水泥混凝土產(chǎn)業(yè)，力求突破

  我們所面臨最為艱巨的氣候挑戰(zhàn)涉及到那些未有合適替代品的全球性產(chǎn)業(yè)，而我們腳下的混凝土就是其中之一。每年，美國(guó)人均混凝土使用量為1/3噸，經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的發(fā)展中國(guó)家用量則更多。全世界每年波特蘭水泥產(chǎn)量超過(guò)了40億公噸，這是混凝土的主要原料，也是其二氧化碳產(chǎn)生的主要來(lái)源，占全球人類排放二氧化碳總量的5%以上。落基山研究所 (Rocky Mountain Institute, RMI) 對(duì)該產(chǎn)業(yè)的研究表明，要想大幅降低產(chǎn)業(yè)碳足跡并實(shí)現(xiàn)巴黎協(xié)議目標(biāo)，我們必須對(duì)思考模式和行為方式進(jìn)行重大變革，打造一個(gè)水泥混凝土產(chǎn)業(yè)的特斯拉。傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)管理辦法并不適用，并且新的水泥價(jià)格必須非常便宜。我們發(fā)現(xiàn)了3個(gè)可能奏效的重要機(jī)遇。

  水泥混凝土產(chǎn)業(yè)為何如此龐大

  尋找一種全新的、廣泛適用的解決方案并不容易，因?yàn)槲覀儗?duì)混凝土的需求量太大了。這是全球最靈活、便宜和普遍使用的建筑材料，是全球用量?jī)H次于水的材料。波特蘭水泥 (占混凝土重量的20%，其它主要的原料還有沙子、骨料和水) 的總產(chǎn)量在過(guò)去的20年間增長(zhǎng)了兩倍以上 (年增長(zhǎng)率近6%)，其中大部分的增長(zhǎng)發(fā)生在中國(guó)。而隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)放緩，印度、土耳其和印度尼西亞等國(guó)家取而代之成為了新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。如果美國(guó)當(dāng)前急需的基礎(chǔ)設(shè)施重建計(jì)劃開(kāi)始實(shí)施，也將成為另一個(gè)消耗大國(guó)。全球水泥生產(chǎn)的增幅將在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持2-4%的水平。

  在發(fā)展中國(guó)家，正在興建的新型水泥廠比其它地方的老廠高效得多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于美國(guó)平均水平 (印度國(guó)家水泥行業(yè)的平均二氧化碳排放率比美國(guó)低25%)。然而，即便是全球頂尖的公司所進(jìn)行的科技改進(jìn) (過(guò)去數(shù)年僅為約0.5%) 也遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法抵消用量上的快速增長(zhǎng)，并且也不是所有企業(yè)都在努力減排。

  標(biāo)準(zhǔn)波特蘭水泥的生產(chǎn)必然會(huì)通過(guò)兩種形式釋放大量二氧化碳：燃燒燃料而產(chǎn)生所需的超高爐溫，以及加熱石灰?guī)r時(shí)發(fā)生的煅燒化學(xué)反應(yīng)。在最高效的水泥廠中，60%甚至更多的二氧化碳排放都來(lái)自于這種無(wú)法規(guī)避的化學(xué)反應(yīng)。雖然，其它天然或廢棄材料，如稻殼、石灰?guī)r、高爐礦渣，和一些種類的粉煤灰可以部分代替波特蘭水泥，但使用波特蘭水泥制作特殊優(yōu)質(zhì)全球化產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化方法使其獲得了其統(tǒng)治性的地位。這種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是推廣任何特定替代物所面臨的一大障礙。

  當(dāng)今產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

  和其它長(zhǎng)期存在的產(chǎn)業(yè)一樣，水泥混凝土產(chǎn)業(yè)也存在一些已廣泛運(yùn)用的方法，能夠提高效率、降低排放。但問(wèn)題是，這些方法是自愿性質(zhì)的，由水泥可持續(xù)發(fā)展倡議組織 (CSI) 進(jìn)行協(xié)調(diào)，且遠(yuǎn)不足以放慢該產(chǎn)業(yè)碳排放增長(zhǎng)的腳步。水泥可持續(xù)發(fā)展倡議組織對(duì)其會(huì)員和全球水泥產(chǎn)業(yè)的建議包括：

