College 2 111006 - materiaalkunde

1Faculty CiTG / section Materials & Environment / Chair Materials & Sustainability

CT1121

Hoorcollege CT1121-096 oktober 2011

Materials and Ecological Engineering

College 2 – Materiaalkundeprof.dr.ir. Michiel Haas


CT1121Waarom materiaalkunde?

• Voor iedere betrokkene in de bouw, zeker de ingenieur, is kennis van de gebruikte materialen onontbeerlijk

• Bouwmaterialen hebben een grote impact op het milieu en de menselijke gezondheid

• Ruim 40% van alle materiaalstromen in de wereld zijn gerelateerd aan de bouw en 35% van alle afvalstromen

• Het is dus zinnig hier aandacht aan te besteden


CT1121Basismilieuproblemen


CT1121Emissies naar water, bodem en lucht


CT1121Uitputting van grondstoffen


CT1121Verlies van biodiversiteit

De biodiversiteit in 1970, 2000 en 2040: hoe

meer rood, hoe minder biodiversiteit.


CT1121Schade aan gezondheid• er vallen jaarlijks 21.000 doden in Nederland vanwege het slechte

milieu en wereldwijd 3.000.000 doden


CT1121Wat betekent dat voor ons?


CT1121Door emissies climate change• Broeikaseffect wordt versterkt door fossiele CO2 uitstoot• Daardoor is CO2 uitstoot een van de belangrijkste ‘politieke’

milieuproblemen


CT1121CO2 kringloop (kort cyclisch)


CT1121CO2 kringloop (lang cyclisch)


CT1121Broeikas effect• Zonder het

natuurlijke broeikaseffect zou de aarde onleefbaar zijn (-18oC)

• Door het natuurlijke broeikaseffect is het leefbaar met ca. 15oC

• Maar nu wordt het versterkt


CT1121


CT1121Consequenties voor bouwen


CT1121Dat betekent duurzaam bouwen …

• Bouwen op een manier die het milieu zo min mogelijk belast• Daar is de politiek ook mee bezig, zo heeft de Nederlandse

overheid besloten 100% duurzaam in te kopen• Voor gebouwen betekent dat de gebouwen minimaal een Milieu-

Index-Gebouw (MIG) moeten hebben van 200• Een MIG 200 betekent dat het gebouw 2x minder milieubelastend

is dan het gebouw in 1990 geweest zou zijn• Bouwen volgens BouwBesluit komt overeen met een MIG140• De beste gebouwen die we nu bouwen hebben een MIG300

maximaal!

• Maar echt duurzaam bouwen zou veel verder moeten gaan …


CT1121Factor 20


CT1121Factor 20 haalbaar …

Colossos, de eerstesupercomputer vs

huidige laptop


CT1121MIG-score


CT1121Uitleg over Milieu-Index-Gebouw • Wordt berekend met GreenCalc, een LCA programma

voor gebouwen

• vlgs regels 1990 = 100• nu normaal = 140-160• Rijksgebouwendienst nu = 180-200• duurzaam inkopen = 200• factor 20 = 2.000 (ca. duurzaam)• 2011 nodig = ca. 900

• heel goed nu > 250-330• technisch mogelijk > 500-1.000 (zeer ambitieus)• hoger dan 1.000 kunnen we nog niet (beperking zit in

het materiaalgebruik)


CT1121

1028


CT1121Materialen kringloop belangrijk


CT1121Milieuproblemen veroorzaakt door …


CT1121Water kringloop


CT1121Materialen kringloop


CT1121Dapper tas


CT1121Kringlopen sluiten


CT1121Bouwmaterialen steeds belangrijker


CT1121Belang van bouwmaterialen

• Vanuit honderden GreenCalc berekeningen weten we hoe de verhoudingen liggen tussen aandeel energie, materiaal en water bij een Milieu-Index-Gebouw van ca. 200

• MIG is Milieu-Index-Gebouw, getal waarin de milieuprestatie van een gebouw in GreenCalc wordt uitgedrukt



