如果置之不理，到2100年建材生产将累计产生1368亿吨碳排放

1月9日，《科学》（Science）发表题为《建筑材料每年可储存超过160亿吨的二氧化碳》（Building Materials Could Store More Than 16 Billion Tonnes of CO₂ Annually）的文章指出，通过利用碳储存潜力较高的替代品取代传统建筑材料，混凝土、等建筑材料每年可储存160亿吨二氧化碳。

一块用生物炭材料制成的混凝土，这是改变建筑材料以帮助地球的方法之一

建筑环境中使用的结构材料的数量较多，相对寿命较长，设计用于储存二氧化碳的建筑材料极具有较大的吸引力。来自美国加州大学戴维斯分校（University of California, Davis）与斯坦福大学（Stanford University）的土木工程师和地球系统科学家，估算了利用生物碳或含有关键矿物的替代品取代常见建筑材料后，建筑材料中的二氧化碳年度储存潜力。所研究的替代措施包括：向混凝土中添加生物炭，使用可携带碳的人造岩石作为混凝土和路面骨料，基于生物质而非来源的塑料和沥青粘合剂，将生物质纤维加入到砖块中。研究结果表明：

①在新的基础设施中，用二氧化碳储存潜力较高的替代品完全取代传统建筑材料，每年可储存高达166±28亿吨的二氧化碳。

②这类材料的应用可能会减少对成本更高或环境风险更高的地质、陆地或海洋封存的需求。

③通过对成分进行相对较小的改变就可提高碳储存潜力，例如在混凝土或生物质纤维砖中使用富碳骨料。

④实施研究建议的所有改善措施，可使建筑材料成为实现净零排放的重要工具。实施也面临一些障碍，如其中一些技术仍处于开发阶段，许多碳基材料尚未纳入建筑规范和标准。

科学家们不仅研究了混凝土的碳封存能力，还研究了其他建筑材料（木材、沥青和塑料）的碳封存能力，所有这些材料都具有强大的潜力。

摘要

实现温室气体净零排放不仅需要减少排放，还需要部署二氧化碳移除技术。研究团队探讨了建筑材料中储存二氧化碳的年度潜力。研究团队发现，在新基础设施中完全用储存二氧化碳的替代品替换传统建筑材料，每年可储存多达166±28亿吨二氧化碳——大约相当于2021年人为二氧化碳排放量的50%。总储存潜力对所用材料的规模比单位质量材料储存的碳量更为敏感。此外，建筑材料的碳储存库将随着对这类材料需求的增长而增长，这可能会减少对成本更高或环境风险更大的地质、陆地或海洋储存的需求。

限制全球平均气温上升并稳定地球气候，需要实现长寿命温室气体（GHG）的净零排放，或将人为二氧化碳排放与等量的温室气体移除相平衡。尽管脱碳努力至关重要，但难以脱碳的源头（如工业过程）的持续（残余）排放可能需要通过直接从大气中移除二氧化碳或其他温室气体，并将其储存在地质、陆地或海洋储层或产品中[二氧化碳移除（CDR）]来平衡。相比之下，点源二氧化碳排放的碳捕集与封存（CCS）仅在捕获的二氧化碳最近才进入大气时（如生物质燃烧产生的二氧化碳）才对CDR有所贡献。这种CDR将涉及大气碳的捕集和储存的单独机制。

特别是，建筑材料具备两个使其成为储存储层的理想选择的特点：

（i）数量——从1900年到2015年生产的基础设施材料的累计质量几乎与人类所有食物、动物饲料和能源资源的总量相当；

（ii）耐久性——建筑材料通常可以使用数十年，这有助于它们在足够长的时间范围内封存温室气体，从而提供气候效益。

这两个因素结合起来，使得这种巨大的人造材料成为储存温室气体的巨大机会。此外，CCS技术需要建设管道和其他基础设施以确保二氧化碳的地下稳定储存，这可能对环境和人类福祉构成风险。因此，如果能够达到类似性能，将建筑材料设计成碳汇可能是合乎逻辑的第一步，鉴于建筑环境中已经消耗了大量材料，从而无需开发和扩大其他碳储存系统。

