مقاله انرژی نهفته و انتشار کربن در مصالح ساختمانی

بخشی از مقاله

انرژي نهفته و انتشار کربن در مصالح ساختماني
خلاصه
با افزايش نگراني ها درباره تاثيرات محيط زيستي صنعت ساختمان، انرژي نهفته و نشر کربن در مصالح مورد توجه قرار گرفتند. انرژي نهفته ، مجموع انرژي هايي است که در بازه عمر يک محصول، از مرحله استخراج تا مرحله بازيافت ، مصرف مي شود. همچنين ، انرژي نهفته کمتر گوياي اين است که کربن دي اکسيد کمتري در فرآيندهاي توليد، حمل و نقل و استفاده از آن مصالح توليد شده است و به اصطلاح ردپاي کربن آن کوچک است . در عصر حاضر که توسعه پايدار در دستور کار صنايع مختلف از جمله صنعت ساختمان است ، انرژي نهفته به عنوان شاخص پايداري مصالح در نظر گرفته مي شود. با توجه به اينکه صنعت ساختمان بخش قابل توجه اي از انرژي را در جهان مصرف مي کند، انرژي نهفته در مصالح مختلفي مانند بتن ، سيمان، فولاد، آجر، چوب، شيشه ، و آلومينيوم که در ساختمان سازي ايران متداول هستند در اين مقاله بررسي مي شود.
کلمات کليدي: انرژي نهفته ، انتشار کربن ، مصالح ساختماني ، توسعه پايدار، پايداري

١. مقدمه
در سال ١٩٩٢، چهارچوب کنوانسيون ملل متحد درباره تغييرات آب و هوا (UNFCCC) در برزيل تصويب شد تا از تاثيرات منفي پديده غيرعادي تغيير آب و هوا که در اثر افزايش گازهاي گل خانه در جو زمين به وجود آمده است ، جلوگيري شود. پس از آن، بسياري از کشورهاي جهان تلاش کردند تا سهم موثري در کاهش انتشار و توليد گازهاي گل خانه اي خود که در نتيجه مصرف سوخت هاي فسيلي آزاد مي شوند، ايفا کنند[١].
صنعت ساختمان و صنايع حامي آن، از بزرگترين مصرف کنندگان منابع طبيعي تجديد پذير و تجديد ناپذير، هستند که محيط زيست کره زمين را تهديد مي کنند و به صورت منفي تغيير مي دهند. اين صنعت در سطح جهاني دو پنجم سنگ هاي خام و شن و ماسه ، و يک پنجم چوب هاي بکر را از بين مي برد، همچنين حدود ٤٠ درصد کل انرژي و ١٦ درصد آب را به طور سالانه مصرف مي کند. بخش ساخت و ساز به طور مشخص ، يکي از بزرگترين مصرف کنندگان انرژي تجاري به صورت انرژي برق يا گرما با سوختن مستقيم سوخت هاي فسيلي است [٢و٣]. همچنين ديکسيت و ديگران به نقل از اورژه-ورساتز و نويکوا بيان کردند که در سال ٢٠٠٤، ساختمان ها به تنهايي نزديک ٣٧ درصد از انرژي جهان را به خود اختصاص داده اند و پيش بيني مي شود که اين رقم در سال ٢٠٣٠ به ٤٢درصد برسد[٢].
افزايش بي سابقه توسعه ، صنعتي شدن و افزايش جمعيت نگراني هايي را درباره خسارات جبران ناپذير وارده به محيط زيست کره زمين و کيفيت زندگي نسل هاي آينده، برانگيخته است [٤]. فعاليت هاي ساخت و ساز نه تنها انرژي مصرف مي کنند، بلکه باعث آلودگي محيط زيست و انتشار گازهاي گلخانه اي و درنتيجه ، تشديد تغييرات آب و هوايي مي شوند. از اين رو، بررسي و نيز اصلاح عمليات ساخت و ساز در فرآيندهاي طراحي ، تکنيک هاي ساخت و ساز، ساخت و توليد فناوري براي مهار مصرف انرژي ، لازم است [٥].
