382期2024年03月號
出版日期:2024/03/15
觀念探索 Trend
水泥, 堅固難催的氣候課題
撰文/柯朗哈(Casey Crownhart) 翻譯/連育德
水泥隱身於日常生活,建造道路、大樓、水壩、地下室地板等等,都會用到它,但這些無所不在的灰色板塊,卻掩藏著氣候危機。水泥生產占全球二氧化碳排放量的7%以上,高於航空、航運、垃圾掩埋場等產業。
不論形式,人類製造水泥已有數千年歷史。古羅馬人把火山灰、碎石灰與海水混在一起,打造出引水道與萬神殿等代表性建築。現代版的水硬水泥(亦即與水作用後會逐漸硬化)可追溯到19世紀初,原料取得方便,製作起來簡單又便宜。發展至今,水泥已是全球最普及的建材之一,每年產量約40億噸。
水泥產業是一個多面向的氣候難題。水泥製程的能源密集度高,傳統水泥窯的內部溫度比火山爆發的熔岩更高,因此通常需要燃燒煤炭等化石燃料。製程還必須產生特定的化學反應,將磨碎的礦物轉換成水泥,過程會釋放出二氧化碳,也就是大氣中最常見的溫室氣體。
這場氣候浩劫的解方,可能就在賽布朗系統公司(Sublime Systems)的管路裡。這家新創企業由兩名麻省理工學院電池科學家所成立,他們正在研發全新的水泥製程,不在超高溫的水泥窯把碎石加熱,而是將碎石放在水中通電,觸發化學反應,藉此形成水泥的主要成分。
幾年前,賽布朗只能批次生產手掌大小的水泥,如今已經成立試點工廠,年產能約100噸,雖然遠遠不及年產量動輒百萬噸的傳統水泥廠,但形同跨出重要的第一步,證明電化學也有能耐生產這種在全球舉足輕重的建材。
賽布朗計畫在2030年前成立規模完整的水泥廠,年產能達百萬噸。然而,傳統大規模水泥廠的興建與裝備成本高達10億美元以上,賽布朗若想跟既有業者競爭,必須迅速擴產,同時進一步籌資來推動成長力道。零利率時代不再,加深各行各業的籌資難度,但對水泥業者更是如此。此外,營建業是高風險、低毛利的產業,賽布朗還得先說服建商採用這種新型水泥。
水泥產業每年碳排放量高達26億噸,要減碳必須解決水泥的兩個溫室氣體來源,也就是高溫與化學反應。
在現行製程中,石灰石、矽砂與黏土經過混合後研磨,經旋窯以攝氏1,500度的高溫鍛燒。高溫產生化學反應,將石灰石轉化為石灰,再跟矽砂與黏土的二氧化矽結合。這些化學反應很複雜,但最終的產物通常是一些矽、鈣與氧化合物的混合物,讓水泥加入水與砂石後能夠硬化成混凝土,形成堅固的建材。
除了水之外,人類(以重量計)使用最多的建材就是混凝土。水泥是混凝土的黏著劑,占體積約1成。
分析水泥製程的溫室氣體排放量,約4成來自於產生高溫的化石燃料。這是重工業的通病;非營利研究組織氣候工作基金會(ClimateWorks)的產業小組主管黛爾(Rebecca Dell)說,化石燃料的成本低,已經深植於工業製程。然而,隨著低成本的再生能源逐漸併入電網,愈來愈多工業領域也有機會改採電力。
以電窯生產水泥不再遙不可及,包括西麥斯(Cemex)在內的幾家大廠正在測試這項技術,以期降低高溫產生的碳排。電窯如果以再生能源發電,或許有助於降低水泥的氣候衝擊。
即便如此,水泥製程的其他碳排來源仍舊無解,約6成碳排並非來自高溫,而是將原料轉化成建材的化學反應。
多數水泥源自於石灰石,這是一種含有鈣、氧與碳的沉積岩,在水泥窯經化學反應後變成石灰,過程中會去除二氧化碳,通常釋放於大氣。二氧化碳占石灰石質量約一半,因此碳排加起來也很可觀。也就是說,水泥產業若要完全減碳,可能需要徹底改造。賽布朗從中看到機會。
「水泥這麼有意思,卻被大家忽略了。」賽布朗共同創辦人與執行長艾莉絲(Leah Ellis)說。她語速飛快,彷彿在趕時間,帶著加拿大口音滔滔不絕。她說明著複雜的水泥化學,粉紅鏡框下的雙眼炯炯有神。
