Short description
(German)
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In diesem Forschungsprojekt wird die Entwicklung eines biobasierten, CO2-negativen Gebäudedämmstoffs vorgeschlagen, der auf einer erfolgreichen früheren Machbarkeitsstudie aufbaut. Die Materialentwicklung basiert auf der Verwendung von organischem Abfallmaterial, das mit natürlichen Bindemitteln und einem anschließenden Karbonisierungsschritt weiterverarbeitet wird. Über die Optimierungund das Upscaling des Dämmstoffs zu makroskopischen Dämmplatten hinaus wird im Projekt systematisch nach potenziellen Rohstoffen gesucht und deren Verfügbarkeit sowie eine mögliche Konkurrenz zu anderen Verwendungszwecken geprüft. Zudem wird eine vollständige «cradle-to-grave»-Analyse des Dämmstoffs durchgeführt, bei der das CO2-Emissionsreduktionspotenzial sowie die Umweltauswirkungen im Vergleich zu herkömmlichen Dämmstoffen auf fossiler Basis ermittelt werden. Die Forschung wird in einem interdisziplinären Team durchgeführt mit Experten aus Bauwesen, Materialwissenschaft, Chemie und Lebenszyklusanalyse.
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Short description
(English)
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This research project proposes the development of bio-based, carbon negative building insulation material building upon a successful previous feasibility study. The material development is based on the use of organic waste material which is further processed using natural binders and a subsequent carbonization step. Beyond the mere tuning and upscaling of the insulation material to macro-scale insulation boards the project systematically screens for potential raw materials, evaluating their availability as well as eventual competition with other uses. Further, a full cradle-to-grave analysis of the insulation material is being performed, identifying the carbon dioxide removal potential along with the environmental impact with reference to standard fossil-based insulation materials. Research is carried out in an interdisciplinary team including experts in the domain of building application, material science, chemistry and life cycle assessment.
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Short description
(French)
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Ce projet de recherche propose le développement d'un matériau d'isolation des bâtiments biosourcé et neutre en carbone, sur la base d'une étude de faisabilité antérieure réussie. Le développement du matériau est basé sur l'utilisation de déchets organiques, qui sont traités avec des liants naturels et une étape de carbonisation ultérieure. Au-delà de l'optimisation et de la mise à l'échelle du matériau isolant pour en faire des panneaux isolants macroscopiques, le projet recherche systématiquement des matières premières potentielles et vérifie leur disponibilité ainsi que la concurrence éventuelle avec d'autres utilisations. En outre, une analyse complète « cradle-to-grave » de l'isolant sera effectuée afin de déterminer le potentiel de réduction des émissions de CO2 ainsi que l'impact environnemental par rapport aux isolants traditionnels à base de combustibles fossiles. La recherche est menée par une équipe interdisciplinaire composée d'experts en construction, en science des matériaux, en chimie et en analyse du cycle de vie.
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Final report
(German)
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Dieses Forschungsprojekt untersucht die Machbarkeit eines biobasierten, CO2-negativen Gebäudedämmstoffs. Die durchgeführte Materialentwicklung basiert auf der Verwendung von organischem Abfallmaterial, das mit natürlichen Bindemitteln und einem anschließenden Karbonisierungsschritt weiterverarbeitet wird. Die Untersuchung liefert eine umfassende Analyse der potenziellen Abfallströme in der Schweiz für die Entwicklung von CO2 negativen Dämmstoffen. Pferdemist erwies sich als optimaler Abfallstrom für die Herstellung von thermisch leistungsfähigen Dämmstoffen, die sich durch niedrige Entstehungskosten und einen geringen ökologischen Fußabdruck auszeichnen. Es konnten durchgängig Wärmeleitfähigkeiten von 0,035 W/(m·K) gemessen werden. Die Untersuchungen bestätigten auch die Reziklierbarkeit von gebrauchtem Dämmmaterial, was zu einer Verringerung der thermischen Leistung um etwa 20 % führte. Die Forschung zeigt die grosse Bedeutung des Bindemittels für die ökologische Gesamtleistung des Dämmstoffs. Während Gluten aus technischer Sicht das beste der untersuchten natürlichen Bindemittel war, ergaben sich durch die Produktion von Gluten ein hohes Treibhauspotenzial sowie weitere relevante Umweltauswirkungen (Eutrophierung, Versauerung, Landnutzung) durch die landwirtschaftliche Produktion des Rohstoffs Weizen. Tiefere allgemeine Umweltauswirkungen aber dafür höhere Treibhausgasemissionen werden mit einem PVAc-basierten Kleber erreicht. Für die zukünftige Entwicklung wäre es wünschenswert alternative Bindemittel zu finden, die ebenfalls auf biogenen Abfall- oder Nebenströmen basieren, um trade-offs zu vermeiden und die allgemeinen Umweltauswirkungen des Dämmstoffs möglichst niedrig zu halten. Betrachtet man nur die Produktion und Entsorgung von Dämmstoffen, so ist die Klimabilanz von CarNe-Materialien vergleichbar mit der von herkömmlichen Dämmstoffen auf fossiler Basis. Dies ändert sich jedoch, wenn die Möglichkeit der dauerhaften Kohlenstoffspeicherung in den biobasierten Dämmstoffen berücksichtigt wird. Basierend auf der Verfügbarkeit der Abfallströme zeigt das CarNe-Dämmmaterial für die Schweiz ein signifikantes jährliches Potential für Negativemissionen von -113'000 t CO2-eq und 194'000 t CO2-eq für Pferdemist bzw. Siebüberlauf. Dies entspräche der Dämmung von ca. 3 resp. 7.8 million m2 Gebäudeflächen mit einem U Wert von 0.15 W/(m2·K).
