綠化現代世界的基石是可能的，也是至關重要的。

德國杜伊斯堡一家工廠，使用低二氧化碳濃度方法生產的鋼卷。來自：Friedemann Vogel/EPA-EFE/Shutterstock

水泥Cement和鋼鐵steel，是建筑、汽車、水壩、橋梁和摩天大樓諸多領域的地基和主結構成分。只是這兩種材料隱身不見，無法坦然示人。現代人對這些行業的外在觀感是：必要、廉價、有用、灰暗、沉悶、臟污和沒人味，但最多的感覺還是丑陋。（小編注：然而， 正是鋼鐵與建材，鑄就了現代文明世界，這兩種材料是骨骼架構與根基，卻無法袒露外現，只因為真理需要光環的外衣）。不過，水泥生產過程中，每年產生23億噸二氧化碳；鋼鐵生產，每年排放約26億噸二氧化碳，分別占全球二氧化碳排放量的6.5%和7.0%[1]。

在一定程度上，這是由于水泥和鋼鐵材料的大量使用：混凝土是地球上消費量第二大材料，僅次于清潔水。這也要歸功于其碳密集型生產方法。所涉及化學反應會釋放二氧化碳，燃燒化石燃料以提供制造過程中所需極端溫度，也是如此。

為此，迫切需要更清潔的方法，制造和使用水泥和鋼鐵。即使工業需求在增長，能源價格在飆升，世界必須在2050年前，實現凈零碳排放。必須建立基礎設施、技術轉讓和降低金融風險機制，才能讓低排放重工業蓬勃發展。

近日，英國 倫敦帝國理工學院(Imperial College London) Paul Fennell，Justin Driver，加拿大 西蒙弗雷澤大學(Simon Fraser University) Chris Bataille，美國 加利福尼亞大學Steven J. Davis在Nature上發表評述文章，強調研究和行動的九個優先事項。鋼鐵制造工藝需要重新思考；水泥的最大收益，將需要碳捕獲和儲存carbon capture and storage (CCS)。總之，這些措施，可以讓鋼鐵接近碳中和carbon neutral，讓水泥成為碳匯carbon sink。

一、采用最新技術

確保生產工廠配備最好的可用技術，并可提供直接收益。改善工業廠房保溫，可節約26%能源消耗；更好的鍋爐，減少了高達10%能源需求；熱交換器的使用，可以將精煉過程動力需求降低25%[2]。舊的、效率低的工廠,通常會被更現代化設施所擊敗，因此，隨著時間推移，工業變得更加高效。然而，隨著行業成熟和改進增加，收益會減少。如今，通過技術升級，最高效水泥廠每年只能節省0.04%能源[3]。顯而易見，需要做更多工作和努力。

二、減少用量

同樣工作，可以使用較少量鋼材和水泥。今天，全世界每人每年生產530公斤水泥和240公斤鋼鐵。根據國際能源署（International Energy Agency）數據，建筑法規以及建筑師、工程師和承包商微小但意義重大的改變，可能會使水泥需求減少26%，鋼材需求減少24%。為了安全起見，許多建筑規范，都依賴于過度設計。通過使用現代材料和計算機建模來削減設計，只使用必要數量的資源，可以限制這一差額。對于特定用途，碳足跡較小的替代材料，如鋁，可能會在包括汽車在內的一些產品中取代鋼。專業人士將不得不改變做法并重新審視新材料選擇。

三、徹底重塑鋼鐵生產工藝

碳Carbon是傳統鋼鐵生產的核心。焦炭Coke（來源于煤coal）為高爐提供燃料，在高爐中，鐵礦石在高達2，300°C溫度下，將鐵礦石化學還原為金屬鐵。焦炭燃燒產生一氧化碳，將礦石還原為鐵和二氧化碳。然后將鐵水精煉成鋼，通常在燃煤爐中進行，但有時（特別是在回收廢料時）在電弧爐 electric arc furnace （EAF）中進行。該工藝每噸鋼排放約1，800千克二氧化碳或更多。

