氢气,钢铁脱碳的未来

钢铁是工业部门第一大碳排放来源,实现减排目标首当其冲,又任重道远。

在钢铁行业碳中和研究的🔗第一篇中,我们主要分析了行业现状和减排的挑战与机遇,本文则将聚焦介绍与氢气相关的钢铁冶炼创新应用,及其如何助力行业减排。系列的后续推文中,我们也将带来更多钢铁行业的创新解决方案,欢迎关注。

1.氢气:钢铁行业脱碳的未来

要实现工业脱碳目标,无论是钢铁行业还是水泥或化工行业,未来必然都需要使用大量的绿氢替代化石能源和原料。在钢铁冶金行业,氢能发挥的作用尤为明显。

基础炼铁过程中会使用到三种还原剂:碳、氢和电。基于此,任何清洁生产工艺的目标都是从碳转向氢气和/或电力。根据落基山研究所的最新报告,在清洁效率和技术成熟度的综合考虑下,氢冶金,尤其是清洁氢冶金,是最具前景的钢铁行业脱碳解决方案之一。

氢气炼钢即以氢代替炭作为还原剂,将还原反应中的碳排放转为水排放。由于钢铁行业的碳排放主要集中在炼铁环节,而炼铁的碳排放主要来自碳还原反应,采用氢作为钢铁冶炼过程中的还原剂,不仅可以减少碳排放,提高还原效率,还为冶金全流程生产过程产生的富氢含碳煤气找到了更有价值的利用途径。

截至2020年,我国钢铁企业平均吨钢碳排放量为1765公斤。如采用基于天然气的炼铁工艺,可以将吨钢碳排放降至940公斤; 如使用80%的氢气和20%的天然气,则可以降至437公斤; 如果完全使用氢气炼钢,则可以实现二氧化碳的“零排放”。

氢冶金正处于技术导入期。预计到2030年,基于绿氢的氢冶金将逐渐扩大在钢铁行业中的规模化应用,到2050年,钢铁行业的用氢需求将达到980万吨,氢冶金成为钢铁行业实现碳中和目标的主要路径之一。   

高盛发布的《氢能深度报告》也指出,绿氢已成为实现全球净零排放的关键支柱。要想在2030年实现净零排放,预计需要在绿氢供应链累计投资5万亿美元

2.氢冶金的应用场景

©️ 数据来源:RMI、Green Steel for Europe Consortum,Makeable 整理

氢气可用于钢铁生产的方式有两种:

● 氢气可作为高炉-转炉 BF-BOF 路线(长流程)的辅助还原剂

● 氢气可用作铁的直接还原或 DRI(短流程)过程中的唯一还原剂

氢气在高炉中的应用

对于以高炉-转炉为主的既有产能,可以通过高炉喷吹氢气技术充分利用焦炉煤气回收氢或直接生产的氢气替代部分作为还原剂的煤炭,积累利用氢气作为还原剂的冶铁实践经验。但是,该路线并无法改变以煤为基础的高-转炉工艺路线,减排力度可达到21%(如果使用绿氢)。

氢气在非高炉冶铁中的应用

为了更进一步地实现炼铁的完全零碳化,应考虑直接还原铁、熔融还原和电解冶铁等非高炉冶铁产能,对产能进行全面更新改造或建立新产能。

直接还原炼铁工艺是以非焦煤为原料,在低于矿石熔化温度以下进行还原,获得固态金属铁的工艺,所得的产品称为直接还原铁(Direct Reduction Iron,简称DRI,也称海绵铁),一般采用气基竖炉,还原气体主要来源于天然气。基于氢气的直接还原铁(DirectReduced Iron, DRI)技术提供了一种完全脱碳的炼铁方式,其技术成熟度(TRL)达到了6-8的较成熟水平。该技术可以电力为主要能源来生产零碳粗钢。

氢等离子体熔融还原(HPSR)技术正在发展中,利用氢,而不是煤,作为熔融还原的还原剂。该路线将完全替代高炉-转炉路线,并且省去烧结、炼焦等步骤。不过,目前该技术的技术成熟度仍低于直接还原铁。

3.氢能应用面临的挑战

从中长期来看,我国可再生能源资源丰富,在绿氢的供给上具有巨大潜力,将有助于实现化工、冶金等工业难以减排领域的深度脱碳。中国产业发展促进会氢能分会预计,随着技术成熟和清洁氢的应用,我国钢铁行业2025年前后可实现工艺成熟,对氢需求达36万吨/年,有望实现行业碳达峰。

聚焦我国氢冶金领域发展方面,尚处于探索阶段,产业发展存在以下挑战:

挑战1:经济化制氢

当下,世界上超过95%的氢气来自天然气和煤炭,每生产一吨氢气,就会产生9至12吨二氧化碳排放(麦肯锡)。虽然氢气是一种清洁气体,燃烧时只释放水蒸气,但用氢气代替炼钢中使用的焦炭、煤或液化天然气是没有意义的——非氢气是由可再生能源(绿色)生产的,或者在其生产过程中排放的二氧化碳被捕获并存储(蓝色)

根据国际能源署汇总数据,在中国生产氢气各种不同技术路径的成本排序如下:电网电解水制氢成本最高(约 5.5 美元/公斤); 可再生能源发电制氢成本(约 3 美元/公斤); 天然气加碳捕捉与贮存制氢(约 2.5 美元/公斤);天然气制氢(约 1.8 美元/公斤); 煤制氢(1 美元/公斤);煤加碳捕捉与贮存制氢 (1.5 美元/公斤)。

按照中国目前氢能市场价格(约每吨6万元人民币或7800欧元),采用氢能炼铁工艺成本比传统高炉冶炼工艺至少高五倍以上。据测算,氢气成本需降至1.26元/标方,或者对吨碳排放征收碳税25元,才能达到氢碳还原平价。

但据麦肯锡预测,在未来十年绿氢的价格会降低一半。绿氢价格的下降是由以下因素驱动的:a) 太阳能和风能价格降低导致可再生电力成本降低;以及 b) 电解槽成本下降。由于对二氧化碳排放的处罚越来越多,灰氢价格将受到影响。蓝氢的价格前景相对稳定。

©️ 麦肯锡

挑战2: 规模化储运氢

氢的密度仅为0.0899kg/m,是水的万分之一,因此氢的高密度储存一直是一个世界级的难题。目前储氢方法主要分为低温液态储氢、高压气态储氢及储氢材料储氢三种,在经济价格、安全性等方面依旧需要技术突破。

©️ 东方证劵研究所

氢气的运输同样是个问题,由于氢能产业尚未成熟,氢气运输成本和前期建设较高,而运力较低,经济性有待提升。

挑战3: 规模化制氢

在传统的长流程炼铁中,碳除了作为还原剂,还起到多种关键作用,如作为燃料提供热量、作为骨架支撑炉料、以及作为生铁渗碳的碳源。氢的密度和元素构成显然无法替代碳的支撑和渗碳作用,炭的使用难以避免,而且氢气还原是吸热反应,氢气比例达到一定程度后,需要额外供热来实现热量互补,如果这部分热能来源还是通过碳燃烧,那碳排放只是有增无减。

目前氢气对碳基还原剂的替代是存在极限值的,尤其是高炉炼铁工艺,对温度的要求更高,用氢受限程度也因此更大。

3.国外氢冶金发展与创新案例

目前,欧洲低碳炼钢的发展方向主要包括以氢代替焦炭的氢能冶金、将高炉煤气中的二氧化碳进行收集并储存的碳捕集利用/封存等,各大钢企也陆续进行了相关项目的实践。

本文将着重介绍三个比较有代表性的国际案例,从以下案例可以看出欧洲钢铁企业利用氢的不同技术路线。头部钢企主要以上下游合作开展氢气冶金和氢等离子体熔融还原(HPSR),并且多数为试点开展阶段,尚未进入规模化生产。

除此之外,也有初创企业以创新的技术加入到氢冶金的方向中,也获得了资本和行业的大力支持。

H2 Green Steel: 瑞典创业公司建设全球最大氢能冶金试点

公司:H2 Green Steel (H2GS)

成立年份:2020

试点地点:瑞典北部 Boden-Luleå

氢气来源:工厂内电解获得绿氢

炼钢工艺:氢气直接还原 DRI – 电弧炉 EAF

产能(预计):2024年投入大规模生产、2030年可达500万吨

瑞典初创公司 H2 Green Steel 计划在瑞典北部的 Boden-Luleå 建造世界上第一座使用绿色氢的大型无化石炼钢厂。这将会动员价值约25亿欧元的投资,将创造10000个直接和间接就业机会。 

H2GS 的选址为无化石钢铁生产提供了有利条件,可随时获得来自可再生能源的廉价能源、优质铁矿石、Luleå 的大型海港以及世界领先的集群冶金和钢铁生产方面的专业知识。

HYBRIT:瑞典产业巨头联合测试氢气直接还原铁

项目:HYBRIT (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology)

发起方:瑞典钢铁(SSAB),瑞典大瀑布电力(Vattenfall)和瑞典国有铁矿石生产商 LKAB

成立年份:2016年

试点地点:瑞典多地

氢气来源:电解获得绿氢

炼钢工艺:天然气直接还原铁、氢气直接还原铁 

产能:2025-2035年,HYBRIT 项目将进入实证阶段,进行小规模的工业生产;到2045年,SSAB 将达成实现非化石能源炼钢的目标。

传统工艺与HYBRIT工艺路线对比

在工厂正式落成后,HYBRIT 先使用天然气进行直接还原、并于去年5月开始使用氢气。在2到4周的活动中每小时生产约1吨直接还原铁。在接下来的3年里,将会持续进行试点。另外,HYBRIT 也启动了氢气储存设施的试点,位于直接还原工厂旁,两者由管道链接。这个试点将于2022-2024年之间进行测试。

切换到纯氢气系统会显著改变原本工艺的热力学平衡,因此氢气必须在进入熔炉之前进行预热,而 HYBRIT 旨在通过电加热系统实现这一目标。提高氢气含量还会增加流经竖炉的气体体积和速度,并改变 DRI 的成分 HYBRIT 研究人员将研究这种铁的成分与天然气制成的 DRI 相比如何,以及它是否适合用于电弧炉。

与此同时,HYBRIT 正在探索生产用于直接还原铁工厂的铁矿石球团的替代方法。该工艺目前使用化石燃料,但 HYBRIT 已尝试使用造纸产生的生物油副产品,并计划测试以氢为基础的加热来制造颗粒。

SuSteel: 小规模进行氢等离子体熔融还原

项目:Susteel

发起方:voestalphine

成立年份:2016年

试点地点:瑞典

炼钢工艺:氢等离子体熔融还原 (HPSR)

SuSteel 的氢等离子体熔融还原(HPSR)在氢气通过中空石墨电极进入锥形反应器时使用电力将其切碎。这个过程在超过 20,000°C 的温度下产生氢原子、离子和分子流。等离子体熔化并还原精细研磨的铁矿石,形成液态钢池。不需要造粒,石墨电极向金属中添加的碳刚好足以形成粗钢,因此金属可以避免通过电弧炉而直接进行二次炼钢。SuSteel 在奥地利多纳维茨的试验工厂将于夏季开始运行,最终每批生产 50-100 公斤钢。

SuSteel 工艺流程 ©️ K1 MET

4.国内氢冶金发展与创新案例

随着碳达峰、碳中和的落实,大型钢铁集团开始积极布局。目前国内钢企在氢气炼钢的实践较早,但呈现规模小、试验性强的特点,早期工业化推广高炉富氢或气基竖炉还原工艺的钢企由于体量较小,信息披露有限,所以项目投产建成后的实际效果暂时未知。

气基竖炉氢气炼钢在近日相对于高炉富氢更为活跃,但所处阶段也较为早期,大部分处于筹建或签署合作意向阶段,但亮点在于大型钢企如宝钢和河钢集团在氢气炼钢路线上也计划加入气基竖炉阵营,并且选择的技术路线都更为先进,规划更为全面系统,这为后续钢铁企业在低碳转型方向上起到了指引作用。

我们初步整理了国内目前正在进行氢冶金相关的试点工作与创新。

宝武与中核:核能制氢+氢能冶金

核能制氢方面,早在2019年初,中国宝武就与中核集团和清华大学签订《核能-制氢-冶金耦合技术战略合作框架协议》,共同开发“核能制氢”技术,降低制氢成本,并与钢铁冶炼和煤化工耦合,实现钢铁行业 CO2超低排放和绿色制造。目前,中核集团已完成10NL/h制氢工艺的闭合运行,建成了制氢能力为100NL/h规模的台架,并实现86h连续运行。

河钢与意大利特诺恩集团:氢气直接还原铁试点

2019年3月,河钢集团与2019年11月,与意大利特诺恩集团签署谅解备忘录(MOU),商定双方在氢冶金技术方面开展深入合作,利用世界最先进的制氢和氢还原技术,并联合中钢国际等机构研发、建设120万吨规模的氢冶金示范工程。该项目据称是中国首个真正意义上的、最大规模的工业级氢冶金技术项目

2021年5月,河钢宣钢正式启动建设120万吨规模的氢冶金示范工程。项目采用 Energiron-ZR(零重整)技术,可替代传统高炉碳冶金工艺,预计年减碳幅度达60%。项目充分发挥张家口地区国家级可再生能源示范区优势,充分利用风能、太阳能等分布式可再生能源,结合应用工业气体制氢和绿电电解水制氢,使用含氢量约70%的补充气源作为还原剂,生产1吨直接还原铁仅产生250kg CO2,同时对产生的 CO2进行选择性回收,并在下游工艺再利用,1吨产品产生的最终净排放量仅约125kg。同年7月底,河钢集团还投入运营了首批次30辆氢能重卡,打造钢铁生产氢能应用全产业链。

建龙集团:已正式投产氢冶金

中国第五大钢铁企业的民营钢铁企业建龙集团,也在开发氢冶金技术方面迈出了关键的一步。2019年9月,建龙集团启动建设年产30万吨的氢、煤混合熔融还原法生产高纯铸造生铁项目,氢将通过焦炉煤气分离获得。

2021年4月13日凌晨4点20分,内蒙古赛思普科技有限公司年产30万吨氢基熔融还原高纯铸造生铁项目成功出铁。这标志着氢基熔融还原冶炼技术成功落地转化,国内传统的 “碳冶金” 向新型的 “氢冶金” 转变的关键技术被成功突破。目前内蒙古赛思普正在加紧生产。据了解,项目投产以来,企业日产高纯生铁1500吨至1800吨。该项目主导产品为高纯铸造生铁和超高纯铸造生铁,产品与常规高炉铁水比,它有低磷、低硫,低硅、低碳、低有害元素的优点。主要应用于风电、核电、高铁等高端铸件领域。

上海大学与兴国铸业公司:高炉喷吹纯氢冶炼技术开发试验项目

2021年12月23日,全球低碳冶金创新联盟成员单位上海大学与昌黎县兴国精密机件有限公司(简称:兴国铸业)联合共建的氢冶金低碳技术研发试验系统建成并成功点火开始实验。在完成前期的全焦和富氧喷煤实验基础上,12月28日向40立方米的试验高炉中成功注入纯氢气,进入“以氢代碳”的富氢冶炼实验阶段。

这是继2019年11月11日德国杜伊斯堡的蒂森克虏伯钢厂正式启动纯氢气注入9号高炉、尝试“以氢代煤”作为高炉还原剂试验项目的全球首次报道之后,中国首次以纯氢为喷吹气源、进行高炉富氢冶炼技术开发试验。

“以氢代碳”冶炼试验实现了降低焦比10%以上,达到了减少CO2排放量10%以上和铁产量增加13%以上(大幅提高高炉利用系数),节能降碳效果显著,同时获得了钢铁生产中大规模安全使用氢气的经验。

5.观察与思考

减碳技术的进步是一个逐渐深化的过程,需要实现从单一技术创新到集成创新的转变。而钢铁行业的脱碳技术路径更是如此。

根据欧盟报告,欧洲钢铁制造行业的大多数脱碳技术已在 TRL 5-7 的阶段,需要一定的支持才能达到规模示范(即 TRL 9)。然而,考虑到钢铁厂规模和投入庞大,达到 TRL 9 并不意味着新技术达到与传统炼钢技术相同的成熟度。因此,欧盟提出,基于钢铁行业和技术特性,需要对 TRL 9 阶段之外的研发提供支持,以确保脱碳技术达到规模示范并进行产业化