近年来，建筑材料的生产估计产生了35亿至110亿吨（Gt）的二氧化碳当量，占全球温室气体排放量的10%至23%。排除与能源相关的排放，研究团队所考察的建筑材料生产过程中的排放占2016年约18亿吨的二氧化碳排放量，或占全球二氧化碳排放量的约5%。最近的研究探索了应用新兴技术来改变建筑材料的组成和制造方法，以促进材料或其成分吸收二氧化碳或甲烷（CH4），从而逆转部分或大部分过程排放。

例如，一些研究探讨了木结构建筑作为全球碳汇的潜力，而其他研究则考虑了替代水泥的贡献以及混凝土碳化在生命周期结束时对混凝土碳吸收潜力的影响。在本研究中，研究团队考察了在一些最常见的建筑材料（混凝土、砖块、沥青、塑料和木材）中储存碳的全球潜力。研究团队没有考察合金，因为它们具有非常特定的功能公差和有限的储碳能力。值得注意的是，钢铁的脱碳策略可能包括使用绿色氢气进行直接还原铁钢铁生产。

研究团队假设2016年的消费水平（所有材料均有最新可用数据的年份），计算了建筑材料的年度储存潜力，并假设材料中的所有碳（化学计量或测量）均来自大气，且储存是永久有效的。研究团队的估计基于传统投入可以在多大程度上被含有生物碳（例如，最近通过光合作用从大气中去除的）或关键矿物（例如，最近形成的碳酸盐矿物，可能在使用浓缩二氧化碳源时固化）的替代品所替代。研究团队假设这些建筑材料在使用阶段的排放可忽略不计，并且这些材料在生命周期结束时可能会被填埋，导致温室气体排放极少。然而，未来的研究可以考虑使用阶段的排放和吸收，例如建筑材料拆除过程中产生的排放，在某些情况下可能相当可观，以及与木材燃烧或厌氧分解相关的排放。研究团队突出了那些进行了这些材料试点规模演示的公司，据称这些材料与使用传统材料相比，碳足迹大幅降低，在某些情况下甚至实现了大气中碳的净移除。此外，鉴于这些替代材料的能源需求和温室气体排放存在不确定性，研究团队确定了仍能实现净碳移除的总允许排放量。

研究结果

建筑环境的碳储存潜力

研究团队确定了不同建筑材料单位碳储存的相关机制和数量（图1）。尽管生物基塑料每公斤材料的储存潜力最高，但由于与其他所有建筑材料相比，其生产量相对较小，因此其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公斤二氧化碳/公斤）；但由于全球需求的巨大规模，它们具有最大的总潜力。考虑到这些权衡，快速市场渗透和大规模扩展潜力的领域可能比推动任何单一基于材料的碳储存选项的最大吸收量带来更大的气候效益。

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因（A）替代材料的碳密度（每公斤材料的公斤二氧化碳）和（B）传统材料的使用规模而异。

综合来看，所考察的材料具有储存多达166±28亿吨二氧化碳的能力（表1），这相当于2021年所有人为来源排放的二氧化碳的约50%。研究团队可以将大部分储存量（115±10亿吨二氧化碳）归因于混凝土和沥青路面中使用的骨料。这种显著的固定碳能力是由这两种材料中使用的大量骨料驱动的，其重量是其他材料的三倍。研究团队考虑了水泥中二氧化碳储存的不同组合，但发现由镁橄榄石（Mg2SiO4）合成的氧化镁基水泥与生物炭碳化，并以15重量%的生物炭作为填料，可实现最高的二氧化碳捕获水平（每公斤胶结粘合剂吸收约0.9公斤二氧化碳），导致总潜在储存量为26±11亿吨二氧化碳。砖块是下一个对二氧化碳储存影响最大的材料，假设生物质纤维的碳含量为0.6公斤C/公斤，全球砖块生产可导致大约0.8亿吨的二氧化碳储存。尽管纤维仅占砖块的15重量%，但这一储存量相当于砖块生产量的三分之一。

