食品饮料绿色包装和废弃物利用全球创新趋势与技术案例

食品饮料行业是国民经济支柱产业之一,面临可持续转型的挑战与机遇。在可持续食品饮料行业研究的第一篇推文中,Makeable 从价值链方法论去探索食品饮料行业的可持续创新路径,并聚焦至产业链七大环节:原材料、生产流程、产品包装、成品、物流、销售、废物处理处置,并重点探讨了替代蛋白的创新方向与案例。

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食品饮料行业价值链七大环节 © Makeable

本文将聚焦介绍食品饮料在产品绿色包装废弃物再利用环节的创新应用方向及技术案例。

1.食品饮料绿色包装

食品饮料行业包装现状

包装是大多数食品饮料产品与用户的第一接触点。随着行业与消费者对环境问题的关注度越来越高,包装成为食品饮料行业可持续探究的一个重要方向。据益普索的《2019中国食品饮料品类包装趋势洞察报告》分析,环保包装是近年中国食品饮料行业的十大产品包装趋势之一,消费者更青睐对环境友好的、减少浪费的、可重复使用的包装,82%的消费者愿意为环保包装的产品支付溢价。可持续性不再是食品饮料包装的附加值,而已经成为消费者对产品的期望。

食品包装占整个包装行业大约60%的总量。其中,塑料是应用最多的材料,据调查发现,目前我国食品包装材料中,塑料应用量已超过食品包装材料总量的50%,金属包装占8%-10%,纸类包装32%-35%,玻璃包装4%-6%,其他包装约占4%。据 WWF 数据,每年我国食品饮料产品的居民塑料包装消耗量在1156万吨,约占59%。

食品包装的生态设计和回收技术都已取得相当大的进步,但包装的回收率,特别是塑料和聚合物淋膜包装的回收率,仍然相对较低。例如在美国,食品和餐饮塑料包装回收率约为14%,在欧洲,有报告可循的塑料包装回收率约为40%,比较而言,纸板的回收率在美国和欧洲都约为80%。一个运行良好的回收再生系统,不仅取决于当地的再生利用能力,还取决于收集和分类等基础设施条件,而这些条件在世界上许多国家还很不成熟。图片

© Pexels

包装是绿色产品体系中非常重要的一环,政府出台了一系列针对性的政策,引导包装产业尤其是塑料包装的绿色发展。2019年,国家出台了《绿色包装评价方法与准则》,从包装设计、重复使用、回收利用以及可降解材料等多个方面对绿色包装体系进行了规范,为塑料包装的减量设计环保材料替代以及循环和回收利用提供了标准和依据。

包装可持续发展挑战与机遇

国际市场调研公司 Reportlinker 发布相关预测,全球可持续食品包装市场预计将从2021年的1962.6亿美元增长至2022年的2115.6亿美元,年复合增长率达到7.8%;到2026年该市场规模将达到2801亿美元,期间年复合增长率为7.3%。包装在食品饮料市场占据极其重要的地位,而可持续包装是行业发展的必然趋势,近年在该领域不少相关方做出了技术突破和模式创新,下文将详细展开介绍。

结合食品饮料行业产业链七大环节(即原材料、生产流程、产品包装、成品、物流、销售、废物处理处置)以及可持续转型四个方面(即低碳转型、减少资源使用、减少废物和污染物、减少有毒物质使用),Makeable 将食品饮料包装的可持续解决方案路径根据3R原则(REDUCE 减少使用、REUSE 重复使用、RECYCLE 循环使用)进行梳理。


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《塑料3R 路径图》© Makeable

REDUCE(减少使用)的实现主要通过材料替代和设计端、生产端的创新减少每个包装所需要的塑料原料。其中,常见的材料替代方向有以生物基材料替代石油基材料、从复合包装转向单一包装、使用可降解/可回收材料等。