可以使用其它物質還原礦石。世界上大約5%鋼鐵，是通過“直接還原鐵”direct reduced iron（DRI）工藝生產的，這種工藝不需要焦炭，通常使用氫氣和一氧化碳（從甲烷或煤中提取）。通過使用甲烷衍生氣體和可再生電力為電爐提供動力，這類鋼鐵廠每生產一噸鋼排放約700千克二氧化碳[5]，比以焦炭為原料的鋼鐵廠少61%。

更好的是，直接還原鐵只使用氫氣，每噸鋼的二氧化碳排放量，有望減少到50公斤或更少，即減少了97%。歐洲、中國和澳大利亞公司，正在試點這樣的工廠，其中幾家計劃在2025年或2026年投產。其主要挑戰在于，這一過程需要大量氫氣。

以這種直接還原鐵方式，生產所有鋼鐵，意味著全球氫氣產量幾乎增加兩倍，從每年6000萬噸增加到約1.35億噸。如今，最便宜的氫氣，來自釋放二氧化碳的天然氣。更環保的選擇，是用電解器分解水，目前大約要貴2.5倍。隨著更多工廠的建成，成本應該會下降。

當然，還有其他選擇值得追尋。2004年，15個歐洲國家的48家公司和組織組成的超低二氧化碳煉鋼聯盟，對這些方案進行了評估。總部位于印度賈姆謝普爾（Jamshedpur）塔塔鋼鐵（Tata Steel）于2010年，在荷蘭建立了先進煉鋼工藝的試點工廠，該工藝仍以煤炭為基礎，但進行了部分簡化，以使碳捕獲更容易。使用可再生能源生產綠色氫氣的價格不斷下降，現在正吸引塔塔鋼鐵，使用基于氫氣的直接還原鐵DRI生產工藝。

一種很有前景的替代氫氣方法，是利用電通過電解還原鐵礦石。馬薩諸塞州的波士頓金屬公司（Boston Metal）和盧森堡的安賽樂米塔爾公司（Arcelor Mittal）正在探索這種方法。

四、重塑水泥工業

普通波特蘭水泥Portland cement（最常見水泥類型）生產，起始于石灰石煅燒，將石灰石加熱到850°C以上溫度，以形成石灰和二氧化碳。石灰與沙子和粘土在1，450°C窯爐中混合制成熟料。其他一些成分混合在一起制成水泥。高質量工廠大約60%排放物來自煅燒反應，其余大部分來自燃燒燃料。總體而言，在普通工廠中，該工藝每噸水泥產生約800千克二氧化碳，即在先進工藝的工廠也會產生600千克二氧化碳[6]。

水泥可以不用石灰石limestone制造。例如，氯氧鎂水泥Magnesium oxychloride cement，Sorel，自1867年以來一直存在，但由于其耐水性較低，因此尚未商業化。數十種水泥變體正在加緊研發過程。然而，為了在建筑中使用先進水泥新材料，建筑規范、設計和實踐必須進行修改，以考慮到這些材料的不同強度和特性。這可能會需要十多年的時間。

日本水泥原料開采航拍。石灰石是水泥生產過程中，二氧化碳排放的主要來源。Credit: Kokouu/Getty

另一種選擇是，用更可持續材料取代一些熟料[7]。最常見生物質材料，包括高爐爐渣blast-furnace slag和燃煤發電站的灰燼ash。但是，當化石燃料逐步淘汰時，這些材料將會變得稀缺。研究人員正在研究其他選擇，包括從電弧爐和直接還原鐵電弧爐鋼加工中回收鐵爐渣。

其中，較有前景的實例是石灰石煅燒粘土水泥（LC3），其性能與普通波特蘭水泥相似，已經接近商業化，而且很容易轉換。最多可更換其中一半熟料[8]。一些公司已經將LC3技術納入其凈零戰略，其中包括法國公司拉法基豪瑞（LafargeHolcim）和德國公司海德堡水泥（Heidelberg Cement）。

五、更換燃料

就鋼鐵生產而言，建議用木炭或其他形式生物質燃料，取代煤炭和焦炭是很極具前景的，但也有挑戰。生物質能源需求不斷增長，可能與農業對土地需求相沖突，而且并非所有生物質都是可持續材料。木炭強度太低（與焦炭相比），無法支撐高爐內的物料層。如上所述，重新考慮鋼材加工工藝，可能是更好的解決方案。

