ההשפעה הסביבתית של מבנים מבני פלדה

הערכה מחזור חיים של מבנים עם מבנה פלדה

תופעה – עלייה בהישתמשות העולמית בפלדה בבנייה

השימוש בפלדה בבנייה ברחבי העולם עלה כמעט ב-40% בעשורים האחרונים, בעיקר בשל צמיחת הערים וצורך בתשתיות חדשות — כבישים, גשרים ומבנים — בכל מקום. הסיבה לצלחת הזו? הפלדה פשוט עובדת טוב יותר מרוב החלופות האחרות מבחינת יחס חוזק-משקל, ובנוסף אפשר לייצר את הרכיבים מחוץ לאתר ולהרכיבם במהירות באתר, מה שנותן לאדריכלים חופש יצירתי רב יותר. כשני שלישים מהתוספת בהישג זה נובעים ממדינות מתפתחות, שבהן עסקים ומכוני ייצור בונים מסגרות פלדה במקום חומרים מסורתיים. עם זאת, קיימת גם צד שלילי. ככל שייצור הפלדה מתרחב, ארגוני הסביבה הופכים קולניים יותר בנוגע לזיהום שנגרם לנהרות וליערות על ידי פעולות כרייה, בעוד שמכוני הפלדה משחררים מדי יום טונות של גזים גורמי חממה. משמעות הדבר היא שחברות חייבות לחשוב לעומק יותר על שחזור מבנים ישנים ועל מציאת דרכים ניקיות יותר לייצור פלדה, אם הן מעוניינות להמשיך להרחיב את שווקיהן באופן אחראי.

עקרון: כיצד הערכת מחזור החיים (LCA) מודדת את המטענים הסביבתיים לאורך כל המراות

הערכה של מחזור חיים, או LCA לקיצור, בוחנת כיצד מבנים משפיעים על הסביבה לאורך כל תקופת חייהם, החל מהוצאת החומרים הגלמיים ועד למה שיקרה כשמסירים אותם מהשימוש. כאשר מיישמים גישה זו במיוחד למבנים פלדיים, נלקחות בחשבון נקודות כגון האנרגיה הנדרשת במהלך פעולות הכרייה והעיבוד, וכן פליטות הפחמן שנגרמות מערכות התחממות וקירור לאורך זמן. כמו כן, נבחנת האפשרות לשימוש חוזר במבנים אלו בסוף תקופת השימוש שלהם. קיימות שיטות סטנדרטיות, כגון ISO 14040, אשר עוזרות לסווג את ההשפעות הסביבתיות לאורך המراות השונים. מסגרות אלו מכוסות בדרך כלל כ-18 אזורים של השפעה, כולל פליטות גזי חממה, רמות צריכה של מים והשפעות רעילות אפשריות, ומפוזרות על ארבעה מراות עיקריים במחזור החיים של המוצר.

הגישה ההוליסטית הזו חושפת כי 73% מאפק הפליטה הגרינHOUSEי של בניין טיפוסי בעל מבנה פלדה נובע ממراחי הייצור — מה שמדגיש את חשיבותו של הפחתת פליטות בייצור והאופטימיזציה של זרימות החומרים.

מקרה למידה: השוואת ניתוח מחזור חיים (LCA) של בניין משרדים בן חמישה קומות עם מסגרת פלדה לעומת בניין בטון (IEA 2022)

ניתוח של סוכנות האנרגיה הבינלאומית (2022) השווה את ביצועי מחזור החיים בת kvinים של בניין משרדים עם מסגרת פלדה לבניין בטון שקול פונקציונלית. המחקר מצא:

• בניה בפלדה דרשה 23% פחות אנרגיה בשלב ההרכבה, בעקבות ייצור מקדים מחוץ לאתר
• הפליטות التشغיליות היו נמוכות ב-17%, בעיקר עקב עומסים מופחתים על מערכות ה-VAC הנובעים מהמסה המבנית הקלה יותר והשתלבות משופרת של מעטפת הבניין
• בשלב הסיום, 94% מהפלדה הוחזרו למחזור, לעומת 34% בלבד של הבטון שהושם מחדש
• הפוטנציאל הכולל להתחממות גלובלית היה נמוך ב-28% בבניין עם מסגרת פלדה

במיוחד, דרישות היסודות הקלים יותר של הפלדה הקטינו את נפחי החומרים ב-41%, בעוד שמבנה המודולרי תמך בשינויי תכנון עתידיים של המבנה ללא פירוק מבני — מה שממחיש כיצד פרקטיקות של כלכלה מעגלית מגבירות את היתרונות של הפלדה sustainability לאורך כל מחזור חייה.

