Екологічний вплив будівель зі сталевих конструкцій

Оцінка впливу на весь життєвий цикл будівель зі сталевим каркасом

Явище: зростаючий глобальний попит на сталь у будівництві

Використання сталі в будівництві по всьому світу за останнє десятиліття зросло майже на 40 %, головним чином через зростання міст і потребу в нових дорогах, мостах та будівлях усюди. Причина цього буму? Сталь просто краще працює, ніж більшість альтернативних матеріалів, якщо йдеться про співвідношення міцності до ваги; крім того, компоненти можна виготовляти поза місцем будівництва й швидко збирати на місці, що надає архітекторам більше творчої свободи. Близько двох третин усього цього зростаючого попиту припадає на країни, що розвиваються, де підприємства та фабрики будують каркаси зі сталі замість традиційних матеріалів. Однак є й недоліки. Зі зростанням виробництва сталі екологічні організації все голосніше наголошують на тому, що гірничодобувні операції забруднюють річки й ліси, а сталеплавильні заводи щоденно викидають тонни парникових газів. Це означає, що компаніям доведеться серйозніше подумати про переробку старих споруд і пошук екологічно чистіших способів виробництва сталі, якщо вони хочуть відповідально розширювати свої ринки.

Принцип: Як ОЖЦ кількісно визначає екологічні навантаження на всіх етапах

Оцінка життєвого циклу (ОЖЦ) досліджує, як будівлі впливають на навколишнє середовище протягом усього свого терміну експлуатації — від видобутку сировини до остаточного утилізаційного етапу. Застосовуючи цей підхід конкретно до сталевих конструкцій, враховуються такі аспекти, як енергія, необхідна для гірничих робіт та процесів переробки, а також викиди вуглекислого газу, що утворюються в роботі систем опалення й охолодження протягом часу. Також враховується можливість вторинної переробки таких конструкцій після закінчення їх корисного терміну. Існують стандартизовані методики, наприклад ISO 14040, які допомагають класифікувати екологічні впливи на різних етапах. Ці методичні рамки, як правило, охоплюють близько 18 напрямків впливу, зокрема викиди парникових газів, обсяги споживання води та потенційні токсичні ефекти, розподілені між чотирма основними фазами існування продукту.

Такий комплексний підхід показує, що 73 % вуглецевого сліду типового будинку зі сталевим каркасом походить із етапів виробництва — що підкреслює важливість декарбонізації виробництва та оптимізації матеріальних потоків.

Приклад: Порівняльний аналіз життєвого циклу 5-поверхового офісного будинку зі сталевим та бетонним каркасом (МЕА, 2022)

Аналіз Міжнародного енергетичного агентства (2022 р.) порівнював показники життєвого циклу тривалістю 50 років сталевого офісного будинку з функціонально еквівалентною бетонною альтернативою. У дослідженні встановлено наступне:

• У процесі збирання сталева конструкція використовувала на 23 % менше енергії завдяки попередньому заводському виготовленню елементів
• Експлуатаційні викиди були на 17 % нижчими, переважно через зменшення навантаження на системи опалення, вентиляції та кондиціонування повітря, що стало можливим завдяки меншій масі несучої конструкції та покращеній інтеграції огороджувальних конструкцій
• На етапі завершення терміну експлуатації 94 % сталі було повторно перероблено порівняно лише з 34 % бетону, що підлягало повторному використанню
• Загальний потенціал глобального потепління для будинку зі сталевим каркасом був на 28 % нижчим

Примітно, що менші вимоги до фундаменту зі сталі зменшили обсяги матеріалів на 41 %, тоді як модульна конструкція забезпечила можливість майбутньої перепланування приміщень без демонтажу несучих конструкцій — це демонструє, як практики кругової економіки посилюють переваги сталі у забезпеченні стійкості протягом усього терміну її експлуатації.

