10 thema Circulaire innovatie in de betonindustrie 1 Om bij te dragen aan duurzame toekomst moeten bouwsector en betonindustrie moderniseren thema Circulaire innovatie in de betonindustrie 4 2018 11 Bij het streven naar een circulaire economie kan de betonindustrie een grote bijdrage leveren door het ontwikkelen en aanbieden van innovatieve materialen en systemen. Het is gebleken dat orga- nisaties ideeën genoeg hebben voor producten en diensten, maar dat ze moeite hebben ze daad- werkelijk te realiseren en er op de lange termijn waarde uit te halen. Om snel te kunnen innoveren in de circulaire bouweconomie moeten organisaties hiervoor de juiste omstandigheden creëren, wat kan door samenwerking binnen de industrie. Start-ups, financiële instellingen, technische experts en ontwerpers zijn daarbij van groot belang. hoeveelheid geproduceerde goederen ten opzichte van het gebruikte materiaal voor die goederen, daarbij achter. De groeiende wereldbevolking en daarmee de toename van bouwactiviteiten in ontwikkelingslanden zetten de toevoer van eindige grondstoffen, zoals zand, steeds meer onder druk. Daarnaast is de CO 2-emissie wereldwijd veel hoger dan verwacht. Hoewel het percentage in Nederland aanzienlijk lager ligt, veroorzaakt de productie van cement wereldwijd naar schat- ting 7 tot 8% van alle door mensen veroorzaakte uitstoot van CO 2 [1]. Beton is in de bouwsector dan ook een van de belangrijkste speerpunten die moeten worden aangepakt om regionale en wereldwijde doelstellingen te behalen.   Hierbij zijn twee aspecten van belang. Ten eerste zijn alle processen voor de productie van beton (waaronder recy- cling) uiterst energie-intensief. De hoeveelheid gebruikte (grijze) energie is daarom buitengewoon hoog. Ten tweede kunnen de afzonderlijke materialen waaruit beton wordt samengesteld ? fijne en grove toeslagmaterialen en cement ? worden gerecycled. Daarbij behouden ze echter niet hun volledige waarde, waardoor gerecyclede materialen meestal worden gebruikt als onderlaag voor wegen of niet-construc- tief beton. Beton heeft dan dus één extra levenscyclus. In de toekomst moet er echter worden gestreefd naar herhaaldelijk hergebruik van het materiaal.     Circulaire economie Een circulaire economie is een gesloten systeem voor grond- stoffen waarin (theoretisch gezien) geen afval wordt gecre- e erd: er gaan geen materialen verloren en alle materialen worden op de een of andere manier gebruikt als basis voor nieuwe productie. Dit kan worden bereikt door producten specifiek hiervoor te ontwerpen en ze te onderhouden, hergebruiken, reviseren, vernieuwen en recyclen. Het moge- lijk economische voordeel hiervan kan alleen al in de mobili- teits-, levensmiddelen- en bouwsectoren in Europa tot 2030 jaarlijks oplopen tot naar schatting ?1800 miljard [2]. Martin Pauli MSc 1) Arup 1 De Burj Khalifa in Dubai 2 Wereldwijde grondstoffenwinning 1) Martin Pauli is Senior Foresight + Research + Innova- tion manager en strategisch ontwerper bij Arup, Berlijn. Beton is het oudste door mensen samengestelde bouwmateri- aal en een van de meest gebruikte materialen op aarde, na water. De geschiedenis van beton gaat ver terug: het Colos- seum en het Pantheon in Rome werden 2000 jaar geleden gebouwd en zijn uitstekend bewaard gebleven dankzij het gebruik van materialen van een hoge kwaliteit en goed onder - houd. De Chinese Muur werd gebouwd uit bamboe dat bij elkaar werd gehouden met cementachtige materialen. Het beste voorbeeld uit de moderne wereld is de Burj Khalifa in Dubai (foto 1), een toren van 828 m hoog die werd gebouwd met 329.982 m 3 beton en ruim 61.000 ton wapening. Een uiting van economische macht in een wereld waarin economische groei nog altijd samengaat met de winning en het verbruik van grondstoffen in een voornamelijk lineair economisch systeem.   Terwijl de arbeidsproductiviteit aanzienlijk is gestegen in de afgelopen decennia, blijft de materiaalproductiviteit, de grondstoffenwinning miljarden tonnen ertsen en industriële materialen dragers fossiele energie bouwmineralen biomassa BBP BBP (10 12 ?) 