建築材料：減緩氣候變遷的潛在碳封存利器

前言

二氧化碳無論以何種方式捕捉，最常見的為地質封存類型，但這類做法往往會帶有些許爭議。但其實還有其他做法，例如建築材料或混凝土。

研究背景

• 氣候變遷與淨零排放目標：為了限制全球平均氣溫上升，實現淨零排放已成為全球共識。這不僅需要減少溫室氣體的排放，還需要開發二氧化碳移除技術（CDR）。
• 二氧化碳移除技術的重要性：即使積極減少排放，某些難以脫碳的產業仍會產生殘餘排放，因此直接從大氣中移除二氧化碳並將其儲存至地質、陸地、海洋或產品中變得至關重要。
• 建築材料作為儲碳載體的潛力：
• • 巨大的質量：從1900年至2015年，人類生產的基礎設施材料的總質量幾乎與所有食物、動物飼料和能源資源的總和一樣多。
  • 長久的使用壽命：建築材料通常可以使用數十年，有助於長期封存溫室氣體。
  • 替代傳統儲存方式：傳統的碳捕獲與儲存（CCS）技術需要額外的管道和其他基礎設施，可能對環境和人類健康構成風險。相較之下，將建築材料設計成碳匯，可以減少開發其他碳儲存系統的需求。
• 建築材料生產的碳排放問題：近年來，建築材料的生產估計產生了全球10%至23%的溫室氣體排放。其中，僅生產過程就造成了約5%的全球二氧化碳排放。因此，開發能夠吸收二氧化碳或其他溫室氣體的替代材料和製造方法相當重要。
• 研究重點：本研究著重於探討混凝土、磚、瀝青、塑料和木材等常見建築材料的全球儲碳潛力。研究分析了這些材料在替代傳統材料時，其碳儲存能力，並探討了資源可用性，以及在氣候變遷減緩情境中，這些材料能對二氧化碳移除目標產生什麼貢獻。
• 研究方法：研究假設所有材料中的碳均來自大氣，且儲存是永久性的，並基於2016年的消費水準進行了碳儲存潛力的估算。研究考慮了替代材料，包括生物基材料和可碳化礦物，這些材料在生產過程中能吸收二氧化碳。研究亦考量了不同假設情境下材料用量和碳含量的敏感性。
• 研究目標：確定哪些材料具有最大的儲碳潛力，並評估其在實際應用中的可行性，以及它們對全球氣候目標的貢獻。研究還探討了擴大這些技術規模可能面臨的挑戰和機遇。

研究成果

• 碳儲存潛力巨大：研究發現，若全面以可儲存二氧化碳的替代材料取代傳統建築材料，每年可儲存高達 166 ± 28 億噸的二氧化碳，這大約相當於 2021 年全球人為二氧化碳排放量的一半。
• 主要儲碳材料：
• • 混凝土和瀝青中的骨材：這些材料因用量龐大，貢獻了大部分的碳儲存量，約為 115 ± 10 億噸二氧化碳。
  • 鎂基水泥和生物炭填充物：透過使用鎂基水泥（以鎂橄欖石合成）並進行碳酸化，再加入 15% 的生物炭作為填充物，可實現最高的二氧化碳捕獲量，達到約26 ± 11億噸二氧化碳的儲存潛力。
  • 磚塊：若在磚塊中加入生物質纖維（碳含量為 0.6 kg C/kg），全球磚塊生產可儲存約 8 億噸二氧化碳。此外，若以適當的原料將磚塊中的氫氧化鈣進行礦物碳酸化，可額外固定 12 億噸二氧化碳。
  • 木材：若木材消耗量增加 20%，則可額外儲存 4.5 ± 0.9 億噸二氧化碳。但此潛力高度依賴於森林管理技術和木材生產、運輸過程中的碳排放。
  • 生物基塑料和瀝青黏合劑：這些材料的碳儲存潛力較低，但仍有貢獻，約佔總儲存量的不到 5%。
• 材料用量是關鍵：研究發現，材料的總用量而非單位的碳儲存量，是影響碳儲存潛力的最大因素。因此，混凝土骨材和水泥的用量是影響總儲存量的重要驅動力。
• 資源可用性：研究初步評估了資源可用性，發現可利用的工業廢料（如赤泥、高爐爐渣、鋼渣等）可生產約 20 億噸碳酸鹽基骨材，儲存 10 億噸二氧化碳。然而，這些資源的供應可能會因產業轉型而變化。儘管有豐富的自然資源可進行碳酸化作用，但大規模利用這些資源仍需進一步研究。生物質資源方面，農業殘餘物可作為生物炭、生物纖維或生物基塑料的原料，且現有資源足夠支持這些應用。
• 對氣候目標的貢獻：
• • 若在 2025 年、2050 年或 2075 年全面轉向碳儲存替代材料，則到 2100 年，分別可儲存至少 13,800、9,200 和 4,600 億噸二氧化碳，這些儲存量超過了 IPCC 設定的 1.5°C 和 2°C 目標所需的碳移除量。
  • 即使僅利用現有資源，在 2045 年和 2090 年之前全面實施部分替代技術，也能分別達到 1.5°C 和 2°C 目標的中位數。
• 多種碳儲存途徑並行：研究強調了多種材料和技術並行的重要性，認為多種材料的組合使用比單一材料的最大化應用更具氣候效益。
• 產業發展：研究提及許多公司正在開發碳儲存建築材料，例如利用碳礦化技術的水泥生產商、生產合成碳酸鹽骨材的公司、以及使用生物質的塑料和磚塊製造商。這些公司的發展表明市場對這類材料有需求。
• 挑戰與機遇：儘管碳儲存潛力巨大，但要實現大規模應用仍面臨一些挑戰，例如：
• • 成本和供應鏈：傳統材料的價格競爭力、以及生物質等原料的供應問題。
  • 法規標準：目前建築規範和標準中，尚未將新型碳儲存材料納入，限制了其商業化。
  • 材料性能：需要進行耐久性研究，以確保替代材料在長期使用中的可靠性和安全性。
  • 能源需求：部分替代材料的生產過程，可能需要額外的能源，因此需仔細評估這些製程的碳足跡。
• 政策建議：
• • 政策激勵：政府應制定相關政策，鼓勵碳儲存建築材料的研發、生產和應用。
  • 性能標準：應建立基於性能的產品標準和比較機制，以支持碳儲存建築材料的應用。
  • 優先應用：在初期，可優先考慮將這些材料應用於非承重或低承重結構（如隔熱層、地板、鋪路），以降低風險。