Conclusie: 80% van materiaal milieubelasting is casco + gevels


CT1121Consequenties gebouwniveau• Draagconstructie en gevel bepalen voor

groot deel (80%) de materiaal gebonden milieubelasting van een gebouw, dus hergebruik oude constructie

• Er is een relatie tussen gewicht en milieubelasting, dus construeer licht

• Kies uitsluitend gezonde materialen in het binnenmilieu


CT1121

Milieu Index Gebouw - Bouwbesluit niveau

1% 16%

83%Materiaal Energie

WaterMIG 140

Bouwmaterialen worden belangrijker


CT1121

Moduleaandeel - Milieu Index Gebouw "High Tech"

2%

48%50%Materiaal EnergieWater

MIG 500



CT1121

MIG 1000



CT1121Trias Tela (Materia)


CT1121Trias Tela I (Materia)

• Stap 1: beperk de behoefte aan materialen• Ontwerpen op gewenste levensduur• Bouw flexibiliteit in (toekomstige veranderbaarheid zonder

grote ingrepen)• Bouw compact door stapelen en schakelen• Dimensioneer slank, waardoor minder materiaal nodig is• Beperk hoeveelheid afwerkmaterialen


CT1121Trias Tela II

• Stap 2: hergebruik afvalstromen (upcycle)of gebruik hernieuwbare grondstoffen

• Hergebruik bouwdelen of gebruik producten uit de recycling• Gebruik producten uit de landbouw zoals: hout, kurk, kokos,

vlas, cellulose, riet• Gebruik producten gemaakt van bulkgrondstoffen als: zand,

grind, klei


CT1121Trias Tela III

• Stap 3: kies producten met minimale milieueffecten


CT1121NIBE’s Milieuclassificaties


CT1121Meetmethodes op producten gebouwniveau


CT1121

45


CT1121

46

Toekomst voor duurzaamheid

•Ik kan de toekomst niet voorspellen maar ik kan wel voorspellen dat een duurzame toekomst heel veel getallen nodig heeft om ons te helpen de juiste keuzes te maken


CT1121

47


CT1121Milieuproblemen veroorzaakt door …


CT1121

• Kwalitatieve methodes (achterhaald)• SEV Handleiding Woningbouw• Nationale pakketten• BOOM DCBA-methode

• Kwantitatieve methodes (actueel)• nu op basis van productbeoordelingen d.m.v. LCA

Beoordelingsmethodes


CT1121

• CML-2 (Centrum voor milieukunde Leiden)• aangepaste LCA-methode van CML

• MRPI (milieurelevante productinformatie)• format van de industrie om milieugegevens aan te reiken

• Eco-Indicator 99• TWIN2011 model

• vernieuwd TWIN-model uit 1997, nu versie 2011

Beschikbare kwantitatieve methodes


CT1121

• Beoordeling van wieg tot (graf) wieg• Vergelijkingsbasis• Weging van milieu-effecten• Beperkingen LCA studies

Levenscyclusanalyse


CT1121Van wieg tot wieg

• Grondstofwinning• Transport • Productie • Transport• Inbouw in toepassing• Gebruik tijdens levensduur• Sloop• Transport • Hergebruik of nieuwe grondstof


CT1121Vergelijkingsbasis• Functionele eenheid• Correctie voor levensduur en onderhoud• Systeemgrenzen (allocatie)


CT1121Milieueffecten I• Uitputting

• Biotisch • Abiotisch • Energie (fossiel)

• Verontreinigingen (emissies)• Klimaatverandering• Aantasting ozonlaag• Humane toxiciteit• Aquatische toxiciteit (zoet)• Aquatische toxiciteit (zout)• Terrestische toxiciteit• Fotochemische oxidantvorming• Verzuring • Vermesting


CT1121Milieueffecten II• Hinder

• Stank • Geluid van wegverkeer• Hinder door geluid• Hinder door licht• Hinder door calamiteiten