2 Circulaire innovatie in de betonindustrie 4 2018 12 thema 3 De circulaire economie   Verder geldt dat primaire grondstoffen in veel gevallen de meer milieuvriendelijke optie zijn, omdat gerecyclede toeslagmateri- alen voor beton verdere verwerking moeten ondergaan. Analyse van de levenscyclus heeft dit uitgewezen [3]. Dat is ook de reden dat de bouw maximaal slechts 3 à 4% secundaire materialen gebruikt.   Langere levenscyclus In een ideale wereld is de levenscyclus van een materiaal niet belangrijk omdat het recyclingproces theoretisch gezien geen invloed heeft op de kwaliteit van materialen (cradle-to-cradle). In de echte (bouw)wereld is dit model echter onrealistisch. Aangezien er bij de productie en verwerking van beton een grote hoeveelheid grijze energie wordt verbruikt, is het verlen- gen van de levenscyclus een van de belangrijkste manieren om de uitstoot van CO 2 terug te dringen. Als beton goed wordt beschermd en onderhouden, is het een van de meest duurzame materialen in de bouwsector. Het verlengen van de levensduur is een belangrijk aandachtspunt, met name in de infrastructuursector. Er is uitgebreid onder - zoek gedaan naar zelfverdichtend beton (i.v.m. dichter opper - vlak), het vermogen tot zelfmonitoring en selfhealing met behulp van bacteriën. Hiermee wordt geprobeerd te voldoen aan een van de belangrijkste aspecten van de circulaire econo- mie: ontwerpen met het oog op een lange levensduur.   Vervanging grondstoffen door glas Ruim 8 miljoen ton van de consument afkomstig glas komt bij het restafval terecht, onder meer omdat de consument twijfels heeft bij recycling. Een consortium van de Ellen MacArthur Foundation en Google, dat bedrijven stimuleert een circulair bedrijfsmodel te implementeren, boog zich over de vraag hoe Ook voor beton zijn er mogelijkheden te voldoen aan deze eisen voor de circulaire economie. Laten we betonsystemen en hun huidige en toekomstige potentieel eens systematisch onder de loep nemen. Daarbij richten we ons op drie belangrijke succesfactoren om de productiviteit van materialen te kunnen benutten en de uitstoot van CO 2 terug te dringen: 1 materiaalinnovatie ? de nieuwe generatie betonmaterialen en -systemen moet een verminderde impact hebben of meerdere keren gerecycled kunnen worden; 2 systeeminnovatie ? design for manufacturability and assem- bly (DFMA, een methodiek waarbij wordt ontworpen met het oog op maakbaarheid) met constructieve betoncompo- nenten; 3 innovatie van het ecosysteem ? behalve technische optimalise- ring kunnen radicaal andere bedrijfsmodellen en samenwer - kingen tussen stakeholders binnen de hele waardeketen de verschuiving naar een circulaire economie helpen realiseren.     Materiaalinnovatie De schadelijke gevolgen van betonproductie voor het milieu zijn bekend. Aan de andere kant is er ook veel kennis over hoe beton kan worden geproduceerd dat minder impact heeft op het milieu (vaak aangeduid met de term 'groen beton'). Er is uitgebreid onderzocht in hoeverre en met welke technologie groen beton in de praktijk kan worden toegepast in gebouwen en constructies. Het verminderen van de impact van beton op het milieu, heeft met name gevolgen voor de mechanische eigenschappen ervan, zoals de druksterkte, duurzaamheid, brandwerende eigenschappen en mogelijkheden op het gebied van verwerken, nabehandelen en verharden. Hiervoor is door - lopend onderzoek en ontwikkeling nodig. Circulaire innovatie in de betonindustrie 4 2018 13 van beide materialen benut. Zo kunnen er allerlei problemen op het gebied van constructie, temperatuurbeheersing, akoestiek of brandveiligheid worden opgelost; er is een enorm potentieel voor systeemontwerpen die voldoen aan de principes voor de circu- laire economie. Er is een systeem ontwikkeld waarmee balken worden gecombineerd met dunne betonplaten; dit was in eerste instantie bedoeld om te kunnen voldoen aan vereisten op het gebied van akoestiek en temperatuurbeheersing. Na een aanvan- kelijk onderzoeksproject werd er een acht verdiepingen tellend demonstratiegebouw gebouwd in Dornbirn in de Oostenrijkse deelstaat Vorarlberg. In 2012 trok het bouwbedrijf Cree hierin.   