  工廠和原材料、產(chǎn)品的運(yùn)輸在熱力上和電力上都應(yīng)提高效率，效率最差的工廠應(yīng)關(guān)閉。

  工廠可以燃燒有機(jī)廢物或生物質(zhì)來(lái)加熱窯爐 (如巴西，這可以降低全球水泥生產(chǎn)相關(guān)的二氧化碳排放量)。

  可以使用輔助膠凝材料 (SCMs)，如粉煤灰等替代部分 (有時(shí)會(huì)是大量的) 波特蘭水泥。

  使用低碳化學(xué)品作為替代，如氧化鎂水泥，使用特殊添加劑，或僅僅是更明智地選擇特殊的能夠降低水泥用量的配比，制造具備特殊性質(zhì)的混凝土。

  所有這些方法都在世界上的一些水泥市場(chǎng)積極地發(fā)揮著作用，但不是所有市場(chǎng)。頂尖水泥企業(yè)已經(jīng)設(shè)定了排放強(qiáng)度目標(biāo)，并使用了各種方法。然而，這些變化發(fā)生的速度還不夠，且似乎永遠(yuǎn)不夠。這其中部分原因是由于建筑行業(yè)首先關(guān)注的仍是可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量，因此任何變化過(guò)程都是頗具挑戰(zhàn)性，緩慢且成本高昂的。任何新技術(shù)的推廣都必須能夠證明其效果。此外，這個(gè)產(chǎn)業(yè)的資本相當(dāng)密集，相對(duì)于收入和利潤(rùn)，大量的資本被用于工廠的建設(shè)和設(shè)備的購(gòu)買。因此改造工廠的成本巨大，現(xiàn)金流不足以在快速完成這些轉(zhuǎn)變的同時(shí)滿足投資者或政府業(yè)主對(duì)資本成本回報(bào)的要求。改變緩慢的另一個(gè)原因是大部分新建工廠都在發(fā)展中國(guó)家——由于缺乏現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確保新技術(shù)或不同的技術(shù)能夠成功，這并不是一個(gè)適合嘗試創(chuàng)新技術(shù)的地方。最后，產(chǎn)業(yè)動(dòng)態(tài)有時(shí)也會(huì)影響新技術(shù)的發(fā)展。例如，如果可以從其它國(guó)家進(jìn)口更廉價(jià)、更“臟”的水泥而不被禁止或征稅，幾乎沒(méi)有企業(yè)會(huì)愿意投資更高效、更“綠色”的新型水泥。這種“碳泄漏”問(wèn)題在歐洲尤其嚴(yán)重，因?yàn)檫@里距離北非和中東地區(qū)更近，而那些地方并沒(méi)有嚴(yán)格的排放法規(guī)，并能夠?qū)a(chǎn)品低價(jià)運(yùn)送到地中海的對(duì)岸。

  加速水泥產(chǎn)業(yè)清潔化

  通過(guò)水泥可持續(xù)發(fā)展倡議組織，該產(chǎn)業(yè)相信控制排放問(wèn)題的答案是在經(jīng)濟(jì)可行時(shí)運(yùn)用成熟的科技，而在目前排放持續(xù)較高時(shí)，就使用二氧化碳捕捉和封存技術(shù)。水泥可持續(xù)發(fā)展倡議組織成員正在資助碳捕捉和封存技術(shù)的研究，但當(dāng)前的技術(shù)仍然存在成本和風(fēng)險(xiǎn)過(guò)高的問(wèn)題。此外，其他產(chǎn)業(yè)也在努力，一些新晉研究型企業(yè)如Blue Planet，Skyonic和Solidia等正在研究使混凝土本身來(lái)吸收二氧化碳的技術(shù)，并在預(yù)成型混凝土產(chǎn)品方面取得了一些積極進(jìn)展。理想情況下，一些碳捕捉技術(shù)能夠很快具備良好的經(jīng)濟(jì)效益，并得到快速推廣。但與此同時(shí)，我們需要更多好的、經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)來(lái)大量降低產(chǎn)業(yè)碳排放。我們相信這些技術(shù)會(huì)產(chǎn)生于以下三個(gè)不同方向。

  1. 提高終端使用效率

  要降低混凝土的二氧化碳排放，關(guān)鍵問(wèn)題是水泥。開(kāi)發(fā)水泥用量更少的混凝土配比，設(shè)計(jì)鋼鐵和混凝土用量更少的建筑物都能夠提高波特蘭水泥的使用效率?；炷敛⒉灰欢ㄒ写罅坎ㄌ靥m水泥，其具體成分配比需要根據(jù)全球各地不同的沙土和骨料特點(diǎn)而定。此外，堅(jiān)固性測(cè)試并不一定可靠，因此建筑商們將使用更多波特蘭水泥作為“保險(xiǎn)”的做法。研究混凝土的材料科學(xué)家并不多，而他們的工作又常常依靠著水泥企業(yè)的資助，因此他們也許并不會(huì)積極研究大幅降低水泥用量的技術(shù)。