با افزايش نگراني ها درباره انتشار گازهاي گل خانه اي در اثر فعاليت هاي انساني ، مفهوم کارآيي انرژي در ساختمان ها مطرح شد. بهبود کارآيي انرژي در ساختمان ها به کاهش تقاضاي انرژي، ذخيره سازي منابع طبيعي محدود و کاهش توليد و نشر کربن منجر خواهد شد، که اين خود باعث اصلاح و بهبود عملکرد محيط زيستي کلي ساختمان مي شود. براي برپايي و ساخت هر کدام از قسمت ها واجزاي ساختمان از يک يا چند نوع انرژي استفاده مي شود. منبع اين انرژي استفاده شده براي پيشبرد سازه، مي واند ذغال سنگ براي توليد و ساخت مصالح ساختماني ، روغن و سوخت در حمل و نقل يا ماشين آلات، و برق براي کار با وسايل اجرايي باشد. مي توان با افزايش کارآيي انرژي ساختمانها و جايگزيني مواد پرنشر کربن با مواد کم نشر کربن و جايگزيني فناوري هاي استفاده کننده از منابع انرژي تجديدپذير به جاي سوخت هاي فسيلي ، از مصرف سوخت هاي فسيلي در صنعت ساختمان کاست [٥و٦].
٢. تعريف
کابزا و ديگران به نقل از اسلسر مي گويند که مقوله "انرژي نهفته " اولين بار در اواخر دهه ١٩٧٠ ميلادي براي اهداف متفاوتي مطرح شد، در مباحث تحليل انرژي، انرژي ورودي به سيستم از مسيرهاي مختلف با هم جمع مي شوند تا انرژي نهفته کل يا الزامات انرژي زايد به دست بيايد [٧].
بر طبق نظر رامش و ديگران [٨] انرژي نهفته را مي توان مجموعه اي از همه انرژي هايي تعريف کرد که در طول بازه عمر محصولات و خدمات، مصرف مي شوند. انرژي نهفته ، انرژي مصرف شده در توليد مصالحي است که در محصول مورد بررسي بکار رفته است .
مفهوم انرژي نهفته در طول زمان با تغييرات جزيي توسط محققان و نويسندگان مختلفي تعريف شده است . کابزا و ديگران به نقل از کسکلا [٧] انرژي نهفته را انرژياي ناميدند که در توليد مصالح استفاده مي شود. گونزالز و ناوارو [٩] باور دارند که مصالح ساختماني اي که بيشترين انرژي نهفته را دارند نسبت به مصالح با انرژي نهفته کمتر کربن بيشتري منتشر مي کنند. کابزا و ديگران به نقل از ميلر [٧] اظهار مي کنند که از مفهوم انرژي نهفته تفسيرهاي زيادي توسط نويسندگان مختلف شده است و اندازه گيريهاي انجام شده تا حدودي مبهم هستند. کابزا و ديگران به نقل از کراوثر [٧] انرژي نهفته را مجموع کل انرژي اي مي دانند که در ساخت يک ساختمان استفاده شده است اين انرژي شامل انرژي مستقيم بکار رفته در مونتاژ قطعات و ساخت و ساز و همچنين انرژي نهفته مورد نياز براي توليد مصالح و اجزاي ساختمان است . کابزا و ديگران به نقل از ترلور و ديگران [٧] بيان مي کنند که انرژي نهفته ، انرژي مورد نياز براي تهيه يک محصول ( انرژي مستقيم و غير مستقيم ) در طول همه مراحل توليد است ( براي مثال، اگر به صورت وارونه به عقب برگرديم از محصول توليد شده به مصالح خام مي رسيم ). از خصوصياتي که کابزا و ديگران [٧] به نقل از لانگسون و لانگسون به نقل از بوستد و هانسون به آن اشاره مي کنند اين است : انرژي نهفته به عنوان انرژي اي که براي ساخت و ساز نياز است تعريف مي شود و شامل فرآيندهايي مانند معدن کاري، سرند کردن، توليد، حمل و نقل ، نصب و... مي باشد." به صورت مشابه ، يک تعريف جامع تر توسط کابزا و ديگران به نقل از دينگ ارايه شده است : انرژي نهفته ، انرژي مصرف شده در طي استخراج، فرآوري مصالح خام، حمل و نقل از محل استخراج مصالح خام به محل توليد مصالح و اجزا ساختماني است . همچنين ، انرژيهاي مختلفي که در طول مراحل ساخت يا تخريب ساختمان مصرف شده است نيز انرژي نهفته در نظر گرفته مي شود.