此外，使用合适的原材料，砖块中氢氧化钙的矿物碳化可导致另外1.2亿吨的固定二氧化碳。如果市场和适当的林业做法能够支持木材消耗量增加20%，这一变化将导致额外储存0.45±0.09亿吨的二氧化碳。这一潜力在很大程度上取决于森林管理技术以及与木材产品采伐、运输和制造相关的排放，以及与生物质残留物燃烧或腐烂相关的排放（26，27）。研究团队可以将额外的二氧化碳储存量（<5%）归因于生物基塑料和沥青粘合剂，由于消费量相对较低（<0.2亿吨），其储存潜力较低。

表1. 基于2016年全球产值考察的材料全球二氧化碳移除潜力总结。

还列出了传统材料的化学衍生排放以供参考。

由于能够储存碳的材料种类繁多，且每种材料单位质量的碳量不同，研究团队测试了估计储存潜力对不同建模假设和不同材料相关实施水平的敏感性（图2）。研究团队的结果强化了以下结论：储存的碳和减少的排放的最大单一驱动因素是所消耗的材料质量，其中混凝土生产中的骨料和水泥消耗量最大（图2，A和B），其次是砖块和沥青骨料。较高的假设碳含量也会推动更大的储存量，但总储存潜力主要与材料需求水平相关。

图2. 每种材料理论碳储存潜力对碳含量和实施水平的敏感性。

（A）碳酸盐基骨料。（B）可碳化水泥。（C）生物炭作为部分水泥替代品。（D）氢氧化钙砖碳化。（E）碳酸盐基沥青骨料。（F）生物质纤维砖。（G）木材。（H）生物基沥青粘合剂。（I）生物基塑料。

资源可用性评估

考虑到建筑对材料的大量需求是储存潜力的主要驱动力，研究团队对实现所述碳储存潜力所需的资源可用性进行了初步评估。研究团队没有将可碳化水泥（通过碳矿化而不是水化固化的水泥）和砖块纳入评估范围，因为目前尚未确定这些材料的稳健生产途径。对于骨料的碳矿化途径，研究团队考虑了各种富含钙和镁的工业废弃物材料（即红泥、高炉炉渣、钢渣、矿尾矿、水泥窑灰、生物质灰、褐煤灰和煤灰）以及废弃混凝土作为潜在原料。根据其年产量和元素组成，研究团队发现可以生产大约2亿吨碳酸盐基骨料，提供1亿吨的二氧化碳储存。然而，未来这些资源的供应可能会发生变化。

例如，随着向直接还原铁和电弧炉的转变，高炉炉渣的可用性可能会降低。尽管有丰富的自然资源能够通过碳化封存10,000至1,000,000亿吨的碳（如橄榄石、玄武岩和蛇纹石），但这些矿物难以获取，且尚未在大规模上确定节能的碳化过程。因此，需要进一步探索这些自然资源的利用。用生物质纤维替代15重量%的砖块、用生物油替代所有沥青沥青、用生物基塑料替代所有塑料，仅需使用年度农业残留物（农业耕作中未直接用于人类食物的生物质资源）的5%。使用生物炭作为填料替代15重量%的水泥将使用另外24%的农业残留物。实施研究团队考虑的所有生物质策略后，仍将有71%的农业副产品可用于其他应用。

使用生物炭的一个潜在好处是，通过热解生产生物炭的过程可以共生产有价值的副产品，如合成气和生物油。然而，目前生物炭的生产和使用非常有限。2021年大约生产了0.4百万吨生物炭，而研究团队建模的碳储存需求为6亿吨。在将生物炭生产扩大到这种程度时，至关重要的是要确保这种炭净去除大气中的碳，并且材料产品始终满足安全使用的任何物理要求。研究团队对资源需求的估计基于1:1碳替代比的假设，即生物质的碳含量有效地转化为建筑材料的碳含量。任何导致材料浪费的低效率都会增加材料需求。

