere broeikasgassen, zoals methaan. In de Europese Unie is de cementproductie verantwoordelijk voor 3% van de totale uitstoot van ‘man made’ CO2. Dat is 2% minder dan wat voor de hele wereld wordt aangenomen. Voor de Nederlandse situatie zijn de cijfers om allerlei redenen nog aanzienlijk gunstiger. 4
De kernpunten nader beschouwd Waar komt die 750 kg CO2 per ton cement vandaan? Figuur 1 maakt duidelijk hoe de diverse bronnen zich tot elkaar verhouden. Het grootste deel van de emissie van broeikasgassen door de productie van cement is gerelateerd aan de ontleding van kalksteen (decarbonatatie). Kalksteen is een onmisbare grondstof voor de productie van cement, meer in het bijzonder van het halffabricaat portlandklinker. Met nadruk wijzen we erop dat figuur 1 gemiddelde waardes weergeeft. Figuur 1 Bronnen van CO2 productie in gemiddeld Europees cement in procenten
8%
2%
4% 56%
Van cement tot cement kunnen er grote verschillen optreden. Die verschillen hebben te maken met de energie-efficiency van de betreffende cementfabrikant, met de gebruikte brandstoffen en met het klinkergehalte van het beschouwde cement. De verschillen in energie-efficiency tussen de verschillende cementbedrijven zijn betrekkelijk klein. Elke fabrikant probeert immers zo zuinig mogelijk met energie om te gaan. Er zijn wel verschillen tussen regio’s in de wereld. Aan cement uit Oost-Europa is gemiddeld 70 kg/ton CO2 méér verbonden dan cement uit West-Europa. Aan de cementproductie in China kleeft gemiddeld zelfs 220 kg/ ton méér CO2. China is bovendien op afstand de grootste cementproducent ter wereld.
100 80 60 40 20 0
CEM III
CEM V CEM IV
CEM II
CEM I
Figuur 2 Minimale en maximale klinkergehaltes in cement in procenten
De verschillen in de brandstofpakketten kunnen groot zijn. Er zijn fabrikanten die voor meer dan 80% op secundaire brandstoffen en biomassa draaien. En er zijn er voor wie dat nog maar een verwaarloosbaar deel is. Dit werkt door naar de uitstoot van CO2. De verschillen tussen de cementsoorten kunnen eveneens van betekenis zijn. De Europese cementnorm kent vijf verschillende hoofdsoorten cement. Onderscheidende factor is daarbij het klinkergehalte. Klinker is een onmisbaar halffabrikaat voor alle cementen.
30%
ontleding van kalksteen brandstofverbranding brandstoftransport elektriciteitverbruik andere
In figuur 2 zijn het minimale en het maximale klinkergehalte per cementsoort aangegeven. Hoe minder klinker in cement, hoe minder kalksteen in principe behoeft te worden ontleed, des te minder CO2 in de lucht.
De Nederlandse situatie wijkt sterk af van die in Europa. Nederland is een land dat relatief veel cement importeert. Daarnaast produceert en gebruikt Nederland veel cement waar relatief weinig CO2 aan “kleeft”.