Втілений вуглець у будівлях із сталевими конструкціями

Внесок виробництва сталі у глобальні викиди CO₂

Згідно з даними Всесвітньої асоціації сталевих виробників за 2023 рік, сталепромисловість відповідає за приблизно 7–9 % усіх глобальних викидів CO₂. Більшість цих викидів походить із процесів, які вимагають величезних обсягів енергії для відновлення залізної руди та виробництва коксу, що значною мірою залежить від вугілля. Розглядаючи сталеві конструкції в будівлях, вуглецевий слід накопичується на кількох етапах: видобутку сировини, її перевезення на великі відстані та виготовлення компонентів. Це складає близько 11 % усіх викидів, пов’язаних із будівельними середовищами по всьому світі. Навіть коли будівлі стають енергоефективнішими під час експлуатації, найважливішими зараз є так звані «початкові» викиди, що виникають безпосередньо під час виробництва. Саме тому інновації у виробництві сталі — це не просто бажаність, а абсолютна необхідність, якщо ми хочемо досягти наших кліматичних цілей у наступні десятиліття.

Доменна піч проти електродугової печі: інтенсивність викидів CO₂ та шляхи декарбонізації

Традиційний метод виробництва сталі у доменній піч-конвертерній печі викидає приблизно в п’ять разів більше CO₂ порівняно з процесами вторинної переробки в електродугових печах. Електродугові печі працюють переважно з вторинною металевою стружкою, що природно має значно менший вуглецевий слід. Однак справжня стійкість цих печей залежить насамперед від того, наскільки «чистими» стануть наші електричні мережі та чи зможемо ми постійно забезпечувати достатню кількість стружки. Нові підходи, наприклад інтеграція водню в процес прямого відновлення залізної руди, можуть скоротити викиди доменних печей аж на 95 відсотків, за умови використання «зеленого» водню. Перехід більшої частини світових потужностей з виробництва сталі на технологію електродугових печей є логічним кроком для досягнення екологічних цілей. Наразі лише близько 28 відсотків глобального виробництва сталі отримують за допомогою електродугових печей, тож, за прогнозами Міжнародного енергетичного агентства щодо нульових чистих викидів до 2023 року, є значний простір для покращення.

Управління будівлями зі сталевим каркасом наприкінці їх життєвого циклу та їх потенціал у контексті кругової економіки

Високі показники вторинної переробки порівняно з системними бар’єрами на шляху до справжньої круговості

Глобальний рівень вторинної переробки сталевих конструкцій насправді досить вражаючий — приблизно 90 %, головним чином через те, що сталь можна відокремити за допомогою магнітного розділення, а також завдяки добре встановленим системам поводження з металобрухтом. Однак досягнення повноцінного стану «циркулярної економіки» поки що здається недосяжним. Проблема виникає, коли покриття змішуються з різними типами сплавів, а також коли до брухту потрапляють різноманітні неметалеві матеріали. Це погіршує якість брухту й ускладнює його повторне використання на високозначущих рівнях. Більшість чинних зараз нормативних актів фактично поощрюють демонтаж об’єктів цілком, а не їх обережне розбирання на складові частини. І правду кажучи, ніхто не хоче платити додаткові кошти працівникам за таку кропітку роботу з розбирання. Крім того, у різних країнах відсутні узгоджені стандарти щодо того, які компоненти вважаються придатними для повторного використання. Усі ці фактори разом формують ринки, де більшість переробленої сталі врешті-решт підлягає пониженню класу, а не використовується повторно у справжніх будівельних конструкціях, хоча загалом значна кількість матеріалу й відновлюється.

Покращення відновлення сплавів та якості ломів для повторного використання сталі з низьким вмістом вуглецю

Нові розробки у сфері відновлення матеріалів відіграють важливу роль у підвищенні ефективності переробки. Системи сортування матеріалів із використанням датчиків, зокрема такі, як лазерно-індукована спектроскопія плазми (або скорочено LIBS), забезпечують точне визначення сплавів. Це запобігає втраті цінних металів, таких як хром і нікель, під час переробки. У поєднанні з підходами, що передбачають переважно демонтаж компонентів на початковому етапі, та цифровими реєстрами, що відстежують матеріали протягом усього їх життєвого циклу, ми отримуємо кращий контроль над тим, що саме міститься в ломі та де він був раніше. Чистіший лом означає, що електродугові печі не повинні працювати так інтенсивно. Дослідження показують приблизне зниження енерговитрат на 30–40 % при роботі з чистим ломом порівняно зі змішаним. І це логічно: чистіші вихідні матеріали дозволяють виробляти конструкційну сталь із нижчим рівнем вуглецевих викидів, одночасно відповідаючи всім вимогам до міцності, які пред’являються до будівельних матеріалів.