ديکسيت و ديگران [٢] به نقل از دينگ و کراوثر اظهار مي دارند که به طور کلي ساختمان ها دو گونه انرژي دارند: انرژي نهفته و انرژي اجرايي .
انرژي نهفته (EE): انرژي نهفته شده در مصالح ساختماني در طول همه فرآيندهاي توليدي، ساخت و ساز در محل ، و تخريب نهايي و بازيافت .
انرژي اجرايي (OE): انرژي مصرف شده در نگهداري محيط داخلي از طريق فرآيندهايي مانند گرمايش ، سرمايش ، روشنايي و وسايل اجرايي .
درباره اينکه بيشتر تحقيقات تا کنون بر انرژي اجرايي متمرکز بوده است ، کابزا و ديگران [٧] به نقل از لانگستون و لانگستون چنين پيشنهاد دادند: در حالي که اندازه گيري انرژي اجرايي آسان و بدون دشواري است ، تعيين انرژي نهفته زمان گير و پيچيدهتر است . علاوه بر اين ، کابزا و ديگران [٧] با تاييد يافته هاي ميلر،کراوثر و ترلور و ديگران باور دارند که در حال حاضر هيچ روش پذيرفته شدهاي براي محاسبه دقيق و پيوسته انرژي نهفته وجود ندارد. در نتيجه ، با توجه به فاکتورهاي گوناگون، اختلافات گسترده در ارقام اندازه گيري شده انرژي نهفته ، غير قابل اجتناب است . هر کدام اين تعريف ها، تفاوتهايي را در نظرات موجود درباره محدوديت هاي سيستم ارائه مي کنند که براي تحليل انرژي نهفته مهم هستند [٢].
ديکسيت و ديگران [٢] مي گويند که ١٠ پارامتر در دادههاي انرژي نهفته دخالت دارند: محدوديت هاي سيستم ، روش تحليل انرژي نهفته ، منطقه جغرافيايي تحقيق انجام شده، انرژي اوليه و تحويل داده شده، قدمت منابع دادهها، کامل بودن دادهها، تکنولوژي فرآيند توليد و ساخت ، درنظر گرفتن انرژي مواد خام و نمايندگي زماني .
٣. رابطه انرژي نهفته و انتشار کربن
ديربازيست که از سوخت هاي فسيلي به عنوان منبع اوليه توليد انرژي استفاده مي شود. احتراق سوخت هاي فسيلي براي توليد انرژي منجر به انتشار گاز هاي گل خانه اي مانند ازون، دي نيتروژن منوکسيد، متان، کلروفلورکربن و به ويژه کربن دي اکسيد مي شود[٢]. بنابراين افزايش انرژي نهفته به معني افزايش ميزان رهاشدن گازهاي گلخانه اي در جو زمين است . نمونه گيريهاي انجام شده توسط دانشمندان از يخ هاي قطبي زمين نشان دادند که در حال حاضر کربن دي اکسيد، ٤٠% بيشتر از قرن نوزدهم است . با اينکه بخشي از اين پديده مي تواند طبيعي يا دورهاي باشد، با اين حال به دليل اين پديده ناگوار ناچاريم به سمتي پيش برويم که کربن کمتري توليد کنيم [١٠]. دانش و آگاهي نسبي درباره انرژي نهفته مصالح ساختماني نه تنها باعث افزايش رقبت براي استفاده از آن محصولات و توسعه مصالح با انرژي نهفته کمتر مي شود، بلکه وجود اين مصالح در صنايع و طراحي ها استفاده بي رويه از انرژي و پخش کربن دي اکسيد را مي کاهد [١١].
