本文来自微信公众号：Makeable 可持续创新创业（ID：MakeableCN），作者：姚异姚，头图来自：视觉中国
一、水泥：全球碳排“第三大国”
如果问起碳排第三大国，大多数人可能会联想到一个具体的国家名称。但是如果跳出行政单位，单从排放体量来排名，这个“碳排第三大国”竟是全球的水泥！
根据独立智库 ChatthamHouse 2018年发布的研究数据：每年生产的50亿吨水泥占世界人为二氧化碳排放量的8%。如果将水泥产业看作一个国家，它将是仅次于中国和美国的碳排第三大国，其碳排是飞机燃油排放温室气体（2.5%）排放的三倍以上。
再来看中国，中国是水泥生产和消费大国。数据显示，2020年，我国水泥产量23.77亿吨，约占全球55%，排放 CO₂约14.66亿吨，约占全国碳排放总量14.3%。与此同时，中国3年的水泥消费量相当于19世纪水泥发明以来美国历年的消费总量，人均年水泥消费量约达1.67吨，远超过欧洲、美国、日本等发达国家高速发展时期人均年耗0.70吨左右的水平。这说明，中国要实现“碳中和”目标，水泥的“减碳”至关重要。
那么水泥行业的碳排放都来自于哪里呢？根据中金公司的数据，石灰石分解和燃煤烧窑占了绝大多数，分别为62%和30%，剩下的8%为电力消耗。还有一点令人震惊的事实是：混凝土的制造方法自19世纪问世以来，几乎毫无改变。
因此，除了降低单位煤耗、电耗等控制和降低碳排外，混凝土生产的材料替代、生产工艺中使用 CCUS 技术、寻找其它低碳建材等方案被视作解决当前水泥高碳排问题的重要方案，也是实现净零排放必须解决的关键一环。当下，一些创新方案已经显现出了规模化应用的前景，并正在逐渐迈向商业成熟。
二、关于“砖”的创新改造
给混凝土“换点料”
在上个月的 Tech & Trend 中，我们就曾经介绍过符合循环经济理念的下一代建筑材料：德国创新材料初创公司 DETON 开发的新型混凝土——“碳中和”水泥。
这一创新材料除了普通水泥之外，还加入了矿物质和有机粘合剂以及回收填充物的组合。相比传统混凝土的生产过程，这一替代材料可节省高达70%的水泥，而且可以减少100%二氧化碳排放，还具备极佳的防水性以及隔热性能。该材料将于2023年被德国建筑技术研究所认可为常规建筑材料使用。
加拿大初创公司、脱胎于麦吉尔大学的 CarbiCrete 则用钢铁生产的副产品钢渣替代了水泥——钢渣基本上被用于道路填充，较少部分被填埋。不但减少了水泥的碳排，还是循环经济的一大创新应用。
新型低碳工艺
美国初创公司 Solidia Technologies 发展出了一种可持续的低碳水泥制造工艺，这一工艺可以在传统水泥窑进行，但是所需能源大大减少，因此可减少40%的碳排放。Solidia 已开始与全球领先的建材巨头 LafargeHolcim 进行创新合作，今年5月还获得了7800万美元的投资，投资机构包括 BP、BASF（巴斯夫）、Total Energy Ventures（道达尔能源风投）等。
给水泥加点“改良剂”，延长使用寿命少维修
大型建筑工程的维护也是耗能和碳排“大户”。为现有水泥生产过程增加改良添加剂，可以延长混凝土的使用寿命并减少维护需求。
在密歇根大学，Victor Li 和他的同事使用合成纤维和天然纤维，并注入二氧化碳，生产出一种他们称之为工程水泥复合材料 （ECC） 的可弯曲混凝土。这种材料的内部结构受到珍珠层的启发，珍珠层是一种柔韧的材料，覆盖在鲍鱼和牡蛎等软体动物的贝壳内部，通常被称为“珍珠母”。
为混凝土增加柔韧性，可以让桥梁和道路更轻松地应对繁忙的交通，并提高高层建筑的抗震能力。ECC 老化后只会产生微小的表面裂纹，因此它可以更好地防水和防止内部钢筋腐蚀——而这种腐蚀正是导致钢筋混凝土结构建筑工程倒塌的诱因。
三、水泥“封印”CO₂：吸碳又加固
将煅烧水泥产生的 CO₂在进入大气之前将其捕获并将其储存起来，这是使水泥行业脱碳的最有效方法之一，这一过程甚至可以形成“自循环”：如果将这些“废气”与水混合固化时重新注入混凝土，水会促进化学反应，导致水泥硬化变身碳酸钙。这种逆向煅烧不但能吸收二氧化碳，还使混凝土更坚固。
加拿大的 CarbonCure Technologies 就是这条道路的开路先锋。在不牺牲材料可靠性的前提下，他们将精确用量的二氧化碳注入到混凝土中，以更少的水和碳足迹生产混凝土。
随着技术的不断完善和创新，CarbonCure 获得了2015年和2021年的 XPRIZE 碳去除（XPRIZE for Carbon Removal）专项大奖，该奖是旨在解决人类重大挑战的全球性设计和实施的创新性竞赛。2021年的该奖项由世界首富马斯克的马斯克基金会提供1亿美元奖金。
迄今，CarbonCure 已为全球 400 多家工厂安装了将二氧化碳注入预拌混凝土中的设备。最终产出的混凝土也已被用于建造建筑物，其中包括位于弗吉尼亚州阿灵顿的亚马逊新园区、通用汽车位于田纳西州斯普林希尔的电动汽车装配厂等。
据麦肯锡咨询估计，目前，逆向煅烧最多可以“封印” 5% 的水泥碳排。随着技术的改进，这一比例预计可以上升到 30%。
上文提到的 Solidia 和 CarbiCrete 也开发出了类似的 CCUS 技术。
四、3D 打印房子：环境低污染，建材少浪费
除了以上方式帮助现有水泥生产过程更绿色，在实际施工中，减少水泥用量也是解决方案中重要的一部分。这一方面，3D 打印被寄予厚望：机器人控制下可以直接精确塑形材料层的3D建筑，与一般建筑比起来，有着低成本、低人力需求、显著减少浪费且低环境污染的优势。