REUSE(重复使用)的实现主要通过再罐装的理念,从在家、在店、平台等维度进行创新。对于可重复使用包装来说,回收系统是关键,其中包含对包装耐用性、标准化的考虑、包装重复使用的频率、运输所需的距离、清洁、如何促进消费者进行退回和再罐装的行为等。

RECYCLE(循环使用)的实现主要通过设计端、回收端的创新以提高回收效率,以及通过物理回收或化学回收的手段,对塑料进行高值化的再利用,另外还包括废弃物的循环利用,在食品饮料包装中重复使用。

包装可持续创新解决方案

01 REDUCE

生物基材料替代石油基材料

纸和纸板是常见的食品饮料包装替代材料。美国第二大包装公司 WestRock  Cancollar 纸板环技术,用于罐装饮料的二次包装。CanCollar 经 PEFC 认证,可回收,可持续采购,且工艺中不需要使用胶水或粘合剂。目前已与可口可乐、莫德洛等饮料公司合作,替代其原有的塑料组合包装解决方案,预计每年将减少大量塑料使用量及废料(莫德洛集团预计每年减少100多吨的塑料废弃物)。图片

Cancollar® © WestRock

丹麦初创公司 Paboco 则是致力于纸瓶开发,生产的所有瓶子都经过 FSC 认证,并使用可100%回收的塑料内涂层与塑料瓶盖。与传统的 PET/HDPE/LDPE 相比,Paboco 纸瓶可减少高达65%的塑料用量。可口可乐是 Paboco 的合作伙伴,2021年在匈牙利以其植物性饮料 AdeZ 进行第一代纸瓶的试用。今年嘉士伯集团宣布将在西欧试用与 Paboco、Avantium 合作开发生产的生物基纤维啤酒瓶。同时,Paboco 正在研发下一代纸瓶,用生物基材料取代原来的塑料涂层及瓶盖,实现纸瓶完全生物基,有助于纸瓶在废纸流中回收。图片图片

Paboco 纸瓶第一代(左)和下一代(右) © Paboco

由英国剑桥大学孵化的 Xampla 研发的是由植物蛋白制成的一次性塑料替代品,是世界上第一个商业用途的植物蛋白聚合物,新材料不依赖化学交联,能够在自然环境下充分降解,该材料可应用于食品饮料行业、日化行业、制药行业的部分场景,致力于减少一次性塑料和微塑料对环境的影响。

英国初创公司 Notpla 以海藻为原材料,开发出 Ooho 这种包装材料,用于取代饮料和调味品常用的一次性塑料包装。Ooho 产品可食用,4-6周内可自然生物降解。海藻是大自然中再生速度最快的资源之一,不需要淡水或肥料喂养,并对海洋脱酸有积极作用。2021年12月,Notpla 获1300万美元 A 轮融资。图片

© Notpla

包装轻量化

雀巢和加州的环保包装设计公司 Ecologic Powered by Jabil 为 Vittel®天然矿泉水瓶合作开发了两种创新包装。第一种是 Vittel® Hybrid,这种瓶子采用了两种材料,100%由回收材料制成的超薄塑料瓶和由100%回收纸板和旧报纸制成的纤维层用于包裹。第二种是 Vittel® GO,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,内瓶由于大量减少了塑料使用而显得柔软轻巧,需要搭配可重复使用的外壳。两种创新包装都让塑料瓶的功能维持不变但大大减少了塑料用量。

02 REUSE

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,“可重复使用包装”已成为包装回收的重要路径之一。对于可重复使用包装来说,除了容器本身之外,回收系统是关键。可重复使用的最终目标应是减少“包装-产品”系统的环境足迹,取决于消费者在实际应用中的重复使用率。因此,创新解决方案需要考虑如何促进消费者进行退回和再罐装的行为,如利用宣传营销手段、优惠激励措施、押金制度、数字追逐技术等。

Loop™ 是由国际回收行业领袖 TerraCycle 开发的一个循环电子商务平台。Loop 运营着一个全球逆向供应链,即从消费者和零售商那里收集用过的包装,实现存款退货,分类和存储,最终将清洁后的包装退回给制造商进行再罐装。