就中国的情况来说,我们观察到,目前国内对于氢冶金的尝试均展露出规模小、实验性强的特点。除头部钢铁企业以外,我国多数钢铁企业研发体系建设相对不完善,“产学研用”全链条的协同创新仍在探索阶段。今年年初,由工业和信息化部、国家发展和改革委员会和生态环境部发布的《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》明确提出,要推动产学研深度融合,充分发挥优势学科及龙头企业的带头作用和科技力量,促进相关技术的规模化和绿色低碳转型与高质量发展。

我们相信,在双碳目标引领、创造的优渥土壤中,这种融合、协同的创新活力将充分发挥其减排驱动力,而围绕产业低碳转型开展的多元共创也将是中国钢铁行业脱碳路径中高效的、创新的范式

在这一创新范式中,创新服务机构亦可在其中承担起极其重要的对接、催化、链接和平台搭建的职能,为进一步推动创新生态的建设与发展作出重要贡献。


头图:瑞典钢铁用 HYBRIT 与 Volvo 共同造出的第一辆“无碳钢铁车”;图片来源:SAAB
参考资料:
东方证劵《钢铁碳中和2:低碳冶金,“氢”来了》
European Commission 《Climate-neutral Steelmaking inEurope》
Goldman Sachs 《Carbonomics》
Green Steel for Europe 《Technology Assessment andRoadmapping》
McKinsey & Co. 《Decarbonizationchallenge for steel》
RMI《培育清洁氢冶金价值链,打造完成生态圈》
中国环境报《氢能冶金能否助力钢铁绿色化》
中国氢能联盟《全球氢冶金发展专题报告》
https://bellona.org/news/climate-change/2021-03-hydrogen-in-steel-production-what-is-happening-in-europe-part-one
https://bellona.org/news/industrial-pollution/2021-05-hydrogen-in-steel-production-what-is-happening-in-europe-part-two
http://www.csteelnews.com/xwzx/jrrd/202109/t20210910_54739.html
https://www.goldmansachs.com/insights/pages/from-briefings-17-february-2022.html
http://www.kangxin.com/html/1/173/174/353/14903.html
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360319920347376
https://www.sklass.shu.edu.cn/info/1042/2664.htm

刚刚买完了推特的马斯克,又花一亿美金买了点“空气”

全球首富埃隆·马斯克最近真的没闲着,大家都知道的是,他刚豪掷440亿美元收购了推特。不过可能相对较少人知道的是,就在此前几天,他还花了点“小手笔”,用1亿美金买下了点“空气”——更具体地说,是“二氧化碳”。

4月22日世界地球日,由埃隆·马斯克和马斯克基金会赞助的 XPRIZE 基金会公布了其碳去除竞赛“里程碑奖”(Carbon Removal Competition Milestone Award)的获奖团队名单,并为这些获奖者颁发出了高达1500万美金的奖金

©XPRIZE官网

XPRIZE 基金会于1994年创立于美国加州,致力于以竞赛的方式推动有益于人类的技术进步,至今已经举办了25个技术创新竞赛,涉及环境、能源、医疗和教育等领域。而碳去除大奖由马斯克独家“大手笔”赞助,竞赛的总奖金为 XPRIZE 竞赛有史以来最高的1亿美元

1.马斯克为什么要砸一亿美元“去碳”?

XPRIZE 基金会碳去除竞赛的宗旨是要提高全球碳去除的能力,通过创新扭转气候颓势。人类为阻止全球变暖已经做出了种种努力,《巴黎协定》设定的指导性长期目标希望将本世纪全球的升温幅度控制在工业化前水平的1.5℃内,去年于英国格拉斯哥召开的 COP26 亦使各国作出承诺。

尽管如此,现实并不总是鼓舞人心。世界气象组织最新发布的一份气候通报称,2022-2026年中的某一年将很可能成为有记录以来最热的一年,并且有50%的概率比工业化前水平高出1.5℃,即暂时已经突破了《巴黎协定》的目标。而根据国际气候变化专门委员会(IPCC)的估计,在一切照旧的情境下,本世纪末的全球平均气温最高可能会升高6℃;若要在2050年要将全球气温上升幅度控制在2℃以内,每年则需净移除100亿吨二氧化碳

本次大赛获奖团队之一 Sustaera 以图表方式表现了碳去除技术对解决气候变化问题的重要性
© Sustaera

在气候变化已经成为21世纪全体人类的重大威胁时,碳去除领域面对的是一个巨大的潜在市场,在未来有着广阔的上升空间。马斯克作为时刻走在科技创新前沿的企业家,对此看得再清楚不过,因此重金推动该领域的创新就不足为奇了。

2.“里程碑奖”获奖团队简介

那么,究竟是什么样的创新项目,能够入得了马斯克的“法眼”,获得这次的“里程碑”大奖呢?

为赢得 XPRIZE 基金会碳去除竞赛,参赛者提出的二氧化碳去除方案需要能够实现年均1000吨的规模,并且具备扩展至年均十亿吨规模除碳能力的潜力

本次里程碑奖的15支获奖团队分别来自澳大利亚、加拿大、法国、冰岛、肯尼亚、荷兰、菲律宾、英国和美国,涉及空气、土地、海洋、以及岩石四个技术路径,每支团队都获得了100万美元的丰厚奖励。在提供高效碳去除方案的同时,每个解决方案也展现出巨大的社会经济效益,如改善环境以及为当地人提供经济收入和就业机会等。

空气路径

空气路径是直接从空气中捕获并封存二氧化碳,是目前最主要的碳去除径之一。根据国际能源署的统计,自2020年初以来,各国政府已承诺投入近40亿美元开发和部署直接空气捕集(Direct Air Capture, DAC)。

该路径也是本次里程碑奖中获奖数量最多的,共有六个项目获奖,它们将空气捕获与各种先进的封存技术相结合。

01 Calcite from 8 Rivers Capital (美国)

来自 8 Rivers Capital 的 Calcite 技术是一项能够从空气中直接捕获数千吨二氧化碳的技术。该技术与混凝土固碳的工艺类似,利用氢氧化钙将二氧化碳固化为石头并存储在地下。该技术最大的优势在于精简的化学流程以及较低的成本。目前实验室测试已经完成,正在进行试点规模开发。

值得一提的是,除了 Calcite 碳去除技术之外,8 Rivers 还在开发一个使用高压超临界二氧化碳作为工作液的新型动力循环 Allam-Fetvedt 和一个清洁制氢的项目。

官方网站:https://8rivers.com/

02 Carbyon(荷兰)

创立于2019年的荷兰初创企业 Carbyon 带来了直接从环境空气中捕获二氧化碳的最新一代设备。Carbyon 通过一种含有特殊捕碳材料的转鼓的快速摆动,可以有效地从空气中捕获二氧化碳,这项设计使其相比同类技术有着更高的能源效率和更低廉的制造成本——其目标是实现50欧元/吨二氧化碳捕获成本。

Carbyon 用一种二氧化碳吸附物质来改造具有巨大内表面的纤维膜材料,实现了强大的二氧化碳捕获能力。

官方网站:https://carbyon.com/

03 Heirloom(美国)+ Carbfix(冰岛)

Heirloom 和 Carbfix 联合开发了一款结合了矿化封存的直接空气捕获系统。由 Heirloom 研发的模块化系统将以远低于100美元/吨的价格实现十亿吨级的碳捕获,而 Carbfix 通过模拟和加速自然过程的技术将二氧化碳固化为石头埋于地下,提供永久和安全的碳储存解决方案。该项目已在冰岛投入实践。

04 Project Hajar(英国+阿曼)

Project Hajar 是英国 Mission Zero Technologies 和阿曼44.01之间的联合项目。它将直接空气捕获技术与橄榄岩矿化封存相结合。在阿曼的 Al Hajar 山脉中去除数十亿吨的二氧化碳。

当二氧化碳与自然界中的橄榄岩发生反应时,橄榄岩中的自然矿化就会发生。Project Hajar 的技术可以加速捕获的二氧化碳与地下橄榄岩的反应,进而加速这一自然过程。

官方网站:https://4401.earth/

05 Sustaera(美国)

Sustaera 开发的二氧化碳直接空气捕集技术,完全由无碳电力提供动力,采用低成本的碱金属基捕集剂,可适应广泛的环境温度和湿度。该解决方案封存二氧化碳所需的土地显着低于基于土地的或自然的碳捕获方法。Sustaera 的目标是在2040年前去除5亿吨二氧化碳。

官方网站:https://www.sustaera.com/

06 Verdox(美国)+ Carbfix(冰岛)

除了与 Heirloom 联手之外, Carbfix 也与 Verdox 合作。该项目每年将处理超过1000吨的二氧化碳排放,并完全由可再生电力提供能源。 

Verdox 称,其专利技术与现有的在过程中使用大量热量的碳清除解决方案有着本质的区别。其系统仅通过在选定的电压下施加电流来控制二氧化碳的捕获和输送。

Verdox 使用电化学碳捕获技术,既可以有效地捕获来自工业源的二氧化碳,也可以捕获来自空气中的二氧化碳。捕获的碳则借助 Carbfix 的技术进行固化封存。该项目向世人展示了电化学除碳的巨大潜能。

官方网站:https://www.verdox.com

土地路径

土地路径主要包括利用土壤碳和生物炭等技术进行碳捕获与封存的技术,在本次竞赛中,五个获奖项目采纳了这一路径。

土壤碳库在陆地生态系统碳库中占比达到90%以上,是森林和其他植被碳库的5倍,是大气碳库的3倍。生物炭是二氧化碳固化的产物,既能进行稳定的碳封存,也可作为一种高效的土壤肥料。

07 Bioeconomy Institute(美国)

美国艾奥瓦州立大学生物经济研究所(BEI)的团队开发了一种固碳技术,其核心是一个被称为热解的过程。在热解过程中,生物质在没有氧气的情况下被加热,产生一种被称为生物炭的富碳物质,这种生物炭可作为土壤改良剂添加到农田、花园或院子里,改善土壤健康并进一步增加碳储存潜力。

此外,热解过程中还会产生一种被称为生物油的粘稠液体,可以提炼成可再生柴油燃料或生物沥青,这是石油沥青的可再生替代品。

在一个示范项目中,该技术在一年时间里以生物炭形式封存了多达4600吨的二氧化碳。

官方网站:https://www.biorenew.iastate.edu/

08 Global Algae Innovations(美国)

该项目创新地以藻类种植作为解决方案,既能实现百万吨级二氧化碳的捕获和长期封存,同时缓解了因经济开发所带来的热带雨林破坏。

项目通过两种方式对二氧化碳进行封存。首先,海藻种植可直接从大气中捕获二氧化碳,一部分海藻油被转化为聚合物产品,用于长期封存碳。其次,雨林的再生也将捕获二氧化碳,并将其储存在地上和地下的生物质中。最初的百万吨项目每年可捕获和封存1200万吨二氧化碳,其中100万吨为聚合物产品,1100万吨为雨林再生。

在此前推文里,我们也介绍过更多有关藻类的可持续创新妙用。👉 点击阅读《这款能喂饱全球的超级食物,还能捕获二氧化碳和代替塑料!》。

官方网站:https://www.globalgae.com/

09 NetZero(法国)

该项目尝试从热带发展中国家的农业废弃物中提取碳,并将其转化为绿色的生物炭。该团队已经完成了第一个大规模试点站点的建设,位于喀麦隆最大的咖啡加工厂Synergie Nord Sud(SNS)旁边。

这一理想的位置使 NetZero 公司能够直接获得咖啡壳——这是咖啡加工过程中大量的废料。它还为 NetZero 提供了一个独一无二的平台,将生物炭分发给向 SNS 供货的小型咖啡种植者。其生产能力约为每年1,500吨生物炭。2022年,NetZero 计划在巴西继续建设两个试点站点。

官方网站:https://netzero.green/

10 PlantVillage(美国)

PlantVillage 团队利用 AI、便携电子设备和无人机技术,建立了一套可实时监控碳信用的林业碳汇系统。项目的愿景是在非洲通过种植树木,建立每年10亿吨当量的林业碳汇,并藉此推动2亿非洲农民适应气候变化和摆脱贫困。

该团队为学生团队,来自于美国的宾州州立大学。

官方网站:https://plantvillage.psu.edu/

11 Takachar(美国)+ Safi(肯尼亚)

来自麻省理工学院的 Takachar 与肯尼亚生物企业 Safi Organics 合作,通过构建一个分散的支持物联网的反应器网络,从而在不依赖碳信用的情况下快速高效地扩展生物炭部署。该方案用“贫氧烘焙”技术,将废弃生物质转化为混合肥料,以帮助农民提高50%的净收入,同时促进气候正义。

官方网站:https://safiorganics.co.ke/

海洋路径

陆地生态减碳能力逐渐饱和,海洋除碳也进入了人们的视野。本次海洋路径的三支获奖团队运用有机和无机的海洋解决方案,能够在捕碳的同时改善海洋生态并扭转过量二氧化碳导致的海水酸化问题

12 Captura(美国)

Captura 拥有从海水中提取二氧化碳的碳捕获和封存技术,其规模可扩展至每年百万至十亿吨的级别,以满足碳信用市场快速增长的需求。该项技术能够捕获高纯度的二氧化碳,并同时恢复海水的 pH 值平衡

13 Marine Permaculture Seaforestation (美国+菲律宾+澳大利亚)

由 Climate Foundation 开发的“海上造林”系统是另一项获奖的微藻技术解决方案,通过深水灌溉促进大型藻类的生长,并以此固定海水中的碳。捕获的碳可封存数百上千年之久,并将使原本贫瘠的海洋生态得到大大改善。该技术已在菲律宾投入使用。

官方网站:https://www.climatefoundation.org/

14 PLANETARY(加拿大)

Planetary Hydrogen 的海洋碱度增强技术可恢复酸化海洋的pH值,从空气中去除碳并将其永久封存在海洋中。该技术的一大优势在于使用矿山废料转化为温和、无毒的抗酸剂

官方网站:https://www.planetarytech.com/

岩石路径

15 Carbin Minerals(加拿大)

本次岩石路径唯一的获奖者是来自加拿大不列颠哥伦比亚大学的 Carbin Minerals。矿场由于其粗放的采集与加工模式,向来是碳排放的大户。而 Carbin Minerals 利用尾矿废料,通过碳矿化过程直接从大气中永久去除二氧化碳,可促进矿场的碳中和转变,并同时生产能源转型所必需的金属。该技术具有十亿吨级别的捕获和永久封存大气二氧化碳的潜力。

官方网站:https://carbinminerals.ca/

3.来自中国的获奖者

除了奖励最丰厚的“里程碑奖”之外,XPRIZE 官网早前还公布了其它数个组别的获奖者,其中也有中国团队的身影。在学生组中,全球共有18支队伍的创新碳去除方案从4251个参赛团队中脱颖而出,获得了该组别25万美元的最高奖励,其中就有两支来自中国的队伍。

©XPRIZE官网

东北大学的 Answer of Biochar(AOB)团队利用炼钢厂的余热资源生产生物炭进行持久稳定的碳封存。该技术的优势在于能够进行低成本、低能耗且大规模的应用。

另外一支获奖队伍是由河海大学、天津大学、上海海洋大学和中国水产科学研究院的学生与导师联合组成的 KELPFARMCAREER(KFC),他们运用在油气开采平台中常见的锚泊技术培育大型海藻养殖床,利用海藻的光合作用吸收二氧化碳,这项技术具有去除千亿吨二氧化碳的潜力

KELPFARMCAREER 除了在学生组获奖,还入围了里程碑奖的Top 60决赛圈。与他们一同闯入决赛圈的还有北京的原初科技有限公司。原初科技研发的创新 CCUS 技术,可以直接从大气或工业排放点源中捕获二氧化碳,并将其矿化成为具有高经济价值的碳酸钙产品。这项技术可以实现低能耗、低成本、持续性、规模化的碳去除效果,并正在进行大规模产业化部署。

该工艺可实现工业废料及废气二氧化碳的闭环循环利用

XPRIZE 基金会碳去除竞赛的获奖团队已向世人展示,通过技术创新实现亿吨级别的碳去除手段是完全可行的。这项竞赛在未来三年还将继续进行,并为最终的大奖获得者提供高达5000万美元的奖励。尽管在目前的全球趋势下,要实现1.5℃的温控目标仍然有相当大的挑战性,但正如 XPRIZE 首席执行官 ANOUSHEH ANSARI 所言:利用创造力、创新和竞争来改写我们的历史,创造更美好的未来,现在还为时不晚

撰文:乐祎

头图来源:XPRIZE官网

参考链接:

https://public.wmo.int/zh-hans

https://finance.sina.com.cn/tech/2022-04-22/doc-imcwiwst3403871.shtml?finpagefr=p_114

https://www.xprize.org/prizes/elonmusk/articles/meet-the-competitors-in-the-100m-xprize-carbon-removal

https://www.36kr.com/p/1714555791716871

https://ccus.nwu.edu.cn/info/1011/1595.htm

报告解读|“可重复使用包装”不等于可持续?这里有一份干货满满的指南

2022年#世界环境日#的主题是#只有一个地球#。宇宙中有数十亿个星系💫银河系中有数十亿颗行星✨ 但只有一个地球🌍

我们正在使用相当于1.6个地球的资源来维持当前的生活方式,生态系统无法持续满足我们海量的需求。而每个人都可以采取也需要采取行动,来保护我们这个仅有的地球。

Makeable 选择今天再次将视角转向我们一直在关注的消费品包装,为大家带来一篇干货满满的《可重复使用包装指南》解读,给所有关注地球的创业者、品牌商和消费者。

在食品饮料行业,可重复使用包装(Reusable Packaging)并不是一个新鲜的名词,至少已经有了十多年的历史,然而,从2019年开始,随着循环经济和可持续发展理念愈加主流,越来越多的品牌希望能将“重复使用”这一原则更广泛地应用于消费品包装,并且成为包装回收的重要路径之一

然而,究竟该如何在现有的系统中大范围地采用和设计可重复使用包装?许多企业都没有清晰的答案。

致力于可持续材料的非营利组织 GreenBlue 旗下的可持续包装联盟(SPC)今年发布了《可重复使用包装指南》,为可重复使用包装的定义和可行性提出了定义,并给出了一系列设计建议。

© SPC

1.究竟什么是可重复使用包装?

