歐美新創打造「低碳水泥」：AI協助降碳排、太陽能生產熟料、研發可吸碳的建材

[準建築人手札網站]

歐美新創打造「低碳水泥」：AI協助降碳排、太陽能生產熟料、研發可吸碳的建材
轉載自關鍵評論網；文：張瑞邦（Tucker Chang）

水泥生產的過程中會排放大量二氧化碳，然而全球多數主要城市對於住房及公共建築的需求仍不斷增長，該趨勢與國際間減少溫室氣體排放的共識相悖，如何在水泥產業中減少二氧化碳的排放已成為各界關注的重點。

根據美國管理諮詢公司麥肯錫（McKinsey）的統計數據顯示，全球約有7％的人為碳排來自水泥業，這也使得水泥成為重工業中碳排量最高的產業之一。全球水泥與混凝土協會（GCCA）水泥創新暨環境、社會與公司治理（ESG）部門負責人洛雷亞（Claude Loréa）表示，就算時至2050年，全球仍將有3/4的公共建設等待施建，預計水泥的用量將持續增長。

《華爾街日報》（The Wall Street Journal）解釋，目前各國廣泛使用的水泥為卜特蘭水泥（Portland Cement），該水泥在製程時會先以粘土、石灰石等原料研磨成生料，接著再以約1500°C的高溫將生料放入水泥窯爐中製成熟料（Clinker），水泥生產商最後會將熟料進行研磨，透過加入矽砂、爐石及水等物質混合成常見的卜特蘭水泥。

該報進一步指出，目前水泥業所產生的二氧化碳有90％是在熟料燒成階段釋放，其中石灰石加熱所釋出的二氧化碳約佔2/3，剩下1/3則由煤礦燃燒時產生。

考慮到水泥製程時所產生可觀的二氧化碳，部分水泥及建材業界現階段已開始尋求渠道改變。《華爾街日報》等外媒對此介紹「提高能源效率」、「使用清潔能源」、「替代性原料」及「碳捕集技術」4種業界嘗試的水泥減碳方式，盼能有效降低碳排並實現2050淨零排放目標。

提高效率：運用人工智慧減少水泥碳排
英國人工智慧（以下簡稱AI）材料科學新創公司Carbon Re使用AI及機器學習（ML）的演算法分析來加快水泥等建材脫碳的效率，以此優化水泥工業製程及燃料的使用。

Carbon Re共同創辦人奧沙利文（Adian O'Sullivan）表示，水泥行業面臨的主要問題即是燃料的浪費，尤其多數的水泥生產廠都會使用過量或品質參差不齊的煤炭來生產熟料，過程中便會導致大量二氧化碳的排放。

根據Carbon Re官網解釋，該新創公司主要採用AI數位對映（Digital twin）模式來分析水泥窯爐及相關設備的控制系統，以這種數位化類比的過程來給定水泥生產系統「最少燃料消耗、最大產出量」的最佳參數。

「AI在水泥產業的運用進展較為緩慢，然而Carbon Re所採用的AI機器深度學習（DL）能有效提高水泥工廠的運作效率，並為工廠操作員提供更明確的製程操作建議，最重要的是在整個生產過程中能源的消耗及二氧化碳排放都將顯著減少。」奧沙利文在該公司官網這般寫道。

奧沙利文另舉例，只要每家水泥工廠能降低2％的燃料消耗，積沙成塔下全球便有機會減少數百萬噸的碳排放，倘若該AI模式能進一步運用到佔總體碳排放量約20%的重工業，則對於全球能源消耗及碳排的減少更會是一大益處。

水泥 圖片來源： Rodolfo Quirós /pexels
無論是住宅、辦公或基礎建設，水泥都是常見的建築材料。圖片來源：Rodolfo Quirós /pexels
新燃料：太陽能也能生產水泥熟料
德國《太陽能雜誌》（PV Magazine）指出，總部位於瑞士的太陽能新創公司Synhelion已與墨西哥建材供應商Cemex合作，自2022年開始共同在西班牙馬德里一帶建造高聚光的太陽能接收器，欲藉此生產不含化石燃料的水泥熟料。

Synhelion執行長安布羅塞蒂（Gianluca Ambrosetti）解釋，太陽能接收器可提供足夠的熱能來產生混凝土熟料，其運作原理是在相關設備上安裝鏡面來反射日光，當光線集中至Synhelion的太陽能接收器頂部後便能使水泥窯爐增溫到約1482°C，從而在不使用化石燃料加熱的狀況下生成熟料。」