Modulair beton ? ontwerpen voor ontmanteling Er moet worden gekeken wat er aan het einde van de levens- duur met een gebouw gebeurt, zoals het afvoeren of recyclen ervan. Jaarlijks wordt er in Europa 450-500 miljoen ton bouw- en sloopafval gegenereerd. Ten minste een derde hiervan is beton. Peikko, een toonaangevende Finse leverancier van betontoe- passingen, ontwikkelt een oplossing waarmee prefab compo- nenten snel aan elkaar kunnen worden bevestigd door middel van een gestandaardiseerde mechanische verbinding, zonder zware machines of energie-intensieve processen (foto 4) . Het idee is dat ze ook weer kunnen worden gedemonteerd. In België en Nederland zijn de eerste concrete projecten met dit systeem in voorbereiding, mede dankzij een goede samenwer- king tussen opdrachtgevers, ingenieursbureaus, aannemers en leverancier..   Het is dan dus mogelijk een compleet gebouw te ontwerpen voor constructie en ontmanteling op basis van gestandaardiseerde elementen die op of in de buurt van de bouwlocatie worden gefa- briceerd. Door de duurzaamheid van het oorspronkelijke ontwerp neemt de productiviteit en uiteindelijk de kwaliteit van het bouwproject toe. Uiteraard zal deze technologie niet voor alle soorten bouw geschikt zijn, maar het vormt wel een belangrijke mijlpaal voor beton in een circulair bouwecosysteem. Door het systeem te combineren met het gebouwpaspoort dat in ontwik- keling is, zijn de eigenschappen van een gebouw bekend op het moment dat de eerste levenscyclus ten einde komt.     Innovatie van het ecosysteem Zonder de benodigde innovatie van het ecosysteem eromheen, krijgt geen enkele materiaalinnovatie of radicale technologie voet aan de grond. Het bouwecosysteem heeft te maken met één specifiek probleem: er kan meestal geen schaalvoordeel worden behaald. De meeste gebouwen worden gebouwd op basis van een eenmalig ontwerp. Hierdoor is het onmogelijk de vraag naar bouwmaterialen effectief te voorspellen en de toevoerketen gebruikt glas, tot poeder vermalen, cement in beton kan vervan- gen waardoor de hoeveelheid gebruikte energie wordt verlaagd. Extra voordeel hiervan is de lokale beschikbaarheid van glas. De technische haalbaarheid bleek uit pilotprojecten met beton voor stoepen in Montréal, New York City en op de Google- campus in Mountain View [4]. Productietechnisch gezien is het misschien niet de perfecte oplossing, maar er is wel aangetoond dat er voldoende potentieel is om zogezegd 'gevestigde' materi - alen, zoals cement, te vervangen. Daarbij moet natuurlijk wel rekening worden gehouden met de uiteindelijke toepassing.   Vervanging grondstoffen door vliegas Vliegas (as van steenkool in poedervorm) wordt op grote schaal gebruikt als gedeeltelijke vervanging van cement. De CO 2-voetaf- druk van een ton beton neemt hierdoor af met 25-40%. De toevoeging van vliegas aan beton vermindert tegelijkertijd de sterkte in de beginfase omdat vliegas relatief langzaam wordt gehydrateerd. Beton met vliegas is echter wel beter verwerkbaar [5]. Het gebruik ervan kan de kosten van beton met 2-10% verla- gen; de hoogte van de besparingen is afhankelijk van de prijs en beschikbaarheid van vliegas, die weer worden beïnvloed door de nabijheid van kolencentrales. Naarmate de voorraad vliegasafval toeneemt, zoeken de centrales plaatsen waar ze het kwijt kunnen.     Systeeminnovatie   Hybride systemen ? ontwerpen met oog op hernieuwbare componenten Zoals eerder besproken is een van de belangrijkste aspecten van de circulaire economie: het ontwerpen van systemen die alle benodigde technische eigenschappen op zo'n manier combineren dat deze aan het einde van de levensduur op schone en eenvou- dige wijze kunnen worden gescheiden. Theoretisch gezien zou dit leiden tot eindeloos hergebruik van grondstoffen.   Bij beton wordt wapening toegepast. Constructief een uitste- kende oplossing, maar vanuit het oogpunt van de circulaire economie een nachtmerrie: aan het eind van de levensduur moeten beide materiaalfracties worden teruggewonnen met behoud van hun kwaliteit. Dit is niet voor niets een belangrijk onderzoeksgebied.   