در توليد اوليه ، يک رابطه مشخص ميان انرژي نهفته و ردپاي کربن دي اکسيد وجود دارد، و هم اينکه هر دو با استفاده از تحليل ورودي.خروجي اندازهگيري مي شوند [١١]. ردپاي کربن اصطلاحي است که اشاره مي کند به ميزان کربن دي اکسيدي که توسط استفاده مستقيم و غيرمستقيم از منابع انرژي به جو زمين آزاد مي شود[١٠]. کابزا و ديگران [٧] به نقل از اشبي انرژي نهفته را اينگونه تعريف مي کند: انرژي اي است که در کارگاه توليد مصالح استفاده مي شود تا ١ کيلوگرم مصالح از سنگ معدني يا مواد خام به دست بيايد، البته به غير از زيست سوخت ها (بيوفيول).
همچنين ، ردپاي کربن دي اکسيد مجموع همه کربن منتشر شده بر واحد جرم مصالح قابل استفاده موجود در کارگاه است . در حمل و نقل و در بيشتر فرآيند هاي صنعتي (اما نه همه )، يک رابطه ميان انتشار کربن دي اکسيد به کيلوگرم (Kg) و مصرف انرژي به مگا ژول (MJ) وجود دارد.

کابزا و ديگران به نقل از تيواري و پريخ گفته اند که در مطالعاتشان در کشور هند مشخص شده است که با استفاده از مصالح با انرژي نهفته کمتر، نشر کربن در اين کشور ٦١% پايين مي آيد. در واقع ، مي توان نتيجه گرفت که کربن کمتر نشان دهنده انرژي نهفته کمتر است [٧].
٣. مصالح
انرژي نهفته بخش قابل توجه اي از کل مصرف انرژي ساختمان است ، از اين رو ضروري است تا در انتخاب مصالح ساختماني دقت کنيم [١٢].
تورمارک نشان داد که انرژي نهفته ، ٤٠% از کل نياز انرژي براي دوره عمر قابل انتظار ٥٠ ساله است ، اما با تعويض مصالح ، انرژي نهفته تا حدود ١٧% کاهش مي يابد. انرژي نهفته مصالح ساختماني به فرآيند توليد، وجود مصالح خام در همسايگي ، کارآمدي توليد و کيفيت مصالح در ساخت و سازها بستگي دارد [١٣]. بر طبق گفته ردي و جگديش ، انرژي نهفته مصالح ساختماني گوناگون به فرآيند توليدشان وابسته است [١٤]. البته گاهي اين انرژي نهفته بالا به دليل حجم زياد اين مصالح است نه صرفا فرآيند توليد [١٥].
مصالح پايه و مصالح توليدي دسته بندي کرد. از طرفي ، مصالح پايه شامل ماسه ، سنگدانه هاي درشت ، سيمان، فولاد، شيشه و آلومينيوم است . از طرف ديگر، مصالح ساختماني شامل آجر رسي ، بلوک بتني و سراميک است [١٥]. همچنين طبق [٥] براي گرفتن نتيجه بهتر بايد بر روي سيمان، فولاد و آجر که بيشترين نقش را در جرم مصالح ساختماني دارند، تمرکز کرد. مقاله پيش رو به مصالحي مي پردازد که در صنعت ساختمان در ايران پرکاربردتر هستند.