研究限制與未來方向

研究限制

• 假設的永久性儲存：研究假設所有儲存在建築材料中的二氧化碳都是永久性的。然而，在實際情況中，材料可能會降解，導致二氧化碳釋放，例如木材的腐爛或材料的處置方式都可能造成碳排放。研究中並未考慮這些排放的時間性，這可能會影響對碳移除潛力的精確評估。
• 未考慮使用階段的排放：研究主要關注材料生產階段的碳排放和儲存，忽略了材料使用階段的排放。例如，建築材料的拆除過程可能會產生大量排放，而這些排放量在研究中未被考慮。
• 能源需求的不確定性：對於替代材料的生產，研究指出某些製程可能需要額外的能源，但並未對這些能源需求進行具體建模。因此，實際應用這些技術時，可能會因為能源消耗而抵銷部分碳儲存效益。
• 資源可用性的限制：研究雖然對部分資源（如工業廢料和農業殘餘物）的可用性進行了初步評估，但未全面考慮這些資源在其他應用（如能源生產或動物飼料）中的需求競爭。此外，礦物資源的開採和加工也可能存在環境和能源方面的限制。
• 技術成熟度：研究中提及的許多碳儲存技術仍處於原型或試驗階段，尚未達到大規模商業化的程度。技術成熟度和成本效益的不確定性，限制了這些技術的實際應用。
• 市場和政策障礙：研究指出，傳統建築材料的價格競爭力、缺乏完善的價值鏈、以及現有建築規範和標準對新材料的限制，都是推廣碳儲存建築材料的障礙。
• 材料性能和耐久性：新材料的組成變化可能會影響其性能和耐久性。研究中雖然提及了某些碳化固化材料的性能可能與傳統材料相當甚至更好，但對於這些新材料的長期性能和耐久性，仍然缺乏足夠的數據和研究。
• 生物質資源的限制：雖然生物質資源被認為是碳儲存的關鍵，但其供應量和使用方式可能存在限制。研究假設生物質中的碳能有效地轉化為建築材料中的碳，但在實際過程中，可能存在浪費或效率不佳的情況，這會增加對生物質資源的需求。此外，過度使用生物質可能導致間接的土地利用變化，帶來其他的環境問題.

• 加強生命週期評估：未來研究應進行更全面的生命週期評估，不僅要考慮材料生產階段的碳排放，還要考慮材料使用階段的排放和儲存。這包括材料的拆除、回收和再利用過程，以更準確地評估材料的總體碳足跡。
• 深入研究能源需求：對替代材料的生產過程進行詳細的能源需求分析，並評估不同能源來源（如再生能源）對碳排放的影響。這將有助於確定哪些技術在能源效率和碳減排方面具有優勢。
• 擴展資源可用性評估：更廣泛地評估各種資源（包括工業廢料、農業殘餘物和天然礦物）的可用性、供應鏈和環境影響。這將有助於確定哪些資源在技術上和經濟上可行，並減少對單一資源的依賴。
• 加速技術研發和商業化：加大對碳儲存建築材料的研發投入，開發更高效、更經濟、更可靠的生產技術。同時，建立更成熟的產業鏈和商業模式，以支持這些技術的商業化應用。
• 制定性能標準和法規：制定基於性能的產品標準和比較機制，將碳儲存能力納入考量。同時，修改現有的建築規範和標準，以便讓新材料能夠更容易地被採用。
• 提高材料性能和耐久性：進行更多的耐久性研究，以確保新材料在長期使用中的可靠性和安全性。研究重點應該放在提高材料的性能和降低風險，並開發應對材料性能限制的方法，例如像鋼材腐蝕可以採用鍍鋅技術.
• 生物質資源的永續利用：開發永續的生物質種植和利用方式，確保生物質資源的供應不會對環境產生負面影響。研究重點應放在生物質轉化為建築材料的效率最大化。
• 政策激勵和市場機制：政府應制定相關政策，例如碳定價、稅收優惠和政府採購等，以鼓勵企業和消費者採用碳儲存建築材料。建立市場機制，推動這些材料的價格競爭力和市場佔有率的提升。
• 優先應用和技術推廣： 初期可以優先在低風險、低承重的應用中使用碳儲存材料，例如隔熱材料、地板和鋪面。這有助於市場逐步接受這些新材料，並在風險較低的環境中累積經驗。
• 全球合作：加強全球合作，分享碳儲存技術、經驗和最佳實踐。由於不同地區的資源和需求不同，應根據當地情況制定有針對性的解決方案。

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