Udformning af 3D-printet beton, der optager mere CO₂

Betons miljømæssige begrænsninger: Sandforbrug og CO₂-udledning

Beton er i løbet af de seneste årtier blevet det vigtigste byggemateriale, især i tætbefolkede byområder. Det har gradvist erstattet mursten, sten og træ takket være de lave omkostninger, den nemme anvendelse og muligheden for at skalere produktionen.

Men materialet er ikke uden problemer.

For det første er beton langt fra et bæredygtigt produkt, når det gælder ressourceforbrug. Produktionen kræver enorme mængder sand, og rapporter tyder på, at »verden er ved at løbe tør for sand«.

Kilde: Visual Capitalist

Cementproduktion er også en meget energikrævende aktivitet. Den drives næsten udelukkende af fossile brændstoffer, hvilket betyder, at cementproduktionen står for 8 % af verdens CO₂-udledning.

Det kan sammenlignes med udledningen fra biler og varevogne, som står for 10 % af den globale udledning. Derfor ville det have lige så stor effekt at gøre beton mere bæredygtig som at omstille alle verdens biler til elbiler og udelukkende drive dem med grøn energi.

En del af denne udledning kan dog også opvejes af et fænomen kaldet karbonatisering, hvor cementholdige materialer optager CO₂ fra atmosfæren.

En ny undersøgelse fra forskere ved ETH Zurich (Schweiz), University of Bath (Storbritannien) og University of Manchester (Storbritannien) undersøger, om 3D-printet beton kan have et lavere CO₂-aftryk end almindelig beton ved hurtigere karbonatisering. For den printede beton, der blev undersøgt i Tor Alva, anslog forskerne, at karbonatisering over 50 år kunne opveje cirka 21 % af betonens oprindelige CO₂-aftryk.

De offentliggjorde deres resultater i Cement and Concrete Research¹ under titlen »(Re)karbonatisering: En ny mulighed for bæredygtig 3D-printet beton«.

Beton & CO₂

Hovedårsagen til, at beton bidrager så meget til den globale CO₂-udledning, er kalcineringen af kalksten (CaCO₃), hvor kalkstenen nedbrydes til CO₂ og calciumoxid/brændt kalk (CaO). Den brændte kalk reagerer derefter straks med silica (SiO₂), aluminiumoxid (Al₂O₃) og jernoxid (Fe₂O₃) fra ler eller skifer og danner den færdige cement.

»Hovedparten af denne udledning (typisk 60 % [2]) skyldes kalcineringen af kalksten (CaCO₃), hvor kalkstenen nedbrydes til CO₂ og calciumoxid (CaO), før klinkerdannelsen finder sted i ovnen. Resten af cementens CO₂-udledning hænger hovedsageligt sammen med de fossile brændstoffer, der kræves til termisk energi.«

En del af denne CO₂-udledning kan opvejes i det efterfølgende trin, når cementen bruges til at opføre betonkonstruktioner.

I den hærdnede cementpasta reagerer de calciumholdige hydratiseringsprodukter langsomt med CO₂ i luften og danner calciumkarbonater, hvorved CO₂ bindes.

»Set ud fra et bæredygtighedsperspektiv kan den samme reaktion, hvor CO₂ bindes, betegnes som (re)karbonatisering. Denne mængde svarer til cirka 43 % af den CO₂-udledning, der er forbundet med cementproduktion.«

Karbonatiseringsprocessen har dog også ulemper. Den reducerer alkaliteten i betonens porevæske, hvilket igen kan destabilisere det passiveringslag, der findes på stålarmeringen. Det kan føre til korrosion af stålet og dermed forkorte levetiden for almindelige armerede betonkonstruktioner.

Det kan være et alvorligt problem for beton med lavt CO₂-aftryk, da den har tendens til at karbonatisere hurtigere end almindelig portlandcementbeton.

3D-print af beton

Et eksempel fra virkeligheden

Blandt nye byggemetoder, der anvender digital fremstilling med beton, er 3D-printet beton den mest udbredte og lovende teknologi.

For at vurdere denne tekniks reelle CO₂-aftryk udviklede undersøgelsens forfattere en metode til at vurdere dens dynamiske livscyklusvurdering (LCA). De brugte det 3D-printede tårn »Tor Alva« i landsbyen Mulegns i de schweiziske alper som et konkret eksempel og fokuserede på de 3D-printede forgrenede søjler og kuplen.