٣-١. آجر
کابزا و ديگران به نقل از جياتو و ديگران [٧] در مقاله تاثير زباله هاي جامد بر مقاومت مصالح ساختماني کم کربن ، انتشار کربن آجرهاي خاکستر بادي اتوکلاو شده را مورد مطالعه قرار دادند و نشر کربن و سهم درصدي هر بخش در انتشار کل کربن تخمين زده شد. کابزا و ديگران به نقل از آنان و بر طبق نتايج مي گويد انتشار کربن از يک متر مکعب آجر خاکستر بادي ٤٣٢,٩٥ کيلوگرم تخمين زده مي شود. انتشار کربن مصالح خام سهم ٨١,٦% از کل کربن منتشر شده دارد و انتشار کربن در بخش حمل و نقل مصالح خام ٠,١% است . همچنين ، کربن آزاد شده در هنگام توليد مصالح خام ١٨,٤% از کل کربن را در بر مي گيرد.
در همان تحقيق ، تاثير زباله هاي جامد بر روي خصوصيات فيزيکي آجرهاي ساختماني کم کربن مورد مطالعه قرار گرفته و چهار نوع زباله جامد در نظر گرفته شد: گل لايروبي شده، خاکستر بادي، روباره فولادي و لجن کلسيم کربيد. نتايج نشان داد که ميزان زباله هاي گل لايروبي شده دريايي ، تاثير چشم گيري بر عملکرد بتن کم کربن دارند. با توجه به روشهاي آزمايش ، اين ميزان در گل لايروبي شده به ٦٥% هم مي رسد. خاکستر بادي، لاي کلسيم کربيد و روباره، تاثير زيادي بر خصوصيات مکانيکي آجر گل لايروبي اتوکلاو شده دارند و ميتوان به يک نسبت بهينه دست يافت .
تحت شرايط بهينه آزمايش نسبت ، بهترين خاکستر بادي ١٥%، و بهينه کلسيم کربيد و روباره فولاد به ترتيب ١٢% و ١٠% هستند.
کابزا و ديگران به نقل از مطالعات ردي [٧] مي گويند که بلوکهاي تثبيت شده لاي ١ (SMB) نسبت به آجر رسي ، گزينه اي سازگار با زيست بوم و انرژي کارآ هستند. اين نوع از آجرهاي سخت ، با فشرده شدن مخلوط خاک، ماسه ، تثبيت کننده(سيمان يا آجر)وآب توليد مي شوند. و حدود ٦٠-٧٠% کمتر ازآجرهاي رسي انرژي مصرف مي کنند. بر طبق نتايج مي توان از پسماندهاي صنعتي مانند گرد سنگ معدن، خاکستر بادي و ... در ترکيبشان استفاده کرد.
کينوتيا و اوتي [١٦] از آهک و سيمان پرتلند به عنوان فعال کننده ها براي بازماندههاي صنعتي (روباره کوره بلند خاک دانه بندي شده - GGBS) در تحکيم رس کائولينيتي و رس اکسفورد براي توسعه مصالح ساختماني رسي نسوز (ضد آتش ) استفاده کردند. GGBS مصرف انرژي فوق العاده کمتري دارد و انتشار کربن دي اکسيد آن در مقايسه با سيمان پرتلند کمتر است . مصرف انرژي يک تن از GGBS، ١٣٠٠ MJ و نشر کربن آن ٠,٠٧ تن است . اين درحالي است که مصرف انرژي معادل ١ تن سيمان پرتلند، ٥٠٠٠ MJ است و حداقل يک تن گاز کربن دي اکسيد به جو زمين آزاد مي کند. همچنين GGBS از جمله مصالحي هست که در محل ساخت و ساز يافت مي شود که از جمله پارامترهاي کليدي پايداري است .
٣-٢. چوب
بوچانان و لواين [١٧] نشان دادند که ساختمان هاي چوبي انرژي فرآيند بسيار کمتري نياز دارند، بنابراين نسبت به ساير مصالح انتشار کربن کمتري نيز دارند. در دراز مدت و در مقايسه با مصالح ديگر، در توليد چوب سوخت فسيلي کمتري براي استفاده مي کند تا کربني که در محصولات ساختماني چوبي ذخيره مي شود. اين امر مي تواند باعث افزايش استفاده از چوب در ساختمان سازي در آينده شود.