新甫京3522水泥碳汇及其对满世界碳失汇的孝敬探究

  中国科学院沈阳应用生态研究所郗凤明研究员课题组在全球碳失汇问题研究中取得新进展。在国家自然科学基金面上项目“水泥碳汇及其对全球碳失汇的贡献研究”(项目批准号41473076)资助下,该课题组与国内外16家研究机构合作,阐明和量化了水泥材料全生命周期的碳吸收,发现水泥材料是重要的碳汇,水泥材料的碳吸收、我国碳排放高估是全球碳失汇的重要成因,能够解释全球碳失汇量的比例超过20%,为揭示碳失汇成因提供了一个新的独特的视角。研究成果以“Substantial global carbon uptake by cement carbonation”为题于2016年11月21日在线发表在Nature Geoscience上。论文链接

  政府间气候变化专业委员会(IPCC)第五次评估报告表明,产业生产和土地利用等人类活动导致的大量碳排放是全球气候变化主要原因。水泥生产过程因其碳排放大、增长速度快而一直受到广泛关注。水泥生产过程碳排放约占全球能源活动和工业生产过程碳排放的5%,我国水泥的生产和消费量占全球的一半以上,水泥生产过程的碳排放占我国总排放量的比例高达9%。然而,水泥材料在使用过程中,又不断吸收外界的二氧化碳,这一吸收过程的碳汇量一直没有得到重视和量化。科学家们需要了解水泥材料在环境中的全生命周期碳吸收量,并且对其累积效应进行甄别,分析其对碳循环的影响。

  该项研究采用了生命周期评价和碳化模型方法来研究水泥材料的碳化过程和影响因素。研究人员首次构建了水泥材料碳吸收核算方法,通过将水泥材料分为混凝土、水泥砂浆、建设过程中的水泥废弃物和水泥窑灰,分别量化不同环境条件下的不同水泥材料的碳吸收。研究发现,1930-2013年全球水泥工业过程碳排放高达104亿吨碳,而同期水泥材料碳汇吸收量高达45亿吨碳,即这个时期内43%的水泥工业过程的碳排放又被使用后的水泥材料吸收回来。从全球不同国家和区域来看,1994年以前,欧洲水泥碳汇量最大,尔后中国年碳汇量占比逐渐增大。从不同的水泥材料来看,水泥砂浆的碳汇量最大,这是由于水泥砂浆使用厚度小、暴露表面积大、碳化速度快。与水泥工业过程碳排放相比,水泥材料的碳汇吸收的时滞效应非常明显,水泥在生产年份的碳排放,将在水泥使用后的几十年到几百年的时间内被吸收回来。但是由于水泥使用量的逐年增加和多年的累积效应,水泥材料碳化的碳汇量不容忽视。该研究成果为废弃混凝土等建筑垃圾作为碳捕捉和碳封存材料提供了一种潜在的方法,为我国应用建筑垃圾发展碳捕捉和碳封存技术提供了理论支持,同时将有助于完善当前“IPCC温室气体清单编制方法”中水泥行业碳排放核算方法学的不足,为我国气候变化国际谈判提供科学数据。

  在全球碳循环研究中,“失踪的碳汇”一直是科学家多年不断探索的重要科学难题。该研究成果为寻找“失踪的碳汇”提供了新的视角,对认识人类活动的碳汇过程及其对全球碳循环的影响具有重要的科学意义。该论文被审稿专家评价为“一项创新性的工作,对全球碳循环、气候变化、碳减排的研究有重要意义”。科学杂志(Science)采访了该论文在美国的合作者,并同期配发了报道文章Cement soaks up greenhouse gases,报道链接

  该课题组在全球碳失汇问题方面已开展了一系列研究工作,在前期工作中,与国内外24家研究机构合作,利用中国能源和水泥生产过程的实测排放因子,重新修订了我国能源活动和水泥生产过程的碳排放,发现国际机构对我国能源和水泥生产过程碳排放的高估比例达14%,表明对能源活动和水泥生产碳排放的高估也是全球碳失汇的原因之一。论文曾发表于Nature(Nature, 2015, 524,335-338)。

  该项研究的国内外合作团队还在生命科学部、工程与材料科学部和管理科学部先后得到国家自然科学基金青年基金项目(项目批准号31100346、41501605)、面上项目(项目批准号51578344)、 重点项目(项目批准号71533005)和海外及港澳学者合作研究基金项目(项目批准号41629501)的资助。