综合参考 ISO、欧盟包装及废弃物指南等的定义,SPC  对“可重复使用包装”定义如下:

“可重复使用包装是允许企业或消费者将相同类型的产品放回原始包装的包装,其设计以可退回和/或可再罐装为目的,不含有害化学物质,并且在一个能够保障重复使用的系统中,达到最少重复使用次数。”

可重复使用包装包含可退回和可再罐装两种类型
© SPC

2.可重复使用包装的六大“迷思”

在给出定义的基础上,报告进一步讨论了六个关于重复使用的观点,辩证地看待其作用和可行性。

迷思一:可重复使用意味着降低环境足迹

不一定!可重复使用包装可能产生环境正效益,但并不一定可以得到保证。

消费者可能认为只需购买可重复使用包装的产品,就做出了可持续的选择,却没有考虑他们真正可能会重复使用该产品的次数。企业可能认为可重复使用包装是塑料污染的解决方案,却没有建立必需的可重复使用包装回收系统

因此,可重复使用包装的环境效益取决于实际应用中重复使用的比率,需要更准确的评估和衡量。

迷思二:可重复使用包装取代了一次性包装,消除了塑料污染

并没有。

目前,许多可重复使用包装还处于试验阶段。虽然很多企业将重复使用纳入其可持续发展的路径之一,但很少有企业能阐述清楚他们现有业务中的哪一部分将被可重复使用包装替代。

现阶段,重复使用并没有替代一次性包装,而是作为一个额外的选项,为消费者多提供了一种选择。为了防止漂绿和消费者混淆,品牌商不能将可重复使用包装作为解决塑料污染的灵丹妙药。

迷思三:可重复使用解决了过度消费问题

还没有。

目前市场上的许多试点中,重复使用被定位为一种能减轻消费者内疚的方式,简单地改变包装并不能解决产品或系统的潜在问题。如果消费者购买可重复使用包装的目的并不是出于环境保护,消费习惯并没有作出持久改变,那么过度消费将依旧是个持续性问题。

迷思四:可重复使用是出于可持续的考虑

不一定。

消费者和企业也会因为其他驱动因素转向重复使用。比如,消费者会因为生活方式(如省钱、减少内疚心理、跟随流行趋势等)或用户体验(如可定制化的产品、可选择购买数量等)以购买可重复使用包装的产品,当这样的情况发生时,这些包装可能将不会按预期那样被重复使用。而企业也会因为经济激励、营销优势等选择重复使用。

迷思五:可重复使用是回归了传统的送奶工模型

并不是。

相比于1950年代(送奶工模式的鼎盛时期),社会已经发生了根本性的变化,今天的重复使用模型必须适应社会的许多新行为,如线上购物、按需购物、产品种类繁多等。

许多传统的重复使用系统完全依赖于消费者的积极参与,而今天的重复使用系统则要尽可能减少对消费者的要求,希望整个消费过程尽可能的简单

迷思六:可重复使用不应该要求消费者巨大的行为改变

希望如此,但其实还是需要一些的……

虽然现有的重复使用解决方案都强调几乎不需要消费者作出行为改变,但无论多么简单便捷,本质上都需要一些行为改变。因为,退回或再罐装与直接丢弃有着根本的不同。

同时,正如对迷思四的解读所表明,许多消费者正在尝试重复使用,以满足对生活方式和用户体验的期待,行为改变可能是满足这些需求的关键部分。因此,品牌商可以考虑基于这些机会,更好地设计行为改变。

3.如何设计可重复使用包装

可重复使用包装通常会比一次性包装对环境产生更大的影响,因为其对耐用性有一定要求,需要更多原料,并涉及逆向物流。但在后续使用中,最初的影响通过使用次数进行分散,从而节约成本、带来环境效益。

因此,在设计可重复使用包装时需要研究的是,在哪些场景下它会比一次性包装更环保,考虑整个体系的设计,并对消费者的参与度和重复使用的可能性进行切实评估

1. 可重复使用包装可能适用的场景有:

🍴 餐饮服务(例如饮料杯、外卖餐具)

🧽 高频率购买的产品(例如个人护理、家庭护理、工作用品)

👔 网络购买并可退换的产品(例如衣服、鞋类)

🔢 需要购买特定数量的产品

🍶 现有包装未能充分保护的产品

♻️ 已有闭环系统的产品,如可租赁的产品

📰 已有订阅模式的产品

🧼 以露天方式存放的包装(例如皂液器)

2. 可重复使用包装设计建议

重复使用旨在创建一个比一次性包装更利于环境的“包装-产品”系统,在创建的过程中,整个系统的设计比原材料的选择更重要,需要考虑包装重复使用的频率、运输所需的距离以及清洁等等。

当设计可重复使用包装时,有必要考虑定制化与标准化的权衡。标准化通常更具经济性,能够节约物流等成本。现阶段很多产品已存在标准化(如纸咖啡杯、洗衣粉罐、酸奶桶、比萨盒等),重复使用可以继续沿用这种标准化。

然而对于一些需要更多体验感的产品,例如化妆品,品牌商和消费者都会追求更多的差异性,提供补充装可能是更可行的选择。

多个品牌推出可更换补充装的口红,图中是英国品牌 Charlotte Tilbury 设计的可重复使用口红
图片来源:Charlotte Tilbury 官网

同时,品牌商也需要思考重复使用模型背后点对点或中心辐射物流模式的选择。虽然点对点模式可以为消费者带来更多的便利,但却在物流阶段对环境产生更大的影响。这个影响也取决于有多少“独特的”物流路线以及承运商是否已有足够大的物流网络。在点对点模式已经建立的场景中,如超市送货上门或餐厅外卖等,环境足迹也将大大减少。

与点对点模式不同,中心辐射模式将逆向物流的压力转移至消费者,如利用零售店或餐厅作为中心收集和再罐装产品,这对品牌商来说便利很多,但却有可能降低消费者重复使用产品的比率。

© SPC

Makeable 也曾经在之前的推文中介绍过两种物流模式的可重复使用包装创新案例。

👉 去年我们曾《深入研究了102条塑料包装创新方案,为创业者划出了这些重点》

👉 雀巢的包装创新解决方案也给了大家很多启发《“解决塑料污染到了最紧迫的时候”:雀巢用创新直击塑料议题》 

比如创新企业 Loop 是点对点物流模式的案例,平台向消费者提供上门包装回收服务,通过 UPS 快递员取走旧包装,进行清洗和再罐装。

图片来源:官网

雀巢与创新企业 MIWA 的合作则是中心辐射物流模式的案例,在雀巢店内为消费者提供咖啡重复灌装系统。

图片来源:官网

除了物流模式之外,在设计可重复使用包装时,还需要思考如何促进消费者进行退回和再罐装的行为,可以通过折扣和促销等激励措施,通过经济上补贴,吸引更多主流客户。也可以通过押金制度,激励消费者即使退回包装。数字追踪技术也能提供帮助,通过手机 APP 及时提醒和激励消费者,同时也能帮助品牌商实时追踪包装和量化重复使用比率。

3. 衡量设计的成功

在衡量重复使用是否成功时,需要牢记“减少‘包装-产品’系统的环境足迹”这个最终目标。因此,最有效的方法之一是计算实际退回和再罐装的比率,这与理论中可重复使用包装可以承受多少次使用完全不同。成本和销售数据等其他指标也可用于了解可重复使用包装的性能,但它们可能仅反映短期绩效,而无法体现长期的积极影响。

简而言之,可重复使用包装的成功可以通过以下三个方面进行衡量:

☑️ 消费者的长期参与

☑️ 较高的重复使用率

☑️ 较低的环境足迹

很显然,可重复使用包装并不能替代一次性包装,成为一种万能的解决方案。相反,由于可重复使用包装需要更多的材料和物流,从可持续性的角度来看,它的成功取决于消费者在实际应用中的重复使用率。创新解决方案需要去更仔细地考虑“为什么”和“何时”使用可重复使用包装,这才可能让可重复使用包装变得真正可持续

参考:

Guidance for Reusable Packaging 

各品牌官网

材料革新 锂电革命

“零碳转型”一直是 Makeable 重点关注的议题,今年开始,我们进一步启动了针对几个高排放重点行业如何实现零碳转型及可持续发展的自主研究系列。借6月15日#全国低碳日#到来之际,Makeable 推出“化工行业系列”,将就绿色材料、清洁能源、节能降碳和资源循环四大方向,分别介绍低碳创新的关键趋势和全球创新解决方案。欢迎持续关注!

化工行业是我国实现双碳战略目标的关键行业之一。中国石化化工行业碳排放在全国二氧化碳总排放占比13%,在工业领域总排放占比20%,化工行业低碳转型需求强烈,对全国实现碳中和目标十分关键。

我国是化工产品生产和消费大国。以塑料为例,根据国家统计局数据,我国2021年塑料制品产量为8004万吨,目前每年的塑料表观消费量超过8000万吨,是全球最大的塑料生产和消费国。废弃后的传统塑料制品为环境带来极大负担。另外,在化工生产过程中,化工行业高能耗、高污染、高排放环节面临紧迫的节能减排压力,可持续发展是化工行业的未来生存之道。

针对化工行业的绿色发展,Makeable 将重点关注四大创新趋势:“绿色材料”、“清洁能源”、“节能降碳”和“资源循环”。在绿色材料研究中,本文将首先聚焦到锂离子电池材料,介绍相关的创新企业及技术。在系列的后续推文中,我们也将带来化工行业更多方向的绿色创新解决方案,欢迎关注。

1.全球与中国锂电发展现状

锂电行业是减少碳排放的关键一环。以电动汽车为例,远景科技集团2021碳中和行动报告提到,由远景动力电池驱动的汽车与传统内燃机汽车相比可以降低54%的碳排放量。在碳达峰、碳中和的大背景下,电动汽车、电力系统储能、基站储能、3C 产品等众多应用场景对锂离子电池的需求都将逐步增加。

1.锂电市场规模将不断扩大

2020年全球锂离子电池市场规模约为535亿美元,其中我国锂电产业规模达到了1980亿元。按容量计算,2021年中国锂离子电池产量324 GWh,同比增长106%。EVTank 联合伊维经济研究院共同发布的《中国锂离子电池行业发展白皮书(2022年)》显示,从2014年以来,中国一直是全球最大的锂离子电池生产和制造国家。中国主导着包括矿产和原材料加工的锂离子电池制造业供应链。工信部数据显示,我国锂电全行业总产值突破6000亿元。

数据来源:赛迪智库,Makeable 整理

在需求端,据全球电池联盟、罗兰贝格等多家机构预测,全球锂离子动力电池需求在未来几年预计将大幅增长。中国更是拥有全球最大的电动汽车市场,工信部发布的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》(征求意见稿)已经提出,2025年新能源汽车占当年新车销量的占比将由原来的20%提升到25%。随着电动汽车市场规模的扩大,以及固定式储能、航空等应用场景对锂离子电池需求增加,锂电产业规模势必还将不断扩大。

2.多国发布锂电发展路线规划,推动锂电产业发展

各国都积极制定或发布了锂电相关发展规划,如德国弗劳恩霍夫研究所发布的《锂离子电池产品路线图2030》、美国能源部发布的《国家锂电池发展蓝图(2021-2030)》、欧盟启动《电池2030+路线图》、日本 NEDO 的《蓄电池技术发展路线图2013》等。

我国也发布多项锂离子电池产业及下游产业的相关政策和规划,为国内锂电产业的发展壮大起到了关键性作用。2021年工信部正式发布《锂离子电池行业规范条件(2021年本)》,进一步鼓励和引导锂离子电池行业技术进步与规范发展。未来,随着“双碳”深入推进,新能源汽车、光伏产业等细分方向将持续受到政策支持,具备较大增长空间,将带动锂离子电池产业规模不断扩大。

2.锂电材料分类与创新案例

锂离子电池主要由电池正极、电池负极、隔膜、电解液四大材料组成。

目前世界范围内已进入商业化的正极材料包括钴酸锂(LCO)、三元材料(NCM)、锰酸锂(LMO)和磷酸铁锂(LFP)等。GGII 调研数据显示,以上4种锂电正极材料在2021年中国锂电正极材料市场占比分别为9%、38%、10%、43%。

负极材料以石墨材料为主,其中人造石墨占据主流地位。GGII数据显示,2021年中国锂电负极材料中石墨材料出货量占比98%,其中人造石墨占比84%。

隔膜用于分隔电极材料,直接影响电池的容量和安全性等,加快隔膜核心专利的研发为未来我国锂电池隔膜企业的发展趋势,如对孔径、孔隙率、浸润性、厚度的研发。

电解液是锂离子流动的载体,对电池的比容量、工作温度范围、循环效率和安全性能等至关重要。

来自行业上下游企业对锂电的更高更优需求促进了多个利益相关方的创新合作,也促进了锂电材料技术突破的创新企业的成立与发展。

锂离子电池材料产业链重要利益相关方 © Makeable

Makeable 对锂离子电池材料的国内外创新技术突破案例进行了初步梳理。这些案例通过电池材料的替代或处理,实现锂离子电池的各方面性能(如安全性、能量密度、极端温度运行、充电效率、循环寿命等)的提升

1.负极材料替代

硅纳米化硅碳结合

硅材料的比容量比石墨材料高,并且硅能从各个方向提供锂离子嵌入和脱出的通道,快充性能优异,是未来负极的发展方向之一。但硅基负极在嵌锂过程中体积膨胀严重、材料导电性差、首效和循环性能等问题制约了其商业化应用

Group14 Technologies、E-magy、革鑫科技等企业致力于开发硅基负极材料,研发硅纳米化硅碳结合工艺。

美国锂硅电池研发商 Group14 Technologies 向多孔碳支架注入了含硅气体,合成一种含有纳米级硅颗粒的碳化合物。相较传统的石墨负极,SCC55™产品的能量密度可提高50%。产品也可以和石墨材料混合使用,混合材料(20%SCC55™)在超过1000次循环后也能将能量密度提高30%。目前,公司已经建有一个电池活性材料工厂,还有两个正在建设中。

荷兰的 E-magy 发明了一种低成本的工艺,在多孔结构中填充纳米硅颗粒,解决了硅基负极的膨胀问题,可实现硅主导负极(硅含量>80%)。目前 E-magy 的纳米多孔硅年产量可达25吨。