• Landschapsaantasting

• Afval• Energie


CT1121Aggregeren, normaliseren monetariseren

Environmental Agregation Monetarisation Main categories CO2 global warming (GWP100) €

CH4 ozone layer depletion (ODP) €

etc. human toxicity €

aquatic tox. fresh water €

aquatic tox. sea water € € Polution

SO2 terrestrial toxicity €

NOx photochemical oxidation €

etc. acidification €

eutrophication €

mbp exhaus biotic €

mbp exhaus abiotic € € exhaustion

mbp exhaus Energy €

€

PDF m2.y Eco99 EQ Landuse € € Landuse

OTV malodorous air €

Daly Roadnoise €

mbp disturbance by sound € € disturbance

€ Total

mbp disturbance by light €

> 19

50 s

ubst

ance

s

mbp disturbance by calamities €


CT1121

• Aggregatie• 1 kg CFC12 = 7.100 kg CO2

eq.• Normalisatie

• verzuring = 4x slechter dan broeikaseffect

• Weging

Samenvoegen


CT1121Procesboom


CT1121TWIN database/Nat. Milieudatabase


CT1121Monetariseren


CT1121Monetariseren heeft de toekomst

• Nog niet alle milieukosten zijn even hard te maken omdat kennis nog ontbreekt

• Groot aantal milieukosten is redelijk hard• De totale milieukosten worden voor > 85% bepaald door

‘harde’ kosten• Monetariseren haalt de angel uit de discussie inzake

weegfactoren


CT1121De grenzen van de mogelijkheden


CT1121De grenzen van de mogelijkheden

• Energie• we kunnen een 0-energie gebouw maken• daarmee kan een hoge Milieu-Index-Gebouw bereikt worden• de grens ligt echter bij een MIG2000

• Materialen• bij materialen kunnen we maximaal een factor 3 bereiken,

dus een materiaal-index van ca. 300• die grens is niet te slechten, tenzij we radicaal anders gaan

denken


CT1121


CT1121

Factor 20 gebouw

MIG 2.000


CT11210-materiaal gebouw?0-materialen bouwen


CT1121

MIG 45.000

0-Materialen gebouw


CT1121Milieubelasting materiaal omlaag

• Er blijven nog altijd materialen nodig• Uitputting van aantal materialen nabij,

alternatieven noodzakelijk

• Goede mogelijkheden bij de biobased materials

• Duidelijke milieuwinst te boeken:• Geen uitputting = nagroeibaar• Geen CO2 uitstoot daar kortcyclisch• Geen afval probleem daar biologische

kringloop• Voorwaarde: geen verdringing van

voedsel


CT1121Op weg naar 0-materiaal gebouw

• In analogie aan een 0-energie gebouw, dat zijn eigen energie opwekt moeten we misschien denken aan een 0-materiaal gebouw als metafoor

• Materialen moeten uit recycling (upcycling) komen of van nagroeibare grondstoffen komen

• Geen combinatie met de technologische kringloop• Daardoor zeer geringe milieubelasting mogelijk

• Ontstane milieubelasting compenseren aan het gebouw door materialen te laten nagroeien


CT1121Welke producten lenen zich hiervoor?

• Plastics • Normale plastics als afvoer, sanitair• Maar ook gevelbekleding• Deuren en ramen, enz.

• Lijmen • Verfstoffen • Oplosmiddelen • Basis chemicaliën • Isolatie materiaal• Constructie materiaal• Scheidingsmateriaal• enzovoort


CT11210-materialen

• Volledig recyclebare producten• metalen

• Nagroeibare grondstoffen uit de landbouw• riet, vlas, hout, kurk, katoen, lijnolie, klei, enz.• Agroplastics, plastics gemaakt uit zetmeel producten

• Bulk grondstoffen• zand, klei


CT11210-materiaal gebouw?


CT1121


CT1121Energie probleem ??

