Des chercheurs du NREL ouvrent la voie à un béton à bilan carbone négatif

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BUILD’EM représente une étape prometteuse vers une industrie de la development plus verte

À l’extérieur du centre de soutien à la recherche du Laboratoire nationwide des énergies renouvelables (NREL) et de son café, se trouvent deux curieux pavés de briques différents des autres à proximité.

L’une des pierres porte l’inscription « BUILD’EM », abréviation de Biomass Upcycled in Lignin for Decarbonizing Vitality-Intensive Supplies (biomasse recyclée en lignine pour décarboner les matériaux à forte intensité énergétique). Ces pavés symbolisent la quête du chercheur principal Paul Meyer et de son équipe, composée de Julia Sullivan, Kyle Foster, Bob Allen, Jingying Hu et Heather Goetsch, pour découvrir une various à bilan carbone négatif au béton traditionnel.

Il faut décarboner le ciment et le béton

Le ministère américain de l’Énergie (DOE) Feuille de route pour la décarbonisation industrielle identifie l’industrie américaine du ciment comme l’une des quatre voies essentielles pour réduire les émissions industrielles grâce à une fabrication américaine innovante. Pour s’aligner sur les objectifs de zéro émission nette, la feuille de route décrit des stratégies telles que la réduction des déchets dans la development en béton, les applied sciences innovantes, la seize du carbone et l’utilisation de matériaux à faible teneur en carbone.

La manufacturing de ciment est connue pour sa consommation d’énergie et sa manufacturing d’émissions de carbone. Le processus nécessite de chauffer des milliards de tonnes de matériaux à 1 450 °C, généralement à l’aide de charbon ou de gaz naturel. Non seulement ces températures élevées entraînent des émissions, mais la réaction chimique généralement utilisée pour fabriquer du ciment consiste à transformer le carbonate de calcium en composés de sort oxyde de calcium, qui génèrent du dioxyde de carbone (CO₂) comme sous-produit de réaction. Ensemble, ces émissions sont responsables d’environ 7 % de la manufacturing mondiale de gaz à effet de serre.

Développer des options à empreinte carbone négative

Le parcours de Meyer dans la recherche a été façonné par sa fascination pour la déconstruction et la compréhension des systèmes complexes. Sa ardour pour la compréhension du fonctionnement interne des choses l’a conduit sur une voie innovante.

Forts d’une expérience en chimie des polymères, ils ont vu le potentiel des résines de sort époxy comme various au ciment traditionnel et se sont orientés dans cette path.

En utilisant le ciment comme liant pour les granulats, Meyer souhaitait utiliser un système à base de polymères qui n’émettrait pas de dioxyde de carbone pendant la synthèse et pourrait utiliser des températures sensiblement plus basses (environ 60°C à 200°C). De plus, les résines époxy sont connues pour avoir une résistance supérieure à celle du béton, ce qui leur permet de répondre aux exigences de résistance élevées requises. Cette approche avait le potentiel de décarboner l’industrie sans strategies coûteuses de seize du carbone. Cependant, les systèmes de résine époxy traditionnels ont tendance à être encore plus gourmands en carbone et plus chers que le ciment. Meyer a donc étudié un matériau de base issu d’une various bon marché et à faible teneur en carbone.

À peu près au même second, Meyer a pris connaissance de la grande quantité de déchets de lignine produite chaque année, principalement à partir des procédés de fabrication de pâtes et papiers, qui devrait également être produite à l’avenir par les bioraffineries.

La lignine est le deuxième biomatériau le plus abondant sur la planète et constitue un élément essentiel de presque toute la vie végétale terrestre. Au cours de la manufacturing de pâte et de papier, environ 100 hundreds of thousands de tonnes de lignine sont produites chaque année comme sous-produit de déchets et ensuite brûlées comme flamable de faible valeur.