5
Van kernpunten naar ontwikkelingslijnen Met kleine stapjes, die jaarlijks gemeten worden, begeeft de cementindustrie zich naar een meer duurzame ontwikkeling. De Europese cementindustrie heeft daardoor in de laatste decennia bijna ongemerkt een indrukwekkende metamorfose ondergaan. In de landen die cement voor de Nederlandse markt produceren is die ontwikkeling al vroeg ingezet. 6
Van ontwikkelingslijnen naar beleid De cementindustrie is in veel opzichten een rijpe industrie. Na 150 jaar zijn de productieprocessen vergaand geoptimaliseerd, wat zich vertaalt in een specifiek energieverbruik dat asymptotisch nadert tot de theoretische ondergrens. Het thermisch rendement van een cementoven ligt tussen 70 - 80 %, afhankelijk van het oventype en de aanwezigheid van voor- en nageschakelde installaties. In theorie is er nog wel ruimte voor verbetering van het technisch rendement, maar de praktijk leert dat deze meestal worden gecompenseerd of zelfs overgecompenseerd door van overheidswege opgelegde milieumaatregelen. Figuur 4 laat zien wat er sinds 1960 is bereikt en dat verbeteringen vanaf 1985 min of meer incrementeel van karakter zijn. Figuur 5 toont het gemiddelde klinkergehalte van cement dat in diverse landen is geproduceerd. Gemiddeld genomen heeft in Nederland geproduceerd cement het laagste klinkergehalte ter wereld. België en Duitsland volgen op enige afstand. Dat is gunstig voor de emissie van CO2. België en Duitsland zijn namelijk de grootste cementexporteurs naar Nederland. Het gemiddelde klinkergehalte van in Nederland verkocht cement is circa 50%. Als dat zo gunstig is, waarom hebben andere landen dan niet allemaal hetzelfde beleid? Het antwoord is betrekkelijk eenvoudig. Producten zoals hoogovenslak en poederkoolvliegas zijn in veel landen schaarse goederen, als ze al beschikbaar zijn. Bovendien worden er door de cementindustrie kwaliteitseisen gesteld aan deze grondstoffen, waaraan niet alle leveranciers
willen of kunnen voldoen. Aangezien de eigenschappen van slak en vliegas niet gelijk zijn aan die van klinker zal het daarmee gemaakte cement ook andere technische eigenschappen hebben. Voor bepaalde toepassingen is dat een voordeel, voor andere een nadeel. Cementsoorten zijn niet zonder meer uitwisselbaar en hebben alle hun specifieke toepassingsgebied.
Over de hele wereld kan men in de cementindustrie een kanteling zien van het gebruik van fossiele brandstoffen naar secundaire brandstoffen. In het ene land is de ontwikkeling wat eerder ingezet dan in het andere. Als voorbeeld is Duitsland in figuur 7 getoond. In steeds meer landen wordt het gebruik van secundaire brandstoffen geleidelijk een staande praktijk die wordt uitgevoerd met bewezen technieken.
Figuur 6 geeft het percentage alternatieve brandstoffen weer dat door de cementindustrie in de diverse landen wordt ingezet. Alternatieve brandstoffen dragen niet bij aan de uitputting van de schaarse fossiele brandstoffen zoals kolen en olie. Het gebruik van secundaire brandstoffen heeft géén invloed op de schoorsteenemissies en ook niet op de eigenschappen van het cement. Een deel van die secundaire brandstoffen is tevens CO2-neutraal. Denk aan biomassa (niet te verwarren met biobrandstoffen)*. Als dat zo gunstig is, waarom hebben andere landen dan niet allemaal hetzelfde beleid? Hiervoor geldt min of meer hetzelfde als voor de klinkervervangers. De beschikbaarheid ervan verschilt van regio tot regio. Aan de gestelde kwaliteitseisen wordt vaak niet voldaan. Soms bestaat er bovendien veel onbegrip en weerstand bij de omwonenden van een cementfabriek tegen de inzet van secundaire grond- en brandstoffen.
*) Biobrandstoffen worden geproduceerd uit gewassen die speciaal worden geteeld voor gebruik als brandstof; biomassa niet. Beide zijn zogenaamde kortcyclische CO2 en energie-bronnen die “vernieuwbaar” zijn
7
6 5
100
100
80
80
60
60
40
40
20
20
MJ/kg
4 3 2 1 0
1960
1970
1980
1990
2000
Figuur 4 Ontwikkeling specifiek thermisch energieverbruik cementindustrie in Europa
0
NL
LX
B
BR CZ
D
E
P
world
Figuur 5 Percentage klinker bij cementproductie (gemiddelde waarde)
0
NL B CH A D
N LX F CZ S BR US DK JP world
Figuur 6 Percentage alternatieve brandstoffen bij cementproductie (gemiddelde waarde)
60 55 50 45 40 35 30 25 20
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
Figuur 7 Percentage secundaire brandstoffen in de Duitse cementindustrie
8
Las Palmas, Rotterdam Voormalig werkplaatsengebouw van de Holland-Amerika lijn, architect: Van den Broek en Bakema, 1953. Bij de verbouwing en renovatie door Benthem Crouwel Architecten (2007) is de robuuste betonconstructie geheel intact gebleven. Foto rechts: interieur Las Palmas (Foto’s: Marcel van Kerckhoven)
9
Van punten en lijnen naar ketens De cementindustrie is – letterlijk – geketend. Ze zit enerzijds vast aan haar grondstoffenvoorraad en anderzijds aan haar afzetgebied. Met het product cement wordt - nog steeds - vooral beton gemaakt. Beton is een materiaal, dat dient voor de realisatie van (bijvoorbeeld) draagconstructies zoals wanden en vloeren, kolommen en liggers. Die elementen maken deel uit van een gebouw, een gebouw dat wordt gebruikt en dat moet worden verwarmd en/of gekoeld. Alle schakels in de keten bepalen met elkaar de totale CO2-emissie van dat gebouw. 10
De schakels van de keten De energie-inhoud van een gebouw is de som van de energie die nodig was om alle gebruikte bouwmaterialen te produceren, te transporten, te monteren of in het werk te brengen. Zie figuur 8.