©️ E-magy

国内纳米储能材料企业革鑫纳米采用碳包硅的一种包覆圆形状态,生产的高质量硅纳米颗粒,具有颗粒小(最小2nm)、尺寸可控(2-100nm任意定制)、粒径分布窄(偏差S<3)、球形率高(100%球形率)、晶态可调、纯度极高(大于99.999%)等六大明显优势。当把该高质量硅纳米颗粒添加至电池负极中,电池能量密度大幅度提升,且可以保持高稳定循环性能。

合金类复合负极材料

英国初创公司 Echion Technologies 使用氧化铌混合技术制成的铌基负极材料,实现电池可快速充电、高安全性、高能量密度。Echion Technologies电池可以在6分钟内完成安全快速充电,比标准锂离子电池快5倍以上。近日 Echion Technologies 与挪威电池初创公司 Morrow 签署了供应协议,将向后者供应150吨产品。

中科院深理工宣布唐永炳研究员团队开发出了一种新型铝基复合负极材料,通过与商用锂离子电池正极材料匹配,可开发新型锂电产品。该锂电产品可以在-70℃至80℃的温度下正常工作。铝基负极可有效缓解锂枝晶的产生,提高电池安全性。另外,铝基负极材料使得电池能量密度和充电效率性能提升,能量密度比传统的锂电提升了13%~25%。据悉,团队的多项相关专利成功实现了技术转移转化,并于2022年5月24日完成规模化量产。

2.电极材料处理

墨睿科技:石墨烯包覆锂电池电极材料

国内石墨烯研发生产商墨睿科技将石墨烯包覆在电极材料表面,组合形成碳壳结构,可增强电子转移速率,从而提高导电性,还能有效抑制电极材料充放电过程中的结构改变,减少其与电解液直接接触导致的副反应。能有效提高充放电容量、循环性能、高低温性能等。今年年初,墨睿科技宣布完成过亿元 B 轮融资,两轮融资分别由晨道资本独家投资和越秀产业基金领投。

3.隔膜材料替代

陶瓷隔膜研发

美国固态电池制造商 QuantumScape 的陶瓷隔膜能够满足电池高导电性、抗枝晶形成和低界面阻抗等关键要求,可以使负极材料为锂金属的 QuantumScape 电池正常工作。QuantumScape 电池能实现高能量密度、快速充电和长寿命等性能。陶瓷是不可燃的,比传统的碳氢化合物隔膜更安全。目前 QuantumScape 电池技术正在测试与验证阶段。

4.传统液态电解液替代

新型电解液开发

与在室温下为液态的传统锂电电解液和固态电解质不同,美国的 South 8 Technologies 首次开发一种新型液化气体电解质(LiGas®),并实现了商业化。这是第一个为下一代电化学储能设备开发和商业化新型专利液化气体电解质(LiGas®)的团队。LiGas® 使用在标准压力和室温下通常呈气态的溶剂,但可以在压力下液化并正常工作。

与液态电解液相比,LiGas® 表现出更优的滥用热失控安全性,可以在撞击、过热、短路等滥用条件下安全快速地从电池中排出,从而使电池安全失效,避免热失控或热扩散。今年4月,South 8 Technologies 宣布在 A 轮融资中筹集了1200万美元,此笔资金将用于加速LiGas® 技术的商业化。

固态电解质研发

相较传统锂电电解液,固态电解质的主要优点是可以完全去除液体成分,无有毒有机液体泄漏、易燃性低,从而提高设备的安全性。固态电解质是固态锂电池的核心。

美国初创企业 Factorial Energy 的 FEST™ 固态电解质材料,结合高压和高能量密度的电极可实现安全可靠的电池性能。与传统锂电可燃的液体电解液相比,FEST™ 材料更加安全,同时可以抑制锂金属负极上形成锂枝晶。FEST™ 可以集成至大部分现有的锂离子电池制造设备中。目前 Factorial Energy 已经与梅赛德斯-奔驰、Stellantis、现代和起亚建立了合作伙伴关系,今年年初获2亿美元融资,以加速其电动汽车用新型固态电池的商业化。

Factorial Energy固态锂电池  © Factorial Energy

美国 Solid Power 的硫化物基固态电解质是其全固态电池的关键成分。Solid Power 是首个团队以中试规模开发和生产硫化物基固态电解质,并在可扩展生产线上生产的大型电池中进行测试。2020年下半年 Solid Powe r宣布交付和验证2Ah 全固态电池,预计将在2022年生产并交付首批100Ah 电池给车企投资方开展相关测试。

在国内也有企业通过材料优化、配方改进研发固态/半固态电解质材料,如高能时代能源(硫化物基固态电解质)和卫蓝新能源(混合固液电解质)等。

3.锂电技术挑战和研发方向

据 GGII 评估,我国当前锂电产业已进入发展成长期的中期阶段,市场规模高速增长。但随着传统锂电材料价格上涨、下游产业规模扩大,来自上下游的压力使锂电产业面临创新升级挑战。高能量密度、高充电效率、高安全性、轻量化、低成本、长寿命仍是锂电研发的重要方向

➡️ Impact Hub Shanghai 与可持续创新创业平台 Makeable 也曾在去年深度访谈了化工行业相关产业方,从产业方角度出发对锂电提升能量密度和安全性的创新提供了一些思考方向,欢迎点击🔗《专访特殊化学品公司朗盛(Lanxess):可持续发展是化工行业的未来生存之道》回顾。

资料来源:高工产研锂电研究所(GGII),Makeable 整理

降低电池生产碳排放也是锂电研发重点。欧洲运输与环境联合会数据显示,仅电池生产部分的碳排放范围就在61-106kg CO2/kWh,最高可占据电动汽车全生命周期的60%以上。而欧盟提出的新电池法规要求自2024年7月1日起,只有已建立碳足迹声明的可充电工业和动力电池才能投放欧盟市场。因此加强电池生产过程碳足迹管理是电池企业的未来趋势,也对电池材料供应商在材料减碳方面提出更高要求。

另外,正负极材料、电解液、隔膜、电解液等关键核心技术创新,与电池其他商用组件匹配度,以及与现有的锂电制造设备的匹配度,也是影响创新技术能否快速商业化的重要因素。

除了锂电研发升级,电池巨头和初创企业开始布局新的电池技术体系,如固态电池、钠离子电池、氢燃料电池等。其中,固态电池技术备受关注。在工信部发布的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》(征求意见稿)中,加快固态动力电池技术研发及产业化被列为新能源汽车核心技术攻关工程。从投融资热度来看,2022年以来已有多家国内外固态电池生产商获得了新投资。

资料来源:互联网公开信息,© Makeable整理绘制

另外,锂电池电池回收能够缓解原材料稀缺压力,加强环境可持续性,实现循环经济。据《中国废旧锂离子电池回收拆解与梯次利用行业发展白皮书》披露,2020年中国锂离子电池理论回收量47.8万吨,实际可统计的真实回收量仅为19.6万吨,但预计2026年中国理论废旧锂离子电池回收量将达到231.2万吨。相信随着资源需求增加和技术进步,未来电池回收贡献将持续显著增大。Makeable 后续也将继续为大家聚焦关注电池回收的创新方案。

参考资料:

国家统计局数据

落基山研究所《碳中和目标下的中国化工零碳之路》

工信部《2021年锂离子电池行业运行情况》

工信部《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》(征求意见稿)

工信部《锂离子电池行业规范条件(2021年本)》

EVTank、伊维经济研究院《中国锂离子电池行业发展白皮书(2022年)》

EVTank、伊维经济研究院《中国废旧锂离子电池回收拆解与梯次利用行业发展白皮书(2021年)》

EVTank、伊维经济研究院《中国废旧锂离子电池回收拆解与梯次利用行业发展白皮书(2022年)》

赛迪研究院《锂离子电池产业发展白皮书(2021版)》

GGII《2022年中国锂电池行业调研报告》

GGII《2021年中国锂电池行业发展调研分析报告》

华安证券《新能源锂电池系列报告》

Fraunhofer-Institute “Product Roadmap Lithium-Ion Batteries 2030”

U.S. Department of Energy “National Blueprint for Lithium Batteries 2021-2030”

BATTERY 2030+ “Inventing the Sustainable Batteries of the Future”

NEDO《蓄电池技术发展路线图2013》

远景《碳中和报告2021》

新材料在线《一张图看懂锂电池产业链及其9大关键材料(2022年版)》

36氪《2021年中国锂离子电池行业洞察报告》

https://factorialenergy.com/
https://solidpowerbattery.com/electrolytes/
http://www.solidstatelion.com/about/#pt1
https://www.gtc-power.com/materials/131.html
https://www.south8technologies.com/

https://www.siat.ac.cn/cyjl2016/202205/t20220524_6453435.html
https://libattery.ofweek.com/2022-01/ART-36002-8420-30546407.html
https://www.163.com/dy/article/GJ03HS6V05198SOQ.html
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https://bg.qianzhan.com/trends/detail/506/210517-d9d16c27.html
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https://e-magy.com/
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https://www.morion.cn/products/detail/id/345
https://www.quantumscape.com/technology/

从替代蛋白开始:食品饮料行业如何实现可持续发展

全球对气候问题、循环经济等议题的高度关注成为食品饮料行业实现可持续发展的重要驱动力。食品饮料行业是经济支柱产业之一,2021年全球食品饮料市场规模达5.8万亿美元,预计到2026年将增长至8.9万亿美元。从产业链来看,食品饮料行业与种植业、畜牧业、制造业、物流业等多行业息息相关。

Makeable 将聚焦食品饮料行业的加工、运输、包装、零售和废物处置等环节,分享可持续食品饮料行业的挑战与机遇。本文为系列研究的第一篇,主要分享行业现状及替代蛋白的创新案例,后续推文则将重点关注包装、资源再生利用等,欢迎关注。

1.食品饮料行业可持续发展现状

1.食品饮料行业GHG排放量占全球总量的5%-10%

根据 Our World in Data 和 Oxfam 数据,食品饮料生产体系(包括农业、土地利用变化、加工、运输、包装、零售和废物处置)温室气体排放量占全球总量的25%-34%,其中食品饮料的加工、运输、包装、零售和废物处置占全球总量的5%-10%。Oxfam 在2014年报告指出:英联食品、可口可乐、达能、通用磨坊、家乐氏、玛氏食品、亿滋国际、雀巢、百事公司和联合利华等全球十大食品与饮料公司每年总共排放2.637亿吨温室气体。如果将这十大企业看作一个国家的话,其排放量则为全球第25大国。

食品饮料生产体系价值链碳足迹分布图
数据来源:Our World in Data,Makeable 整理绘制,转载使用请标明出处

从全球来看,我国在全球食品饮料生产体系温室气体排放量占13.8%,位居前列,这很大程度上是由于我国人口基数大,且是农业生产大国。2015年,我国食品饮料生产体系温室气体排放量为24.2亿吨二氧化碳当量,约占全国总排放的19%

2.食品饮料行业及相关行业对环境的影响还体现在水资源、土地资源、生物多样性等

世界上50%的宜居土地资源和70%的淡水资源均被用于农业。另外,在土地资源分配存在投入产出不平衡情况,如畜牧业占据了世界上大部分农业用地,但只提供了37%的蛋白质。

另外,食品饮料行业及其上游农业是对生物多样性影响最大的领域,BCG 认为,在生物多样性的人为压力中,超过50%可追溯至食品饮料价值链。

食品饮料行业及相关行业(主要指农业)是应对气候变化、缓解资源短缺和环境污染压力、保护生物多样性的核心。

3.每年全球约1/3的食物被损耗或浪费

食品饮料行业浪费情况严重,FAO 数据显示,每年全球约1/3的食物被损耗或浪费,约13亿吨。当换算为热量,则24%的食物被损耗或浪费,其中18%来自处理存储、加工、运输销售、消费使用过程。

各环节的食物损耗或浪费占比分布(以热量计算)
© World Resources Institute

这意味着这部分食物生产所消耗的资源被浪费,需要花费更多的资源去生产更多的食物以供利用,产生更多温室气体排放等污染,对环境造成更大影响。浪费的这一部分食物的温室气体排放量可占全球总量的6%-8%,如果把它看作一个国家,它将是世界第三大温室气体排放国,仅次于中国和美国。

食物浪费是国际社会高度关注的全球性问题。联合国可持续发展目标(SDG)第12项中提出:“到2030年,将零售和消费环节的全球人均粮食浪费减半,减少生产和供应环节的粮食损失,包括收获后的损失。”这对食品饮料及相关行业提出了更高的要求。

2.食品饮料行业的可持续探索

1.可持续食品饮料行业关注四个方面

食品饮料行业面临可持续发展的条件和机遇。来自行业上下游的企业的可持续发展转型促进了多个利益相关方的创新合作,也支撑着食品饮料行业的绿色发展。

食品饮料行业产业链重要利益相关方 © Makeable

为了响应联合国可持续发展目标和行业可持续转型诉求,头部食品饮料企业纷纷制定相关定量目标,并在能源、用水管理、包装、采购、废物处理等方面致力可持续发展。

基于可持续消费定义以及食品饮料行业现状,Makeable 将关注食品饮料行业的四个方面:低碳转型、减少资源使用、减少废物和污染物、减少有毒物质使用,与绿色发展的理念紧密相连。

2.可持续食品饮料行业转型路径

在食品饮料行业价值链中,Makeable 聚焦视角至产业链七大环节:原材料、生产流程、产品包装、成品、物流、零售和销售、回收再利用,结合四大路径,整理出食品饮料行业在可持续发展转型上应重点关注的要点和技术。

可持续食品饮料行业转型路径 © Makeable

原材料端主要关注替代蛋白,包括植物蛋白、发酵蛋白、细胞培育蛋白等。随着技术进步、创新企业涌现、大公司切入市场及资本投入等利好不断兑现,替代蛋白市场规模将进一步扩大,也迎来各种商业及投资机遇。另外以可持续方式采购亦是路径之一,也就是企业以对环境和社会产生积极影响的方式去采购原料,比如,雀巢、百事等多个食品饮料企业均关注有可持续认证的棕榈油等。

生产流程端主要关注生产智能化、数字化,比如,通过智能解决方案提高食品饮料加工过程的生产效率,减少过程中的过度生产和浪费等。比如,百威就曾在“2022工业脱碳路径及创新机遇系列线上论坛”上分享过百威智慧工厂的建设发展,其通过数字化技术提升效率,保证稳健运营。2020年12月,百威首家“绿色智能”啤酒工厂开业,工厂以绿色发展保障生产过程和产品节能环保,以智慧制造引领产业升级。

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产品包装端可重点关注通过材料替代、减量、循环使用等方式,减少一次包装和二次包装对环境的影响,主要方向包括生物基、可降解和低碳包装材料替代、包装去标签化和包装轻量化、可重复使用包装及资源再生包装。比如,可口可乐、达能、泰森等多个全球食品饮料品牌商均在可持续包装上有较大动作,与阿普塔、百利盖、爱克林等包装企业共同设计开发出对环境更友好的食品饮料包装方案,包括使用环保包装材料、精简包装材料的使用量等。

成品端可以从食品饮料的改良配方、添加剂和餐饮选择等方面切入,兼顾口感、营养价值和健康。我们关注到,多家公司均承诺在食品或饮料产品中减少糖、钠或脂肪添加量,推出低糖或低卡路里产品。百事计划2025年大幅下降饮料含糖量 ,康师傅2021年加大了对无糖、低糖等健康产品的布局。许多餐厅也推出了更多环境友好的菜单选择,以回应消费者需求。

物流端主要关注运输方式和物流包装,减少运输和仓储过程中的食物浪费、资源使用和碳排放。比如,雀巢承诺到2022年将全球车队更换为低排放车,并与物流供应商协同加快发展低碳解决方案。

零售和销售端可关注通过创新销售模式、门店运营等减少消费端对环境的负面影响,应用场景如外卖等电商平台、商超门店运营、餐厅运营等,主要包括绿色零售门店及运营、绿色电商销售运营、可持续餐厅及运营。另外,碳标签正成为品牌企业努力实现碳中和的标志,全球15个国家和地区已推行产品碳标签。

回收再利用端则关注在加工端和消费端产生的副产品、余料或废弃物的再生利用,包括回收系统和循环技术,打造全新再利用模式。艾伦·麦克阿瑟基金会报告预测,如果将循环经济战略应用到食品饮料生产体系,到2050年,全球食品饮料行业(含农业)将可能实现碳减排49%。2021年,达能中国饮料所有脉动工厂均已成功通过 TÜV 莱茵废弃物零填埋管理体系最高级别的三星认证,这代表着所有脉动工厂99%以上的废弃物得到充分回收利用,2021年脉动工厂对7827余吨废弃物进行回收利用。

