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標題：Building materials could store more than 16 billion tonnes of CO₂ annually

作者：Elisabeth Van Roijen[加州大學]；Sabbie A. Miller[加州大學]；Steven J. Davis [斯坦福大學]

期刊：Science

類型：Research article

時間：2025.1.9

鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq8594

引用：Elisabeth Van Roijen et al.,Building materials could store more than 16 billion tonnes of CO₂ annually.Science387,176-182(2025).

建筑環境中使用的結構材料的數量和相對壽命可能使它們成為CO₂去除的重要媒介。盡管其中許多材料目前都是CO₂凈排放源，但 Van Roijen 等人概述了其中幾種材料如何幫助將碳鎖定數十年（參見 Bataille 的觀點）。通過對成分進行相對較小的改變，例如在混凝土中使用富含碳的骨料或使用生物質纖維基磚，即可實現碳儲存的轉型。實施作者建議的所有修改可以封存大約一半的年度CO₂排放量，并且可能是實現凈零排放的關鍵策略。

實現溫室氣體凈零排放可能不僅需要降低排放，還需要部署CO₂去除技術。我們研究在建筑材料中儲存CO₂的年度潛力，結果發現，在新的基礎設施中用CO₂儲存替代品完全取代傳統建筑材料每年可以儲存多達 166 ± 28 億噸CO₂——約占 2021 年人為CO₂排放量的 50%。總儲存潛力對所用材料規模的敏感度遠高于對每單位質量材料儲存的碳量的敏感度。此外，建筑材料的碳儲存庫將隨著對此類材料的需求而增長，這可能會減少對更昂貴或對環境風險更大的地質、陸地或海洋儲存的需求。

為限制全球氣溫上升和穩定氣候，需實現溫室氣體凈零排放或通過去除等量的溫室氣體來平衡人為CO₂排放。難以脫碳的來源可能需要通過直接從大氣中去除CO₂（carbon dioxide removal，CDR）并存儲來平衡其持續排放。相比之下，點源CO₂捕獲和儲存（carbon capture and storage，CCS）僅在捕獲來自生物質燃燒等近期存在于大氣中的CO₂時對CDR有貢獻。建筑材料由于其巨大的數量和長久的使用壽命，成為理想的碳儲存庫。1900年至2015年間生產的基礎設施材料累計質量與人類食品、動物飼料及能源資源總質量相當，并且建筑材料通常能使用數十年，有助于長期封存溫室氣體，提供氣候效益。因此，將建筑材料設計為碳匯是一個有效的策略，無需額外開發大規模碳儲存系統，同時避免了CCS技術帶來的環境和安全風險。這使得建筑環境成為減少溫室氣體的重要領域。

建筑材料生產每年產生35億至110億噸CO₂e，占全球溫室氣體排放的10%到23%。不包括能源相關排放，建筑材料生產在2016年貢獻了約1.8 Gt CO2，約占全球排放的5%。新興技術的應用旨在通過改變材料成分和制造方法來吸收CO₂或CH₄，從而逆轉部分工藝排放。例如，研究探討了木材作為碳匯的潛力以及替代水泥對減少混凝土碳排放的作用。本研究評估了混凝土、磚塊、瀝青、塑料和木材等常見建筑材料的碳儲存潛力，基于2016年的消費水平，并假設所有碳均來自大氣且儲存為永久性。我們的估計基于傳統材料被含有生物碳或關鍵礦物的替代品取代的程度。我們假設使用階段的排放可忽略不計，且壽命終結時的填埋產生的溫室氣體排放極小。未來的研究應考慮使用階段及拆除過程中的排放與吸收情況。此外，一些公司已進行中試規模示范，表明其替代材料相比傳統材料大幅降低了碳足跡，并在某些情況下實現了從大氣中凈去除碳。考慮到替代材料相關的不確定因素，我們也確定了實現凈碳去除的最大允許排放量。

我們確定了不同建筑材料每單位碳儲存的相關機制和量級（圖 1）。盡管生物基塑料每公斤材料的儲存潛力最高，但由于與所有其他建筑材料相比產量相對較小，它們對總潛力的貢獻最小。相反，混凝土中的骨料具有最低的儲存潛力之一（<1 kg CO₂/kg）；但由于全球需求規模巨大，它們具有最大的總潛力。考慮到這些權衡，適合快速市場滲透和大規模擴展的領域可能帶來比推動任何單一材料碳儲存方案的最大程度吸收更大的氣候效益。

研究顯示，這些材料累計可儲存高達16.6 ± 2.8 Gt CO₂，相當于2021年全球人為CO₂排放量的約50%。其中，混凝土和瀝青中使用的骨料貢獻了最多的儲存量，為11.5 ± 1 Gt CO₂，這主要歸功于其大量使用。通過特定組合（如鎂橄欖石基水泥與生物炭填料），水泥可實現高達2.6 ± 1.1 Gt CO₂的儲存潛力。磚塊作為第二大儲碳材料，通過生物質纖維和礦物碳化，能儲存約2 Gt CO₂。增加木材消費量20%，結合良好的森林管理和生產實踐，還能額外儲存0.45 ± 0.09 Gt CO₂。而生物基塑料和瀝青粘合劑由于消耗量低，儲存潛力較小，不到總儲存量的5%。