gedurende de dag-/nachtcyclus of de zomer-/wintercyclus. In Nederland wordt ongeveer 37% van al het geproduceerde beton afgezet in de woningbouw. Circa 41% vindt zijn weg naar de utiliteitsbouw. De totale betonproductie is rond 16 mln m3 of 40 mln ton. Bij dergelijke hoeveelheden doet het er wel toe of de energie-inhoud wat groter of kleiner is.
De energie-inhoud van een gebouw is afhankelijk van de grootte, de bouwwijze en de gebruikte bouwmaterialen. Grote gebouwen hebben een grotere energie-inhoud dan kleine, al hoeft dat per m3 inhoud niet zo te zijn. Zware gebouwen hebben meestal een grotere energieinhoud dan lichte. Maar dat wil nog geenszins zeggen dat lichte gebouwen beter zijn dan massieve betonconstructies.
Als vuistregel mag men aannemen dat de energie-inhoud van (gewapend) beton gelijk is aan 2.700 MJ/m3. Zie figuur 10. Bij de productie daarvan is 250 kg/m3 CO2 vrijgekomen.
In het gebruiksstadium kan het juist voordelig zijn om over veel massa te beschikken, thermische massa vooral; het vermogen om warmte te absorberen en weer af te geven
cement
CO2
beton
bouwelement beton
CO2
CO2
gebouw
CO2 CO2
CO2
cement industrie
betonindustrie
bouwbedrijven
Plant-gebouw, Wageningen Ontwerp: DP6 architectuurstudio. Dit researchgebouw van de Wageningen Universiteit is zeer energiezuinig. Kern van het energieconcept is het intelligent gebruik van de thermische massa in beton. Foto: Marcel van Kerckhoven
}
}
} }
milieuvoordelen milieubelasting
Figuur 8 CO2-productie in de waardeketen beton
gebouwgebruik
11
De laatste schakel De thermische massa van een gebouw is het vermogen om overtollige warmte (of koude) op te slaan en vertraagd af te geven binnen de dag-/nachtscyclus. Gebruik maken van de thermische massa van een gebouw betekent logischerwijze gebruik maken van de thermische massa van beton. Daartoe lenen de vloeren zich, maar ook de wanden en de fundering. In beton komen energie-inhoud en thermische massa bij elkaar: een goede reden voor een nadere analyse. 12
De laatste schakel nader beschouwd Ondanks zijn betrekkelijk jonge leeftijd is beton al een traditioneel bouwmateriaal. Maar ontwikkelingen zijn er volop. De eigenschappen van ‘high tech’ beton kunnen tegenwoordig nauwkeurig vooraf worden ingesteld. Bepaalde eigenschappen zoals sterkte en duurzaamheid worden nog steeds verder doorontwikkeld. Andere eigenschappen van beton zoals thermische massa zijn pas onlangs ontdekt, op waarde geschat en actief benut. De thermische massa, ook wel warmte-accumulerend vermogen genoemd, kan passief worden benut en worden geactiveerd. Passieve benutting van thermische massa bestond in feite al in de Middeleeuwen. De dikke kasteelmuren, die in een eerste plaats voor de veiligheid dienden, zorgden er ook voor dat de temperatuur in het inwendige van het kasteel dag en nacht, zomer en winter redelijk constant bleef. Toen een prettige bijkomstigheid voor de adel, tegenwoordig een gewone comforteis voor elke werkplek en elke nieuwbouwwoning.
