新配方!低碳水泥指日可待

初创公司Brimstone Energy表示,公司已发现气候友好型的石灰石替代品。

2021112303593439为何水泥生产的二氧化碳排放量占全球能源和工业二氧化碳排放总量高达7%呢?其主要原因就是水泥制造过程的核心化学反应。

一小部分科技企业家表示他们找到了更好的方法。Brimstone Energy 的联合创始人兼首席执行官

科迪∙芬克(Cody·Finke)就是其中之一。

“我们的梦想是让水泥脱碳,希望能尽快实现。”加州理工学院工程和应用科学博士Finke说。

现在的生产商都使用石灰石(一种常见的岩石)作为水泥的基本材料。他们开采、研磨,然后将其加热到大约相当于太阳表面四分之一的温度。这种高温会使二氧化碳从岩石中排出,进入大气,然后在大气中盘旋将近一个世纪或更长时间,吸收并重新辐射出太阳能。

石灰石是碳酸钙的一种形式,是一种化合物,化学式为CaCO₃。它由三种主要元素组成:钙、碳和氧。提取水泥所需的钙和氧会留下单个碳原子和两个氧原子——CO₂。水泥生产中 50% 到 65% 的 CO₂ 排放源是石灰岩,而不是将水泥窑加热到高温时产生的气体。

Brimstone 的替代配方将这种石灰石换成硅酸钙岩石,这种岩石很常见。硅酸盐含有相同的氧化钙,通常称为石灰。但“此类岩石中……不含CO₂”Finke说。

使用替代源岩还可以让Brimstone 生产时降低窑温,这是公司减少二氧化碳排放的另一种方式。水泥生产过程的一个关键部分就大学需要900 摄氏度的温度,而另一个关键部分需要1450摄氏度。相比之下,Brimstone的工艺仅需要20%的热能就达到需求的500度的高温。

由于温度降低,Brimstone在生产过程中,可大部分使用电窑,而非煤、石油焦或天然气燃烧的窑。目前,该公司仍希望在其最热那20%中燃烧化石燃料,或者在可用的情况下使用氢气。Finke说,整个过程都可通电,但这并非最经济的做法。不过,即使部分使用电窑,也能降低碳排放。

Brimstone Energy是一家处于早期阶段的初创公司,目前正在筹集资金建设一个试点生产设施。从 2019 年开始,它从美国能源部的高级研究计划署能源 (ARPA-E)、国家科学基金会和许多其他来源筹集了 200 万美元。去年,它通过比尔·盖茨的突破性能源风险投资公司、DCVC、影响力基金 Accelr8 和合作基金又筹集了 500 万美元的种子资金。该公司正在对其新型水泥制造工艺进行外部验证。

在约翰霍普金斯大学教授环境技术任职的物理学家彼得·桑德里(Peter·Saundry)说,这家初创公司获得 ARPA-E和NSF资助的事实很有意义。他说,NSF的提案将促使该公司的化学成分接受同行评审,“这是一个好兆头,至少从基础科学的角度来看,他们已经有了一些有意义的东西。”

新配方,新商业模式

全国预拌混凝土协会的莱昂内尔·勒梅 (Lionel·Lemay) 表示,该领域的初创企业长期资金不足,有些甚至因资金不足,最终只能以失败告终。其他公司,虽然没有彻底失败,但它们的产品永远不可能实现广泛运用,例如低碳水泥 LC3。

对于那些对Brimstone前景持怀疑态度的人,Brimstone给出了一个答案:该公司将销售除水泥之外的另一种产品。

水泥公司倾向于垂直整合。例如,在美国经营的最大的水泥公司Cemex和海德堡水泥公司拥有水泥厂和采石场,他们在那里开采岩石或骨料,当您仔细检查一块混凝土时就会看到这些。

为了节省资金或降低碳排放,水泥制造商会选择购买性价比较高的混凝土中使用的水泥材料(补充胶凝材料,行业用语为SCM)。这些替代材料通常包括粉煤灰,它是燃煤发电厂燃烧煤的粉末状副产品,或来自高炉的炉渣。

Finke 表示,Brimstone可以再同一硅酸钙岩石中既提供水泥,又提供SCM。他说,这硅酸钙岩石与目前常用的粉煤灰和矿渣“在化学和物理上作用相同”;它们已成功通过标准组织 ASTM International 的标准测试。

Finke表示,假设水泥制造商采用 Brimstone 的工艺,“我们与水泥或混凝土公司X合作,该公司拥有一个骨料采石场,我们可以将他们已经开采的用于骨料的岩石变成水泥和补充胶凝材料。”

但这里也存在一个挑战,那就是硅酸钙岩石中石灰的浓度低于石灰岩。这意味着需要处理更多的岩石,大约多出了约30%到250%,如此才能生产相同数量的石灰。但Finke表示,由于 Brimstone 的工艺不包括粉煤灰,因此所需材料的总吨位与其他水泥制造商使用的材料吨位相当。

世界水泥协会首席执行官伊恩·莱利 (Ian·Riley) 表示,向市场推出新水泥是出了名的困难。结构混凝土的制造商制造新水泥时,在使用哪些成分方面受到不同建筑标准和规范的限制。

“这不是它是否有效的问题。这是一个是否每个人都相信它会奏效的问题,”他说。他举了Calera公司的例子,该公司有一种替代水泥产品“效果很好,但他们无法在监管方面取得进展。”

美国经济自由研究所最近的一份报告得出了同样的结论,指出监管机构是阻碍创新水泥产品开发的关键瓶颈。“规范性标准、过时或限制性的采购标准以及良好的行业关系使初创公司难以获得重要的采购合同或政府补助。”

但是,越来越多的人认为需要清理水泥的解决方案。从水泥行业会议到智囊团,再到最近结束的COP26气候峰会,这个话题无处不在。

“这听起来很棒,”Lemay 谈到 Brimstone 提议的商业模式时说。“我希望它是真的。我愿意相信。”

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