英国创新企业 CLUBZERØ 希望通过鼓励消费者使用可重复使用的杯子和外卖容器来减少一次性塑料的使用量。消费者使用完毕后会将容器放置到收集点,CLUBZERØ 对产品进行收集和清洁,并放到收集点以便消费者的下一次使用。数字追踪技术能有助于消费者快速找到收集点,并促进退回和再罐装行为。CLUBZERØ 咖啡杯循环系统为每个杯子内置 RFID  标签芯片,消费者可以通过 APP 寻找最近的归还点。图片

© CLUBZERØ

03 RECYCLE

单一材料包装

今年2月,市场调研机构 Innova 公布了2022年顶级包装趋势,其中“单一材料”(Monomaterial Mastery)被定为第二大趋势。使用单一材料,有利于提高回收利用率。根据 Smithers 研究报告分析,目前,单一材料塑料包装薄膜的种类主要是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和再生纤维素纤维(RCF),前两者是市场主流,占据全球单一材料塑料薄膜91.7%的市场份额。根据欧洲软包装循环经济组织(CEFLEX)的《循环经济设计指南》,软包装的单一材料主要指单一的聚烯烃材质,单一聚丙烯(PP)或者单一聚乙烯(PE)材料重量比例超过90%。

近日,北欧化工(Borealis)包装制造商 PACCOR 合作,为 Froneri 公司旗下的冰淇淋品牌 Aino 生产单一聚丙烯(PP)材质冰淇淋杯和杯盖。北欧化工提供的 Bornewables PP 材料采用第二代生物质、废料和残渣制成的可再生原料加工而成,通过国际 ISCC+认证体系下的质量平衡会计认证。PACCOR用 Bornewables PP 材料进行注塑成型,并用模内贴标装饰工艺,使得这一单一材料包装能够实现100%回收,且耐用、可与食品内容物接触并在冷藏期间可为内容物提供保护。

连环盖设计

早在2018年5月,欧盟颁布 EU Directive 2019/904指令对一次性塑料包装制品的使用就进行详细规定,其中一项要求到2024年6月,所有塑料瓶的瓶盖必须与瓶身相连接,方可在欧盟境内进行生产、销售。这对于瓶盖制造商、塑料瓶制造商等是一项重大的技术挑战。德国百年瓶盖企业 Bericap 在2021年开发了 ClipAside 连环盖。瓶盖可以打开并锁定到180度,并且由于配备防拆封带,使用后瓶盖仍然附着在瓶子上,因此可以避免乱扔垃圾。

可口可乐也于今年5月份开始在英国苏格兰地区销售的饮料包装换上连环盖,以提升消费后的瓶盖回收,避免瓶盖被随意丢弃。新包装设计意味着这些饮料的瓶盖打开之后,依然与瓶身相连,整个瓶盖与瓶身可一起进行回收处理。到2024年,可口可乐在英国销售的饮料包装都将全部采用连环盖图片

© 可口可乐

资源再生包装

来自其他行业的废弃物也能成为食品饮料包装的原材料。新型生物基材料公司 Mi Terro 通过从酒糟中提取软性蛋白并混合纤维制成可降解包装。其酒糟蛋白制成的包装材料相比于一般塑料,具有保鲜度更好、不易被氧化等优点。同时,与其他可降解材料(如PBAT、PLA)相比,其生产成本更低、降解周期更短。

在2019年,可口可乐公司已推出全球首款由海洋回收废塑料制成的饮料瓶,并已成功回收并在食品和饮料包装中重复使用。塑料回收再生技术在国内外已发展且应用多年,Makeable 将在后续推文详细介绍塑料回收再生技术。

2.食品饮料废弃物再利用

食品饮料行业废弃物现状

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。以热量计算,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。这些被损耗的食物往往直接被填埋,造成了资源的浪费和二氧化碳的排放。图片

