二氧化碳捕获技术：将排放物转化为建筑材料

怀俄明州吉列郊外的一座燃煤发电厂几乎是您最不可能找到令人信服的气候变化问题解决方案的地方。但这就是不断发展的碳利用领域最聪明的人展示了转化工业二氧化碳排放的技术——捕获它们并将其转化为替代燃料、增强混凝土、碳纤维和其他有价值的材料，从而减少它们在大气中的积累——作为 NRG COSIA Carbon XPRIZE的一部分。

自 2015 年启动以来，为期五年的碳竞赛缩小到只有 10 支决赛队伍争夺 2000 万美元的奖金。这些团队提出了多种解决方案来转化大部分二氧化碳，并押注他们的系统可以显着减少产生二氧化碳的发电厂的碳足迹，利用二氧化碳和其他化学副产品来制造适销对路的产品。

CarbonBuilt 创始人兼首席执行官 Gaurav N. Sant 领导着加州大学洛杉矶分校 CarbonBuilt 团队，该团队由该校的研究人员和能源专业人士组成。“如果你看看电力行业——煤炭、天然气、石化、混凝土——所有这些设施都是碳密集型的，”他说。“与此同时，这些工厂生产基础材料来改善我们的生活质量。我们不会摆脱这些材料和设施。相反，我们能做的是通过创造有益的二氧化碳利用途径，减少这些行业在大气中累积的二氧化碳排放量。”

政府间气候变化专门委员会报告称，为了将全球气温保持在宜居范围内，减少碳排放是更广泛的二氧化碳减排战略的关键。仅仅转向可再生能源并不一定意味着零碳——即使可再生能源得到开发，排放仍然需要确定目标。2020 年，发电厂产生的碳排放量占美国能源相关碳排放量的 32%。

“有些人被误导了，”决赛入围者穆罕默德·因巴比 (Mohammed Imbabi) 说道，他是阿伯丁大学工程学院的讲师，也是英国碳捕获机 (CCM)团队的成员。“人们纷纷涌向可再生能源。它依靠自然来驱动，但设备是人造的，并且具有巨大的隐含碳足迹。人们一窝蜂地投入到仍在污染环境的事情中。”

将碳排放转化为水泥

二氧化碳的有益途径之一是水泥，它是赋予混凝土强度的关键成分，也是桑特团队关注的行业。据国际能源署估计，水泥生产约占全球371亿吨碳排放量的7% ，在工业部门中仅次于钢铁制造。

碳捕获、利用和储存过程并不是一个新想法，但在材料科学和化学工程的最新进展发现二氧化碳有益利用的新途径之前，其成本高昂得令人望而却步。“当你想到碳捕获时，历史上的方法是通过管道将纯二氧化碳注入地下储层，以确保地质构造或咸水层中的纯二氧化碳，”桑特说。“每吨的成本可能为 150 美元。经济困难。”

 

加州大学洛杉矶分校 CarbonBuilt 工艺：二氧化碳排放器产生烟气，烟气被捕获并通过再矿化转化为混凝土。由 CO2Concrete/UCLA CarbonBuilt 提供。

水泥生产似乎是一种违反直觉的碳储存途径。Sant 说，从历史上看，这是一个大规模的工业过程：波特兰水泥基混凝土的集约化生产会排放大量二氧化碳，而水泥生产炉需要大量能源才能达到高达 2,500 华氏度的反应温度。

但对二氧化碳矿化（气态二氧化碳转化为固体碳酸盐）的了解的加深正在改变成本和排放情况。CarbonBuilt 的方法将烟道气流直接从工厂烟囱引导到在环境温度和压力下运行的对流烤箱式室中。稀释的 CO2 用于形成碳含量高达 60%（按重量计）的胶结剂，而不需要极其昂贵的碳捕获步骤。

桑特说，这种二氧化碳矿化生产的混凝土“在功能和成本上与传统生产的混凝土相当”。当对投资回报模型进行评估时，其中包括通过加利福尼亚州的总量控制与交易计划等计划获得的碳信用额，即使没有碳税或罚款，这种方法也比制造传统的水泥或混凝土更有利可图。

Sant 表示，如果广泛推广，该技术可以大幅减少水泥生产每年产生的近 30 亿吨二氧化碳排放量，每年消除多达 10 亿吨大气二氧化碳。

桑特并不是唯一一个看好碳捕获、储存和利用前景的人。美国能源部已在该技术上投资了数十亿美元，包括为多项研究和开发计划提供资金。国会于 2018 年通过的联邦税收抵免增加了公司可用于封存或重新调整碳排放的收回金额；国际能源署预计，六年内将引发10 亿美元的新投资。

 

让二氧化碳捕集变得更加经济实惠

与此同时，竞争激烈的领域中的初创企业正在竞相打造差异化商业模式，吸引公共和私人投资，并迅速扩大运营规模。第二名获奖者 CarbonCure 是走在这条曲线上最远的公司之一，这是一家加拿大公司，它与全球约150家工厂的混凝土生产商（包括 Thomas Concrete 和 Ozinga）合作，将回收的二氧化碳引入现有的生产设施。

CarbonCure 负责企业发展的执行副总裁 Jennifer Wagner 将公司的快速增长归功于其价值主张。“该领域的许多解决方案只提供环境效益，”她说。“我们提供环境和经济效益。即使一家公司不关心气候变化，他们也都在寻求省钱。”

在比尔·盖茨领导的 10 亿美元突破能源风险投资基金的投资支持下，混凝土生产商购买气瓶中的二氧化碳，就像出售给汽水生产商的气瓶一样。二氧化碳通过双单元喷射系统输送，该系统可以移植到现有的混凝土搅拌机和配料房设备上。由此产生的产品是一种增强型超强混凝土，每立方码平均减少 25 磅二氧化碳排放。

 

XPRIZE 决赛入围者 CCM 希望在各个行业更广泛地利用捕获的碳。“你面临的问题之一是你必须创建一个足够大的汇来抵消全球每年 400 亿吨的二氧化碳排放量，”Imbabi 说。“仅靠水泥是无法做到这一点的。”

CCM 耗资 250 万美元研发的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、牙膏和其他产品。通过将稀二氧化碳与来自石油和天然气工厂等来源的镁盐水反应，该技术还可以产生沉淀碳酸镁（PMC）——该公司正在为墙板和隔热产品开发一种轻质防火化合物。

正如这些决赛入围者和获胜者的范围和独创性所表明的那样，许多碳捕获方法有足够的发展空间 - 希望能够实现真正的零碳未来。