最新二氧化碳捕获技术如何将排放物变为建筑材料

怀俄明州吉列市郊的一家燃煤发电厂是我们最想不到能在那里找到令人信服的气候变化问题解决方案的地方。但是在不断发展的碳利用领域，一些聪明人士正在开发工业二氧化碳排放物的转化技术，捕获并将它们转化为替代燃料、增强型混凝土、碳纤维和其他宝贵材料，从而减少大气层中的碳积累。

经过几轮竞争，10个决赛入围者开始竞争NRG COSIA Carbon XPRIZE大赛中两个不同的、价值都为750万美元的奖项。决赛团队的目标是创建出可以转化最多二氧化碳的多样化解决方案。他们都相信自己的系统可以利用二氧化碳和其他化学副产品创造出可销售的产品，从而大大减少产生二氧化碳的电厂的碳足迹。

Carbon XPRIZE 决赛团队

联合国政府间气候变化专门委员会报告说，为了将全球温度保持在一个适当宜人的范围，减少碳排放量是更广泛地减少二氧化碳排放战略的关键。仅仅转向可再生能源并不一定意味着零碳排放，即使开发了可再生能源，我们仍需要确定排放目标。

“有些人被误导了，”阿伯丁大学工程学院讲师，英国CCM团队成员，决赛选手Mohammed Imbabi说。“目前大家都在一窝蜂地搞可再生能源。它需要大自然来驱动，但设备是人造的，并且产生巨大的碳足迹。这种盲目追崇的做法其实也在污染着环境。”

CO2Concrete创始人兼首席执行官Gaurav N. Sant领导着一个由大学研究人员和能源专业人士组成的碳升级再造UCLA小组。“如果你看看电力部门 — 煤炭、天然气、石化、混凝土 — 那么所有这些设施的碳排放都非常密集，”他说。“但同时，这些设施生产基本材料来改善我们的生活质量。我们不会停止使用这些材料和设施。不过，我们可以做的是开创能够利用二氧化碳的途径来减少这些行业造成的大气层中二氧化碳排放的积累。”

其中一个途径就是水泥，这是提高混凝土强度的关键成分，而Sant的团队便把注意力放在了这一点上。根据国际能源署的估计，水泥生产约占全球371亿吨碳排放量的7%，仅次于钢铁制造业。

碳捕获、利用和封存（CCUS）工艺不是一个新主意，但是在材料科学和化学工程最近发现新的有益的二氧化碳利用途径之前，这一工艺的成本过高。“在考虑碳捕获时，以往的方法是通过管道将纯二氧化碳注入地下的储穴，将其在地质构造或盐水层进行封存。”Sant说。“那样的话，一吨可能要花150美元，很不经济。”

在直觉上，水泥生产似乎不应是碳储存的途径。Sant说，从历史上看，这是一个大规模的工业流程：集约化生产波特兰水泥混凝土会释放出大量的气态二氧化碳，水泥生产炉需要极大的能量才能达到2,500华氏度的反应温度。

但是，由于人类对二氧化碳的矿化（将气态二氧化碳转化为碳酸盐物质）有了更好的了解，成本和排放物的天平发生了变化。CO2Concrete的方法是将烟道气流直接从工厂的烟囱引到对流烤箱形状的室内，这些气流可在该室内的环境温度和压力下运行。稀释的二氧化碳形成一种固结剂，其中碳含量高达60%（按重量计），而无需花费极高的碳捕获步骤。

Sant说，这种二氧化碳矿化所产生的混凝土“在性能和成本上与传统方式生产的混凝土差不多”。而且，如果利用投资回报率模型进行评估（这种模型包含了通过像美国加州总量管制与交易计划这样的计划获得的碳信用额度），，该方法要比传统方式制造的水泥或混凝土更有利可图，而且没有碳税或罚款之虑。

Sant说，如果大规模采用的话，这项技术可能会使水泥生产每年产生的近30亿吨二氧化碳排放量大大降低，大气中每年可减少多达10亿吨二氧化碳排放量。

Sant并不是唯一一个看好碳捕获、储存和利用前景的人。美国能源部已经在这项技术上投资了数十亿美元，其中包括对多项研究和开发计划的资助。国会在2018年通过的联邦税务抵免政策增加了公司可以从碳排放封存或重新定向回收的资金数量；国际能源署预测这在六年内会促成10亿美元的新投资。

与此同时，初创企业正在这一领域蜂拥而上，争相突出自己的商业模式，吸引公共和私人投资，并迅速扩大规模。其中之一是决赛入围公司CarbonCure，该加拿大公司正与混凝土生产商（包括Lafarge、Thomas Concrete和Ozinga等行业巨头）在全球约150家工厂合作，将回收的二氧化碳引入现有的生产设施。

CarbonCure企业发展执行副总裁Jennifer Wagner将公司的快速增长归功于其价值主张。她解释说：“该领域中的许多解决方案仅仅对环境有利。我们提供环境和经济两方面的利益。即使一家公司不关心气候变化，但它总是希望省钱的。”

在以比尔·盖茨为主的10亿美元“突破能源风投”基金（Breakthrough Energy Ventures fund）的支持下，混凝土生产商购买用气瓶储存的二氧化碳，这种气瓶就像出售给汽水生产商的那种气瓶。二氧化碳通过一个两单元注入系统进行管道输送，该系统可以接到到现有的混凝土搅拌机和配料房设备。最后得到的产品为超强混凝土，每生产一立方米超强混凝土平均可节省14公斤二氧化碳。

其他XPRIZE决赛入围者，如CCM，希望在各个行业中更好地利用捕获的碳。Imbabi说：“一个急需解决的问题是创建一个足够大的去处，来化解全球每年400亿吨二氧化碳排放量。仅靠水泥做不到这一点。”

CCM计划在决赛阶段展示这台耗资250万美元的机器，该机器可以将二氧化碳转化为沉淀碳酸钙，用于纸张涂料、塑料、药品、食品、牙膏及其他产品。通过使稀释的二氧化碳与来源于石油和天然气工厂的镁盐水进行反应，该技术还可以产生沉淀碳酸镁（PMC），这是该公司正在开发的用来制作墙板和隔热产品的轻质防火化合物。

当XPRIZE奖的评委在2020年6月评选优胜者时，CCM技术所具有的多种功能是否会占优势？这一点目前还不得而知。但是，正如这些决赛入围者的产业范围和独创性所显示的那样，碳捕获方法的发展还有巨大的空间，我们希望这些发展会带来一个真正的零碳未来。