除了可用的原料资源数量外，当前建筑材料的生产地点与这些替代技术有潜力扩大规模的地点也很重要。生产可碳化水泥或碳酸盐基骨料所需的矿物质数量丰富，但通常位于地球表面深处，难以获取。因此，矿物沉积物易于获取的地区，如通过地表暴露的大陆洪积玄武岩和盐湖或海水中的卤水，可能是扩大这些新技术规模的理想地点。鉴于未来水泥和混凝土需求预计将在东南亚和非洲地区增长，这些地区的相关洪积玄武岩地区和盐湖可能会被利用。此外，欧洲具有为水泥和混凝土的碳化提供必要矿物的巨大潜力，因为该地区有拆除老旧基础设施的更大潜力，以及五个商业活跃的矿场和107个其他适合开采硅酸盐岩石的地点。

农业残留物如小麦和稻草主要在亚洲生产，而美国是最大的玉米秸秆生产国，巴西是最大的甘蔗渣生产国。这些生物质残留物可以转化为生物炭，并用于水泥复合材料中，目前中国、印度和美国是水泥复合材料的主要生产国。或者，这些残留物也可以用于砖块生产——主要在中国和印度生产——或用于制造塑料，其中约70%在亚洲和美国生产。

对缓解情景中CDR目标的贡献

根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告（AR6），为了在2100年将全球变暖控制在1.5°C和2°C以下，分别需要通过CDR技术累计移除最多660亿吨和290亿吨的二氧化碳。这些CDR要求反映了抵消最难减排的温室气体排放（以及补偿任何排放超标）的努力；除了向低碳或零碳能源系统过渡、减少非二氧化碳排放以及通过提高效率减少能源和材料需求等快速脱碳战略外，还需要这种CDR。

尽管全球人口和富裕程度的增加可能会推动材料生产增加，但研究团队保守估计，不同建筑材料的总量将保持在2016年的水平（木材除外，研究团队考虑适度增加20%，以保持在可持续林业实践下对未来木材采伐的预测范围内，即2050年达到0.4至1.75亿吨）。鉴于这些材料需求水平，到2025年、2050年或2075年实现向储存碳的替代品的全面转变，到2100年将分别至少储存1380亿吨、920亿吨和460亿吨的二氧化碳（图3）。这一储存量超过了1.5°C和2°C目标所需的量。超过这一碳储存量是必要的，因为生产这些储碳材料的技术可能需要比传统生产更多的能源。

例如，生产可碳化水泥可能比普通波特兰水泥需要更多的能源，因为需要额外的步骤来开采、加工氧化镁或氧化钙，以及为碳化过程提供二氧化碳。因此，尽管研究团队没有为新技术的能源相关排放建模，但研究团队的计算表明，与这些储碳材料生产相关的某些能源相关排放仍然可能发生，而不会抑制实现所需减排目标的能力。

图3. 到2100年的累计二氧化碳移除量随碳储存技术实施年份的变化。

假设完全实施本工作中提出的技术，将累计碳储存量与IPCC的1.5°C（深蓝色）和2°C（浅蓝色）目标进行比较。误差条表示二氧化碳储存的最小值和最大值。

除了能源相关排放外，原料资源限制也可能是实现缓解情景中CDR所需储存水平的限制因素。因此，研究团队进行了另一项评估，以分析仅使用当前可用资源的潜力：即，用碳酸盐基骨料替换约10%的骨料，用生物质纤维替换15%的砖块，完全过渡到生物基塑料生产，使用基于生物油的沥青粘合剂，以及用生物炭填料替换6至15%的水泥。研究团队发现，到2045年和2090年全面实施这些技术将足以实现1.5°C和2°C情景的中值目标（表2）。

表2. 资源可用性限制对实现IPCC 1.5°C和2°C气候变化目标能力的评估。

尽管这些原料资源在技术上可用于建筑物中的储存，但至关重要的是要认识到，它们也可能被用于其他应用，如能源生产或动物饲料。例如，研究团队的估计假设生物炭是通过最大化炭产量的慢速热解生产的，而不是如气化等产生较少炭和更多能量的过程。同样，就矿物废料（如高炉炉渣）而言，如果它们被用作辅助胶凝材料，则不会被用作碳酸盐基骨料。此外，原料资源需求的转变可能导致意想不到的后果（例如，由于生物质消耗增加而导致的间接土地利用变化影响）。因此，必须不断努力制定可持续的耕作实践和材料生产途径，正确核算温室气体通量，并考虑除气候损害之外的其他环境影响。