© Pexels

食物浪费是国际社会高度关注的全球性问题。根据联合国粮农组织的数据,在人类生产的所有粮食中,就水果和蔬菜作物而言,损失超过45%,相当于每年有3.7万亿个苹果从未被消费。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。”这对食品饮料行业的每一个环节都提出了资源回收再利用的要求。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%

废弃物再利用挑战与机遇

从食品饮料行业的生命周期来看,可以资源化利用的部分包括三个方面:未达到标准化要求的原材料(如大小不达标或表面有瑕疵)、食品加工过程中产生的余料(如酒糟和榨汁后的水果)、居民日常生活及饮食服务等过程中产生的垃圾(包含丢弃的过期食品)。其中前两部分的食品饮料也大多被丢弃,产生大量的厨余垃圾。目前常见的厨余垃圾处理模式有饲料或肥料化、厌氧消化、好氧堆肥、混合焚烧等。

然而,这部分废弃物仍有资源化利用价值,国内外多方(包含产业方和创业团队、研究机构等)都在致力寻找资源再生利用的高效途径。目前解决方案的方向包括打通销售渠道、拓宽资源化路径和提高高值化利用技术,以及完善回收系统等。通过这些方式,食品饮料行业将提高资源的充分利用效率,显著地减少浪费和环境影响。下文将介绍几个食品饮料行业中典型的资源再生利用的创新案例。图片

食品饮料行业废弃物再生利用路径 © Makeable

可持续创新解决方案

01 “丑食”也是食物

仅仅因为“丑陋”、生产过剩或储存不当等原因,很多完全可以食用的食物不幸被浪费废弃。而另一方面,许多国家和家庭面临着粮食短缺,尤其是受到新冠疫情影响之后。这样“一手浪费一手缺粮”的食物体系显然有着诸多问题。目前世界各国针对“丑食”浪费的解决方案主要有两种:打通销售渠道食品升级再造

打通销售渠道

对于仅仅是外表有瑕疵的蔬菜水果,可以通过打通销售渠道的方式减少浪费。

线上有机食品零售平台 Imperfect Food 建立了让“丑食”直接进入消费者餐桌的渠道,通过合理价格以每周订阅购买的方式,让愿意消费“丑食”的消费者获得这些完全不影响食用的食物。仅2020年一年,Imperfect Food 就销售了五千万磅的“丑食”。图片

© Imperfect Food

“丑食”升级再造

对于无法直接销售的“丑食”,可以使其成为加工食品的原材料

2012 年成立的 Barnana 从拉丁美洲的农场购买即将被扔掉、有瑕疵的有机香蕉,将香蕉脱水后制成可口的零食,并在各大主流、有机超市销售。The Ugly Company 将“丑果”制成果干出售,大受消费者欢迎。

02 余料的高值化利用

食品加工过程中会产生大量的余料,这些余料不仅可以重新成为食品加工的原材料,还可以被加工成生物基材料,为其他行业所利用。

成为食品加工原材料

Pulp Pantry 的创始人发现蔬菜榨完汁后,大量果肉(果渣)被丢弃。而实际上,这些果肉含有榨汁前完整蔬菜 95%的纤维,以及1/2完整新鲜水果和蔬菜的营养成分。Pulp Pantry 将果肉转化为营养丰富、口味多样的薯片。自2019年以来,Pulp Pantry 已升级改造了超过35000千克的蔬菜果肉,这相当于节约用水900万升,节约耕地面积23000平方米。图片

© Pulp Pantry

咖啡生产过程中也存在大量被丢弃的食材。我们通常看到的咖啡豆其实是咖啡果(也称咖啡樱桃)的种子。咖啡樱桃的果皮果肉经分离后被舍弃,只取咖啡种子使用。成立于2014年的 Coffee Cherry 利用专利工艺,将被分离出的咖啡樱桃果肉变成浆,再升级成“咖啡面粉”,并制成包括甜点、面条、面包等各种食品。