艾莉絲原本並沒有打算走建材這一行。在加拿大長大的她,研究所的指導教授正是著名的電池技術先驅達恩(Jeff Dahn)。她後來到麻省理工學院攻讀博士,這次的指導教授是蔣業明,不但在電池研究同樣舉足輕重,更有多次創業經驗。蔣業明成立過幾家能源儲存公司,包括A123 Systems、24M與Form Energy等,目前與艾莉絲同為賽伯朗的共同創辦人。
艾莉絲剛到麻省理工學院,蔣業明便建議她一個不一樣的研究題材。她還記得被蔣業明叫到辦公室,竟然問她是否覺得研究電池很無趣。「我以為他是要套我的話。」她說:「畢竟他是有名的電池科學家。」但蔣業明有個構想,希望採用電化學這項電池化學技術,創新水泥製程。
他認為,不必燃燒化石燃料為水泥窯加溫,使用電力也可能觸發生產水泥所需的化學反應。
研究團隊後來發現可以使用電解裝置做到。電解裝置利用電力引發化學反應,通常用於將水分解成氫氣和氧氣。但電解裝置也能產生其他化學反應,例如酸與鹼,可能握有新型水泥製程的關鍵。
到了2019年,艾莉絲與幾名研究同仁研發出新技術,有機會實現蔣業明的初步構想。他們發現可以用電解裝置在槽中形成酸鹼值梯度,溶解的石灰石在酸性端,熟石灰在另一端。石灰接著與活性二氧化矽結合,形成與傳統水泥一樣的化合物。
後續再經過一些技術研發與產業分析,兩人決定以這項研究為基礎創辦公司,由艾莉絲掌舵。蔣業明說:「研究沒多久後,我就意識到這個構想可行,也有人可以推動。」
艾莉絲與實驗室夥伴在麻省理工學院的實驗初期,用這項技術生產的原料,只夠做出一個模具的水泥,如今賽伯朗經營4年,試點工廠上路營運,等於是跨出重要的一步。賽布朗的工程主任考伯特(Mike Corbett)說,生產線在2022年底啟動,產能規模是實驗室的20倍。
來到公司總部的試點工廠,空間龐大,牆面從左到右排列著不鏽鋼槽。在廠房一側的鋼槽放進磨碎的岩石,另一側的鋼槽則輸出熟石灰,亦即賽布朗水泥的主要成分之一。
經過多次試驗的最終成果就在旁邊,幾個5加侖的桶子堆放在鐵架上。考伯特和一位同事打開其中一個蓋子,裡頭裝滿熟石灰,外觀彷彿白色的粉筆粉末,有點結塊,就像小蘇打粉在盒子裡放太久一樣。
這些桶子的熟石灰還不夠蓋東西,工廠即使產能全開,也要一星期的量才能供應一輛混凝土車。以美國一般獨戶住宅為例,灌注地基需要3、4輛卡車的水泥。
賽布朗選擇將原料出貨到潛在夥伴、測試水泥砌塊、協助設計下一個水泥廠,又以後者最為重要,因為新廠的規模將比目前大出許多,最終證實賽伯朗的製程適用於水泥產業。
力求綠化水泥製程的企業,並非賽伯朗一家。曾任職於非營利研究機構洛磯山研究中心(Rocky Mountain Institute)產業小組、現為氣候必行基金會(Climate Imperative Foundation)倡議主任的拉莉特(Radhika Lalit)說,水泥產業的初期減碳工作聚焦在生產效率,例如加入一種稱為輔助膠結材料的填料,能夠與水泥中的活性成分產生反應,有助於減少總排放量,而不影響混凝土的特性。
但拉莉特指出,這個做法有侷限,填料加太多會開始降低水泥的強度與壽命。
水泥還能加入其他材料來降低氣候衝擊。比方說,加拿大公司解碳科技(CarbonCure Technologies)研發出一種新技術,能將二氧化碳注入水泥混合物。該公司指出,二氧化碳與水泥混合物作用,產生碳礦化,把二氧化碳鎖在水泥裡而不會釋放到大氣,又能增加強度。解碳科技公司正在與赫倫碳科技(Heirloom Carbon Technologies)等碳移除公司合作,展示如何以混凝土長期儲存二氧化碳。
但無論是降低原料使用量或加入填料,減碳成效終究有限,不可能無止盡靠提升效率來達到零碳排。拉莉特說,基於這個原因,許多水泥大廠希望在既有工廠添加碳捕捉與封存廠,在廢氣排放到大氣前捕捉二氧化碳,有助於工廠減少碳排,讓水泥產業不必完全被取代。