鉴于建筑材料中能够储存的碳量的主要驱动力是所消耗的材料质量，对未来这些材料消耗量的估计可能对结果产生重大影响。旨在缓解温室气体排放或其他环境影响的政策激励措施可能会提高建筑材料的回收或再利用率，或通过改变规格和设计来降低建筑的材料强度，从而降低需求。例如，研究表明，改进建筑物的材料效率策略可以使未来需求减少近26%。然而，同时，预计的人口增长可能会增加材料消耗；例如，最近的估计预测水泥消耗量将增长23%。材料消耗还可能受到原料成本、原油价格（对于塑料和沥青）、制造中的规模经济和产品创新的影响。例如，已引入各种政策，如《欧洲绿色协议工业计划》，这可能会增加对生物基材料的需求。

因此，研究团队在本研究中进行了额外的敏感性分析，以检查未来材料消耗变化对储存潜力的影响。具体来说，研究团队考虑了到2100年所有材料需求±20%的变化，并发现到2100年，总年度储存量可能从132亿吨到近200亿吨二氧化碳不等。此外，如果所有技术都在2050年前实施，到2100年累计储存量将因材料需求的变化而±14%。此外，研究团队还对塑料进行了特定的敏感性分析，因为过去几十年来塑料的生产增长率令人担忧，预计到2100年塑料生产将翻两番。这种对塑料的敏感性分析表明，塑料对总碳储存的贡献可能从<1%增加到接近5%，到2100年导致额外的0.6亿吨年度碳储存潜力。

如果研究团队同时应用所有考虑的替代方案，假设最小和最大碳含量，建筑环境每年可储存138亿吨至193亿吨二氧化碳。与此同时，这些材料生产过程中的排放量在2016年约为30亿吨二氧化碳（或排除与能源相关的排放后为18亿吨二氧化碳），因此，通过避免过程排放和储存碳，综合缓解机会可能超过200亿吨二氧化碳。此外，假设材料消耗率保持不变，研究团队发现，如果到2025年使用所有储存选项，到2100年建筑环境中可储存超过1200亿吨二氧化碳，而在照常经营的情况下，建筑材料生产仅基于过程排放就将导致累计1368亿吨二氧化碳排放。

研究团队考虑的许多储碳建筑材料由于所需原料（如矿物废料或生物质残留物）成本低廉，因此有可能与它们替代的传统材料在成本上相竞争。因此，越来越多的公司开始生产具有储碳能力的材料，这表明市场有需求。

致力于减少混凝土碳足迹的公司主要专注于生产低碳胶结剂和合成骨料。但一些公司正在研究研究团队在本研究中建模的替代水泥类型。例如，Solidia Technologies和Carbon Upcycling提出了通过碳矿化将二氧化碳封存在水泥中的途径，据报告，与常规混凝土相比，其二氧化碳排放量降低了高达70%。同时，BluePlanet和O.C.O. Technology（前称Carbon8）旨在使用碱性岩石和工业废料与二氧化碳废气流结合生产合成碳酸盐骨料，以创造碳负性建筑材料。

生物基塑料自20世纪初就已存在，但仅占年度塑料总产量的约1%，其中48%用于短期包装应用。然而，预计生物基塑料市场将扩展到更耐用的应用，如建筑，这受到政策变化和向循环生物经济转型的推动。Braskem和Biovyn是生产生物基聚氯乙烯（PVC）和聚乙烯（PE）的公司。为限制土地使用影响，Dow和Mango Materials等公司使用废生物质和甲烷作为原料。此外，尽管农业过程有影响，但这些生物基替代品在使用可再生能源时有可能实现碳负性。

砖块制造商有可能使用废料生产碳酸盐基或生物质基砖块，通过矿化二氧化碳。例如，Orbix使用钢渣中的钙与二氧化碳结合进行碳矿化，生产碳酸钙基砖块，据称可将碳足迹降低600公斤二氧化碳/吨。Bio Fiber Industries使用大麻作为原料制造建筑材料，如砖块。Just Biofiber正在结合两种技术，即生物质（如大麻渣）和石灰矿化，生产他们提议的可能是负碳的建筑砌块。