Source: Cement og Betonforskning

Først målte de karbonatiseringen med tre forskellige metoder: én baseret på accelererede test (i et karbonatiseringskammer med 4 % CO₂, 67 % relativ luftfugtighed og 20 °C) og to baseret på resultater fra naturlig karbonatisering: direkte måling af karbonatiseringsdybden og kvantificering af karbonater/CO₂ ved hjælp af termogravimetrisk analyse.

Bestemmelse af den reelle karbonatiseringshastighed

Da forskerne beregnede virkningen af den observerede karbonatisering, brugte de en tidshorisont på 50 år. De sammenlignede også resultaterne for den 3D-printede betonkonstruktion med en pladsstøbt konstruktion med tilsvarende ydre geometri og en lignende cementsammensætning.

De fandt, at alt tilgængeligt materiale i det område af betonen, der karbonatiserede, reagerede og optog CO₂.

»I det karbonatiserede område ligger mængden af bundet CO₂ mellem 44,16 og 51 g CO₂/100 g hydreret bindemiddel. Sidstnævnte svarer til en mængde CO₂, der er tilstrækkelig til at afkalke alt tilgængeligt calciumsilikathydrat.«

Source: Cement og Betonforskning

Det næste spørgsmål er, hvor meget af den 3D-printede beton der reelt vil optage kulstof i løbet af sin levetid. Ved at analysere karbonatiseringsprocessens indtrængning med accelererede test fastslog forskerne, at 86 % af al den printede mørtel, der blev brugt i tårnet, ville være karbonatiseret inden for 50 år. Det svarer til i alt 32 m3 3D-printet karbonatiseret beton.

Source: Cement og Betonforskning

Sammenlignet med målinger af naturlig karbonatisering gav direkte måling af karbonatiseringsdybden et tilsvarende resultat (89 %). Metoderne gav forskellige estimater af karbonatiseringens omfang, men procentsatserne måler ikke den samlede CO₂-optagelse direkte. Forskerne forklarer, at pH-indikatorer kan overse en betydelig optagelse, før materialet skifter farve. Termogravimetrisk analyse måler optagelsen direkte og understøttede et anslået fald på 21 % i den printede betons CO₂-aftryk sammenlignet med 14 % ved brug af pH-målinger af naturlig karbonatisering.

Source: Cement og Betonforskning

Sammenlignet med den pladsstøbte konstruktion har Tor Alva et mindre CO₂-aftryk takket være et 25 % lavere betonforbrug og bedre karbonatisering.

»Selvom konstruktionen består af 25 % mindre cementholdigt materiale, kan den 3D-printede betonkonstruktion binde 2,5 gange mere CO₂ end den pladsstøbte referencekonstruktion (4,6 t CO₂ for den printede konstruktion og 1,9 t CO₂ for den pladsstøbte).«

Forbedret CO₂-optag

Dette studie viser, at hurtig karbonatisering kan øge betonens kulstofoptag betydeligt og dermed reducere en bygnings samlede CO₂-udledning i løbet af dens livscyklus. Det gælder især betonkonstruktioner uden armeringsjern og 3D-printet beton, fordi karbonatiseringen går hurtigere.

Det bør også bemærkes, at fryse-tø-cyklusser som i det undersøgte eksempel fra Alperne i Schweiz sandsynligvis påvirkede både randbetingelserne og de interne transportegenskaber, der styrer fugtens og CO₂’ens bevægelse.

Source: Cement og Betonforskning

I praksis kan det betyde, at 3D-printet beton i varmere klimaer kan fungere som et endnu bedre kulstoflager, men det kræver yderligere undersøgelser at påvise.

»Når porevandet fryser, kan det delvist blokere porenetværket og dermed reducere den effektive transport og sænke karbonatiseringshastigheden. Resultaterne tyder på, at virkningerne af lave temperaturer – hvad enten de skyldes delvis poreblokering, ændringer i fugttilstanden eller en kombination af begge dele – bør tages i betragtning, når karbonatisering under sådanne miljøforhold beskrives.«

Det åbner også for et nyt perspektiv på, hvordan 3D-print af beton kan optimeres. Optimering af karbonatiseringen kan blive en yderligere parameter i den geometriske optimering af 3D-printede betonkonstruktioner, så overfladen eksponeres mest muligt for karbonatisering.

Det betyder ikke, at 3D-printet beton er en CO₂-fri byggemetode. Selv med optimeret karbonatisering er udledningerne fra kalcineringen under cementproduktionen stadig betydelige. Og naturligvis vil det kulstof, der genoptages over 50 år, i mellemtiden bidrage betydeligt til klimaforandringerne.

Hvis disse CO₂-udledninger blev indfanget på cementfabrikken, kunne den efterfølgende karbonatisering af betonbygningen imidlertid reelt gøre infrastrukturen til et nettokulstoflager, selvom den er lavet af beton.