• Er valt 10.000 x meer zonne-energie op aarde als voor onze totale huidige behoefte nodig is

• Daarom is over 15 jaar het energieprobleem opgelost (of over 20 jaar …)

• Ongeloofwaardig? Zie Free Energy (Tesla – radiant energy, Ron Rockwell - Aerodynamic Air Turbine Engine, Viktor Schauberger –implosie turbine machine, Robert Adams – thermomotor, zonne-energie, windenergie, enz. enz., zie bijvoorbeeld www.free-energy.ws)


CT1121

De zon geeft 10.000 x meerenergie dan wij jaarlijks

verbruiken

we hebben dus geenenergie probleem


CT1121We hebben een conversie probleem


CT1121We hebben een conversie probleem

en dat lossen we oper zijn vele mogelijkheden: nulpunt energie, zon,

wind, zoet-zout water, geothermie, etc.


CT11212030 wereld alles duurzame energie

• Volgens Mark Jacobson kunnen we in 2030 geheel fossiel vrij zijn

• 50% via windenergie • 3.800.000 windmolens van 5 MW

• 40% via zon • 1.700.000.000 daken met zonnecellen• 49.000 solar power plants / thermisch• 40.000 zonnecel centrales

• 10% overig• 900 waterkrachtcentrales• 5.350 aardwarmte centrales• 490.000 getijde turbines• 720.000 golfcentrales


CT1121Energie deltaplan nodig

• De heren hebben uitgerekend dat het betaalbaar is en zelfs goedkoper dan wanneer we fossiel bezig blijven met kolencentrales en kerncentrale

• Maar dan moeten we wel een Delta plan opstellen …• … en dat kunnen we

• 70-80.000.000 auto’s/jaar• In 4 jaar vechten WO II 750.000 vliegtuigen gebouwd

• Dus in 20 jaar kunnen we nog heel veel …

• U vraagt zich af waarom begint hij over energie?


CT1121Materialen schaarste



• Met name bij de zeldzame aardmetalen• daar is weinig van en het is noodzakelijk voor allerlei

elektronische zaken

• Voorbeeld• In een elektrische auto zitten 6800 laptop batterijen, totaal 450 kg• Daarin zit 7 kg lithium en 60 kg kobalt verwerkt• Met de huidige jaarproductie kunnen we ca. 300.000 elektrische

auto’s maken en kunnen we geen enkele batterij voor laptops of mobieltjes maken …

• 95% van de zeldzame aardmetalen is in handen van China en die hebben stevige exportbeperkingen afgekondigd



• Deze zeldzame aardmetalen zijn nodig voor:• Platte beeldschermen• Batterijen • Zonnepanelen• Windmolens• Laptops • Mobieltjes • Enz.


CT1121Zeldzame aardmetalen


CT1121Metalen schaarste

• De metalen zijn niet allemaal schaars in de aardkorst, maar er wordt zo weinig van gewonnen, omdat het bijproducten zijn uit mijnbouw

• Op korte termijn kunnen we de schaarste niet vermijden, op lange termijn weer wel

• Lange termijn is 10 jaar en verder

• Dit betekent dat we op korte termijn de metalen niet hebben om bij de energie de overstap te maken naar duurzame energie, om zoveel windmolens en zonnecentrales te bouwen


CT1121Recycling


CT1121Milieubelasting materiaal omlaag

• Er blijven altijd materialen nodig• Uitputting van aantal materialen nabij,

alternatieven noodzakelijk

• Is recycling de oplossing?• Milieuwinst te boeken:

• Minder uitputting = opnieuw gebruik• Vervuilingscomponent twijfelachtig• Landschapsaantasting minder


CT1121Wat is recycling?

Wikipedia geeft antwoord:• Hergebruik, recycling of recyclage is het opnieuw gebruiken

van materialen nadat ze als afval zijn afgedankt. Er is echter wel een verschil tussen hergebruik en recycling.

• Bij hergebruik wordt een voorwerp opnieuw gebruikt, al dan niet voor een ander doel. Bij recycling wordt een afvalstof omgezet in een nieuw product. Recyclage en recycling zijn synoniem.