3.替代蛋白:未来食品的无限可能

从原材料端来说,替代蛋白是近年来最值得关注的趋势之一,也备受政府、资本、品牌、市场等青睐。替代蛋白是拓展蛋白来源的有效途径,也是唯一国际普遍认同的有望尽快实现规模化的蛋白生产方式。

从生态价值评价的角度看,替代蛋白可以减少传统畜牧业等带来的高环境负担,节省土地资源,提升动物福祉等。其中,植物蛋白的环境足迹明显低于动物蛋白。Blue Horizon Corporation 的研究显示,到2030年,如果全世界用植物蛋白取代10%的动物蛋白消费,将减少1.76亿吨二氧化碳排放,释放3800万公顷土地,并减少86亿立方米的用水。

另外,微藻蛋白、昆虫蛋白等替代蛋白也可应用于饲料领域,有望减少豆粕饲用需求,减少环境影响。比如,英国莫里森公司计划在其10个自由放养的蛋鸡农场中使用昆虫代替大豆作为饲料,预计每年就能减少相当于56公顷南美土地砍伐、5737吨二氧化碳排放,并节约400亿升水。

下文主要介绍替代蛋白行业的市场情况以及国内外创新案例。

1.替代蛋白的市场规模

BCG 和 Blue Horizon Corporation 研究表明,到 2035 年,全球可食用的肉类、蛋类、乳制品的十分之一很可能是由替代蛋白制成的,到2035年,替代蛋白市场规模将有望达到2900亿美元。

目前全球共有四种主流替代蛋白解决方案:植物蛋白、发酵蛋白、动物细胞培育蛋白、昆虫蛋白。植物蛋白作为初代产品已实现了较高程度商业化,生产技术成熟、口感更接近动物肉,且具有营养价值优势(如低胆固醇、较低水平的饱和脂肪及少量膳食纤维等),预计截至2025年仍将占据替代蛋白93%的市场份额。据Markets and Markets 预测,2025 年全球植物肉市场规模将达到279 亿美元。而据 Euro monitor 预测,2025年中国植物肉市场规模将达到142 亿美元,超过全球市场的一半。

其他类型的替代蛋白因相关积累较浅、成本较高且消费者接受程度不一等因素,导致目前发展进程较慢,但随着技术不断的迭代升级及政策鼓励,未来其他替代蛋白有望接续植物蛋白风口,形成新的规模赛道。

替代蛋白解决方案及对比 © 罗兰贝格

2.替代蛋白的投融资情况

根据 GFI 数据,2021年,植物肉、海鲜、蛋类和乳制品公司共募集资金19.3亿美元,占历史总投资的 30%;发酵蛋白公司共募集资金16.9亿美元,同比上涨285%,15家相关初创公司成立;细胞培育肉领域共募集资金13.6亿美元,同比上涨336%,21家相关公司成立。全球替代蛋白未来发展前景广阔。

中国替代蛋白市场在近年来开始活跃升温,目前主要投资重点仍集中在植物蛋白相关赛道,尤其是植物肉板块的相关投融资活动非常活跃,仅2020年就完成了超过25起披露交易。

对学术研究者、业内著名食品联合企业和创业者而言,不管是为新型蛋白质来源打造供应链、改善生产方式或是设计新产品,都有大量机会在不断成长的替代蛋白市场大展宏图。

3.替代蛋白的发展仍存在争议

随着替代蛋白市场规模越来越大,越来越多的替代蛋白实现商业化并出现在消费端,但替代蛋白行业及其产品仍然面临较多争议。

首先,替代蛋白如何接近肉类的外观、质地和口感,并且去除异味、保证摄入营养,是一大难题。产品商业化前需要经过监管部门批准,产品的安全性需要进行大量用户测试,如过敏性测试等。此外,食物对消费者提供的价值还具有情感与文化属性。因此,替代蛋白食品在味道、安全性、文化属性等消费者接受度仍面临较大挑战。

另外,合成生物学、营养基础研究等发展会一定程度驱动替代蛋白的技术设计和发展。但在技术上的高研发意味着高成本投入,配备的新供应链也需要大量的资金,导致替代蛋白成本较高,一定程度上阻挠了替代蛋白的商业化和产业化。

替代蛋白是否真的符合绿色发展的要求,仍然存在争议。相较于更多依赖农业的传统食品,替代蛋白更多依赖工业。从生产端来说,替代蛋白公司若无公开披露碳排、资源使用等情況,我们难以确认其产品是否真的更具可持续性。

4.替代蛋白的创新案例

植物蛋白

英国初创企业 Arborea替代蛋白生产与碳捕集结合,在太阳能电池板状结构上养殖微型植物,如蓝绿藻或浮游植物,这些植物通过光合作用可以从空气中去除二氧化碳,同时微型植物产生有机蛋白,Arborea 提取并用于制造植物性食品。2021年8月 Arborea 获得424万美元种子轮融资,使 Arborea 能够在葡萄牙新工厂扩大其技术规模。

© Arborea

以色列3D打印植物牛排开发商 Redefine Meat,使用非转基因植物成分制成牛肉、香肠、羊肉等植物肉类,不含抗生素和胆固醇,不含任何动物成分或副产品。产品的耗水量和温室气体排放量都显著低于传统牛肉汉堡。2021年11月,Redefine Meat推出首款整块3D打印人造植物牛肉,这意味着他们已经打破了人造肉类行业的一大瓶颈,因为该行业过去主要生产人造肉糜产品,这些产品通常缺乏动物肉中的纤维质地。2022年1月,Redefine Meat 获1.35亿美元 B 轮融资,这笔资金将用于在以色列和荷兰建立生产线。

© Redefine Meat

发酵蛋白

芬兰替代蛋白公司 eniferBio 在利用现代生物技术提供的分子控制水平上,进一步优化了曾经已经具备15年生产历史的 Pekilo 真菌蛋白,使其适应2020年代的全球蛋白质需求。其改进的 Pekilo 蛋白已在第一轮水产饲料的测试中得到肯定,在宠物饲料中取得良好的结果。水产饲料 Pekilo® P65 已经获得欧盟批准并且上市。2022年5月,eniferBio 与芬兰乳制品公司 Valio 签署研发合作协议,合作开发 Pekilo 真菌蛋白,包括测试其在食品中的应用,目标是到2025年将 Pekilo 商业化。根据初步测试,乳制品的副产品是生产 Pekilo 真菌蛋白的潜在原料之一

奥地利公司 Arkeon Biotechnologies 是世界上第一家将古生菌(Archaea)的气体发酵技术用于食品应用的公司,能够通过一步发酵工艺直接将工业二氧化碳转化为氨基酸。Archaea 古生菌的发酵过程可以在没有糖的情况下进行,可完全独立于农业用地。Arkeon Biotechnologies 还计算出,若使用其生物反应器生产蛋白质,所需的土地比传统农业少99%,所需的水资源仅为传统农业的0.01%,另外在气体发酵过程中消耗的二氧化碳多于产生的二氧化碳。目前,Arkeon Biotechnologies 与啤酒厂合作,使用在酿造过程中捕获的二氧化碳。今年3月,公司获超过700万美元种子轮融资。

美国的 NovoNutrients 则是使用专有的细菌发酵技术,将富含二氧化碳的工业废物进行回收利用,结合氢气生产蛋白质,作为水产饲料及营养保健品。相比传统生产方式,这种方式每英亩生产率提高了1000倍,效率提高了100倍。为了扩大生产规模,NovoNutrients与 Black & Veatch(美国堪萨斯城最大的工程公司)合作开发其第一个试验工厂,在试验工厂设计中,捕获邻近制造工厂的废气作为蛋白质生产的原料。

细胞培育蛋白

国内上海科技公司 CellX 专注于以细胞培养肉为核心的细胞农业产品开发。目前 CellX 已建立起种子细胞、培养基、新型工艺、创新产品四大研发平台,搭建了完整的技术路线平台。其中前两者取得重要突破:获得了永生化细胞系和其配套的低成本培养体系。2021年 9 月 CellX 展示了三款产品雏形,是国内首次展示有纤维感和立体结构的细胞培养肉块,同时 CellX 也希望快速推进首款产品的商业化,并于今年5月获得1060万美元 A 轮融资。

© CellX

美国的 UPSIDE Foods 主要通过诱导干细胞分化成肌肉组织,并在生物反应器中进一步培养,生产细胞培养肉制品。今年4月完成迄今为止细胞培养肉行业的最大一笔融资,高达4亿美元。UPSIDE Foods 将利用这笔资金扩大团队、进行消费者教育以及加速商业化,为多种细胞培养肉建造一个商业规模的生产基地,计划年生产数千万磅的细胞培养肉,并为100%不含动物成分的细胞培养基和必要材料开发供应链,目前专注于鸡肉。

昆虫蛋白

美国的 EXO 已经向市场推出了添加蟋蟀蛋白粉的蛋白质能量棒产品。EXO 介绍,与传统的蛋白质来源相比,蟋蟀的生存所需饲料、水和空间极少,几乎不产生温室气体排放,同时营养均衡,富含蛋白质。

国内也有昆虫蛋白研发公司,但产品应用领域基本均为饲料或肥料。广州的无两生科以多级生物联合模式处理有机废弃物,通过微生物将有机废弃物大分子转为为小分子,再经由昆虫分解有机废弃物并将能量转为昆虫体成长,并以此生产饲料级蛋白质原料,包括昆虫蛋白、微生物蛋白,以及复合蛋白等。目前无两生科拥有多个资源昆虫生产研发基地,2019年公司在国内资源昆虫市场占有率50%。

杭州蚨生纪是一家利用微生物+昆虫生物转化技术,将有机废弃物、有机废水变废转换为优质饲料用动物蛋白质、优质油脂和高端有机肥。公司可处理工业废物(如酒渣、醋渣、果渣等)、农业废物(如畜禽粪便、蔬果蔓秧等)、城市废物(如过期食品、餐厨垃圾等)。目前公司已建成蛋白质生产研发中心,并拥有包括嘉吉在内的数个行业领先企业作为启动客户。

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结语:

现代社会迫切需要改善食品饮料生产体系的解决方案,替代蛋白行业仍有大量发展机遇。据不完全统计,2021年全球替代蛋白领域的投资更是达到了49亿美元,同比增长近60%。预计替代蛋白整体进入投资快速期,创业投资将爆发式增长。

但同时,市场接受度及行业可持续性推动程度仍需要行业推动和市场验证,行业内初创企业更需要正视替代蛋白面临的多样挑战。特别是在产品和生产排放数据披露的透明度等方面,行业巨头和初创企业均需积极主动回应,为消费者和市场提供真正可持续的“未来食品”。

文中图片如无其它说明,皆为 Makeable 所有,使用和转载必须标明出处。
参考资料:
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亿欧智库《2022中国食品饮料产业碳中和发展现状及路径研究报告》
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达能《达能中国饮料2021年OPOH进展报告》
雀巢《加速,转型,再生:雀巢净零碳排放路线图》
雀巢、百事、百威英博、JBS、泰森食品、玛氏、可口可乐、ADM、嘉吉、达能 年报、可持续发展报告、ESG报告、官网等
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罗兰贝格《替代蛋白行业发展趋势及洞察》
新华网、星期零 等《2022中国植物肉减碳洞察报告》
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徐翌钦,仲亮,刘畅,钟若愚.我国人造肉行业发展现状及政策建议[J/OL].食品与发酵工业. https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.027915
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报告解读|循环经济如何应对生物多样性丧失?

联合国生物多样性大会第十五次缔约方大会(CBD COP15)第一阶段前不久刚刚结束,大会通过《昆明宣言》向世人充分展示了各方加强生物多样性保护的雄心。正如《生物多样性公约》秘书处执行秘书伊丽莎白·穆雷玛所评论:“生物多样性正逐渐成为全球政策制定的核心”。

生物多样性与人类的关系是密切的,任何从单一层面入手的尝试都很难奏效。之前,小博为大家梳理了企业在生物多样性保护上可以采取的行动(阅读回顾:《CBD COP 15:“共同构建地球生命共同体”,对于企业,这意味着什么?》),但是从最根本上来说,要真正解决生物多样性问题,人类社会的发展模式必须要被重新定义,抛弃以往的“获取-制造-废弃”线性模式,使经济繁荣与资源消耗、环境破坏“脱钩”——也就是从线性经济向循环经济转型。

英国艾伦·麦克阿瑟基金会最新发布了研究报告《势在必行:循环经济如何应对生物多样性丧失》(The Nature Imperative: How the circular economy tackles biodiversity loss)。报告强调:循环经济对阻止和减缓生物多样性丧失能做出极其重要的贡献。报告详细说明了每个循环经济原则的具体作用,以及它们在各行业的适用性,并以食品、建筑、时尚和塑料包装为例,阐明了循环经济如何提供转型框架,以及企业和政策制定者为实现这一目标可以采取的行动

图源:Ellen MacArthur Foundation

1.循环经济如何逆转生物多样性丧失

过去70年间,全球的经济规模扩大了13倍。尽管经济的发展为人类带来了巨大的利益,但生态系统为支撑这种发展所付出的代价也极其高昂。报告指出,生物多样性损失的90%都是在人类对生态资源的开采与加工过程中产生的。我们对大自然的索取远远高于其所能提供的。在2020年,人类所消耗的生态资源总量需要1.6个地球才能够再生。生物多样性是人类健康发展的基础,而如今生物多样性丧失已经成为“21世纪人类面临的最大威胁”。

生物多样性和生态系统服务政府间科学政策平台(IPBES)曾呼吁开展根本性的改变,认为彻底变革才能解决全球性的生物多样性问题。而循环经济恰为这种根本性变革提供了一个框架。

土地与海洋利用的变化、过度开发、气候变化、污染以及物种入侵,是造成生物多样性持续下降的五大直接原因。

报告认为,循环经济能够有效地消除这五大原因。首先,减少了对于土地和海洋的经济资源需求,有助于解决土地和海洋使用变化的问题;第二,循环经济要求对于可再生资源(比如鱼类等)的利用与管理更加从长计议,而非杀鸡取卵式地一味索取;第三,温室气体的排放减少,意味着气候变化可以有所缓解;第四,循环经济在生产的每一个环节都中都尽量消除污染的影响;最后,循环经济减少了生活与生产中所产生的废弃物,而在传统的经济模式中,这些废弃物是入侵物种得以从一个生态系统被运送到另一个生态系统中的关键因素。

循环经济如何扭转生物多样性丧失?摘自报告
图源:Ellen MacArthur Foundation

除了可以消除生物多样性损失的直接诱因之外,报告还指出,循环经济对于环境的积极作用可以体现于三个层面。最基本的层面是消除经济活动造成的污染与废弃物。在此基础上,循环经济鼓励大量使用可再生原料,生产可回收利用的产品,使整个生产消费过程尽可能地减少对自然资源的依赖。如前文所提到的,针对自然资源的广泛开采与加工对于生态环境带来了沉重的负担。而循环经济大大降低了这一类资源的投入,减少了对自然的压力,赋予了地球的生态更大的发展空间。而循环经济的最高层面,是使人类的经济活动成为一股助推自然环境发展的力量,并使得促进生物多样性的繁荣,成为循环经济中不可或缺的一环

2.循环经济的产业应用

报告挑选了食品、建筑、时尚和塑料包装这四大议题进行了深入分析。从循环经济理念在行业应用之中,我们可以看到循环经济是如何改善生态,又是如何与生物多样性相互促进的。

食品行业——向可再生农业转型

食品行业对于生物多样性的依赖性相当强,但同时食品生产也是生物多样性丧失的主要推手。生物多样性所承受的压力中,超过50%都来自食品价值链。如今,食品行业传统的“获取—制造—废弃”线性经济模式不仅造成了土地、水体与空气污染,还是全球1/3人为温室气体排放的源头。食品产业不可持续的发展模式亟待转变。

循环经济采用系统性的方法,在生产食物的同时促进生物多样性,并且还提供了经济机会和增强复原力。报告提到的一种方式是可再生的农业模式,避免单一作物的大规模种植,而是通过种植多样化的、对环境的负面影响小的、可再生的、有机的作物,使食品的生产过程也能改善土壤健康、增加碳固存、优化空气和水质量以及消除对有害合成投入物的需求。报告指出,到2050年,即使仅仅只是城市在这些领域采取大规模行动,每年就可产生价值2.7万亿美元的效益。