就水泥而言，城市固體廢物，或細化分類垃圾，可以作為替代燃料：窯爐內高溫焚燒了廢棄物中的有毒物質，灰燼可以用于熟料。墨西哥Cemex公司在英國水泥廠的能源中，有57%來自這些替代燃料，英國漢森公司的替代燃料消費為52%。應鼓勵這一發展戰略，包括在國家一級通過適當的規范條例。

六、碳捕獲

碳捕獲carbon capture and storage，CCS，即吸收二氧化碳并將其封存在地下，對于降低水泥生產排放，是至關重要的，同樣對鋼鐵也很重要。

CCS碳捕獲在其他一些行業是比較先進的。自20世紀90年代末以來，挪威國家石油公司Equinor一直在運營碳捕獲CCS項目，每年掩埋約100萬噸二氧化碳。但這項技術沒有得到充分拓展利用。目前僅有0.1%全球排放量捕獲和儲存。只有少數鋼鐵廠和混凝土廠在試驗碳捕獲CCS。例如，阿布扎比一家現代化直接還原鐵（DRI）鋼鐵廠，自2016年以來一直使用碳捕獲CCS。碳捕獲CCS必須迅速擴大規模。

其中主要問題是，CO2流純度需要超過99.9%，以降低壓縮和儲存氣體成本。典型鋼鐵廠和水泥廠煙道，約30%CO2組成；其余主要是氮氣和蒸汽。水泥工業的一種選擇是，在氧氣和再循環煙氣混合物中燃燒燃料，留下相對純CO2流。但這是極具有挑戰性的：因為涉及到密封非常熱的旋轉窯。

另一種方法是，從煅燒過程中分離CO2，間接加熱石灰石，以便將加熱產生的排放物與石灰石產生排放物相分離。石灰石排放物幾乎是純凈的，不需要進一步處理，從而降低了碳捕獲CCS成本。Leilac 1和Leilac 2項目（分別位于比利時Lixhe和德國漢諾威）正在對此進行試驗。Leilac 2正在捕獲水泥廠約20%過程排放，每年約100，000噸[10]。

七、CO2封存于混凝土

水泥通過加入水、沙子和石頭變成混凝土。水引發化學反應，使材料變硬并使聚集體結合。添加二氧化碳可以使水泥更堅固。如果二氧化碳僅占混凝土重量1.3%，則材料硬度可增加約10%。這減少了結構中所需的水泥數量，以及凈排放量約5%。

優化混凝土工藝的碳捕獲，是相對活躍的研究領域。加拿大達特茅斯（Dartmouth）CarbonCure等領先企業，已經在大規模向混凝土中注入二氧化碳：該公司報告稱，已經交付了近200萬卡車的CarbonCure混凝土，節省了13.2萬噸二氧化碳。

水泥和混凝土，都通過將鈣基成分轉化回石灰石，從而吸收空氣中的二氧化碳。這一工藝過程的潛力是巨大的：理論上，水泥生產過程中，大約一半二氧化碳排放，可以被重新吸收。但這些材料在其使用壽命結束時必須被碾碎，以使混凝土顆粒變得更小，從而使二氧化碳能夠更好地擴散。這很昂貴，而且需要能源。

因為碎混凝土，可吸收二氧化碳量尚不確定，為此，尚未納入在《聯合國氣候變化框架公約》排放清單。但英國政府，正在與倫敦礦產品協會（Mineral Products Association）合作，對此進行調查，全球碳計劃（Global Carbon Project）已開始，將其納入年度碳預算。為此，需謹慎行事，避免抑制碳捕獲CCS和更多減少水泥碳足跡的技術。

八、回收鋼鐵

電弧爐可以有效地回收鋼鐵材料。如今，四分之一鋼鐵生產是基于回收廢料。在全球范圍內，預計到2050年，循環生產將翻一番，從今天起減少20-25%排放量（取決于如何生產電力）[11]。