  然而，大家齊心協(xié)力提高對(duì)混凝土的了解，開(kāi)發(fā)能夠根據(jù)混凝土成分準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其性能的工具，能夠識(shí)別降低水泥用量的方法并將其標(biāo)準(zhǔn)化。研究如何改變建筑和基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而降低混凝土用量，也能夠提高效率。通過(guò)信息共享，這些方法都有望快速地產(chǎn)生顯著的影響。

  2. 擴(kuò)大輔助膠凝材料的使用

  輔助膠凝材料是產(chǎn)業(yè)中已經(jīng)在使用的絕佳減排手段，在開(kāi)發(fā)更天然或經(jīng)過(guò)最低程度加工的材料上仍然具備巨大潛力。如今，輔助膠凝材料顯然還無(wú)法滿足市場(chǎng)需求，有時(shí)它們的價(jià)格甚至比水泥更高。但新型輔助膠凝材料即將出現(xiàn)。目前已經(jīng)出現(xiàn)的技術(shù)甚至可以將硅土 (沙子) 或火山巖加工成與高效水泥一樣的建筑材料。

  可惜的是，這些并不需要高溫加熱或排放二氧化碳的技術(shù)似乎“陷入了困境”，這些技術(shù)并沒(méi)有在產(chǎn)業(yè)內(nèi)得到有效利用。如果快速大規(guī)模推廣這些技術(shù)，將會(huì)嚴(yán)重影響現(xiàn)存水泥企業(yè)的利益，因此，那些有能力測(cè)試并運(yùn)用這些技術(shù)的人物選擇了規(guī)避，特別是在向非洲部分地區(qū)這樣的水泥高價(jià)市場(chǎng)或純進(jìn)口市場(chǎng)。與之類似，一種稱為機(jī)械活化的技術(shù)已被測(cè)試和開(kāi)發(fā)了20年以上，卻仍未在業(yè)內(nèi)得到有效的應(yīng)用。但隨著全球?qū)p排科技需求的日益高漲，這種技術(shù)應(yīng)用有望很快迎來(lái)曙光。

  3. 聯(lián)合處置水泥和其它產(chǎn)品

  理想情況下，水泥制造業(yè)可以與其它工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程分享熱量，如發(fā)電或煉鋼。在低碳世界中，我們必須謹(jǐn)慎地運(yùn)用任何高溫加熱技術(shù)。一些國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始將水泥制造業(yè)與有害物質(zhì)焚燒相結(jié)合，這種趨勢(shì)很可能得到繼續(xù)發(fā)展。這種方式能夠得到推廣嗎？理論上，是的。其中高貝利特水泥可能是最令人激動(dòng)的新技術(shù)。這種技術(shù)已經(jīng)在中國(guó)三峽大壩和其它大型高強(qiáng)度工程中，以及肯塔基大學(xué)和麻省理工學(xué)院得到檢驗(yàn)。由于其特殊的固化方式，使用這種水泥制作的混凝土特別適合悶熱潮濕的氣候和缺水的環(huán)境。這種水泥的原料可能來(lái)自燃煤流化床廢料、褐煤廠廢料和其它工業(yè)廢料。許多人希望有技術(shù)能夠同時(shí)制造這兩種產(chǎn)品。此類協(xié)同生產(chǎn)技術(shù)會(huì)極大提高能源效率并降低二氧化碳排放量。

  這些方法中有些在目前看來(lái)還不成熟，但整個(gè)產(chǎn)業(yè)對(duì)節(jié)能減排的需求卻越發(fā)迫切。由于全世界有大約一半的混凝土都被政府購(gòu)買，在巴黎氣候協(xié)議推動(dòng)下，這種需求就顯得更加真切。公共部門(mén)和其它用戶應(yīng)當(dāng)要求企業(yè)更快速地嘗試新技術(shù)，并表示愿意提供支持。目標(biāo)明確的研究，再加上應(yīng)用更廣泛的測(cè)量和信息技術(shù)，能夠改變這個(gè)相對(duì)滯后的產(chǎn)業(yè)，從一個(gè)明顯的氣候行動(dòng)落后者變?yōu)閺?qiáng)大的氣候行動(dòng)帶頭人。