Проектування для демонтажу в будівлях зі сталевим каркасом

Закриття розриву: структурна повторне використання порівняно з реальним впровадженням DfD

Міцність сталі робить її чудовим матеріалом для конструкцій, які можна буде повторно використати в майбутньому, але, чесно кажучи, більшість людей насправді не застосовують практики проектування для демонтажу (DfD) у повсякденному житті. Зараз гроші говорять голосніше за цілі стійкого розвитку, тому швидке знесення будівель досі є економічно вигіднішим рішенням, ніж витрата часу на обережний демонтаж споруд. Регуляторні вимоги також не передбачають конкретних цілей щодо відновлення матеріалів. Уся ланцюг поставок перебуває в стані хаосу, коли йдеться про планування належних проектів демонтажу. І ніхто не знає, які стандарти будуть діяти в майбутньому, що робить інвестування в компоненти, придатні для повторного використання, принаймні ризикованим. Оскільки відсутні загальноприйняті правила, величезні кількості міцних сталевих балок закінчують своє життя як дешевий металобрухт замість того, щоб бути перевикористаними як якісні будівельні матеріали.

Фактори, що сприяють реалізації: болтові з’єднання, цифрові паспорти матеріалів та стандартизовані бібліотеки компонентів

Три взаємозалежні інновації прискорюють впровадження концепції проектування для демонтажу (DfD):

• Механічні кріпильні елементи болтові з’єднання замінюють зварні шви, щоб забезпечити немеханічний демонтаж без порушення структурної цілісності протягом усього терміну експлуатації
• Цифрові паспорти матеріалів хмарна документація хімічного складу, історії навантажень та захисту від корозії дозволяє точно підбирати відновлені елементи під вимоги нових проектів
• Стандартизовані бібліотеки компонентів модульні довжини балок та деталі з’єднань спрощують повторну збірку, мінімізуючи необхідність повторного розрізання або перековування вилучених секцій

Аналіз галузі показує, що проекти, які реалізують усі три стратегії, досягають рівня повторного використання понад 85 %, порівняно з лише 35 % у звичайних сценаріях демонтажу — що доводить: цілеспрямоване проектування може перетворити управління матеріалами наприкінці терміну експлуатації з утилізації на відновлення вартості.

ЧаП

Яка головна причина зростання попиту на сталь у будівництві?

Основною причиною зростання попиту на сталь у будівництві є її виняткове співвідношення міцності до ваги та простота виготовлення компонентів поза майданчиком і збирання на місці, що надає архітекторам більше творчої свободи.

Як оцінка життєвого циклу (LCA) допомагає у визначенні сталевих конструкцій?

Оцінка життєвого циклу (LCA) допомагає у визначенні сталевих конструкцій шляхом кількісної оцінки екологічних впливів протягом усього терміну експлуатації будівлі — від видобутку сировини до кінцевої утилізації, вимірюючи такі показники, як енергоспоживання та викиди вуглекислого газу.

Які ключові відмінності між методами доменної пічі та електродугової печі?

Методи доменної пічі є більш вуглецево інтенсивними й виробляють приблизно в п’ять разів більше CO₂ порівняно з процесами електродугової печі, які переважно працюють із вторинною металевою стружкою й мають менший вуглецевий слід.

Як концепція проектування для демонтажу (DfD) сприяє сталому розвитку?

DfD сприяє сталому розвитку, забезпечуючи можливість неруйнівного демонтажу сталевих конструкцій, що сприяє їхньому повторному використанню та мінімізації відходів під час управління етапом закінчення терміну експлуатації.