水泥生产的过程中会排放大量二氧化碳，然而全球多数主要城市对于住房及公共建筑的需求仍不断增长，该趋势与国际间减少温室气体排放的共识相悖，如何在水泥产业中减少二氧化碳的排放已成为各界关注的重点。
新创公司synhelion利用光电生产水泥熟料。图为镜面将太阳辐射集中到synhelion的太阳能塔接收器。图片来源：synhelion
根据美国管理咨询公司麦肯锡（McKinsey）的统计数据显示，全球约有7％的人为碳排来自水泥业，这也使得水泥成为重工业中碳排量最高的产业之一。全球水泥与混凝土协会（GCCA）水泥创新暨环境、社会与公司治理（ESG）部门负责人洛雷亚（Claude Loréa）表示，就算时至2050年，全球仍将有3/4的公共建设等待施建，预计水泥的用量将持续增长。
《华尔街日报》（The Wall Street Journal）解释，目前各国广泛使用的水泥为卜特兰水泥（Portland Cement），该水泥在制程时会先以粘土、石灰石等原料研磨成生料，接着再以约1500°C的高温将生料放入水泥窑炉中制成熟料（Clinker），水泥生产商最后会将熟料进行研磨，透过加入矽砂、炉石及水等物质混合成常见的卜特兰水泥。
该报进一步指出，目前水泥业所产生的二氧化碳有90％是在熟料烧成阶段释放，其中石灰石加热所释出的二氧化碳约占2/3，剩下1/3则由煤矿燃烧时产生。
考虑到水泥制程时所产生可观的二氧化碳，部分水泥及建材业界现阶段已开始寻求渠道改变。 《华尔街日报》等外媒对此介绍「提高能源效率」、「使用清洁能源」、「替代性原料」及「碳捕集技术」4种业界尝试的水泥减碳方式，盼能有效降低碳排并实现2050净零排放目标。
提高效率：运用人工智慧减少水泥碳排
英国人工智慧（以下简称AI）材料科学新创公司Carbon Re使用AI及机器学习（ML）的演算法分析来加快水泥等建材脱碳的效率，以此优化水泥工业制程及燃料的使用。
Carbon Re共同创办人奥沙利文（Adian O'Sullivan）表示，水泥行业面临的主要问题即是燃料的浪费，尤其多数的水泥生产厂都会使用过量或品质参差不齐的煤炭来生产熟料，过程中便会导致大量二氧化碳的排放。
根据Carbon Re官网解释，该新创公司主要采用AI数位对映（Digital twin）模式来分析水泥窑炉及相关设备的控制系统，以这种数位化类比的过程来给定水泥生产系统「最少燃料消耗、最大产出量」的最佳参数。
「AI在水泥产业的运用进展较为缓慢，然而Carbon Re所采用的AI机器深度学习（DL）能有效提高水泥工厂的运作效率，并为工厂操作员提供更明确的制程操作建议，最重要的是在整个生产过程中能源的消耗及二氧化碳排放都将显著减少。」奥沙利文在该公司官网这般写道。
奥沙利文另举例，只要每家水泥工厂能降低2％的燃料消耗，积沙成塔下全球便有机会减少数百万吨的碳排放，倘若该AI模式能进一步运用到占总体碳排放量约20%的重工业，则对于全球能源消耗及碳排的减少更会是一大益处。
新燃料：太阳能也能生产水泥熟料
德国《太阳能杂志》（PV Magazine）指出，总部位于瑞士的太阳能新创公司Synhelion已与墨西哥建材供应商Cemex合作，自2022年开始共同在西班牙马德里一带建造高聚光的太阳能接收器，欲借此生产不含化石燃料的水泥熟料。
Synhelion执行长安布罗塞蒂（Gianluca Ambrosetti）解释，太阳能接收器可提供足够的热能来产生混凝土熟料，其运作原理是在相关设备上安装镜面来反射日光，当光线集中至Synhelion的太阳能接收器顶部后便能使水泥窑炉增温到约1482°C，从而在不使用化石燃料加热的状况下生成熟料。 」
该公司亦进一步阐明：「传统熟料通常于1500°C的水泥回转窑炉生产，在制程中不仅极为耗能且会排放大量二氧化碳，然而Synhelion与Cemex共同研发的这项技术能在高度熟料煅烧（Calcination）的过程中将残存的二氧化碳有效分离及捕集，且中间不须采行其他步骤额外处理碳排。」
《太阳能杂志》透露，Synhelion与Cemex近期亦获得美国能源部（DOE）320万美元（约新台币1.002亿元）的经费支持，盼研究出更高效的热能储存系统并加速其量产进程，2家公司的目标是在2030年之前实现以太阳能制成水泥熟料的商业量产。