在既有的基礎設施增建碳捕捉技術,能夠延長傳統設備的壽命,對近年新蓋的水泥廠是一大福音,因為水泥廠的營運時間往往長達30到50年。但碳捕捉對重工業是否真的有效,尚未完全證實;拉莉特說,現行技術常常無法捕捉全數碳排,而少數既有的大型碳捕捉廠也面臨工期延宕。
根據洛磯山研究中心的數據,為了順利達到淨零目標,水泥產業必須在2030年前,在33到45座既有水泥廠增設碳捕捉設施。第一座工業規模等級、附加於水泥廠的碳捕捉設施預計今年上路。
碳捕捉系統的成本預計不斐,去除一噸二氧化碳的成本高達120美元,艾莉絲說這大約是目前水泥最終成本的1倍。
也是因為成本考量,賽布朗與多家新創企業不走碳捕捉路線,而是希望以非傳統的方式降低水泥碳足跡。
位於加州的布林斯通(Brimstone)是另一家資金雄厚的新創企業,以所謂的負碳排製程生產水泥。照公司執行長芬克(Cody Finke)的說法,這個製程最終從大氣吸附的二氧化碳高於排放量。
製程分為兩大部分。首先,布林斯通不採石灰石,用的是稱為矽酸鹽的礦物,芬克說矽酸鹽不含二氧化碳,因此水泥製程不會產生碳排。此外,矽酸鹽的廢棄物包括一種含鎂的原料,作用有如海綿,能夠吸收空氣的二氧化碳,進行碳礦化。
布林斯通的製程還是會產生碳排,主要是高溫所致,但芬克說,碳排能夠被碳礦化過程抵銷,尤其該公司又計畫使用電窯。該公司指出,如果電窯以一般美國電網供電,則原料的減碳量最終會高於碳排量,每噸水泥大約高出130公斤。
儘管有能源需求也會產生碳排,但布林斯通堅持高溫製程,因為它用的是水泥產業的主流化學配方。一般人所知的水泥通常就是所謂的波特蘭水泥,它的歷史可追溯到19世紀初,能夠生產品質穩定又強固的混凝土。但問題是,過程需要超高溫,因為這種水泥的重要成分之一是矽酸三鈣,必須在攝氏1,250度以上的高溫才能形成。
賽布朗原本也計畫生產波特蘭水泥。「考量水泥的成本低,我們覺得應該生產市場已經在用的水泥種類。」蔣業明說。但礙於製程的高溫需求,賽布朗擴大產能時不得不重新思考:「這個發明已經存在200年,我們卻想要創新。」
研究團隊決定另闢蹊徑,找到其他方法達到理想的化學鍵,強度媲美以波特蘭水泥生產的混凝土。賽布朗的原料不用矽酸三鈣,而是使用石灰與活性二氧化矽,跟水作用後產生最終原料。
選擇採取哪種水泥化學,乍看之下可能是小問題,但對營建業這樣的重大產業,卻可能是關鍵,決定了哪些新創企業能夠拿到大單與客戶,哪些企業又會消失匿跡。「大家對新型水泥會抱持問號,我覺得情有可原。」艾莉絲說完立刻更正自己:「但它也不能算是新型水泥。」
艾莉絲認為,賽布朗的水泥跟波特蘭水泥一樣堅固耐用,甚至有過之而無不及。但氣候必行基金會的拉莉特說,研發人員一開始有可能卻步,不肯放棄已知的原料。
如何大規模生產水泥、用於大型建案,是賽布朗的重大考驗之一。現代水泥廠的年產能通常超過100萬噸,賽布朗的試點廠只有100噸左右。差不多是「給螞蟻用的水泥廠」,艾莉絲說。
賽布朗把目標放在迅速擴大產能,下一個階段是要成立展示性質的商用級水泥廠,年產能達幾萬噸,預計在2026年初開始生產。「這樣的規模就能在水泥產業有能見度。」艾莉絲說。
再之後會有規模完整的商用水泥廠,年產能達100萬噸,跟一般水泥產一樣。賽布朗仍在規劃設廠地點,但希望在2028年正式啟用。
對於未來的挑戰,賽布朗兩位創辦人並無不切實際的想像。「水泥可能是最難經營的新創企業類型之一。」艾莉絲說:「不只是有技術難度,資本密集度也很高。產能規模要很大,而且又不光鮮亮麗……大家都會用到水泥,但不會放在眼裡。」
然而,如果能解決這個看不見的問題,就有機會翻轉全世界。水泥是撐起人類社會的鷹架,儘管創新製程不乏龐大考驗,卻攸關未來營建業的減碳成績單。
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