פחמן מוטבע בבניינים עם מבנה פלדה

התרומה של ייצור הפלדה לפליטות ה-CO₂ הגלובליות

תעשיית הפלדה אחראית ל-7 עד 9 אחוזים מכלל פליטות דו-תחמוצת הפחמן בעולם, לפי נתוני איגוד הפלדה העולמי מ-2023. רוב הפליטות הללו נובעות מתהליכים הדורשים כמויות עצומות של אנרגיה כדי להפחית את אבן הברזל וליצור קוקס, תהליך התלוי במידה רבה בפחם. כאשר אנו בוחנים מבנים המבוססים על מבני פלדה, עקבת הפחמן מצטברת בשלבים רבים, כולל כריית חומרים גולמיים, שינועם למרחקים ארוכים ועיבוד הרכיבים. זה מסכם כ-11% מכלל הפליטות הקשורות לסביבת הבנייה ברחבי העולם. גם כשמבנים הופכים יעילים יותר באנרגיה במהלך הפעולה שלהם, מה שחשוב ביותר כיום הן הפליטות הראשוניות הנובעות מייצור הפלדה עצמו. לכן, חדשנות בשיטות ייצור הפלדה איננה רק רצוייה – היא הכרח מוחלט אם ברצוננו להשיג את מטרות האקלים שלנו בעשורים הבאים.

כור רתיח לעומת כור קשת חשמלי: עוצמת פליטות הפחמן ונתיבי דקربוניזציה

השיטה המסורתית של כבשן ניפוח-כבשן חמצן בסיסי לייצור פלדה מייצרת כמות של פחמן דו-חמצני גדולה פי חמש ביחס לתהליכי המחזור של כבשנים קשת חשמליים. כבשנים קשת חשמליים עובדים בעיקר עם מתכת מוחזרת, אשר באופן טבעי משאירה טביעת פחמן קטנה בהרבה. עם זאת, אם כבשנים אלו הם באמת ברות-קיימא תלויה במידה רבה בדרגת הניקיון של רשתות החשמל שלנו וביכולתנו להמשיך לספק כמות מספקת של חומר מוחזר. גישות חדשות, כגון שילוב של מימן בייצור ברזל מופחת ישירות, עלולות לצמצם את הפליטות מהכבשן הניפוח עד ב-95 אחוז, בתנאי שהן יופעלו באמצעות מקורות מימן ירוק. המעבר של חלק גדול יותר מכושר הייצור הפלדי העולמי לטכנולוגיית כבשן קשת חשמלי הוא הגיוני לצורך השגת המטרות הסביבתיות. כרגע רק כ-28 אחוז מהפלדה העולמית נוצרת בשיטות כבשן קשת חשמלי, ולכן קיים מקום רב לשיפור, בהתאם לחיזויים האחרונים של סוכנות האנרגיה הבינלאומית למצב של אפס פליטות נטו עד שנת 2023.

ניהול מבנים עם מבנה פלדה בסוף מחזור חייהם והפוטנציאל המעגלי שלהם

שיעורי שחזור גבוהים לעומת מوانעים מערכתיים למחזוריות אמיתית

אחוז המחזור הגלובלי של מבנים מפלדה הוא למעשה די מרשים, כ-90% בערך, בעיקר בשל העובדה שפלדה ניתנת להפרדה מגנטית ויש לנו מערכות מוכחות לטיפול בפסולת מתכת. עם זאת, הגעה למצב של כלכלה מעגלית מלאה נראית עדיין בלתי אפשרית. הבעיה נוצרת כאשר ציפויים מתערבבים עם סוגי סגסוגות שונים, ובנוסף לכך נכללים גם סוגים רבים של חומרים לא מתכתיים. ערבוב זה פוגע באיכות החומר המוחזר ומקשה על השימוש בו מחדש ברמות ערך גבוהות יותר. רוב התקנות הקיימות כיום מكافאות למעשה את הריסת מבנים במקום את הפירוק המדויק והמעמיק שלהם. ונהיינו כולם מודעים לכך שאיש לא רוצה לשלם סכום נוסף לעובדים שיעשו את עבודת הפירוק המטחנית הזו. בנוסף, אין תקנים אחידים באמת בין מדינות שונות בנוגע לרכיבים שניתן להשתמש בהם מחדש ולספורם כמוכנים לשימוש. גורמים אלה כולם מתמזגים ויוצרים שווקים שבהם רוב הפלדה המוחזרת מסתיימת בהורדת דרגת האיכות שלה, ולא בשימוש חוזר ביישומים מבניים אמיתיים, למרות שמספר רב של חומרים אכן מוחזר באופן כללי.

התקדמות בהחזרת סגסוגות ובשיפוץ איכות הפסולת לצורך שימוש חוזר בפלדה נמוכה פחמן

התפתחויות חדשות בתחום החזרת חומרים תורמות תרומה משמעותית לשיפור יעילות המחזור. מערכות המיון של חומרים באמצעות חיישנים, כולל טכניקות כגון ספקטרוסקופיית שבירת פלזמה המושרית בלייזר (LIBS), עוזרות לזהות סגסוגות באופן מדויק. זה מונע את אובדן מתכות חשובות כמו כרום וניקל במהלך העיבוד. כאשר שולבים גישות אלו עם שיטות המעדיפות פירוק מראש של רכיבים ועם רשומות דיגיטליות המעקובות אחר החומרים לאורך מחזור חייהם, אנו משיגים שליטה טובה יותר על מה שבפועל נמצא בחומר ועל המסלול שלו. פסולת נקייה פועלת לרוחב מכרה קשת חשמלית, כך שהן אינן צריכות לפעול קשה כל כך. מחקרים מראים ירידה של כ-30–40 אחוז בצריכת האנרגיה בעת עיבוד פסולת טהורה לעומת פסולת מעורבת. דבר זה הגיוני, משום שרכיבי קליטה נקיים מאפשרים לייצר פלדה מבנית עם פליטות פחמן נמוכות יותר, תוך שמירה על כל דרישות העוצמה הנדרשות בבנייה.