然而，目前不可能無休止地回收鋼材。類“流浪漢Tramp”材料，即不受歡迎的化合物（特別是銅），也在不斷增加。廢棄物料需要更細致分類和重新設計產品，使銅線更容易拆除，可以減緩其增長速度。

九、財政補貼

總之，以上八個步驟的實施潛力是巨大的（見“摩天大樓脫碳Decarbonizing a skyscraper”）。但是，如果低碳重工業，要達到每年百萬噸生產規模，就必須克服更多的經濟阻礙。

摩天大樓脫碳。圖表顯示了不同過程，如何減少100層摩天大樓的碳排放。

鋼鐵生產工藝的純氫直接還原鐵（DRI）工廠，水泥碳捕獲和儲存（CCS）設施，僅處于試點到早期商業階段。擴大其生產規模既昂貴又有風險。低碳產品缺乏競爭優勢和市場。目前，發展中國家的大部分建設活動都集中在鋼鐵和建材兩大重工業，為此，需要分享最新技術，并實施降低金融風險機制。

根據歐盟排放交易計劃（ETS），在正確的方向上，需要邁出一小步，實現化石燃料與生物質或氫進行交換，或進行碳捕獲和儲存CCS的小額放款。這還不夠。有條件的、有規模的政府補貼，類似于刺激風能和太陽能技術投資的上網電價，將會更加有效[12]。

碳捕獲和儲存CCS的完全脫碳，預計將會使波特蘭水泥的生產成本增加一倍，目前約為每噸100美元。水泥補貼需要與之匹配。零排放鋼鐵成本預計將比標準鋼鐵高出20%至40%，標準鋼鐵成本通常約為每噸600美元，因此，鋼鐵補貼將需要達到每噸240美元。對歐盟來說，可以估計這可能在10年內花費高達2000億美元。

各大鋼鐵和建材生產商，不得不承受這些生產成本的沖擊。用戶和制造商受到的影響會較小。脫碳鋼只會使汽車價格增加0.5-2%，使建筑成本增加高達15%（建筑本身只占房地產總價值1-3%）[13]。

為此，有必要制定相應的政策和措施，以鼓勵這些新材料發展全新布局。此刻，正當其時，鋼鐵和水泥建材產業，正加足馬力，參戰這場凈零碳的全球錦標賽！

參考文獻

1. IEA. Tracking Industry 2020 (International Energy Agency, 2020).

2. Napp, T. A., Gambhir, A., Hills, T. P., Florin, N. & Fennell, P. S. Renew. Sustain. Energy Rev. 30, 616–640 (2014).

3. WBCSD Cement Sustainability Initiative. Cement Industry Energy and CO2 Performance: Getting the Numbers Right (World Business Council for Sustainable Development, 2016).

4. IEA. Material Efficiency in Clean Energy Transitions (International Energy Agency, 2019).

5. Rissman, J. et al. Appl. Energy 266, 114848 (2020).

6. Worrell, E., Price, L. K., Martin, N. C., Hendriks, C. & Meida, L. O. Annu. Rev. Energy Environ. 26, 303–329 (2001).

7. UN Environment, Scrivener, K. L., John, V. M. & Gartner, E.M. Cem. Concr. Res. 114, 2–26 (2018).

8. Scrivener, K., Martirena, F., Bishnoi, S. & Maity, S. Cem.Concr. Res. 114, 49–56 (2018).

9. Fennell, P. S., Davis, S. J. & Mohammed, A. Joule 5, 1305–1311 (2021).

10. Hills, T. P., Sceats, M., Rennie, D. & Fennell, P. Energy Procedia 114, 6166–6170 (2017).

11. Xylia, M., Silveira, S., Duerinck, J. & Meinke-Hubeny, F. Energy Effic. 11, 1135–1159 (2018).

12. Sartor, O. & Bataille, C. Decarbonising Basic Materials in Europe: How Carbon Contracts-for-Difference Could Help Bring Breakthrough Technologies to Market (Institute for Sustainable Development and International Relations, 2019).

13. Rootzén, J. & Johnsson, F. Energy Policy 98, 459–469 (2016).

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/d41586-022-00758-4

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-00758-4