Meyer a vu la lignine comme un polymère qui pourrait être utilisé comme matériau à la place d’un carburant et a cherché à la réticuler comme une résine époxy. L’utilisation de la lignine a permis à Meyer de séquestrer le CO₂ capturé dans l’air sous forme de biomasse qui, autrement, serait brûlée.

Grâce à un financement interne du programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire du NREL, l’équipe a déterminé une combinaison de produits chimiques qui pourrait non seulement atteindre la même résistance que le béton traditionnel, mais la dépasser considérablement. L’équipe a également mené une évaluation du cycle de vie et une analyse technico-économique pour déterminer que, même avec le traitement supplémentaire requis, BUILD’EM produisait 50 à 80 % d’émissions en moins et commençait à approcher des coûts similaires à ceux du béton à base de ciment.

« C’est un projet concret mais à bilan carbone négatif. Si nous sommes très optimistes, il pourrait avoir une incidence sur 7 % des émissions mondiales tout en étant compétitif sur le plan économique », a déclaré Meyer.

Meyer a souligné l’abondance et l’évolutivité de leur approche, avec le potentiel de produire au moins 100 hundreds of thousands de tonnes par an à partir de matières premières d’origine végétale et une voie réaliste vers le remplacement complete du marché.

L’avenir de BUILD’EM

BUILD’EM s’aligne sur l’engagement du DOE à décarboner le secteur industriel et sur les objectifs plus vastes de création d’emplois, de promotion de la croissance économique et de promotion d’un avenir plus propre et plus équitable.

« L’équité est un side necessary », a déclaré Meyer. « La lignine est partout et il est attainable de s’en procurer localement. Le processus de séchage nécessite des températures basses, ce qui le rend accessible même dans les régions sans accès au réseau électrique. C’est une resolution easy et adaptable. »

Malgré les progrès prometteurs de BUILD’EM, l’équipe reconnaît la longue longueur d’avance dont bénéficie la recherche traditionnelle sur le béton depuis ses débuts il y a plus de deux siècles.

« Nous espérons approfondir nos connaissances sur ces matériaux », a ajouté Meyer. « En ce qui concerne notre produit, des gens ont roulé dessus et ont marché dessus. Un homme l’a même embrassé. Il est résistant à l’eau. »

Alors que l’équipe du NREL poursuit son travail innovant et obtient des financements supplémentaires, elle espère étendre ses recherches sur la lignine pour créer des options durables et à émission de carbone négative pour la development.

« Sans nos stagiaires extrêmement talentueux, ce projet n’aurait pas pu voir le jour », a déclaré Meyer. « Il avancerait à un rythme d’escargot, et le climat ne le permet pas. Ce sont eux qui se salissent les mains dans le laboratoire. »

Meyer a tenu à souligner et à partager le mérite de leur réussite avec Karli Gaffrey, Rebecca Erwin, Tyler Bailey, Elise Harrison, Bernadette Magalindan, Thomas Spradley, Jasmine Liu, Micah Duffield et Ulysses Alfaro. Meyer a également reconnu les conseils qu’ils ont reçus de nombreux conseillers, dont Lori Tunstall, Nicolas Rorrer, Xiaowen Chen, Mike Himmel, Shuang Cui et Kevin Rens.

Meyer a déclaré que les prochaines étapes consisteront à étudier en profondeur la chimie fondamentale, la résistance à plusieurs situations climatiques et l’optimisation de la formule pour équilibrer les performances, les coûts et les émissions. L’équipe prévoit également d’augmenter la manufacturing des pavés à des échelles de plusieurs tonnes et de remplacer des sections de chaussée pour démontrer à la fois la résilience et la pertinence industrielle. Leur objectif ultime est un produit qui peut simultanément supporter une drive de compression de 8 000 livres par pouce carré, être neutre en carbone et atteindre le même prix que le béton à base de ciment avec une durabilité similaire.

En savoir plus sur le NREL applied sciences du bâtiment et recherche scientifique.

Avec l’aimable autorisation de NREL.