小博也曾为大家介绍过许多食品行业的循环创新解决方案,欢迎点击阅读了解:

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🔗 矮挫丑也有春天:食物升级再造趋势下的创新

🔗 植物基蛋白风潮

初创企业 Soil Capital 开发了一款应用,可以跟踪测量和建模,测算转向再生农业实践的潜在回报。
图源:Soil Capital

建筑行业——紧凑的城市与可循环利用的建筑

囿于现有的“获取—制造—废弃”模式,建筑行业在产业上游需要大量原材料供应,在下游也产生了令人头疼的污染与废弃物,这使得建筑行业成为了生物多样性破坏的“重灾区”。在国际自然保护联盟所列的世界受威胁和濒危物种名单中,多达29%的物种受到建筑行业带来的压力

建筑行业可借助循环经济理念,在塑造人类的生活空间的同时变得更加绿色。首先,城市的建成区面积应该更加紧凑,这意味着不再侵入城市周边的自然环境,并且更紧凑的城市减少了人们的通勤距离,进而减少了交通污染。在有限的面积内,还应该尽可能地将生物多样性整合进城市之中。新加坡为我们提供了一个极佳的榜样,归功于其与自然良好整合的城市规划,新加坡的生物多样性极其丰富,是23000-28000种陆生生物以及12000-17000种水生生物的家园。

新加坡
图源:Unsplash

其次,建筑物与建材的使用周期应该延长,并且在使用寿命到期后进行循环再利用。因此,在建筑物的建造之初就应该应用更耐久的材料,而为了各组件能够更好地循环使用,可以加入易拆解的设计,使其在建筑的寿命到期后被分解,并在新建筑上继续“发光发热”。实在无法循环使用的材料,也应该确保其本身是可再生的。

时尚行业——减少对原生面料需求、避免微纤维

时尚行业所需的棉花、纤维和羊毛等原材料均依赖自然生态的供给,因而也非常依存于生物多样性。然而,种种原材料在制成衣物之后并未得到充分利用,其中高达99%最终被送往垃圾填埋场、焚烧、降级回收或以微纤维的形态重新回到自然中。

报告指出,对于时尚行业而言,最重要的三点是:首先、通过再使用(Reuse)和再生(Recycle)等方式,减少对原生纤维和面料的需求;其次、采用更为安全的化学品、从设计源头上避免微纤维的产生;以及第三,以可再生的方式生产材料

对于循环时尚,小博的同事 R.I.S.E.可持续时尚实验室发表过专业详细的解读。

🔗 什么是循环时尚?

🔗 循环经济,能减缓时尚产业对于全球气候变化的影响吗?

R.I.S.E.可持续时尚实验室发起的可持续时尚消费决策引导平台 RERISE 小程序,也是帮助大家进一步认知时尚产品不同可持续维度表现、引导大家进行可持续时尚消费的“超级利器”。

塑料包装——少使用,多回收

据统计,所有的塑料包装中仅有14%被回收利用,其余的或是被焚烧、填埋,或是流入自然环境。这些塑料制品成为污染源后,对地球的土壤、海洋和野生动植物造成了极其严重的威胁。一个骇人的估算是,如果我们不采取行动,到2050年,海洋里的废弃塑料瓶将会比鱼的数量还要多。

循环经济需减少与优化对于塑料包装的使用,这可以通过3R原则:Reduce 减少使用、Reuse 重复使用和 Recycle 循环使用来实现。一些细微的技术性调整也能可能产生显著的效果。例如,将多材质的包装改为单一材质,或者给包装去色(如雪碧饮料将绿色瓶身改成无色瓶身),就足以使每吨废弃包装的回收成本降低120美元,从而提高塑料回收的效率。

3.结语

COP15第一阶段的成果使我们看到,各国并不缺乏积极性,在下一阶段,我们更需要考虑如何将决心落实为行动。循环经济作为一个根本性转变的框架,能够为保护生物多样性、构建更和谐的人与自然共处提供许多有益的思路。

而在这一转变过程中,大到政策推动、中到企业行动、创新技术,小到每个人的日常实践,都将扮演至关重要的作用。

*如果你希望更多了解循环经济,欢迎关注阅读我们的其它原创推文:

🔗 报告解读:循环经济如何减缓气候变化

🔗 循环经济“鼻祖”:一直被模仿,从未被超越

🔗 「循环经济」方法论及其创新解决方案 (上)

🔗 从原则、商业模式到深度思考:「循环经济」方法论及其创新解决方案(下)

参考资料:

Ellen MacArthur Foundation, The Nature Imperative: How the circular economy tackles biodiversity loss (2021) 

“解决塑料污染到了最紧迫的时候”:雀巢用创新直击塑料议题

2021年8月,Impact Hub Shanghai 在可持续创新创业平台 Makeable 上发布了一篇名为《深入研究了102条塑料包装创新方案,我们为创业者划出了这些重点》的文章,就机构对塑料包装议题的研究和思考进行了简介。通过此报告,我们了解到塑料价值链的现况与挑战,也看到了来自全球的各类创新解决方案。

《塑料3R 路径图》 来源:Makeable

在研究中,我们的结论之一是:塑料污染问题是一个系统层面的挑战,需要来自价值链上下游企业及消费者的协同创新行动。其中,大型快消品企业的承诺和努力至关重要。作为塑料包装创新解决方案研究的一部分,Makeable 也将持续对一些全球知名的大型快消品企业的创新行动进行介绍与梳理,为影响力创业者和关注塑料议题的伙伴提供启示。

全球知名的食品饮料企业雀巢公司于2020年12月发布了《净零碳排放路线图》,其中承诺:雀巢于2030年达成温室气体排放减半,并于2050年实现净零碳排放目标。而在其2025年减碳之路的10条承诺中,有2项和塑料包装息息相关:2025年实现100%包装材料可循环再生或可重复使用,以及将原生塑料的使用量减少1/3。

Accelerate, Transform, Regenerate: Nestlé’s Net Zero Roadmap (2021)

毫无疑问,塑料污染问题是雀巢非常关注的议题,“解决塑料污染到了最紧迫的时候”,他们发出了这样的呼声,同时也不断地用创新来直击塑料议题。目前,雀巢针对塑料问题正在采取的具体行动包括:

  • 消除雀巢产品中的塑料吸管
  • 为雀巢多个标志性品牌推出替代包装解决方案
  • 寻找向消费者交付产品的替代方法,如可重复使用的容器或自动售货系统
  • 与合作伙伴合作开发可实现在海洋中完全生物降解和可重复使用的瓶子
  • 在公司内外推动行为改变

在这些行动中,如何以创新模式去实现这些目标,让自己真正成为“无废未来”的中坚力量,是雀巢正在积极探索的尝试。

1.雀巢创造共享价值奖 Nestlé Creating Shared Value (CSV)

早在2010年,雀巢就发起了雀巢创造共享价值奖 (Nestlé Creating Shared Value Prize, CSV Prize) ,希望通过创新大赛这一方式寻找带有系统性变革潜能的创新解决方案,以解决现今社会所面对的严峻环境和社会议题。CSV 奖旨在推广和支持全球范围内的可规模化且因地制宜的创新方案和核心创变者。

来源:schoolofchangemakers.com

2020年9月,雀巢 CSV 奖联合了 Ashoka 全球创变者平台,共同发布了塑料议题相关挑战:“打造无废未来”。这一期的大赛目标寻找能支持“包装(包含但不限于塑料)不填埋、不废弃”这一远景的创新解决方案。经过专家评估审核,10家表现优异、潜力十足的无废解决方案创业团队成功入围。雀巢 CSV 委员会挑选出了最终的优胜团队。这些入围团队除了部分获得奖金支持(1家优胜团队获得10万瑞士法郎、4家特别推荐团队获得4万瑞士法郎)之外,还获得了 Ashoka 的线上培训资源和工作坊、导师辅导、雀巢潜在合作等机会。

废弃物回收再利用是降低碳排放最直接的手段之一。回收过程中产生的碳排放量通常远小于重新制造和垃圾填埋(中金公司《碳中和经济学》P256)。而 REUSE 和 RECYCLE 是回收再利用的主要环节。在 CSV 奖中,我们看到了许多在这两类上的应用。

 重复使用 (REUSE)  

Vessel – IoT 助力可重复使用包装

待解挑战:一次性包装是造成全球废弃物重大问题的一个主要因素。虽然对地球有利,可重复使用的产品仍然面临许多挑战,例如追踪、重新收集和清洗等环节的困难度。

解决方案:Vessel 利用物联网(IoT)技术和专业的逆向物流知识,支持企业朝可重复使用的食品餐具和包装转型。

图片来源:http://www.vesselworks.org/

Pandobac – 可重复使用包装的系统解决方案

待解挑战:在法国,用于食品运输和分销的一次性包装最终大多被焚烧,成为填埋垃圾或污染。

解决方案:Pandobac 为可重复使用包装的应用系统提供解决方案。他们的咨询服务帮助客户探索包装问题,计算财务影响,并确定最佳的可重复使用包装方案。Pandobac 还出租可追踪的板条箱,并负责清洗以确保可重复使用。

图片来源:https://www.pandobac.com/

 循环使用 (RECYCLE) 

Ricron Panels – 使塑料品成为建材

待解挑战:混合塑料废品和多层塑料不易被回收,因此通常被送往垃圾场或被焚烧。许多塑料废品流入海洋、河流和自然空间。

解决方案:Ricron Panels 将难以回收的塑料垃圾转化为可持续的建筑材料。Ricron 适于住房和棚屋以及家具的应用,是传统建筑材料(包括胶合板、金属和水泥)的直接替代品。

图片来源:https://www.ricron.com/

Promesa – 社区回收教育

待解挑战:墨西哥每年产生超过5300万吨的废弃物,但并没有能力对其进行回收,而由于民众普遍缺乏环境教育,这也加深了回收的困难。

解决方案:通过一个完善的教育项目,Promesa 促使公司、学校和家庭能够自发开启自给自足的社区回收计划。

图片来源:https://www.grupopromesa.mx/

Circulo – 以塑料回收助残

待解挑战:在危地马拉,人们面临着两个关键问题——残障人士的生活质量低下和越来越严重的一次性塑料污染。

解决方案:Circulo 收集和处理废旧材料,将其升级改造为新产品,这些产品被出售的利润用于资助健康治疗和为残障人创造就业机会。

图片来源:https://www.facebook.com/SomosCirculoORG

Kudoti  – 实现回收供应链的数字化

待解挑战:由于供应链效率低下,导致每年价值1200亿美元的废弃塑料材料无法被回收和再利用,造成巨大损失。

解决方案:Kudoti 是一个回收领域的利益相关者的数字网络。该平台的创立旨在赋能一系列单位,以盈利、可追踪的方式购买和售卖所回收的废弃物资源。这些单位涉及回收商、品牌商以及地方的汇集者与收集者。

图片来源:https://kudoti.com/

2.通过创新合作探寻低碳减塑解决方案

除了通过 CSV 奖支持创新团队从3R 维度为低碳减塑做出贡献以外,雀巢公司也同时探索着与创业公司不同方式的协同与合作,以寻找创新解决方案。

 减少使用 (REDUCE) 

雀巢和位于加州的环保包装设计公司 Ecologic Powered by Jabil 开发了 Vittel® Hybrid 混合瓶。这种瓶子采用了两种材料,一种是非常薄的、减少一半塑料用量的回收塑料材质,另一种是包覆在外层的100%卡纸和报纸回收纤维基材料。其专利技术确保了塑料和纤维基材质可以紧紧贴合在一起,使这种新型瓶装水瓶功能性不受影响并耐用。雀巢还有另外一个基于 Vittel® 天然矿泉水的包装创新,Vittel® GO 套装包含了一个可重复使用的外壳和减少了40%塑料用量的塑料内瓶,内瓶因为大量减少了塑料使用而显得柔软轻巧,在搭配了可重复使用的外壳时即可方便饮用。这两个创新尝试都让塑料瓶的功能维持不变但大大减少了塑料用量。

图片来源:雀巢官网

 重复使用 (REUSE) 

在瑞士,雀巢和创业公司 MIWA 在门店试点了无一次性塑料包装的即溶咖啡和猫粮贩售机。顾客可以自行将容器带到店里进行装罐和购买,也可通过电子标签了解到营养成分等产品信息。在美国,雀巢推出 Refill Plus 项目,顾客可以使用这个有着全新技术的“出水机”,自行采购64种不同口味的饮用水。

图片来源:雀巢官网

 循环使用 (RECYCLE) 

雀巢还和百事可乐和欧莱雅携手投资了创业公司 Carbios。Carbios 研发了一种可以将任何颜色的塑料降解成原始分子的酶,进而让塑料瓶还原到原始塑料的形态。借由这种技术,雀巢使用来自有色 PET 回收材料制作了第一批其代表性产品 Perrier® 50cl 绿色瓶装气泡水样品。当这个全新的技术开发到工业量产阶段,它能大大增加 PET 塑料的回收量。

图片来源:雀巢官网

根据 CIEL 2019年发布的报告,2050年全球塑料产量预估会3倍增长,而其生产和运输将占全球碳排总量的13%。鉴于塑料问题的深远影响,许多消费品牌都将塑料议题列为可持续发展核心目标之一,然而,由于塑料包装拥有独特的保鲜和轻量特质,在食品饮料行业被广泛应用——为更好解决塑料污染问题,全球许多食品饮料企业都在不同方面探索着创新行动。

*排序不分先后
图片来源:Makeable 可持续创新创业平台的塑料包装行业报告

不管是源头减量(REDUCE)、重复利用(REUSE)、还是回收再造(RECYCLE),消费行业的减塑行动需要企业、上游厂商、创新团队等价值链中的各方共同合作,开发出更可持续的塑料产品和商业模式。而这也是 Impact Hub Shanghai 通过联合产业伙伴、投资伙伴和创新创业公司等持续努力推动的方向,我们期许能和更多的影响力创变人群和机构一同为完善可持续塑料包装闭环尽一份力。

参考资料:

1《碳中和经济学:新约束下的宏观与行业分析》中金公司 2021

2 Plastic & Climate: The Hidden Costs of a Plastic Planet. 2019. https://www.ciel.org/reports/plastic-health-the-hidden-costs-of-a-plastic-planet-may-2019/

3 各公司官网

没有垃圾的建筑世界,你能想象吗

建筑行业已经成为中国能耗与碳排放量最大的行业。根据《中国建筑能耗研究报告2020》数据,2018年中国建筑全过程的能耗为21.47吨标准煤当量,占全国总能耗的46.5%;碳排放量为49.3亿吨二氧化碳,达全国碳排放总量的51%。

建筑行业成为碳排“大户”和中国的高速发展是分不开的。伴随着经济腾飞,我国的城市化率不断攀升,城市扩张与更新的浪潮使建筑行业蓬勃发展。根据2017的第一次全国地理国情普查,我国的房屋建筑(区)占地总面积15.31万平方千米,这相当于整个山西省的面积。

中国于2020年正式提出2030碳达峰与2060碳中和目标。在实现这一目标的过程中,建筑行业首当其冲,在未来数十年中都将会是减排的主战场。住房和城乡建设部科技与产业化发展中心主编的《建筑领域碳达峰碳中和实施路径研究》预测,在基础情境下,建筑用能总量在2045年达峰,建筑温室气体排放总量则在2035年达峰;在总量控制情境下,建筑行业碳达峰和提早至2030年,与国家总体碳达峰目标相一致。

1.建筑全生命周期中应重点关注的减碳路径

要实现建筑行业的碳中和,技术创新的加持必不可少。Makeable 曾在上一篇推文中提出,气候创新可以重点关注可再生能源、电力改造、能源效率提升、材料与能源替代、行为改变和 CCUS 这六大路径。

根据这一框架,我们进一步梳理了建筑全生命周期中值得重点关注的减碳路径技术,并将在其基础上深入探索“双碳”背景下中国建筑行业的零碳转型之路。

建筑行业全生命周期下的减碳路径 ©️Makeable

由上图可见,与我们日常生活联系最为密切的建筑运行环节的碳排放(operational carbon)占了建筑全过程碳排放的43%,而更多的碳排放则以“隐含碳(embodied carbon)”的形式藏在了建材的生产运输(55%)以及建筑施工(约2%)这两个环节。

