把二氧化碳注入混凝土，建材行业碳减排的新机会
撰文 | 张书铭
编辑 | 郭郭
→这是《环球零碳》的第185篇原创
环球零碳
碳中和领域的《新青年》
摘要：水泥混凝土构成了现代城市建筑的躯干，其生产排放约占全球二氧化碳排放量的7-8%。在全球碳减排的大趋势下，我国建材行业也面临着一场变革。而来自加拿大的CarbonCure公司或许为我们提供了思路，其主营业务是将二氧化碳注入混凝土混合物中，通过与水泥中的钙离子发生反应，形成纳米级的碳酸钙，并嵌入混凝土中。可以同时实现温室气体的封存以及混凝土强度和耐久性的提升，从而降低水泥使用量。
混凝土因其韧性、强度和广泛可用性，成为地球上使用最广泛的人造材料，每年产量高达140亿立方米。
水泥是将混凝土中的骨料结合在一起的“胶水”。作为混凝土的关键成分，其生产排放约占全球二氧化碳排放量的7-8%，大概是40亿吨。如果水泥工业是一个国家，它将是世界第三大二氧化碳排放国。
水泥行业的脱碳引起各方关注。2021年10月，全球水泥与混凝土协会(GCCA) 联合全球40家领先的水泥和混凝土制造商共同承诺到2030年将二氧化碳排放量进一步减少25%，加速向更环保的混凝土转型。这是向到2050年实现“净零”混凝土目标迈出的决定性的一步。
围绕水泥行业的脱碳，一些初创科技公司也以此为重点进行探索创新。此前《环球零碳》介绍过一家英国的Cemfree公司，用来自钢厂的磨碎粒状高炉矿渣或发电站的粉煤灰来制造不含水泥的粘合剂，从而生产出与混凝土性能相似的产品，以减少二氧化碳排放量。大家可点击《碳排放减少80%，这种不含水泥的混凝土在英国火了》了解。
今天我们要介绍另外一家位于加拿大哈利法克斯、名为CarbonCure的公司，这家公司成立于2012年，也专注于水泥行业的减碳。
该公司跟Cemfree公司不同，它们的业务是通过将废弃的二氧化碳泵入新鲜混凝土中，形成碳酸钙纳米颗粒。这不仅提高了混凝土的抗压强度，还减少了二氧化碳排放。该公司表示，此举可以将每吨混凝土的碳足迹减少约5%（约合6公斤二氧化碳）。
来源：Carboncure Technologies
该公司已在世界各地的混凝土厂安装了550多台二氧化碳注入装置，其中大部分位于北美，迄今已减少了5万吨二氧化碳排放，已成为该领域领导者之一。但全球还有约十万家工厂每年生产约330亿吨混凝土，减排任务仍十分艰巨。
2022年5月17日，CarbonCure 被评选为CNBC颠覆者50强。CNBC颠覆者的荣誉意在赞扬他们是在充满挑战的市场和变化的世界中成长和创新的私营公司，同时也激发了他们更大的、现有的竞争对手的变革。
01
Carboncure的核心技术
解决水泥和混凝土行业二氧化碳排放的一个潜在措施是利用二氧化碳和新水化水泥之间的有益反应。一个工业过程可以成功地使用二氧化碳作为生产混凝土建筑产品的原料，从而提供广泛分布的碳利用，有效地 "关闭 "水泥生产过程中排放的二氧化碳的循环。
20世纪70年代，伊利诺伊大学对水泥的碳化固化机制进行了系统的研究。研究表明，水泥中的主要硅酸钙相在水的作用下会形成碳酸钙和硅酸钙水合物凝胶。
3 CaO-SiO2 + (3-x) CO2 + y H2O → x CaO-SiO3-y H2O + (3-x) CaCO3
2 CaO-SiO2 + (2-x) CO2 + y H2O → x CaO-SiO3-y H2O + (2-x)CaCO3
此外，水泥浆中存在的任何氢氧化钙将与二氧化碳反应。
Ca（OH）2 + CO2 → CaCO3 + H2O
当胶凝相中的Ca2+离子与应用气体中的CO32-离子相遇时，该反应在水态下进行。形成的硅酸钙水合物（C-S-H）凝胶被理解为与CaCO3混合在一起。
图说：矿化作用产生的纳米碳酸钙颗粒，在注入后立即形成。
来源：Carboncure Technologies
Carboncure就是利用上述方式完成的二氧化碳的矿化。将二氧化碳注入混凝土混合物中，就会与水泥中的钙离子发生反应，形成纳米级的矿物--碳酸钙，并嵌入混凝土中。这使得混凝土更加坚固，在消除CO₂的同时实现了混合优化。
图说：将二氧化碳泵入混凝土
来源：Carboncure Technologies
同时CarbonCure的设备只需一次就可以改装到混凝土厂。这是由于CarbonCure阀门盒与现场存储的二氧化碳罐相连，并在搅拌过程中自动向混凝土中注入精确剂量的二氧化碳。控制箱与工厂的配料软件同步，因此向混合料中添加二氧化碳就像按下开关一样简单快捷。
从每个控制盒收集的遥测数据与CarbonCure指挥中心实时同步，使得该技术正常运行，并以快速响应的方式远程管理持续支持。
此外，CarbonCure可以对二氧化碳进行细化追踪，从捕获点到矿化。这有利于碳清除买家可以追踪他们支付的每个二氧化碳分子的精确部署日期和位置。
国际工程系统与服务部的教授Ramírez Ramírez评价说：“将二氧化碳转化为矿物比将其转化为燃料具有更明显的气候效益，从生命周期分析中可以看出，这项技术的益处要大得多，而且我认为也稳健得多。”