CT1121Veel vormen van hergebruik:

• Hergebruik van het gehele voorwerp: bijvoorbeeld door tweedehands verkoop in een kringloopwinkel of het weg te geven in een weggeefwinkel.

• Hergebruik van een onderdeel van een voorwerp voor een vergelijkbare toepassing in een ander apparaat of constructie.

• Hergebruik van een onderdeel van een voorwerp voor een heel ander doel zonder dat het materiaal hoeft te worden omgesmolten.


CT1121Recycling ook in verschillende vormen

• Recycling van de grondstoffen voor een soortgelijk doel: bijvoorbeeld glas. Sommige grondstoffen zoals (plastics, papier) gaan hierbij in kwaliteit achteruit ook wel downcycling genoemd.

• Recycling van de grondstoffen voor een ander doel (aardolie eerst gebruiken om plastic te maken, en in tweede instantie verbranden om de energie te gebruiken).


CT1121Ladder van Lansink

Drie stappen strategie• Voorkom BSA (preventie) • Hergebruik BSA • Verwerk (overig) BSA verstandig


CT1121Hoeveelheid Bouw- en sloopafval

Nu wordt 97% van ons bouwen sloopafval hergebruikt


CT1121Samenstelling van BSA

• beton (40%) • metselwerk (25%) • asfalt (26%)


CT1121Resterende 10%

• gips en cellenbeton • bitumineus dakafval, teermastiek en dakgrind • houtafval • asbest en asbesthoudend materiaal • vlakglas • plastics


CT1121Beton hergebruik (Casco)


CT1121Hergebruik levert veel milieuwinst

bouwdeel

aandaal milieu-effectenin %

standaard kantoor toelichting

fundering 10-13 13 palen, randbalken, werkvloer, enzBG-vloer 7-10 9gevels 10-19 17bovenbouw 35-45 40 kolommen, balken, verdiepingvloeren, binnenwandenafwerking 10-15 14 dekvloer, wandafwerkingen, dakbedekkingafbouw 0-3 2 binnendeuren, ramen, balustradesinstallaties 4-8 5 leidingen en kanalenvaste inrichtin 0-0,2 0,1 sanitair en keukenblokken

Hergebruik casco levert ca. 60-70% minder milieubelasting op bij materiaalgebruik


CT1121Beton recycling (40% afval)Nagenoeg 100% wordt gerecycledveel in GWW sector, ook in de B&U


CT1121Puingranulaat beperkte milieuwinst

0,02

0,021

0,022

0,023

0,024

0,025

beton met 0%puingranulaat



10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%




0,246 0,244 0,221

100 99 90


CT1121Metselwerk recycling (25% afval)Metselwerk granulaat moeilijk recyclebaar

inmiddels wel technisch mogelijk


CT1121Gipsproducten recycling (ca. 1,0% afval)

• Jarenlang probleem geweest, vooral BSA• Inmiddels voor 100% recyclebaar en kan in het productieproces

worden meegenomen• Infrastructuur nog niet volledig op orde


CT1121Kalkzandsteen recycling (ca. 1% afval)

• Beperkte hoeveelheid kalkzandsteenpuin kan bij de productie worden bijgemengd, waarmee een gesloten kringloop bereikt kan worden

• Veelal wordt kalkzandsteen nog bij het andere puin mee afgevoerd en in beperkte mate kan dat ook en gebruikt worden bij wegfunderingen


CT1121Cellenbeton recycling (ca. 0,5% afval)

• Volgens fabrikanten is cellenbeton recyclebaar• Tijdens productieproces wordt snij afval ook verwerkt• BSA kan (nog) niet goed worden verwerkt


CT1121Metalen recycling/hergebruik (ca. 1% afval)

• Alle metalen kunnen uitstekend gerecycled worden• Van metalen in zware toepassingen wordt al 49% hergebruikt• Infrastructuur aanwezig en werkt goed• Hier wordt geld mee verdiend


CT1121Bitumen/dakafvalmateriaal (ca. 0,1% afval)

• Tot voor kort steeds gestort, nu stort verbod• Technisch 100% recycling bitumen mogelijk• Bijmengen maximaal 20-50% in proces


CT1121Hout recycling / hergebruik

• A – hout = onbehandeld schoon hout

• B – hout = • Geverfd hout (kozijnen, deuren) • Hardboard • Geplastificeerde houtsoorten • Spaanplaat • Vezelplaat • Geperst hout

• C – hout = geïmpregneerd hout bestaande uit bielzen, tuinhekjes en schuttingen.