該公司亦進一步闡明：「傳統熟料通常於1500°C的水泥迴轉窯爐生產，在製程中不僅極為耗能且會排放大量二氧化碳，然而Synhelion與Cemex共同研發的這項技術能在高度熟料煅燒（Calcination）的過程中將殘存的二氧化碳有效分離及捕集，且中間不須採行其他步驟額外處理碳排。」

《太陽能雜誌》透露，Synhelion與Cemex近期亦獲得美國能源部（DOE）320萬美元（約新台幣1.002億元）的經費支持，盼研究出更高效的熱能儲存系統並加速其量產進程，2家公司的目標是在2030年之前實現以太陽能製成水泥熟料的商業量產。

新材料：以「天然物質」發展全球首創負碳排技術
據美國新聞網站《石英財經網》（Quartz）報導，巴哈馬新創公司Partanna跳脫傳統使用卜特蘭水泥作為膠凝黏合劑的建材模式，轉而研製出一種負碳排（Carbon Negative）的建築材料，此種黏合劑能使建物在整個生命週期中持續吸碳，類似林木所擁有的固碳能力。

《石英財經網》表示，Partanna研發的此項技術為全球首創，該黏合劑是利用海水淡化廠產生的鹵水（Brine）及鋼鐵煉製過程中所出現的礦渣組合而成的新型水泥。

Partanna共同創辦人兼執行長福克斯（Rick Fox）表示，當二氧化碳接觸到由鹵水和礦渣所製成的天然混合物時，可加工形成一種與傳統水泥同等用途的黏合劑。「我們在正常室溫下固化這種混合物，因此就算在生產水泥的過程中也不會產生多餘熱量。」福克斯如此說道。

此外，傳統混凝土長期接觸海水後黏著強度將逐漸減弱，但由於Partanna黏合劑是以鹵水作為原料，該材料在受海水影響後的黏著強度反而比傳統水泥高出25％，預計該建築材料有助於低窪沿海地區抵禦氣候變遷衝擊。

出生於巴哈馬的福克斯對此稱：「2019年來襲的颶風多利安（Hurricane Dorian）對我的家鄉巴哈馬帶來嚴重的傷害，因此我相信最容易受到氣候變遷影響的地區，更需要這種堅固的建築材料來保障巴哈馬人民的安全。」

Partanna官方網站另強調，一棟以鹵水黏著劑建造、面積為1250平方英尺（約116.13平方公尺）的房屋預計可除去大氣中182.6噸的二氧化碳，相當於5200棵成熟樹木每年的吸碳量。Partanna也與巴哈馬政府合作，目前該國有約1000棟房屋皆以此種鹵水黏著劑建成，同時Partanna也與美國拉斯維加斯（Las Vegas）的飯店業者討論在未來建案中使用該新型水泥的可能性。

碳捕存：40萬噸水泥碳排運至海底存放
國際能源總署（IEA）指出，碳捕捉、利用與封存技術（以下簡稱CCUS）是減少水泥產業碳排的重要手段，預計在2030年結束前，全球水泥業所產出的8％二氧化碳需進行有效封存，然而水泥業當前對CCUS的投資仍未到位，相關技術的研發亦進展緩慢。

面對此急迫性，德國上市建材公司海德堡材料（Heidelberg Materials）表示其已著手建造海底CCUS設施，並採用胺吸收法（Amine absorption）捕獲水泥製程中所產生的二氧化碳，接著會將捕集到的二氧化碳壓縮成液態並送入合作夥伴挪威石油公司Equinor、Shell以及TotalEnergies的海底管線，最終運送至挪威卑爾根（Bergen）市區附近的海床永久封存。

《華爾街日報》表示，身為全球最大水泥生產商的海德堡材料，預計有機會在2024年末開始將CCUS正式投入水泥生產中，全面運作後粗估每年可吸收約40萬噸的二氧化碳，該捕集與封存量將使挪威卑爾根周遭封存二氧化碳的海床成為全球首處由水泥業運行的大型CCUS場域。

海德堡材料公關長博梅爾伯格（Christoph Beumelburg）對此稱：「水泥行業目前具有相當大的脫碳潛力，且若該產業想要有效解決過量二氧化碳排放的問題，那麼CCUS絕對是我們需要考慮的技術。」