文献阅读 | 全球住宅和商业建筑材料碳排放及2060年减排战略

题目

Global greenhouse gas emissions from residential and commercial building materials and mitigation strategies to 2060

作者

Xiaoyang Zhong, Mingming Hu, Sebastiaan Deetman, Bernhard Steubing, Hai Xiang Lin, Glenn Aguilar Hernandez, Carina Harpprecht, Chunbo Zhang, Arnold Tukker & Paul Behrens

期刊

Nature Communications

时间

2021年10月

一作

单位

Institute of Environmental Sciences (CML), Leiden University, 2333 CC, Leiden, The Netherlands

链接

https://www.nature.com/articles/s41467-021-26212-z

摘要

世界各地的建筑行业需求增长推动了广泛的材料消费和环境影响。未来的影响将取决于社会经济发展的水平和速度、材料使用和供应战略。本文评估了全球26个地区到2060年与住宅和商业建筑有关的材料的温室气体(GHG)排放及其减排潜力。

研究背景

住宅是人们最基本的需求之一，全球超过三分之二的能源相关的温室气体排放来自于住宅和商业建筑。建筑行业的减排方法主要有两种: (1) 减少维持建筑运行的能源使用;(2) 减少建筑时所需的材料和能源。传统的环境政策侧重于提高能源效率和可再生能源的使用，而忽视了材料效率的重要性。事实上，就传统减排措施而言，因为高效节能的建筑可能需要更多的建筑材料，在前端和后端的排放权衡也值得考虑。

值得一提的是，2018年仅建筑材料制造业就占全球能源和工艺相关温室气体排放量的11%，其中混凝土和砖的排放量占全球总量的一半以上，钢材的排放量约占40%，以及大量其他金属和非金属矿物的排放量。全球趋势表明，未来几十年对新建筑的需求将迅速增加。这主要是由世界各地(特别是亚洲和非洲地区)不断增长的人口和财富推动的，同时也有高度城市化地区的住房升级需求。

建筑技术在过去几十年里取得了长足的进步，例如，可以建造对环境影响更低的建筑(为相同的结构性能使用木材或更少的金属)，设计出更长的使用寿命或更高的消费后回收率。然而，尽管技术上有所进步，低效率的建筑工艺仍然被广泛使用，特别是在那些需求将会迅速增长的地区。这些趋势对减少建筑材料的温室气体排放和实现全球气候目标构成了重大挑战。

关于建筑材料的环境影响和缓解战略的研究只是在过去十年才取得进展。研究要么集中在一个国家的住宅建筑材料，要么代表某一种材料类型。此外，计算排放需要材料需求和工艺排放强度的一致情景，而大多数研究只涉及其中一个方面。最近的一项研究评估了9个大型经济体的材料效率策略对住宅建筑的气候影响。虽然这项研究很有价值，但它忽略了大多数新兴的非洲和亚洲地区(它们代表了未来不断增长的住房需求)以及全球的非住宅建筑。本文开发了一个全球建筑材料排放模型，该模型集成了动态材料评估模型，以匹配未来的建筑材料需求，以及一个预期的生命周期评估(LCA)模型，以估计材料生产的排放。

研究结果

基准情景：

图1 基线情景下全球区域建筑材料使用造成的温室气体排放

根据基线情景所示，2020年至2060年期间，与建筑材料相关的温室气体排放将持续增加，全球平均增幅为0.7% /年 (从3.5至4.6 Gt CO2 /年)。这一趋势在不同收入群体之间存在显著差异。低收入和中低收入群体增幅最大，从2020年的7.5亿吨(22%)增加到2060年的2.4亿吨(51%)(见图1b)，这主要是由于人口激增和经济发展。例如，从2020年到2060年，印度、南亚其他国家和非洲(不包括南非)的建筑材料相关排放将增加一倍以上。相比之下，高收入群体的绝对排放量略有下降，占全球排放量的比例大幅下降，从2020年的5.95亿吨(17%)下降至2060年的5.30亿吨(12%)。就地区而言，高收入地区(如美国、日本和西欧)的碳排放相对较低，因此对深度脱碳的负担能力更高。2020-2060年期间，中国地区和印度仍是最大的两个排放国，到2053年，印度将成为最大的排放国(图1c)。总体而言，2020-2060年期间，亚洲地区的建筑材料累积排放量占绝大多数(超过65%)，其次是非洲，略高于10%。就材料类型而言，钢和混凝土仍然是最大的排放源，约占总量的三分之二，其次是砖(18%)和铝(8%)(图1a)。

减排策略情景：

材料效率战略的减排潜力取决于正在使用的建筑存量、施工做法和未来的技术、不同区域的经济发展等。图2显示了在2020-2060年期间，每个策略在它们的“高效”水平上的减排潜力(与基线值相比，当每个策略被单独采用时)。一般来说，从顶层(建筑需求)到中间层(材料需求)再到底层(材料供应)，还原潜力递减。也就是说，就从文献中得出的可行干预措施而言，减少住房需求比改善材料强度更有可能减少影响，而改善材料强度又比提高材料供应效率更有可能。在全球范围内，更密集的使用代表着最大的减排潜力，为56.8 Gt 碳排放。使用寿命的延长降低了对新建筑的需求，并在全球减少了660亿吨的排放。延长寿命的机会因地区而异。例如，虽然在一些使用寿命很短的地区(如中国、日本和东南亚)，一些旧建筑的使用寿命可以延长，但频繁的拆除往往不是由于建筑质量，而是由于不断变化的城市规划和土地政策。轻量化可潜在累积减少14.1 Gt 碳排放。这可以通过大规模采用新兴技术来实现。在建筑中增加木材的使用将减少5.5 Gt 的温室气体排放(由于木材生产的排放强度较低)，并提供长期的碳储存。

图2 不同材料效率战略在2020 - 2060年期间的温室气体减排潜力

高效率场景：

在高效率场景中，所有材料效率策略(M1-M7)同时被应用。在2020年-2060年，可以看到累积建材相关温室气体排放减少78 Gt (或49%) (图3)。在2020-2060年期间，基线情景下的全球增长趋势逆转为持续下降(以每年−2.4%的速度)(图3)。与基线情景相比，减缓潜力最大的区域是中国区域(28%)、印度(16%)、西欧(6%)、西非(5%)、中东(5%)(比例递减顺序)。

图3 基线情景和高效情景中与建筑材料相关的排放

研究讨论

总体而言，我们发现，不断增长的住房需求推动了大量与材料相关的温室气体排放，这些排放正开始从高收入和中上收入地区向中低收入和中低收入地区转移。通过在全球范围内扩大材料效率战略，近一半的排放是可以避免的，尽管各区域和战略的效率差异很大。然而，在所有可观测到的材料效率策略同时应用的情况下，建筑材料的预期排放量仍高于1.5°C气候目标(如果剩余的全球碳预算按部门比例分配)。为了实现1.5°C的目标，建筑材料需要将其碳配额目前的份额增加一倍，这意味着较容易脱碳的部门需要加快减排速度。在制造业过程没有根本改变的情况下，负排放技术似乎有必要在本世纪下半叶抵消过程相关的排放，这是一个挑战。这项研究可能有助于决策者更好地了解区域和全球层面的减排机会和挑战，从而了解如何在设施、指导方针等方面进行提前布局。

编辑：吴凯

排版：吴凯

相关阅读

点击“阅读原文”浏览小组主页