Door de toenemende druk op de bouwsector en de energie- intensieve materialen die deze nu gebruikt, wordt er geleidelijk aan steeds meer gebruikgemaakt van hout als alternatief voor gewapend beton. Het Brock Commons Tallwood House, momenteel met 52 m het hoogste houten gebouw ter wereld, zal waarschijnlijk worden gevolgd door nog meer 'plyscrapers' (houten wolkenkrabbers). Door hout te combineren met beton worden de sterke punten Circulaire innovatie in de betonindustrie 4 2018 14 thema 4 Prefab componenten kunnen snel aan elkaar worden bevestigd door middel van een gestan- daardiseerde mechanische verbinding Foto: Peikko Benelux erop af te stemmen. Andere factoren die druk veroorzaken zijn onzekerheid, onvoldoende budget en een gebrek aan tijd en kwaliteit. Geen ideale omstandigheden dus om innovatieve ecologische en economische oplossingen te stimuleren.   Het is echter wel de moeite waard systematisch te kijken naar soorten gebouwen die wel geschikt zijn voor schaalvoordelen. In principe is elk soort herhaald gebouw, zoals woningen, hotels of studentenhuisvesting, geschikt voor de toepassing van circulaire bouwprincipes. De focus op modulariteit, de produc- tie van componenten en prefabricage, ofwel een veel meer industriële benadering, vormt voor veel (voornamelijk grote) betonbedrijven een impuls om te kijken naar nieuwe bedrijfs- modellen en manieren om waarde te creëren.   Met name grote aannemers zouden zich meer moeten richten op integratie up- en downstream, waardoor ze meer invloed kunnen uitoefenen op de toevoer van materialen, het ontwerp en de uitvoering ter plaatse. Bovendien wordt de fase na de verkoop belangrijker. Het stroomlijnen van het proces van ontmanteling, selectieve sloop en de productie van secundaire materialen van hoge kwaliteit zullen de sleutel vormen tot economisch en ecologisch succes.     Conclusie en toekomstperspectief Als een van de grootste verbruikers van grondstoffen en uitsto- ters van CO 2 moet de bouw een sleutelrol spelen in het aanpak- ken van de enorme ecologische, economische en sociale uitdagingen waarmee we in de 21e eeuw te maken hebben. We kunnen de volgende conclusies trekken ten aanzien van de belangrijkste succesfactoren: 1 Om de grote hoeveelheid gebruikte energie te verminde- ren, moet de betonindustrie materialen blijven ontwikke- len ter vervanging van energie-intensieve grondstoffen. Zelfs ongebruikelijke materiaalstromen of bijproducten kunnen bijdragen aan materiaalinnovatie. Er moet worden gestreefd beton niet slechts eenmaal te recyclen, maar te kijken naar het mogelijk maken van meerdere levenscycli. De levensduur van bestaande betonconstructies kan worden verlengd door middel van zorgvuldige controle en onderhoud, mogelijk in combinatie met de toepassing van zelfreparerende technieken. Hiermee wordt voldaan aan een van de belangrijkste principes van de circulaire econo- mie: het verlengen van de levensduur van het product. 2 Constructieve betonsystemen kunnen modulair worden opgezet en worden geprefabriceerd. De componenten kunnen vervolgens na de eerste levenscyclus worden hergebruikt. Dit leidt tot een hogere arbeidsproductiviteit, efficiënter materiaalgebruik en betere kwaliteit. Voor het succes hiervan is het cruciaal dat verbindingsmogelijkhe- den verder worden doorontwikkeld en getest om het systeem volledig klaar te maken voor gebruik in de markt. 3 Door digitalisering in de bouw kan het proces van ontwerp tot productie verder worden geïntegreerd. Aanvullend op de nieuwe bedrijfsmodellen die in opkomst zijn, zoals 'gebouwen als dienst', kunnen een meer nauw- keurige voorspelling van de vraag en beter beheer van de toevoerketen de betonindustrie helpen de overgang te maken naar een circulaire economie.   Samenwerking tussen sectoren helpt organisaties het juiste ecosysteem voor innovatie te creëren. Om innovatie op het gebied van beton marktklaar te maken, moeten ideeën worden afgestemd op de langetermijnstrategie van de organisatie, en de organisatie moet voldoende interne middelen toewijzen om te kunnen zoeken naar minder maar betere (circulaire) initiatieven. ?   ? REFERENTIES 1 Green Concrete, MIT Technology Review. 2 Ellen MacArthur Foundation, McKinsey Center for Business and Environment, SUN, Growth Within: A circular economy vision for a competitive Europe 2015. 3 European Cement Research Academy. 4 The Circular Economy and the promise of glass in concrete Google and EMF, 2016. 5 Properties of Green Concrete Mix by Concurrent use of Fly Ash and Quarry Dust, Journal of Engineering, 2013. Circulaire innovatie in de betonindustrie 4 2018