CT1121Vlakglas recycling

• Glas is zonder kwaliteitsverlies recyclebaar• Nagenoeg 100% afval wordt hergebruikt


CT1121Plastic recycling

• Bij plastic treedt altijd downcycling op• Veel verschillende soorten plastic, moeten wel gescheiden worden• Afval probleem


CT1121Plastic afval probleem

• Afvaldepot in Stille Oceaan• 8,6 miljoen km2• 44 miljoen kg afval


CT1121PVC recycling

• Infrastructuur begint op orde te komen• Industrie zegt 60% van riolering te maken uit recycling PVC• Er wordt jaarlijks 1.000 ton PVC afval ingezameld• Totale jaarproductie PVC buizen is 120.000 ton• Hier klopt iets niet volgens mijn gegevens ….


CT1121TU-Delft recyclinglab kan:

• Uit verbrandingsoven slakken rendabel bijzondere elementen scheiden

• Bijvoorbeeld:• uit 1.200 kg slakken• 100 gram goud afscheiden• 200 gram zilver afscheiden

• Bijvoorbeeld:• verschillende soorten metalen machinaal scheiden (bijvoorbeeld

koper van dynamo’s)• Er is nog een enorme ontwikkeling in de recycling mogelijk


CT1121Conclusie hergebruik/recycling

• Recycling is heel belangrijk om afvalstromen te beperken en heeft een positief effect op de milieuprestaties

• Nader onderzoek op dit gebied kan nog veel opleveren• Als de recyclebaarheid van een product niet op orde is, zou

het product niet toegepast moeten mogen worden in de bouw

• Uiteraard is er een overgangsperiode …


CT1121Recycling

• Bijna alle metalen kunnen 100% gerecycled worden

• Uit beeldschermen en computers worden metalen teruggewonnen• Uit een mobieltje kunnen 17 metalen worden teruggewonnen

• Maar nog veel verlies door diffuse bronnen, bijvoorbeeld: • Slechts 1 op 16 mobieltje wordt gerecycled• Platina uit katalysator verdwijnt in het fijnstof van de weg

• Veel sterkere recycling nodig, denk aan ‘urban mining’:• Op de TU halen we rendabel goud uit de as van het huisvuil• In Birmingham wordt platina teruggewonnen bij het straat vegen• Mobieltjes inzamelen en metalen terug winnen


CT1121Nieuwe ontwikkelingen


CT1121UHDC – nieuwe materialen

• Ultra high density concrete is een voorbeeld, mogelijkheden:• Lichter en sterker• Veel minder materiaal gebruik• Constructie kunnen 1.600 jaar staan• Hoge gebouwen krijgen bruikbare onderste verdiepingen


CT1121Zelfherstellend beton

• Beton dat zichzelf repareert = in ontwikkeling bij onze sectie


CT1121Alternatieve bindmiddelen

• Minder cement in de beton = veelal minder CO2 uitstoot


CT1121

117

Conclusies


CT1121Conclusies

• Bouwmaterialen zijn een belangrijk deel van de milieubelasting

• Om extreem duurzame gebouwen te maken, moeten we ons gaan richten op de oplossing van de milieubelastende materialen

• Je kunt denken aan 0-materialen in dat kader

• We hebben geen energieschaarste, maar een materialen probleem om de energie te winnen

• Op korte termijn krijgen we een metalen schaarste, die ons belemmert om het energieprobleem op te lossen

• Recycling en urban mining worden belangrijke aspecten

College 2 111006 - materiaalkunde

Documents

Transcript of College 2 111006 - materiaalkunde