过去,水稻在被加工成大米之后,剩余的稻壳往往只能一烧了之,既污染环境经济价值也低。黑龙江春华秋实粮油有限公司哈尔滨工大华实环保科技有限公司开展合作,从稻壳中提取出高纯度纳米级二氧化硅。与传统从矿石等材料提取二氧化硅不同,从稻壳中提取的二氧化硅具有非结晶、无定形、纳米微孔结构等优势。在农业上,产品可微溶于水,能够被植物直接吸收。在工业方面,如电池的负极材料,稻壳硅的微孔结构高度符合硅碳负极的特性。同时,这条生产线还能产生酸性液态复合肥,对盐碱地的改造有非常好的效果,生产过程中产生的大量蒸汽还可以用来生产牲畜饲料。

国内食品科技公司普诺汀豆制品及其他食品加工副产物进行深加工高值化再造,升级为新食品原料,应用于植物基食品、功能性健康食品的开发中。目前,已完成300kg新食品原料的中试生产试点,与豆制品企业、果蔬汁生产企业、巧克力企业等达成合作意向。

制成植物皮革

2020年在中国成立的 Vegatex 利用食品加工业的废弃物——水果渣和谷物渣为原料,进行转化和增值,赋能食品,纺织品,皮革,化工等诸多行业的植物基应用。Vegatax 与百威中国合作,全球首创利用啤酒大麦渣提取食品级植物蛋白粉,并用酿酒大麦残渣制作皮革

2016年成立的意大利 VEGEA 公司与葡萄酒厂合作,使用葡萄果渣制成“葡萄皮革”(Wine leather)。目前这种皮革已经实现商用,在时尚领域, VEGEA 已与 Tommy Hilfiger、CK、H&M 等知名品牌达成合作,并且在家居和汽车领域成为许多品牌选择的可持续面料。图片

© VEGEA

03 废弃物的多途径利用

自2016年至2021年,我国厨余垃圾的产生量由237.2百万吨增加至255.7百万吨,预计到2026年底将达至273.8百万吨。大量的厨余垃圾对城市的固废处理处置系统造成极大压力,合理的资源化利用能有效缓解环境压力。

过期食物升级再造

艾媒咨询数据显示,2021年临期食品的市场规模达318亿元,预计行业保持6%的增长率,2025年中国临期食品市场规模将达401亿元。临期食品常以打折降价方式进行销售,诞生了如好特卖、嗨特购等临期食品销售企业。而对于无法被销售的过期食品,仍有其资源化再利用的路径。

英国的 Toast Ale 用回收的过剩吐司来取代其啤酒酿造过程中使用的三分之一大麦,并通过这种方式来减少英国每日浪费的2400万片吐司。2016年至2021年,Toast Ale 让257,5004片过剩的面包免于被销毁的命运,加起来的高度相当于3.6座珠穆朗玛峰。图片

© Toast Ale

废弃食用油脂(UCO)可作为生物柴油原材料

餐厨垃圾中,餐厨废油约占10%左右,已经成为当前餐厨垃圾再利用的重点。从欧盟的生产生物柴油的原料结构来看,UCO 是生物柴油第二大原料。UCO 是最具市场前景的生物质柴油原料之一,是世界公认的减碳明星。我国目前是欧盟 UCO 主要出口国。在“双碳”政策的助力下,国内生物柴油市场前景广阔,也将带动国内 UCO 市场的增长。

北清环能集团股份有限公司是目前国内唯一以餐厨废弃物资源化利用为主业的上市公司,其子公司十方环能主要运营以“餐厨废弃物无害化处理与资源化利用”为主的环保业务,通过沼气利用、生产工业级混合油、生产 UCO(废弃食用油脂, Used Cooking Oil)  等方式,完成餐厨废弃物的综合处置。图片