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Final report
(English)
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This research project evaluates the techno-economic and ecological feasibility of bio-based, carbon negative building insulation material. The material development is based on the use of organic waste material which is further processed using natural binders and a subsequent carbonization step. The research provides an extensive analysis of potential waste streams in Switzerland for the development of carbon negative insulation materials. Horse manure emerged as the optimal waste stream for the creation of thermally high performing insulation material featuring low source cost and a small ecological footprint. Thermal conductivities as low as 0.035 W/(m·K) could be consistently measured. The research also verified the recyclability of used insulation material, leading to a decrease in thermal performance of about 20%. The research shows the great importance of the binder for the overall ecological performance of the insulation material. While gluten was the best of the natural binders investigated from a technical point of view, the production of gluten resulted in a high global warming potential and other relevant environmental impacts (eutrophication, acidification, land use) due to the agricultural production of the raw material wheat. Lower general environmental impacts but higher greenhouse gas emissions are achieved with a PVAc based adhesive. For the future development, it would be desirable to find alternative binders that are also based on biogenic waste or side streams in order to avoid trade-offs and keep the general environmental impact of the insulation material as low as possible. When only looking at production and disposal of insulation materials, the global warming potential (carbon footprint) of CarNe materials is comparable to that of traditional fossil-based insulation materials. This changes when the permanent carbon storage opportunity of the bio-based insulation materials is considered. Based on the availability of the waste streams, for Switzerland, the CarNe insulation material showed a significant annual carbon removal potential of -113’000 t CO2-eq and 194’000 t CO2-eq for horse manure and sieve overflow, respectively. This would correspond to the insulation of approx. 3 or 7.8 million m2 of building surfaces with a U-value of 0.15 W/(m2-K).
Related documents
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Final report
(French)
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Ce projet de recherche étudie la faisabilité d'un matériau d'isolation des bâtiments biosourcé et neutre en CO2. Le développement du matériau est basé sur l'utilisation de déchets organiques qui sont ensuite traités à l'aide de liants naturels et d'une étape ultérieure de carbonisation. La recherche fournit une analyse approfondie des flux de déchets potentiels en Suisse pour le développement de matériaux d'isolation négatifs en carbone. Le fumier de cheval s'est avéré être un flux de déchets optimal pour la fabrication de matériaux isolants thermiquement performants, caractérisés par de faibles coûts de production et une faible empreinte écologique. Des conductivités thermiques de 0,035 W/(m·K) ont été mesurées en permanence. Les recherches ont également confirmé la recyclabilité des matériaux isolants usagés, ce qui a entraîné une réduction de la performance thermique d'environ 20%. La recherche montre la grande importance du liant pour la performance écologique globale de l'isolant. Alors que le gluten était le meilleur des liants naturels étudiés d'un point de vue technique, sa production a entraîné un potentiel de réchauffement global élevé ainsi que d'autres impacts environnementaux importants (eutrophisation, acidification, utilisation des terres) dus à la production agricole de la matière première, le blé. L'impact environnemental général est plus faible mais les émissions de gaz à effet de serre sont plus élevées avec un adhésif à base de PVAc. Pour le développement futur, il serait souhaitable de trouver des liants alternatifs, également basés sur des déchets biogènes ou des flux secondaires, afin d'éviter les trade-offs et de maintenir l'impact environnemental général de l'isolant aussi bas que possible. Si l'on considère uniquement la production et l'élimination des matériaux d'isolation, le bilan climatique des matériaux CarNe est comparable à celui des matériaux d'isolation traditionnels à base de combustibles fossiles. Cependant, cela change si l'on tient compte de la possibilité de stocker durablement du carbone dans les matériaux d'isolation biosourcés. En se basant sur la disponibilité des flux de déchets, le matériau d'isolation CarNe montre un potentiel annuel significatif d'émissions négatives pour la Suisse de -113'000 t CO2-eq et 194'000 t CO2-eq pour le fumier de cheval ou le débordement de tamis. Cela correspondrait à l'isolation d'environ 3, respectivement 7,8 millions de m2 de surfaces de bâtiments avec une valeur U de 0,15 W/(m2·K).
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