建筑材料每年可储存超过160亿吨CO2
建筑材料每年可储存超过160亿吨CO2
建筑材料由于其巨大的数量和长久的使用寿命，成为理想的碳储存库。1900年至2015年间生产的基础设施材料累计质量与人类食品、动物饲料及能源资源总质量相当，并且建筑材料通常能使用数十年，有助于长期封存温室气体，提供气候效益。因此，将建筑材料设计为碳汇是一个有效的策略，无需额外开发大规模碳储存系统，同时避免了CCS技术带来的环境和安全风险。这使得建筑环境成为减少温室气体的重要领域。
研究背景与意义
实现温室气体净零排放可能不仅需要降低排放，还需要部署CO2去除技术。我们研究在建筑材料中储存CO2的年度潜力，结果发现，在新的基础设施中用CO2储存替代品完全取代传统建筑材料每年可以储存多达 166 ± 28 亿吨CO2——约占 2021 年人为CO2排放量的 50%。总储存潜力对所用材料规模的敏感度远高于对每单位质量材料储存的碳量的敏感度。此外，建筑材料的碳储存库将随着对此类材料的需求而增长，这可能会减少对更昂贵或对环境风险更大的地质、陆地或海洋储存的需求。
建筑材料生产每年产生35亿至110亿吨CO2e，占全球温室气体排放的10%到23%。不包括能源相关排放，建筑材料生产在2016年贡献了约1.8 Gt CO2，约占全球排放的5%。新兴技术的应用旨在通过改变材料成分和制造方法来吸收CO2或CH4，从而逆转部分工艺排放。例如，研究探讨了木材作为碳汇的潜力以及替代水泥对减少混凝土碳排放的作用。本研究评估了混凝土、砖块、沥青、塑料和木材等常见建筑材料的碳储存潜力，基于2016年的消费水平，并假设所有碳均来自大气且储存为永久性。我们的估计基于传统材料被含有生物碳或关键矿物的替代品取代的程度。我们假设使用阶段的排放可忽略不计，且寿命终结时的填埋产生的温室气体排放极小。未来的研究应考虑使用阶段及拆除过程中的排放与吸收情况。此外，一些公司已进行中试规模示范，表明其替代材料相比传统材料大幅降低了碳足迹，并在某些情况下实现了从大气中净去除碳。考虑到替代材料相关的不确定因素，我们也确定了实现净碳去除的最大允许排放量。
研究结果
建筑环境的碳储存潜力
我们确定了不同建筑材料每单位碳储存的相关机制和量级（图 1）。尽管生物基塑料每公斤材料的储存潜力最高，但由于与所有其他建筑材料相比产量相对较小，它们对总潜力的贡献最小。相反，混凝土中的骨料具有最低的储存潜力之一（<1 kg CO2/kg）；但由于全球需求规模巨大，它们具有最大的总潜力。考虑到这些权衡，适合快速市场渗透和大规模扩展的领域可能带来比推动任何单一材料碳储存方案的最大程度吸收更大的气候效益。
图 1. 替代建筑材料的碳储存潜力。
（A 和 B）建筑材料中储存碳的潜力差异很大，取决于（A）替代材料的碳密度（每千克材料产生的CO2千克数）和（B）传统材料的使用规模。
研究显示，这些材料累计可储存高达16.6 ± 2.8 Gt CO2，相当于2021年全球人为CO2排放量的约50%。其中，混凝土和沥青中使用的骨料贡献了最多的储存量，为11.5 ± 1 Gt CO2，这主要归功于其大量使用。通过特定组合（如镁橄榄石基水泥与生物炭填料），水泥可实现高达2.6 ± 1.1 Gt CO2的储存潜力。砖块作为第二大储碳材料，通过生物质纤维和矿物碳化，能储存约2 Gt CO2。增加木材消费量20%，结合良好的森林管理和生产实践，还能额外储存0.45 ± 0.09 Gt CO2。而生物基塑料和沥青粘合剂由于消耗量低，储存潜力较小，不到总储存量的5%。
资源可用性评估
建筑对材料的大量需求是碳储存潜力的主要驱动力。我们评估了资源可用性，但未包括可碳化水泥和砖块，因缺乏稳健生产途径。骨料碳矿化途径考虑了多种工业废料（如赤泥、高炉矿渣等）及报废混凝土，可提供1 Gt CO2储存量。然而，未来资源供应可能变化，需进一步探索大规模节能碳化工艺。生物质纤维替代15%砖块、生物油替代沥青、生物基塑料替代所有塑料仅需使用5%年度农业残留物；15%水泥用生物炭替代需额外24%农业残留物。即便实施所有生物质策略，仍有71%农业副产品可用于其他用途。生产生物炭还能产生合成气和生物油等副产品，但当前生物炭生产和使用非常有限，2021年产量为0.4 Mt，而实现模拟的碳储存需600 Mt。扩大生物炭生产时，必须确保其能净去除大气中的碳，并满足物理要求。我们的资源需求估计基于1:1的碳替代率，任何效率低下导致的材料浪费都会增加需求。详细敏感性分析见数据S6。