换句话说,在一栋建筑建造完成并正式投入使用之前,就已经产生了超过其整个生命周期一半的碳排放

隐含碳广泛地存在于建筑建材的制造、运输和施工过程中 ©️CarbonCure

面对巨大的减碳压力,建筑行业如何应对呢?在之前的 COP26系列推文中,我们向大家介绍了一系列绿色环保建材工艺以及可以替代水泥的生物质“未来建材”(🔗《COP26系列五|2050年的人类将如何“搬砖”?》)。这次我们则将视线转向建筑行业的中游,看一看在施工环节存在哪些创新路径

2.建筑垃圾的“双减”挑战

建筑施工阶段是建筑垃圾的主要生产源。建筑垃圾指的是在建筑物的建造、维修和拆除过程中产生的废混凝土块、砂浆、碎砖渣、金属、竹木材、包装材料等废弃物。在中国,每年产生的建筑垃圾达20亿吨左右,占城市固体废物总量的比重约为40%。

建筑垃圾是“隐含碳”的重要来源之一,在垃圾的清运和处理过程中都需要消耗大量的资源。尽管一部分建筑垃圾会通过综合处置场进行资源化处理,成为再生建筑材料重新投入使用,然而中国的建筑垃圾资源化利用仍处于起步阶段。《中国建筑垃圾处理行业发展前景与投资战略规划分析报告》数据显示,相比于日韩和欧洲发达国家90%以上的资源化利用率,我国目前建筑垃圾资源化率不足10%。旧建材只使用一次就被废弃也意味着需要动用资源生产新建材,产生更多的碳排放。

建筑垃圾的危害远不止于此。我国当前处理建筑垃圾的方式以填埋和简易焚烧为主,在一些地区还存在非法倾倒的情况,这些对于建筑垃圾不负责任的处理方式导致了生态系统的严重破坏。部分可燃的建筑垃圾在焚烧过程中会产生有毒物质,造成对空气的二次污染;而在堆放和填埋过程中,随着发酵和雨水的淋溶、冲刷,以及地表水和地下水的浸泡,建筑垃圾渗滤出的污水也会造成周围水环境的污染。

©️ 前瞻研究院

针对建筑垃圾带来的困境,有两条可行的思路,一是通过发展装配式建筑,从源头减少建筑垃圾的产生;第二则是推动资源化处理,把原本危害生态环境的建筑垃圾转化为有再利用价值的产品。减量又减碳,这正是建筑垃圾需要去面对的“双减”挑战。

3.像搭积木一样盖房子

装配式建筑为建筑垃圾源头减量提供了有效的解决方案。装配式建筑是指把传统建造方式中的大量现场作业工作转移到工厂进行,在工厂加工制作好建筑用构件和配件,将这些预制构件运输到施工现场,再通过可靠的连接方式在现场装配安装而成的建筑。换句话说,运用装配式建造工艺盖房子,就和搭积木一样简单,所有的楼板、墙板、楼梯和阳台都是预先制造完成的,只需在工地将其拼装在一起即可。

由于大大减少了现场浇筑施工,装配式建筑可节约60-75%的人力资源,25%的水资源,20-25%的能源,以及70%左右的建筑垃圾。经过设计的构件在旧建筑拆除后也能直接重新投入到新建筑的建造中去。

近年来,政策对于装配式建筑的推动力度正在加强。2016年发布的《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》指出,要用10年左右的时间使装配式建筑占新建建筑面积的30%以上

装配式建筑的施工过程 ©️H. Raab

3D 打印+装配式建筑

3D 打印是时下工业制造的热点,将其与建筑建造结合在一起可以大幅提高材料效率。华商陆海作为全球首家实现3D 建筑打印”商用化”的企业,以钢筋混凝土为建筑3D 打印机的原材料,让3D 打印建筑房屋有着更大的发展空间。

与传统装配式建筑不同,3D 打印装配式技术,以“单体建筑”在工厂整体定制化打印,并最终在现场装配,可解决困扰传统装配式建筑的墙面开裂、板材拼合缝隙不均等、隔音效果不佳、保温隔热效果差等难题。

整体打印的“单体建筑” ©️华商陆海

用 AR 眼镜“看穿”你的房子 

装配式建筑在技术层面并不新奇,但将其融合进前沿的数字化科技会给居住者带来全新的体验。深圳创业公司应舍美居致力于运用建筑信息模型(BIM),研发100%装配化率,能够快速安装、整体建筑可建、可扩、可拆、且100%可异地再建使用的建筑。最近,应舍美居还获得了蓝驰创投数千万 Pre-A 轮独家投资(点击《可持续创新创业投融资快讯|2021年11月2日》了解更多)

为实现用户在安装环节的自主安装,以及售后过程中的自主维护,应舍美居利用 AR 技术打造辅助安装系统和售后维护系统。客户只要带上 AR 眼镜,即可辨识每一个构件的安装方法,以及在整个建筑产品中应该安装的位置,还可隔墙可以看到内嵌的所有水电路系统,强弱电、冷暖管一目了然。

©️应舍美居

4.建筑垃圾再利用,让循环经济“闭环”

除了源头减量之外,那些实在难以避免的建筑垃圾则需通过资源化技术进行处理并再利用,促使建筑行业循环经济“闭环”,从而进一步减少碳排放

建筑垃圾回收后经过加工处理可生产多种产品,如废弃的混凝土经过加工处理可生产再生混凝土,价格低于普通混凝土;利用废弃混凝土和废弃砖石可以生产再生透水砖、再生骨料等。有研究指出,每1亿吨建筑垃圾,可以生产标砖243亿块、混合料3600万吨,减少取土或代替天然砂石1000万立方米,节煤270万吨。

建筑垃圾资源化的发展与法律法规的完善和政策的推动是分不开的。德国早在1994年就发布了《循环经济和废物清除法》,对建筑垃圾进行再生利用;日本则通过了《废弃物处理法》、《建设副产物适正处理推进纲要》,从20世纪70年代开始推进建筑垃圾的再生利用;韩国通过《建设废弃物再生促进法》要求使用建筑垃圾再生产品,并对未按规定使用建筑垃圾再生产品的行为设置处罚。而我国在较长一段时间内并未针对建筑垃圾的处理进行系统性的规定与规划。

近年来,“循环经济”成为热点,政策的空白也逐渐被填补上。在国家发展改革委印发的《“十四五”循环经济发展规划》中,建筑垃圾资源化利用示范工程被列入重点行动,并且要求资源化率在2025年达60%,可以预见该领域在未来的市场潜力

会“学习”的垃圾分拣机器人

建筑垃圾回收过程中的一大难点是垃圾成分复杂,处置成本高。Zen Robotics 创立于2007年,是一家位于芬兰的机器人回收技术公司,其研发的回收垃圾分类系统是全球首个已经商业化应用的机器人垃圾分拣系统。该系统包括人工智能识别技术的软件系统以及高速高精度的机器手,它会用传感器扫描来识别物体的表面结构、形状和材料构成,主动“学习”识别新的材料。

目前,Zen Robotics 的机器人主要用于分拣建筑、工业材料,包括金属、木头、石膏、石头、混凝土、硬塑料、纸板等。一个机器手可以高精度分拣4种不同性质的垃圾碎片,有效分拣率达98%,最高分拣速度每小时3000次。

2016年,Zen Robotics 进入中国市场,与江苏绿和环境科技有限公司签署了独家合作伙伴协议,就中国首个建筑混合(装修)垃圾无害化处理项目开展合作。

该系统是全球首个已经商业化应用的机器人垃圾分拣系统 
©️Zen Robotic

建筑施工阶段的创新技术有助于减少建筑垃圾和碳排放,而在应用这些创新的同时,如何使建筑更充分地发挥作用,避免“大拆大建”,同样也值得我们思考。在本系列推文的下一期,我们将转向建筑产业链的下游,探索建筑运行阶段的低碳发展路径。

参考资料:

住房和城乡建设部科技与产业化发展中心, 2021. 《建筑领域碳达峰碳中和实施路径研究》

中国建筑节能协会, 2020.《中国建筑能耗研究报告2020》

头豹研究院, 2019. 《2019年中国建筑垃圾回收处理概览》

亿欧智库, 2021. 《中国商业建筑碳中和实施路径研究报告》

https://news.pedaily.cn/202110/480326.shtml.

http://guoqing.china.com.cn/2020-09/24/content_76734889.htm

http://www.xinhuanet.com//fortune/2017-04/24/c_1120866275.htm

http://www.jiangsulvhe.com/2017/dongtai/040828.html

从穿“棉袄”的房子到没有“烟火气”的厨房,零碳建筑长什么样?

Makeable 从可再生能源、电力改造、能源效率提升、材料与能源替代、行为改变和 CCUS 六大气候创新的重点路径出发,深入探索“双碳”背景下中国建筑全生命周期的零碳转型之路。本文为此系列第三篇,点击文末链接阅读更多。

2020年,中国第一栋获得“近零能耗”标识的民宅“零舍”诞生。此后,相关新闻被屡屡刷屏。这栋位于北京大兴乡村的房屋利用气密与保温策略,无需空调也可常年保持舒适的室内温度,再结合光伏发电技术,建筑运行所需能耗的80%都可“自产自用”

零舍主人、天津大学建筑学院教授任军说:“从事建筑设计,从没放弃过对大自然的探索,第一要保护好它,第二就是琢磨怎么向它‘借力’,别浪费自然的能量。”

©️ Archdaily

零舍向自然“借力”的超低能耗模式实际上离我们并不那么遥远,在建筑界,它也有一个名字叫做“被动房”——而除了被动房之外,建筑运行环节还有许多低碳高效的创新绿色建筑技术值得我们关注

1.光伏建筑:五彩的玻璃幕墙,竟然还可以发电

建筑用能的可再生能源化改造针对的是建筑用能的源头排放,是建筑运行“碳中和”的基础。在建筑领域,太阳能、风能、地热能和空气热能等均是常见的可再生能源来源,而考虑到能源利用的成本、配置的灵活性和与建筑结构结合难度等因素,太阳能光伏发电脱颖而出,成为减排最有力的建筑可再生能源。

国务院发布的《2030年前碳达峰行动方案》提出,“到2025年,城镇建筑可再生能源替代率达到8%,新建公共机构建筑、新建厂房屋顶光伏覆盖率力争达到50%”。在大比例使用光伏的情境下,建筑运行碳排放相较基准建筑可下降68.5%

随着近年来我国建筑节能技术的推进,BIPV 的普及率越来越高。BIPV 全称光伏建筑一体化(Building-integrated photovoltaics),与在建筑屋顶与外墙加装太阳能板的传统模式不同,BIPV 中的光伏组件本身就是建筑结构的一部分,例如门窗、幕墙或屋顶,这既能提高建筑的美观性,又能节省建筑材料。

然而,BIPV 的优势也恰恰导致了其在推广过程中所面临的挑战。由于已有的建筑一般未考虑潜在建筑光伏安装的可能性,这增加了 BIPV 的改造难度;此外,BIPV 组件既需要具备普通光伏系统的发电性能,还应满足防水性、安全性、牢固性和美观性等方面的要求

BIPV 的各种组合方式 ©️ PURE Project

BIPV 可以利用一栋建筑表面任何易受阳光照射的部位。一种常见的 BIPV 模式是使光伏组件与玻璃窗或幕墙相结合,既能发电也能发挥遮阳的作用。澳大利亚上市企业 ClearVue Technologies 与荷兰初创公司 eLstar Dynamics 于2021年成立合资企业,旨在研发一款能够集成能源生产和照明控制双重功能的智能玻璃窗,该产品通过光伏产生的部分电力来操作玻璃的自主着色层,无需百叶窗或其它遮阳部件就能轻松地控制建筑物内的光照水平。

来自德国的 Glasscon 注重于提升光伏组件的美观性,其研发的彩色光伏玻璃遮阳系统使建筑师不再需要担心光伏建筑外观的沉闷。

©️ GLASSCON

除此之外,BIPV 也有其它各种结合方式。例如特斯拉推出的 Solar Roof 太阳能屋顶,直接用光伏电池片替代瓦片,其使用寿命比普通屋顶更长,强度更是标准屋顶瓦片的三倍以上,可应对各种天气状况。

Solar Roof ©️Tesla

在全世界都在推动光伏发电的背景下,对于光伏的需求也不再仅是单纯的数量提升,还有对更高效率的追求。当前市场上常见的光伏电池类型为晶硅电池,而随着另一种高性能材料——钙钛矿的兴起,预计在不久的将来,光伏发电市场将会全面洗牌。

钙钛矿材料由波兰初创企业 Saule Technologies 的创始人、物理学家 Olga Malinkiewicz 发明,钙钛矿光伏电池是继晶体硅电池、薄膜电池之后的第三代光伏电池,其利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料,具有结构简单、成本低等优点,仅经过短短十余年的研发,其光电转化效率已经可以与发展了数十年的晶硅电池相匹敌,在未来还有巨大的上升空间。作为轻质柔性电池的钙钛矿尤其适用于 BIPV 组件。

©️ EnergyTrend

中国企业在钙钛矿光伏领域走在前列,杭州纤纳光电科技已在浙江衢州正式投产钙钛矿生产线,标志着钙钛矿光伏电池技术从研发走向量产,推进该项技术的大规模工业化应用。创立于2018年的极电光能在63.98平方厘米的钙钛矿光伏组件上,实现了20.5%的光电转换效率,打破了大面积钙钛矿组件效率的全球纪录。

2.被动房:无需空调,室内也能四季如春?

被动房起源于上世纪80年代的德国,其名称中的“被动”二字指的是无需空调暖气等“主动”供暖设备,仅靠建筑本身的保温性能就能够在室内常年维持适宜的温度。文章开头所提到的“零舍”便是如此,在北方气温接近冰点的夜晚,零舍的室内温度也仅会下降两度,而这还是在没有任何外部供暖的情况下实现的。

被动房并非一种特定的建造方式,而是一项性能标准——相比普通建筑,被动房的能耗可降低70%左右,因此被动房有时也被称为“超低能耗建筑”。近年来,全国各地都陆续出台了建造超低能耗建筑的优惠政策,其将会成为建筑行业的重要发展方向。

被动房的五大技术要点
 ©️ Passive House Institute China

要想建造性能良好的被动房,最主要的技术手段是提高建筑围护结构的保温性能,这给各种高性能建材提供了大显身手的舞台。

气凝胶是一种密度仅为空气六分之一的高性能材料,是世界上最轻的固体,它具有极高的孔隙率,能够有效降低材料热传导,因此有着极佳的隔热性能。材料巨头巴斯夫研发的 SLENTEX 创新气凝胶材料,导热率大大低于普通隔热材料,使其广泛适用于建筑业的保温隔热应用,并已经在日本的被动房项目中作为外墙保温材料使用。

SLENTEX 材料有超强的隔热性能 ©️ Enviroform-insulation

相变材料是一种能够在很小的温度范围内蓄存、释放大量的潜热,具有温度变化小,蓄能密度大的特点的绿色建材。苏州磐际科技专注于相变材料建筑热储能的研发,其系统方案能实现冬季采暖节能率38%,夏季制冷节能率35%,大量减少了建筑能源消耗和碳排放。

(点击🔗 《从AI充电到建筑储能:科技创新如何推动中国“碳中和”变革?》了解更多)

相变材料可在室温过高或过低时调整,使其维持在适宜的范围

通过高性能的保温材料和完备的气密设计,被动房的外围护结构就像一个密封的保温瓶。这时,新风系统保证了室内外空气的交换流通,让居住者无需开窗通风也能呼吸新鲜空气。新风系统既决定了居住者的体验,其本身的能耗也影响了房屋的节能性能,因此这一环节也可通过利用可再生能源进行节能增效。

例如建筑和高性能材料企业圣戈班的 PAM ELixair 系统,这是一套浅层地热能的智能新风系统,新鲜空气通过进风口被吸入特殊设计的球墨铸铁管道,并与浅层土壤进行热交换,然后由出风口引入室内。该系统在夏季使空气经土壤预冷后引入室内,在冬季则使空气预热后流入。在实际应用中,该系统的节能率可达65%。

PAM ELixair 浅层地热智能新风系统 ©️ 圣戈班

3.电气化:让厨房少些“烟火气”

能源供给侧正在向绿色电力转变,因此建筑电气化也是建筑部门脱碳的必经之路。深圳建筑科学研究院于2020年出版的《建筑电气化及其驱动的城市能源转型路径》报告显示,截至2017年,我国建筑用电量占全社会用电量的 26%,建筑电气化率48%。报告进一步指出,若要实现碳中和或巴黎协定的1.5°C温控目标,2050年建筑电气化率应超过90%。