עיצוב לביטול בנייה בבנייני פלדה

קיפוץ הפער: ניתנות לשימוש מחדש של מבנים לעומת האימוץ הממשי של עקרונות העיצוב לביטול בנייה (DfD)

החוזק של הפלדה הופך אותה למתאימה במיוחד לבניינים שיכלו להישמר לשימוש חוזר בעתיד, אך במציאות, מרבית האנשים אינם מיישמים בפועל את עקרונות העיצוב לביטול בנייה (DfD). כרגע, הכסף מדבר יותר חזק מאשר יעדיו של הסostenability, ולכן פירוק מהיר של מבנים עדיין נראה כלכלי יותר מאשר השקעה בזמן ובקושי הנדרשים כדי לפרק מבנים בזהירות. גם התקנות אינן דורשות במפורש יעדי שחזור חומרים ספציפיים. כל שרשרת האספקה נמצאת במצב לא מאורגן כשמדובר בתכנון פרויקטים של ביטול בנייה. ואף אחד אינו יודע אילו תקנים יחולו בעתיד, מה שהופך את ההשקעה ברכיבים שיכלו לשמש בשנית לסיכון, אם בכלל. בשל היעדר תקנים אחידים, עשרות אלפי קורות פלדה חזקות מסתיימות כפסולת מתכת זולה במקום לשמש מחדש כחומרי בניין איכותיים.

מאפשרים: חיבורים בבורג, דפי מידע דיגיטליים של חומרים וספריות רכיבים סטנדרטיות

שלושה нововוזים תלויים זה בזה מאיצים את יישום עקרון העיצוב לשיחרור (DfD):

• סורגים מכניים : חיבורים בבורג מחליפים חיבורים מוגזרים כדי לאפשר פירוק ללא נזק תוך שמירה על שלמות המבנית לאורך כל תקופת השירות
• דפי מידע דיגיטליים של חומרים : תיעוד מבוסס ענן של הרכב הכימי, היסטוריית עומסים והגנה מפני קורוזיה מאפשר התאמה מדויקת של רכיבים משוחזרים לדרישות הפרויקט החדש
• ספריות רכיבים סטנדרטיות : אורכי קרשים מודולריים ופרטי החיבורים מפשטים את ההרכבה המחודשת, וממזערים את הצורך בגיזום מחדש או יציקה מחדש של מקטעים שנשמרו

ניתוח התעשייה מראה שפרויקטים המממשים את שלושת האסטרטגיות הללו מגיעים לשיעורי שימוש חוזר גבוהים מ-85%, לעומת 35% בלבד בתרחישים קונבנציונליים של הרס — מה שמוכיח שעיצוב מכוון יכול להפוך את ניהול הסיום של מחזור החיים מהת disposed למחזור ערך.

שאלות נפוצות

מהי הסיבה העיקרית להגדלת הביקוש לפלדה בבנייה?

הסיבה העיקרית להגבהת הביקוש לפלדה בבנייה היא היחס המمتاز בין חוזק למשקל שלה, וכן הקלות בייצור רכיבים מחוץ לאתר ובאיסוף שלהם באתר, מה שנותן לאדריכלים חופש יצירתי רב יותר.

איך הערכת מחזור חיים (LCA) עוזרת באומדן מבנים מפלדה?

ערכות מחזור חיים (LCA) עוזרות באומדן מבנים מפלדה על ידי הכמתת ההשפעות הסביבתיות לאורך מחזור החיים של בניין, מהחלקה של חומרי הגלם ועד לסילוק הסופי שלו, תוך מדידת גורמים כגון צריכה של אנרגיה ופליטות פחמן.

מה ההבדלים העיקריים בין שיטת הכבשן הפורץ לשיטת הכבשן האלקטרו-קשת?

שיטת הכבשן הפורץ היא מאלצת פחמן יותר, ויוצרת כמות של פליטת CO2 גדולה פי חמש ביחס לשיטת הכבשן האלקטרו-קשת, אשר עובדת בעיקר עם מתכת משוחזרת ובעלת טביעת פחמן קטנה יותר.

איך העיצוב לביטול (DfD) תורם ליציבות סביבתית?

DfD תורם ליציבות על ידי אפשרו פירוק של מבנים מפלדה ללא נזק, ומעודד שימוש חוזר ומגביר את המינימיזציה של פסולת במהלך ניהול הסיום של מחזור החיים.