除了原料资源数量外，替代技术的地理分布也很关键。碳化水泥和碳酸盐基骨料所需的矿物质通常位于地表深处难以获取，而更容易获取这些矿物的地区如暴露于地表的大陆洪流玄武岩及盐湖等更适合新技术的发展。东南亚和非洲因未来对水泥和混凝土需求的增长，可能利用当地的洪流玄武岩和盐湖资源。欧洲由于有丰富的硅酸盐岩石矿藏和老化的基础设施，具有较大的碳化潜力。农业废弃物如亚洲的小麦、稻草以及美国的玉米秸秆和巴西的甘蔗渣，可转化为生物炭用于水泥复合材料生产，主要产自中国、印度和美国。这些生物质废弃物也可用于砖块生产（主要在中国和印度）或制造塑料（约70%产自亚洲和美国）。合理利用这些资源对于实现建筑材料中的碳储存至关重要。
在减缓情景中对CDR目标的贡献
根据IPCC AR6，为实现2100年全球升温控制在1.5℃和2℃以下的目标，需通过CDR技术去除累计最多660 Gt和290 Gt的CO2。这需要除了快速脱碳策略外，还要依赖于CDR技术来抵消最难减排的排放。尽管全球人口和富裕程度的增长可能推动材料需求增加，但我们假设建筑材料总量保持在2016年的水平（木材除外，预计增长20%以符合可持续林业实践）。如果全面过渡到碳储存替代品，到2025年、2050年或2075年将分别能储存至少1380 Gt、920 Gt和460 Gt的CO2，超出1.5℃和2℃目标所需量。然而，生产这些碳储存材料（如可碳化水泥）可能比传统材料消耗更多能源，例如开采氧化镁或氧化钙及处理CO2等步骤。因此，虽然未建立与能源相关的排放模型，但生产过程中可能会产生一定能源相关排放，而不会影响总体减排目标的实现。
图 3. 到 2100 年累计CDR量与碳储存技术实施年份的关系。
假设全面实施本文介绍的技术，累计碳储存量与 IPCC 目标 1.5℃（深蓝色）和 2℃（浅蓝色）所需的目标进行了比较。误差线表示CO2储存的最小值和最大值。
除了能源相关排放，原料资源限制也是实现CDR所需存储水平的关键挑战。我们评估了使用当前可用资源的潜力，包括用碳酸盐基骨料替代10%的传统骨料、15%砖块使用生物质纤维、完全过渡到生物基塑料、采用生物油基沥青粘合剂以及6%-15%水泥使用生物炭填料。到2045年和2090年全面实施这些技术，可分别满足1.5℃和2℃情景的中值目标。
尽管这些原料资源可用于建筑材料，但它们也可能被用于其他领域，如能源生产或动物饲料。例如，生物炭可通过慢速热解最大化生成，而非产生较少炭的气化过程。同时，高炉矿渣等矿物废料若作为补充胶凝材料，则不能用于碳酸盐基骨料。原料需求的变化可能导致意外后果（如因生物质消耗增加导致的土地利用变化）。因此，需持续努力开发可持续的耕作和材料生产方法，并准确核算温室气体通量及其他环境影响。
建筑材料中碳储存量主要受消耗材料数量的影响，未来材料消耗的估计对结果至关重要。政策激励可通过提高回收率、再利用率或降低材料强度来减少需求，例如改进材料效率策略可减少未来需求约26%。然而，人口增长预计会增加材料消耗，如水泥消耗量可能增长23%。材料消耗还受原料成本、原油价格、规模经济和产品创新的影响。例如，欧洲绿色协议工业计划可能增加生物基材料的需求。我们在研究中进行了敏感性分析，评估了到2100年材料消耗±20%变化对储存潜力的影响，发现每年总储存量可能在13.2至近20 Gt CO2之间。若所有技术在2050年前实施，到2100年的累计储存量将因材料需求变化而波动±14%。特别针对塑料的分析显示，其对总碳储存的贡献可能从不到1%增至接近5%，即到2100年每年额外增加0.6 Gt的碳储存潜力。完整结果见数据S4和S8。
本文原文来自Science期刊，作者为Elisabeth Van Roijen[加州大学]；Sabbie A. Miller[加州大学]；Steven J. Davis [斯坦福大学]