3D 打印建筑的市场化方面，中国涌现了不少较为成熟的企业。今年10月份，视频网站 Bilibili 知名 Up 主郭杰瑞探访了一家位于苏州的3D 房屋打印工厂，据视频中该企业所有者表示“（3D 打印的房屋）省材料……建造速度快……而成本能比一般人工建造方式省50%。”并且这一专利原创技术已经应用在迪拜、美国多个城市的项目中。
中国3D打印建筑还创造了“世界之最”。去年10月的进博会期间，世界上最大的3D打印单体建筑在上海张江国家自主创新示范区开工，项目由上海盈创建筑科技施工建造。
这个总高约46.3米，总建筑面积近10万平方米的建筑也是世界首个低碳“巨无霸”3D打印建筑。其建筑体73%的材料来自固体废弃物的生态新利用，使用迄今最大量的环保油墨打印而成。而且这个庞然大物楼体，通过窗面、墙面安装多种太阳能自发电系统，实现了水电100%自补给。
五、“道法自然”：超越水泥的创新材料
除了改造传统水泥、固体建筑废弃物循环再利用，以及大众比较熟悉的模块化竹子、工程层压木材等，在寻找新的替代材料上，更多创新的生物性材料表现出优异的工程性能和环境效应，正逐渐从实验室走向工地并被视作“未来建材”。
比较有代表性的材料有蘑菇、大麻、海带等。比如，美国帕森斯设计学院与欧盟 Isobio 合作的生物复合材料 hemp-lime，就由大麻（hemp）和石灰的混合物制成，可取代传统混凝土作为建筑材料。
由于良好的热传导性，这种生物材料可减少建筑热桥（Heart Bridge）产生；而且其防火性能极强，若以瓦斯喷枪对此材料进行加热，会导致碳化和冒烟，但却不会着火，符合高规格消防规范；此外，该材料的多孔性可帮助建筑物“呼吸”，维持温湿度均匀，让建筑物更加透气。
由于可以大规模种植，生长收获周期较短，这一“大麻砖”的成本将可以预见地降低。当前，以西班牙国内建造成本计算，采用 hemp-lime 的墙壁每平方米比传统建材的墙壁便宜约55％，具有很强的价格竞争力。
而蘑菇制成的建筑材料甚至具备了生长特性，使凝固的建筑“鲜活”起来。
美国克利夫兰的设计工作室 Redhouse Studio 研发的新型环保建材，原料由建造或拆毁房屋后留下的废弃建材以及蘑菇的菌丝体混合而成。
新材料的生产过程是这样的：锯末状的废旧木材经巴氏消毒去除其中的有机组织后，在其中加入少量的菌丝体。这些菌丝体随后会疯狂地生长，并分泌一种酶，并生成含有丰富的甲壳素的新有机组织，这是一种组成虾、蟹、昆虫等甲壳的重要成分，是自然界最坚固的天然聚合物。
因此，这一听上去软弱的蘑菇混合材料在被压实后，可以像甲壳一样坚硬，足以作为混凝土的替代品。
这种菌丝体建材还有一大亮点就是，与传统水泥建材排放比自身3倍体积的二氧化碳不同，这种“会呼吸”的建材可以吸收自己重量 2 倍的二氧化碳量，因此能够抵消建筑物的碳排。报废后产生的也全部是可生物降解的材料。
现阶段，该技术已被 NASA 相中，Redhouse Studio 正在与 NASA 合作开发未来可以运送到火星的自生长建筑模型。
六、结语
创新技术是推动零碳转型至关重要的力量。国际能源署（IEA）的报告《全球能源部门2050 年净零排放路线图》显示，到 2030 年全球大部分二氧化碳减排量将通过当今可用的技术来实现。不过，到 2050 年，几乎一半的碳减排将通过目前处于示范或原型期的技术而实现。在重工业和长途交通运输领域，更高比例的碳减排将依靠目前仍处于开发阶段的技术。
麦肯锡咨询的研究得出了类似的结论，如果广泛部署，已经成熟的气候技术可以实现到 2050 年稳定气候所需的约60%的减排量。为了实现减排目标，将依靠 25% 至 30% 来自已展示原型但尚未成熟的技术，而另外 10% 至 15% 来自仍在研发中的技术。
参考资料：
https://www.economist.com/science-and-technology/how-cement-may-yet-help-slow-global-warming/21806083
https://www.chathamhouse.org/topics
https://www.mckinsey.com/business-functions/sustainability/our-insights/innovating-to-net-zero-an-executives-guide-to-climate-technology
https://www.bigrentz.com/blog/the-future-of-building-materials
https://www.wired.co.uk/article/concrete-carbon-capture-co2
https://carbicrete.com/about/
https://www.solidiatech.com/news.html
https://carbon.xprize.org/prizes/carbon
https://www.mixerdirect.com/blogs/mixer-direct-blog/10-innovative-construction-materials
http://www.winsun3d.com/News/news_inner/id/454
https://mp.weixin.qq.com/s/FoJqCR_pfvkocXcELvv_bQ
http://www.youris.com/energy/ecobuildings/home-sweet-hemp-home.kl
中金公司《碳中和经济学》
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