新材料：以「天然物质」发展全球首创负碳排技术
据美国新闻网站《石英财经网》（Quartz）报导，巴哈马新创公司Partanna跳脱传统使用卜特兰水泥作为胶凝黏合剂的建材模式，转而研制出一种负碳排（Carbon Negative）的建筑材料，此种黏合剂能使建物在整个生命周期中持续吸碳，类似林木所拥有的固碳能力。
《石英财经网》表示，Partanna研发的此项技术为全球首创，该黏合剂是利用海水淡化厂产生的卤水（Brine）及钢铁炼制过程中所出现的矿渣组合而成的新型水泥。
Partanna共同创办人兼执行长福克斯（Rick Fox）表示，当二氧化碳接触到由卤水和矿渣所制成的天然混合物时，可加工形成一种与传统水泥同等用途的黏合剂。 「我们在正常室温下固化这种混合物，因此就算在生产水泥的过程中也不会产生多余热量。」福克斯如此说道。
此外，传统混凝土长期接触海水后黏着强度将逐渐减弱，但由于Partanna黏合剂是以卤水作为原料，该材料在受海水影响后的黏着强度反而比传统水泥高出25％，预计该建筑材料有助于低洼沿海地区抵御气候变迁冲击。
出生于巴哈马的福克斯对此称：「2019年来袭的飓风多利安（Hurricane Dorian）对我的家乡巴哈马带来严重的伤害，因此我相信最容易受到气候变迁影响的地区，更需要这种坚固的建筑材料来保障巴哈马人民的安全。」
Partanna官方网站另强调，一栋以卤水黏着剂建造、面积为1250平方英尺（约116.13平方公尺）的房屋预计可除去大气中182.6吨的二氧化碳，相当于5200棵成熟树木每年的吸碳量。 Partanna也与巴哈马政府合作，目前该国有约1000栋房屋皆以此种卤水黏着剂建成，同时Partanna也与美国拉斯维加斯（Las Vegas）的饭店业者讨论在未来建案中使用该新型水泥的可能性。
碳捕存：40万吨水泥碳排运至海底存放
国际能源总署（IEA）指出，碳捕捉、利用与封存技术（以下简称CCUS）是减少水泥产业碳排的重要手段，预计在2030年结束前，全球水泥业所产出的8％二氧化碳需进行有效封存，然而水泥业当前对CCUS的投资仍未到位，相关技术的研发亦进展缓慢。
面对此急迫性，德国上市建材公司海德堡材料（Heidelberg Materials）表示其已着手建造海底CCUS设施，并采用胺吸收法（Amine absorption）捕获水泥制程中所产生的二氧化碳，接着会将捕集到的二氧化碳压缩成液态并送入合作伙伴挪威石油公司Equinor、Shell以及TotalEnergies的海底管线，最终运送至挪威卑尔根（Bergen）市区附近的海床永久封存。
《华尔街日报》表示，身为全球最大水泥生产商的海德堡材料，预计有机会在2024年末开始将CCUS正式投入水泥生产中，全面运作后粗估每年可吸收约40万吨的二氧化碳，该捕集与封存量将使挪威卑尔根周遭封存二氧化碳的海床成为全球首处由水泥业运行的大型CCUS场域。
海德堡材料公关长博梅尔伯格（Christoph Beumelburg）对此称：「水泥行业目前具有相当大的脱碳潜力，且若该产业想要有效解决过量二氧化碳排放的问题，那么CCUS绝对是我们需要考虑的技术。」
※ 本文经授权转载自《关键评论网》，原文标题〈欧美新创公司打造「零碳水泥」：运用AI加快脱碳、太阳能生产水泥熟料、研制负碳排建材〉。不适用CC共创授权条款。
参考资料：
1.华尔街日报（2023年8月24日），Building Green: New Technologies to Create Less Polluting Cement
2.PV Magazine（2023年8月7日），Synhelion starts building solar tower for cement production
3.Quartz（2023年10月20日），The Bahamas is introducing the world's first carbon-negative construction tech
4.Carbon Re（2022年4月7日）， How AI is helping cement plant operators reduce energy consumption and carbon emissions
资料来源：环境资讯中心