尽管在沥青中使用生物油作为石油基沥青的替代品尚未广泛商业化，但Avello Bioenergy正在探索其专利生物沥青粘合剂的经济可行性和碳封存潜力。同样，荷兰的化学品公司Avantium在2021年与基础设施公司Roelof合作，开发了第一条由木质素基生物沥青制成的主要道路。据建议，这些生物基沥青替代品与使用典型的石油基沥青相比，可减少30%至60%的温室气体排放。

尽管该行业近年来取得了进展，但要实现研究团队确定的理论碳储存量，仍存在许多障碍。许多提到的公司仍处于生产原型或试点阶段。大规模生产的障碍部分可能源于传统建筑材料的竞争性定价以及缺乏实施这些替代技术所需的广泛价值链。例如，碳矿化途径需要高浓度的二氧化碳气体和富含MgO或CaO的原料。然而，直接从空气中捕获二氧化碳的来源目前由于成本高而受到阻碍。尽管不是CDR，但行业利益相关者可以研究利用烟道气来源和产生富含碱性废物流的行业（如钢铁制造）的潜力，以使该过程在经济上可行。这种碳利用不会提供CDR所必需的好处，但可以提供一种储存碳的方式，同时减少对地质储量的需求。同样，尽管生物质到聚合物的转化路线已达到技术成熟，但生物基塑料制造商由于难以满足市场对塑料需求的生物质残留物供应不足，而难以扩大生产规模。

除了与成本和原料可用性相关的障碍外，建筑行业对风险的规避也是扩大这里提出的碳储存技术规模的另一个障碍，这是由于材料失效可能带来的潜在责任。材料组成的改变很可能改变材料性能。如果设计中未考虑性能损失，则可能带来安全风险，而如果设计中考虑了这一点，则可能需要增加材料体积来承受相同荷载和/或更频繁地更换，这反过来又可能对环境产生影响。尽管理论上性能改进可能产生相反的效果，但采用仍存在障碍。

例如，尽管有研究表明，一些碳化固化建筑材料的性能与传统材料相当或更优，但它们尚未被纳入相关建筑规范和标准，这使得大规模商业化变得困难。因此，实施基于性能的规范，允许改变混凝土组成，同时满足安全要求，可能是实现建筑材料大规模碳储存所需的。此外，尽管许多生物基塑料具有与化石基塑料相同的化学结构和材料特性，但生物基塑料在建筑中的应用极为有限。然而，对于这里提出的一些储碳材料，如可碳化水泥或高比例使用生物炭作为水泥复合材料填料，尚未进行长期耐久性研究（以及一些初步性能指标，如可施工性特征）。因此，在预期性能可能下降的情况下，可能有必要进行系统的耐久性特征量化研究和克服限制的方法研究（如使用镀锌来减轻钢腐蚀）。

此外，在本研究中，研究团队假设这些材料中的二氧化碳能够稳定储存数十年。然而，如果这些二氧化碳因材料降解（如木材的情况）或材料处理而释放，则考虑排放吸收和释放的时间对于更准确地确定CDR潜力至关重要。

鉴于对基础设施材料需求的预计增长，将碳转化为长寿命材料可能是一个可以通过政策机制支持的领域。缓解气候损害的紧迫性导致许多地区和国家做出了减排承诺并制定了监管框架，包括工业材料生产。对于政策制定者来说，将碳储存在建筑材料中的策略尤为重要，因为这些材料主要来自地区可用资源，而一些提议的脱碳途径可能导致当地资源稀缺和/或增加当地人口的健康负担。然而，它们也可以同时刺激当地经济和创造就业机会。

为了实施强大的激励措施和政策以推动CDR，必须开发基于性能的产品标准和比较指标，以支持将储碳建筑材料纳入其中。然而，在建立对这些材料的信心之前，这些建筑材料的应用最初可能更适合于非承重或低承重应用（如绝缘、地板和路面），这些应用在重量上占建筑环境的很大一部分。因此，政策制定者可以关注增加本研究中提出的技术成熟度较高的储碳材料（如生物基塑料、生物质砖块和木材）在这些应用中的使用，其中性能变化相关的风险可能更为有限。