3D-printet beton har langt større sandsynlighed for først at nå dette mål ved at kombinere optimeret geometri, bindemidler med lavt CO₂-aftryk og passende armering. Det kan til gengæld skabe en mulighed for leverandører af byggematerialer.

Investering i avanceret betonteknologi

CRH

Som en af verdens førende producenter af cement får CRH en afgørende rolle i omstillingen af cementbyggeriet til en mere bæredygtig branche. Virksomheden ligger nr. 1 målt på den samlede mængde byggematerialer, den leverer på både det amerikanske og det europæiske marked.

Kilde: CRH

Virksomheden er aktiv i 28 lande og på 3.390 lokaliteter og har 78.500 ansatte. CRH Americas står for 65 % af det globale salg. Virksomheden er også uden sammenligning den største cementproducent, og dens førerposition er blevet yderligere styrket med det nylige opkøb af Arcosa.

»Transaktionen styrker CRH’s position som førende inden for tilslag i USA og globalt og øger eksponeringen mod nogle af de hurtigst voksende statistiske storbyområder (MSA’er) i USA.«

Kilde: CRH

CRH forventer, at de vestlige regeringers solide investeringer i infrastruktur vil bidrage til virksomhedens vækst. Tendenserne inden for reindustrialisering og hjemtagning af højteknologisk produktion forventes også at hjælpe.

CRH har gjort betydelige fremskridt inden for bæredygtighed med en række initiativer:

• Virksomheden er Nordamerikas største genanvendelsesvirksomhed. I 2023 genanvendte den 43,9 millioner ton affald og biprodukter fra andre industrier.
• Virksomheden reducerede sine CO₂-udledninger med 8 % i 2023 ved at bruge 36 % alternative brændsler i sine cementfabrikker.
• Virksomheden sigter mod at reducere sine udledninger med 30 % inden 2030 (sammenlignet med udledningen i 2021).

CRH er også med til at drive mere grundlæggende forandringer i sektoren. Navnlig har virksomheden sammen med den europæiske betongigant Holcim investeret 75 mio. dollar i Sublime, en virksomhed, der producerer cement med lavt CO₂-aftryk.

Sublime Systems blev udskilt fra MIT i 2020 med henblik på at bruge en elektrolysator til at fremstille cement ved omgivelsestemperatur og dermed erstatte ovne, der kræver meget energi og fossile brændsler. Metoden gør det også muligt at bruge calciumkilder som råmateriale og undgå CO₂-udledning fra kalksten som råmateriale.

Sublimes første kommercielle anlæg i Holyoke forventes at åbne allerede i 2026. Hvis det viser sig at være en succes, kan det blive en reel gamechanger for cementindustrien og bane vejen for beton med lave udledninger, der kan produceres i stor skala.

CRH har også investeret i andre startups inden for dekarbonisering og bæredygtighed:

• 23,7 millioner euro i Cool Planet Technologies, der udvikler løsninger til CO₂-opsamling for industrier, som traditionelt har været vanskelige at dekarbonisere.
• 34,7 mio. dollar fra CRH og andre investorer i Carbon Upcycling Technologies, der bruger en fuldt elektrisk mineraliseringsløsning til permanent at lagre CO₂ i industrielle biprodukter og mineraler såsom cement, plast, forbrugerprodukter, gødning og lægemidler.
• AICrete, en platform med »opskrift som en tjeneste«, der samarbejder med lokale betonproducenter om at optimere brugen af lokale materialer og minimere cementforbruget ved hjælp af AI-analyser, så både betonproduktionens CO₂-aftryk og omkostninger reduceres.
• Serie B-finansieringen til FIDO AI går til en startup, der bruger AI til at reducere vandforbruget og øge vandbesparelserne.

Endelig investerer CRH også i 3D-betonprint (3DCP) gennem datterselskabet Amerimix.

Samlet set er CRH en profitabel frontløber inden for beton- og byggebranchen og arbejder meget aktivt på at forberede branchen på dekarbonisering. Det sker både direkte på eksisterende anlæg og ved, at virksomheden er en vigtig kapitaludbyder for innovative startups, der udvikler næste generation af teknologi til cement- og betonproduktion, herunder dekarbonisering og 3D-print.

Seneste nyheder og udviklinger om CRH-aktien (CRH)

Refereret undersøgelse

^{1. Lucas Nascimento de Lima. (Re)karbonatisering: En ny mulighed for bæredygtig 3D-printet beton. Cement and Concrete Research. december 2026. Artikel: 108411. Bind 210. 10.1016/j.cemconres.2026.108411}