由于可以儲存碳的材料種類繁多，并且這些材料每單位質量的碳含量也各不相同，我們測試了估計的儲存潛力對不同建模假設和與不同材料相關的實施水平的敏感性（圖 2）。我們的結果進一步證實了這一結論：儲存碳和減少排放的最大驅動因素是消耗的材料質量，其中混凝土生產用骨料和水泥的消耗量最高（圖 2，分別為 A 和 B），其次是磚和瀝青骨料。假設碳含量越高，儲存量也就越大，但總儲存潛力主要與材料需求水平有關。

建筑對材料的大量需求是碳儲存潛力的主要驅動力。我們評估了資源可用性，但未包括可碳化水泥和磚塊，因缺乏穩健生產途徑。骨料碳礦化途徑考慮了多種工業廢料（如赤泥、高爐礦渣等）及報廢混凝土，可提供1 Gt CO₂儲存量。然而，未來資源供應可能變化，需進一步探索大規模節能碳化工藝。生物質纖維替代15%磚塊、生物油替代瀝青、生物基塑料替代所有塑料僅需使用5%年度農業殘留物；15%水泥用生物炭替代需額外24%農業殘留物。即便實施所有生物質策略，仍有71%農業副產品可用于其他用途。生產生物炭還能產生合成氣和生物油等副產品，但當前生物炭生產和使用非常有限，2021年產量為0.4 Mt，而實現模擬的碳儲存需600 Mt。擴大生物炭生產時，必須確保其能凈去除大氣中的碳，并滿足物理要求。我們的資源需求估計基于1:1的碳替代率，任何效率低下導致的材料浪費都會增加需求。詳細敏感性分析見數據S6。

除了原料資源數量外，替代技術的地理分布也很關鍵。碳化水泥和碳酸鹽基骨料所需的礦物質通常位于地表深處難以獲取，而更容易獲取這些礦物的地區如暴露于地表的大陸洪流玄武巖及鹽湖等更適合新技術的發展。東南亞和非洲因未來對水泥和混凝土需求的增長，可能利用當地的洪流玄武巖和鹽湖資源。歐洲由于有豐富的硅酸鹽巖石礦藏和老化的基礎設施，具有較大的碳化潛力。農業廢棄物如亞洲的小麥、稻草以及美國的玉米秸稈和巴西的甘蔗渣，可轉化為生物炭用于水泥復合材料生產，主要產自中國、印度和美國。這些生物質廢棄物也可用于磚塊生產（主要在中國和印度）或制造塑料（約70%產自亞洲和美國）。合理利用這些資源對于實現建筑材料中的碳儲存至關重要。

根據IPCC AR6，為實現2100年全球升溫控制在1.5℃和2℃以下的目標，需通過CDR技術去除累計最多660 Gt和290 Gt的CO₂。這需要除了快速脫碳策略外，還要依賴于CDR技術來抵消最難減排的排放。盡管全球人口和富裕程度的增長可能推動材料需求增加，但我們假設建筑材料總量保持在2016年的水平（木材除外，預計增長20%以符合可持續林業實踐）。如果全面過渡到碳儲存替代品，到2025年、2050年或2075年將分別能儲存至少1380 Gt、920 Gt和460 Gt的CO₂，超出1.5℃和2℃目標所需量。然而，生產這些碳儲存材料（如可碳化水泥）可能比傳統材料消耗更多能源，例如開采氧化鎂或氧化鈣及處理CO₂等步驟。因此，雖然未建立與能源相關的排放模型，但生產過程中可能會產生一定能源相關排放，而不會影響總體減排目標的實現。

除了能源相關排放，原料資源限制也是實現CDR所需存儲水平的關鍵挑戰。我們評估了使用當前可用資源的潛力，包括用碳酸鹽基骨料替代10%的傳統骨料、15%磚塊使用生物質纖維、完全過渡到生物基塑料、采用生物油基瀝青粘合劑以及6%-15%水泥使用生物炭填料。到2045年和2090年全面實施這些技術，可分別滿足1.5℃和2℃情景的中值目標。

盡管這些原料資源可用于建筑材料，但它們也可能被用于其他領域，如能源生產或動物飼料。例如，生物炭可通過慢速熱解最大化生成，而非產生較少炭的氣化過程。同時，高爐礦渣等礦物廢料若作為補充膠凝材料，則不能用于碳酸鹽基骨料。原料需求的變化可能導致意外后果（如因生物質消耗增加導致的土地利用變化）。因此，需持續努力開發可持續的耕作和材料生產方法，并準確核算溫室氣體通量及其他環境影響。

建筑材料中碳儲存量主要受消耗材料數量的影響，未來材料消耗的估計對結果至關重要。政策激勵可通過提高回收率、再利用率或降低材料強度來減少需求，例如改進材料效率策略可減少未來需求約26%。然而，人口增長預計會增加材料消耗，如水泥消耗量可能增長23%。材料消耗還受原料成本、原油價格、規模經濟和產品創新的影響。例如，歐洲綠色協議工業計劃可能增加生物基材料的需求。我們在研究中進行了敏感性分析，評估了到2100年材料消耗±20%變化對儲存潛力的影響，發現每年總儲存量可能在13.2至近20 Gt CO₂之間。若所有技術在2050年前實施，到2100年的累計儲存量將因材料需求變化而波動±14%。特別針對塑料的分析顯示，其對總碳儲存的貢獻可能從不到1%增至接近5%，即到2100年每年額外增加0.6 Gt的碳儲存潛力。完整結果見數據S4和S8。