250
420
410 550
1080 toeslagmaterialen cement wapeningsstaal bekisting transport
Actieve benutting is pas aan het eind van de vorige eeuw ontwikkeld. Eerst door lucht door de holle ruimte van een kanaalplaatvloer te laten stromen, later door betonkernactivering op basis van leidingen gevuld met water.
Figuur 10 Energie-inhoud in MJ/m3 gewapend beton
Betonkernactivering staat momenteel op het punt van doorbreken in belangrijke sectoren van de utiliteitsbouw. Er is goed aan te rekenen, zowel energetisch als financieel. Het is dus snel duidelijk of het economisch verantwoord is. Milieuwinst is er altijd.
Om een goede over-all milieuafweging te kunnen maken moet het energiegebruik in de gebruiks- en ook de sloopfase worden opgeteld bij de totale energie-inhoud van de gebruikte bouwmaterialen. Daarvoor bestaan speciale technieken, namelijk LCA’s (environmental Life Cycle
Assessment). Het Cement&BetonCentrum is in het verleden bij vele LCA-studies betrokken geweest. In een levenscyclusanalyse wordt op een wetenschappelijke en kwantitatieve manier vastgelegd wat de milieubelasting van (gemakshalve) een product over zijn hele levensloop is. Men kan dit bijvoorbeeld doen voor energieverbruik, emissies van broeikasgassen of uitputting van grondstoffen. Het kan geschieden voor de hele levensloop, maar ook van de wieg tot de fabriekspoort. Soms maken betonconstructies zelfs een doorstart, als gebouwen naar verloop van jaren geschikt worden gemaakt voor een tweede of derde functie. Een betonnen draagstructuur is sterk genoeg voor een tweede leven. Dat is onverdunde milieuwinst. In figuur 10 is de energie-inhoud van gewapend beton in onderdelen uiteengesplitst. De precieze getallen zijn minder interessant dan het globale beeld. Cement en wapeningsstaal vormen bij elkaar in veel gevallen meer dan de helft van de energie-inhoud van beton. Men zou kunnen overwegen om de hoeveelheid staal en cement te verminderen. Het zijn vaak ook nog eens de duurste componenten van beton! In de praktijk blijkt het toch weer heel lastig om een duurzaam en constructief beton te maken met minder staal en cement. In heel veel beton zit géén wapening; dat bouwmateriaal heet ongewapend beton. Niet alleen zorgt beton voor sterke en veilige constructies die over een lange reeks van jaren onderhoudsvrij dienst kunnen doen, voor de zelfde prijs levert het materiaal beton thermische massa die zorgt voor een aangenaam binnenklimaat, dat met een minimum aan energiekosten kan worden gerealiseerd. Zo behoudt ook een traditioneel bouwmateriaal een waardevaste toekomst..
13
De verbindende schakel Ongeveer 15% van de Nederlandse emissie aan CO2 (in totaal > 1.000 kg per Nederlander per maand) is afkomstig uit het energieverbruik van de gebouwde omgeving*. Dankzij een gematigd klimaat, een in doorsnee goede woningisolatie en een matig gebruik van koelinstallaties is het energieverbruik hier nog relatief laag. Voor de productie van de bouwmaterialen zoals baksteen, beton en staal is eveneens energie nodig. De energie die daar tijdens de productie in is gaan zitten, is onomkeerbaar. In de gebruiksfase van een gebouw kan de bouwmassa echter heel goed worden gebruikt voor wèl omkeerbare energie-opslag. De bouwmaterialen nemen warmte op als er te veel energie is en staan die weer af als er behoefte aan bestaat. 14
* Bron: RIVM - 29 Mton van in totaal 186 Mton
Net als in de cementindustrie zien we ook in de gebouwde omgeving dat het streven naar installaties met een hoger rendement op een zeker moment tegen praktische of zelfs theoretische grenzen aanloopt. Voor het verminderen van transmissieverliezen (betere kierafdichtingen en nog meer isolatie) geldt uiteindelijk een keer het zelfde. In het logische verlengde van het streven naar vermindering van energieverliezen ligt volledig gecontroleerde ventilatie (gebalanceerde luchtventilatie met warmteterugwinning). In feite zijn dit allemaal graduele verbeteringen. Het gebruik van alternatieve energiebronnen zoals zon en wind mag als een fundamenteel andere aanpak worden genoemd. Maar ook die benadering heeft voorlopig nog zijn beperkingen. Het derde spoor is het gebruik maken van de in het gebouw aanwezige thermische massa voor het opvangen van dag- en nachttemperatuurpieken. Als bodem en grondwater erbij kunnen worden betrokken kan dit spoor nog worden verlengd naar de winter- en zomercyclus. Tijdelijke opslag van warmte is een voorwaarde om te komen tot een zogenaamde nulenergie-woning. Hoe meer thermische massa beschikbaar is, hoe makkelijker dat gaat. Maar let op dat de balans niet naar de andere kant doorslaat: thermische massa is immers vaak ook synoniem met energie-inhoud. In figuur 9 staan vier lijnen ingetekend. De onderbroken lijnen verwijzen naar een (goed geïsoleerd) licht gebouw, met een lage energie-inhoud en een standaard energieverbruik in de gebruiksfase.