02
目前公司发展情况
在麦吉尔大学攻读工程专业研究生学位时，CarbonCure的CEO罗伯特-尼文就开始着手研究如何利用二氧化碳来改善混凝土的材料特性。
随着550多个系统的售出，超过200万辆卡车的CarbonCure混合料已经供应给世界各地广泛的可持续建设项目。该公司已经在世界各地提供了超过1200万立方米的CarbonCure混凝土，从新加坡和日本到中东和美国。
CarbonCure的前沿研究和创新已经获得了全球认可和权威称号，特别是NRG COSIA Carbon XPRIZE大奖得主、2020年北美年度清洁技术公司和清洁技术100名人堂公司。CarbonCure的投资者包括比尔盖茨的突破能源基金、亚马逊投资、日本三菱、BDC资本、微软等知名公司。
CEO罗伯特说：“我们需要大规模地工作，以真正产生影响。这就是为什么混凝土行业是一个伟大的合作伙伴，它甚至比石油和天然气大几个数量级。通过大规模的工作和创造正确的经济激励，你可以真正看到变化的发生。我们正在引领该行业的范式转变。通过将其规模转化为效益，我们在消耗二氧化碳的同时使混凝土更具有可持续性。"
阿姆斯特丹Lux Research的高级分析师Runeel Daliah表示：“将二氧化碳融入产品最好的商机是用于生产混凝土和其他建筑材料。该技术经过验证且可扩展，可以满足全球对混凝土的巨大需求，从而有可能主导二氧化碳转化市场。混凝土确实是唯一可以永久将二氧化碳封存在产品中的材料。”
03
对中国建材行业碳减排的启发
水泥行业是我国国民经济的重要基础产业，也构成了现代城市建筑的躯干。我国生产全球近六成水泥，水泥行业碳排放量也逾全球水泥产业碳排放总量的一半。放眼全球，水泥行业贡献了碳排放总量的7%。如果将全球水泥行业看作一个国家，那么它将是仅次于中国和美国的第三大碳排放国。
水泥生产过程中的二氧化碳排放主要源于熟料生产过程。如下图所示：其中石灰石煅烧产生生石灰的过程所排放的二氧化碳，约占全生产过程碳排放总量的55-70%；高温煅烧过程需要燃烧燃料，因此产生的二氧化碳，约占全生产过程碳排放总量的25-40%。
来源：McKinsey
目前，中国水泥行业碳排放量占全国碳排放总量的约9%，是制造业中主要的二氧化碳排放源。中国是全球水泥制造第一大国，2019年全球水泥产能为37亿吨，中国约占其中60%。根据麦肯锡的测算，要实现全球升温不超过1.5oC的情境，到2050年中国水泥行业碳减排需达70％以上。
鉴于水泥生产中熟料工艺排放的特点，在没有新兴技术大规模代替熟料的情况下，碳捕集与封存（CCS）将成为水泥行业实现碳中和的唯一选择。预计到2050年需要贡献行业约50%的碳减排。然而，CCS需要相匹配的地质条件，如靠近衰退期油田、盐水层等，且由于水泥厂规模较小、地点分散，单个企业难以承担大规模CCS基础设施建设。
那么，CarbonCure的技术就可以以更低的成本为水泥行业实现二氧化碳减排，值得被我国建筑行业所借鉴。通过二氧化碳与混凝土中钙、镁组分之间的矿化反应，同时实现温室气体的封存以及混凝土强度和耐久性的提升，从而降低水泥使用量。
-------
参考资料：
[1]https://www.cnbc.com/2022/05/17/carboncure-technologies-disruptor-50.html
[2]https://seasidemagazine.ca/carboncure-technologies-locking-co2-emissions-in-concrete-forever/
[3]https://www.businesswire.com/news/home/20220412005436/en/Invert-and-Carboncure-Sign-the-World’s-Largest-Purchase-Agreement-for-Carbon-Credits-to-Store-Co2-Through-Carbon-Mineralization
[4]https://www.businesswire.com/news/home/20211014006200/zh-CN/
[5]https://www.mckinsey.com.cn/中国加速迈向碳中和水泥篇：水泥行业碳减排/
[6]http://go.carboncure.com/rs/328-NGP-286/images/CarbonCure%20Technical%20Note%20-%20Chemistry%20of%20Fresh%20Concrete%20Carbonation.pdf
算法时代，用行动拒绝信息茧房！
把我们列为【星标★】才能经常看到我们哦~
END
推荐阅读
（点击文字即可跳转阅读）
零碳精选
零碳动态
零碳新知
扫描左方二维码
加入百万社群
欢迎分享、收藏、点赞、在看
让零碳走进生活
免责声明：
本文仅用于学术交流和传播，不构成投资建议