电气化情境下,2050减排效果显著 ©️ 深圳建筑科学研究院

从建筑耗能的用途来看,制冷、照明、家电已经实现了100%电气化,供暖和炊事则是推进电气化的两大难点。我国北方集中供暖地区在较长一段时间内都在使用燃煤供暖,这种高耗能、高排放的供暖模式情况自2017年推行“煤改气”、“煤改电”以来有所改观,亦推动了建筑部门的电气化进程。

清洁供暖可与智慧建筑相结合,例如北京嘉洁能公司的碳纤维智慧供热解决方案,通过碳纤维发热丝使得电热转化率高达 99.9%;电采暖系统采用室内末端+智能控制系统,具有强大的数据记录及分析功能;末端温控器可按时间、温度条件自动启停加热控制室温。

用碳纤维发热丝供暖 ©️ 嘉洁能

针对建筑的用能特点,也可打造相适应的节能产品。相对民用供暖项目,商场、办公楼等商业建筑项目的日供暖时长更短,且商业建筑采用工商用电价格机制,用电峰谷价差大。商业建筑因此非常适合采用蓄热供暖技术。

天津的 SM 广场作为全亚洲最大的单体商业建筑,采用了上海筑能环境科技的相变谷电储热系统,该系统在夜晚电价较低时通过谷电储热锅炉储存能量,留至需要用能时释放,通过这种“削峰填谷”的方式一年节约供暖费近1500万元,该项目改造总计投资4000多万元,收回项目一次投资仅需两三年时间。

住宅与公共建筑的炊事电气化从技术层面来说难度不大,却因受制于我国的用户使用和中式餐饮烹饪习惯而进展缓慢。这一难题在政策的推进下逐渐得到改观。去年6月,江苏省发布了全国首个餐饮场所“瓶改电”省级支持政策——《关于鼓励餐饮场所推广“瓶改电”的工作意见》,鼓励餐饮场所推广“全电厨房”。商用级“全电厨房”相比明火厨房可显著提升厨房安全系数,同时电磁灶的加热效率比传统燃气灶高出两倍,使用能成本节约20%至45%,平均减少碳排放30%以上。

“全电厨房”相比明火厨房更安全也更节能 ©️ 中国新闻网

本文介绍了可持续能源改造、被动房和电气化改造等目前在政策层面大力推广的技术路径,这些路径也将是推动建筑碳中和的主流方向。另一方面,建筑运行部分的耗能始终和普通人的日常生活息息相关,作为建筑的使用者,我们所能够做的是改变行为习惯,使用更高效的节能电器,拥抱更绿色的生活方式,在生活中与宏大的碳中和目标相向而行

至此,我们已经探索了建筑价值链的上游建材生产制造(🔗《2050年的人类将如何“搬砖”?》),中游建筑施工(🔗《没有垃圾的建筑世界,你能想象吗》)与下游建筑运行(本文)中的创新技术路径。我们坚信,创新是驱动任何行业可持续转型的源动力,作为我国碳排放量最大的部门,建筑行业的转型必将为创新提供广阔的舞台。

头图来源:特斯拉官网

参考资料:

近零能耗建筑备受期待. 2022-01-13. 中国能源报. Available at: http://www.cnenergynews.cn/huanbao/2022/01/13/detail_20220113115686.html

智能玻璃初创公司加速构建集成光伏技术. 2021-07-02. 物联之家. Available at: https://www.iothome.com/tech/jianzhu/2021/0702/11751.html

Solar Roof. Tesla. Available at: https://www.tesla.com/solarroof

钙钛矿太阳能电池是第三代产品,国内技术瓶颈不断突破. 2021-09-22. 太阳能光伏网. Available at: https://solar.ofweek.com/2021-09/ART-260018-8420-30526303.html

中国企业投产钙钛矿光伏电池生产线. 2020-08-10. 人民网. Available at:  http://energy.people.com.cn/n1/2020/0810/c71661-31816282.html

[专访] 极电光能总裁于振瑞:三年后钙钛矿光伏产品能和晶硅直接竞争. 2021-10-18. 界面新闻. Available at:

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https://www.in-en.com/finance/html/energy-2245987.shtml

江苏:推动建设“全电厨房”助力传统餐饮绿色转型. 2022-01-04. 新华网. Available at: http://www.news.cn/2022-01/04/c_1128231684.html

低碳钢铁是怎样炼成的?

“30·60”双碳目标下,钢铁作为工业部门第一大碳排放来源,实现减排目标首当其冲,又任重道远。继对建筑行业减排现状、政策、路径和创新解决方案进行梳理后,Makeable 将视角转向钢铁行业。本文为钢铁行业碳中和研究的第一篇,主要分享行业现状和减排的挑战与机遇,后续推文则将重点关注其中的气候创新技术。欢迎关注。

1.全球与中国钢铁行业碳排现状

钢铁行业碳排放占全球碳排放总量的7-9%

钢铁行业是一个全球性的产业,其原材料(例如铁矿石和废钢)和产品的全球贸易规模庞大。根据世界钢铁协会数据,平均每生产1吨钢排放1.851吨二氧化碳(含范围1-3排放)。2020年,全球共生产18.7亿吨钢,钢铁行业的直接碳排放总量约为26亿吨,占全球人类活动碳排放总量的7%至9%

在重工业中,钢铁行业的碳排放量排名第一,能源消耗量排名第二。钢铁行业也是目前最大的煤炭消费行业,煤炭行业中大约75%的需求来自于钢铁。煤炭在钢铁行业中的应用主要在于产生热量和制造焦炭,后者有助于促进从铁矿石生产钢铁所需的化学反应。

钢铁在我们的社会中无所不在:建筑、基建、车辆的建造和制造严重依赖钢材。同时,钢铁也将成为能源转型不可或缺的组成部分:太阳能电池板、风力涡轮机、水坝和电动汽车都在不同程度上需要钢材。因此,据估算到2050年,全球钢铁需求预计将增加三分之一。

中国钢铁生产占全球的一半

当下,全球70%以上的钢铁生产集中在亚洲。中国是全球最大的钢铁生产国和消费国,2020年生产了超过全球一半的钢铁。

根据《落基山研究所:碳中和目标下的中国钢铁零碳之路》(以下简称 RMI 报告)数据整理
制图 Makeable

钢铁行业是中国工业的支柱性行业,约占 GDP 的5%。钢铁行业涉及面广、产业关联度高、消费拉动大,在经济建设、社会发展、就业稳定等方面发挥着重要作用。

即使在2020年全球疫情的冲击下,中国钢铁生产量再创新高。2020年,中国共生产10.65亿吨粗钢,占全球的57%。预计到2026年我国粗钢产量将达到15.9亿吨,在不采取进一步措施的情况下,2026年我国钢铁行业碳排放总量将达到31.48亿吨。

根据 RMI 报告数据整理 制图 Makeable

2.钢铁行业的碳中和目标、政策与挑战

钢铁需求增长的同时要实现减排,挑战巨大

2020年10月,国际能源署(IEA)发布了钢铁技术路线图。该文件分析了不同减排技术选择所带来的影响和利弊,以及针对本行业制定的、符合《巴黎协定》的政策目标。

©️ IEA 

在国际能源署的可持续发展情景下,2050年钢铁行业直接排放总量比2019年降低50%以上。按照相同的路径,粗钢生产的排放强度必须降低58%

国际能源署认为钢铁对现代经济至关重要,但指出,在支撑钢铁需求量预期增长的同时减少排放,这将带来巨大挑战。虽然提高材料和能源使用效率的措施有助于行业的减排,但其潜力很快会被耗尽,钢铁行业需进一步开发和部署一系列突破性技术方案和配套的基础设施,以实现长期、深度减排。

工信部、国家发改委、生态环境部今年3月发布《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》(以下简称《指导意见》)对钢铁行业提出了明确的减碳目标,要求到2025年,80%以上钢铁产能完成超低排放改造,吨钢综合能耗降低2%以上,水资源消耗强度降低10%以上,确保2030年前碳达峰

中国钢铁生产以高碳排的长流程为主

目前我国钢铁行业仍以碳排放强度高的长流程为主,77%以上的产能采用高炉 (BF-BOF) 技术。使用废钢和电弧炉(EAF),也称短流程炼钢的方式仅占生产总量的9%,并主要用于生产高端特殊钢制品。

相比之下,全球目前有61.3%左右的粗钢是由长流程炼钢炼成的,20.2%使用短流程炼钢。发达国家如美国的长流程占比仅在30%左右

就碳排放而言,长流程炼钢主要以消耗煤炭为主,吨钢碳排放为1.954吨二氧化碳。而短流程的废钢-电弧炉和直接还原铁都以电力为主,吨钢碳排放分别在0.13 和0.20吨二氧化碳。

长流程与短流程炼钢技术示意 ©️ Makeable 

3.中国钢铁行业减排机遇

尽管当前钢铁行业面临环境和资源两大约束,以及超低排放改造和碳减排双重挑战,但从钢铁生命周期的角度看,钢铁自身是一种绿色低碳材料,也具有极高的回收率。因此凭借此次机会,钢铁行业或可实现技术突破,进行能源革命,转变管理模式,从而进一步增强产品及生产模式的低碳竞争力

与此同时,来自行业上下游企业的减排需求也促进了更多利益相关方的创新合作。

钢铁行业产业链重要利益相关方 
©️ Makeable 

上游:矿商积极与钢铁企业开展合作

国内铁矿资源贫矿多、富矿少,前者比后者的处理流程更长、处理成本更高。因此,我国铁矿石供应主要来自进口,代表供应商有巴西淡水河谷、澳大利亚必和必拓、澳大利亚 FMG 等。2019年我国铁矿石进口依存度达80%以上。

为实现全产业链的低碳转型,矿商正在积极与下游钢铁企业开展技术合作。2020年11月份,必和必拓与中国宝武就共同应对气候变化签署战略合作谅解备忘录,计划投资3500万美元,共享互通低碳减排技术知识。FMG 将低碳转型的重点聚焦在了新能源替代方面。为了实现企业的碳减排目标,FMG 专门成立了 FFI(未来产业公司)子公司专注于开发绿色电能源、绿色氢能源和绿色氨能源项目。

中游:大型钢铁企业设定低碳目标

钢铁行业的中游环节包括从生铁制备粗钢再到加工生产各类钢材的全过程。钢材产品主要包括螺纹钢、线材、冷轧/热轧板卷、涂镀层、中厚板等。

根据世界钢铁协会以粗钢产量进行的钢企排名,2021年中国的宝武集团荣登第一。在前十钢企中还包括河钢、沙钢、鞍钢、建龙集团以及山钢。

国内各主要钢铁企业积极响应实施低碳改造。宝武钢铁提出要在2023年实现碳达峰,2035年实现减碳30%,2050年实现碳中和,并计划发布低碳冶金路线图。河钢集团提出2022年实现碳达峰,2025年实现碳排放量较峰值降10%,2030年实现降低30%以上,2050年实现碳中和。鞍钢集团也提出了目标,将在2025年前实现碳达峰,2035年碳排放较峰值下降30%,成为首批碳中和的大型钢铁企业。

下游:建筑、基建为钢铁主要“客户”

中国虽然是钢铁生产大国,但是90%的钢材都是自产自用,其下游为各个行业:建筑与基础建设的钢铁消费量占总消费量的58.3%,机械制造占16.4%,汽车制造占5.4%。

根据 RMI 报告数据整理 制图 Makeable

同样,随着建筑行业等诸多下游行业提出减排目标与路径,钢铁行业也将迎来更多合作创新的机遇。

(点击文章最后“阅读更多”了解建筑行业减排需求与机遇)

4.钢铁行业零碳转型技术路径

Makeable 根据可再生能源、电力改造、能源效率、材料与能源替代和 CCUS 等创新路径出发,整理出以下钢铁行业在应对气候变化的技术重点和要点。

钢铁行业气候变化技术路径 ©️ Makeable 

全球钢铁行业的碳中和策略与技术方向

根据 IEA 的路线图,全球钢铁行业需要通过以下三个核心策略达到其碳中和目标:

1. 开发新型、低排放的炼钢工艺

IEA 认为,钢铁行业的深度脱碳需要依赖新的工艺,并将2050年钢铁行业的累计减排量中近四分之一(24%)归功于两项新技术:氢基直接还原铁和碳捕集与封存 (CCUS)。为此,两项技术需要更快地达到商业规模应用。除此之外,还有一些处于早期开发阶段的新技术可以加速钢铁脱碳的机会。

2. 提升材料效率

提升材料效率可以通过多种策略降低对原始粗钢的总体需求,例如高效的产品设计、钢材回收、工艺效率和维护等以延长产品寿命。根据 IEA,提升材料效率到 2050 年将减少约 20% 的钢铁需求。

除了减少钢铁生产过程中的废品产生和通过改进产品设计提高废品利用率之外,材料效率的另一个重要方面是钢材的直接再利用。直接再利用是指对钢铁产品进行“回收”而不进行重新熔化,例如回收钢梁或管道以重新用于新的或不同的用途。

3. 技术性能提升

技术性能改进是指在炼钢过程中逐步降低能源强度的战略和技术(与效率的急剧变化相反),其包括通过实施最先进的高效技术(又称最佳可用技术 BAT)升级以及流程优化策略(又称最佳操作实践)而做出的改变。

各个技术的技术成熟度 (TRL) ©️ Makeable

中国:废钢生产、煤炭替代、CCUS

国内现阶段钢铁行业碳排放强度的下降主要来自废钢生产和能源效率的提高,比如在钢铁生产过程通过工艺的优化和回收使用废钢来节约资源。未来一段时间仍将以长流程工艺为主,节能减排也应该立足于高炉-转炉(BF-BOF)的设备基础之上。但随着技术进步,炼钢效率和再利用接近技术极限,进一步脱碳需要从根本上改变生产方法。

中长期来看,将会利用氢气或生物能代替煤炭作为高炉炼钢的还原剂,并且将生产供能过程电气化。或者利用 CCUS 技术清除化石燃料产生的碳排放。也可综合利用炼钢所产生的一氧化碳/二氧化碳作为化学工业的原料生产燃料、 肥料或其他有价值的产品。随着未来条件成熟,富氢气基竖炉直接还原工艺将迎来较大发展空间,在此之前可在具备电价、煤炭资源优势的地区和钢企先行推广,为之后国内大规模发展积累技术、人才等经验。

Makeable 也将在后续推文为读者进一步介绍钢铁行业脱碳的创新案例和全球最佳实践,欢迎关注。

头图来源:Pexels

参考资料:

落基山研究所《碳中和目标下的中国钢铁零碳之路》

落基山研究所《中国2050: 一个全面实现现代化国家的零碳图景 》

Global Energy Monitor “Pedal to the Metal – NO TIME TO DELAY DECARBONIZING THE GLOBAL STEEL SECTOR”

Primetals Technologies “Transforming steelmaking: Roadmaps to net-zero carbon for the integrated plant”

华宝证券《钢铁行业碳中和深度研究报告》

中国煤炭工业协会 《2020 煤炭行业发展年度报告》

中国钢铁工业协会 《2020年中国钢铁行业经济运行报告》

世界钢铁协会《气候变化与钢铁生产》

世界钢铁协会 ”The Chinese steel industry at a crossroads“

世界钢铁协会 “Top steelmakers in 2020″l

国际能源署《世界能源技术展望2020—钢铁技术路线图》

国际能源署《2050净零排放:全球能源行业路线图》

国际能源署《中国能源碳中和路线图》

宝山钢铁股份有限公司《2020可持续发展报告》

国金研究《钢铁煤炭行业:产业链集群化——中国产业聚集地图》https://finance.sina.com.cn/stock/stockzmt/2020-09-01/doc-iivhuipp1819589.shtml

《2021年中国钢铁行业产业链图谱上中下游市场剖析》 https://baijiahao.baidu.com/sid=1707988193892542459&wfr=spider&for=pc 

BNEF “Steel Industry Set to Pivot to Hydrogen in $278 Billion Green Push“ https://about.bnef.com/blog/steel-industry-set-to-pivot-to-hydrogen-in-278-billion-green-push/

https://www.bhp-china.cn/media-and-insights/news/2020/11/bhp-partners-with-china-baowu-to-address-the-challenges-of-climate-change.html