De ononderbroken lijnen verwijzen naar een zwaarder gebouw (bijvoorbeeld in beton) met een iets hogere energie-inhoud, maar een veel lager verbruik in het gebruiksstadium. Het lagere verbruik wordt niet zo zeer mogelijk gemaakt door de isolerende eigenschappen van beton, maar door de in beton aanwezige thermische massa, waarmee grote temperatuurwisselingen in de buitentemperatuur kunnen worden opgevangen. Er ontstaat een aangenaam en gelijkmatig binnenklimaat dat bijdraagt aan het comfort van de bewoner of werknemer. De enige randvoorwaarde die men moet stellen is dat de gebruiksduur van het gebouw voldoende lang is. Aan die eis wordt bijna altijd voldaan. Hoe langer de levensduur, hoe groter het voordeel. Beton kan zeer lang mee! Als men de thermische massa van een (zwaar) gebouw op een intelligente manier benut – en vaak hoeft men daar niet veel extra voor te doen – dan kan men 15% op de ruimteverwarmingskosten besparen en wel tot 50% op de kosten voor koeling. De airco kan vaak helemaal achterwege blijven. De totale kostenexploitatie van een zwaar gebouw ziet er in dit perspectief meteen een stuk gunstiger uit. In veel gevallen hoeft de gebouwmassa alleen maar thermisch te worden geactiveerd en is er zelfs geen extra gebouwmassa nodig. Extra massa betekent namelijk ook weer extra energie-inhoud. De beperking van de beschouwingen over thermische massa is dat ze alleen geldig is voor nieuwbouw. Bij onderhoud en renovatie is thermische massa doorgaans geen variabele grootheid.
besparing op energieverbruik dankzij actief gebruik thermische massa
cumulatief energieverbruik
De keten
extra ‘geïnvesteerde’ energie voor productie thermische massa
gebruiksduur gebouw zwaar gebouw (geïnvesteerde energie) Figuur 9energie-inhoud energie-inhoud licht gebouw (geïnvesteerde energie) energieverbruik voor verwarmen en koelen in zwaar gebouw Energieverbruik en energie-inhoud energieverbruik voor verwarmen en koelen in licht gebouw
Tot slot weer terug naar het begin Beton is verreweg het meest toegepaste bouwmateriaal. Door beton op een intelligente manier te gebruiken, kunnen we per saldo een belangrijke bijdrage leveren aan de beperking van de CO2-uitstoot. Het is een grote uitdaging en verantwoordelijkheid die mogelijkheden van een reeds door en door bekend materiaal optimaal te benutten. Het kan, met beton. Bouw bewust, bouw gerust, bouw met beton 15
Bouw bewust, bouw gerust, bouw met beton
Gebouw Cementrum Sint Teunislaan 1 5231 BS ’s-Hertogenbosch Postbus 3532 5203 DM ’s-Hertogenbosch t. 073 640 12 31 f. 073 640 12 84
[email protected] www.cementenbeton.nl
16