© 北清环能

废弃面包肥料化并协同修复环境中重金属

东华大学环境科学与工程学院蔡冬清研究员课题组在废弃面包催化降解制备缓释黄腐酸功能肥料方面取得重要进展,该工作为废弃面包肥料化并协同修复环境中重金属提供一种新思路。研究团队利用纳米催化降解技术将废弃面包快速转化为黄腐酸,进而与磁性纳米材料有机复配,研制磁性缓释黄腐酸肥料。重要的是,该肥料不仅可以促进作物生长、改良土壤,而且可以高效吸附并通过磁场移除环境中重金属。该工艺绿色环保成本低,在固废资源化和土壤修复领域具有潜在的应用前景。

3.总结与观察

本系列推文以价值链方法论探索食品饮料行业的可持续创新路径,并聚焦至产业链七大环节,并以原材料端、产品包装端、废物处理处置端为例介绍了食品饮料行业的可持续创新方向。

在原材料端,我们对替代蛋白的发展现状和投融资情况进行了简要介绍,并且梳理出目前替代蛋白行业发展面临的挑战与机遇。在产品包装端,我们根据3R 原则(REDUCE 减少使用、REUSE 重复使用、RECYCLE 循环使用)进行梳理,并在案例搜集中发现:许多大型食品饮料公司会通过组织创新大赛、孵化器计划等开放式创新的方式寻求创新解决方案,这为创新公司提供优质合作机会。在废物处理处置端,食品饮料行业废弃物不仅可以回收再利用,成为行业的原材料,也可以在其他行业进行高值化利用,实现资源再生价值。

不管是产业链七个环节中的哪一环节,食品饮料行业的可持续行动都需要企业、上游供应商、创新团队等多方共同合作,开发出更可持续的发展模式。产业方内部创新和创新公司技术突破是推动行业可持续发展的重要力量。产业共建生态是 Makeable 与 Impact Hub Shanghai 一直致力推动的方向,希望通过联合产业伙伴、投资伙伴和创新创业公司等努力推动行业可持续转型。Makeable 后续也将带来更多消费行业的趋势研究及创新解决方案,欢迎关注。

头图来源:Pexels

参考资料:

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Tetra Pak “Food & Beverage Packaging Trend Report”,http://news.rfidworld.com.cn/2018_10/6d9cc37ef944d3ab.html

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Huhtamaki 《食品包装回收:现状与展望》

GB/T 37422—2019 《绿色包装评价方法与准则》

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天风证券《北清环能-000803-“双碳”时代可再生能源领跑者,进军全球餐厨废油脂龙头!》

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「德施曼」完成D轮融资,国美资本等机构投资

近日,德施曼智能锁完成D轮融资。这是德施曼两年内完成的第四次融资,投资方包括国美资本、经纬创投、初芯集团、轻联投资、栈道资本、滨江高新创投等。

本轮融资将用于打造智能锁行业高端品牌,特别是一线城市高势能广告的集中投放,以及一线城市数百家大型超级体验店建设等方面,进一步加深德施曼在高端智能锁赛道的护城河。

初芯集团董事长尹佳音表示:“智能门锁作为智慧家居的入口端产品,是生物识别、智慧物联和智能制造在消费电子领域的集合应用,这个赛道在AIOT时代具有十分重要的战略地位。德施曼作为国内智能门锁的第一梯队,有望在未来消费升级及智慧家居的科技化浪潮中,成长为一家数百亿级的消费类科技企业。”

经纬创投合伙人肖敏表示:“经纬很早关注了智能门锁赛道,并交流了很多公司,经纬认为是消费升级不可逆的趋势,智能锁市场空间巨大。德施曼团队有成功的创业经验,对行业的重点脉络有深刻的认知,同时团队对产品和技术研发保持热情和敏锐,希望公司未来能够再接再厉,迈进新的高度。”

国美资本科技赛道投资负责人王圣魁表示:“以家庭场景为核心的系列行业与赛道,是国美近年来的重点投资领域。德施曼在高端智能锁市场占有率的快速攀升,展现出了优秀的发展实力。同时国美也十分看重德施曼在线上线下渠道的扎实的布局拓展能力。”

轻联投资表示:“在万物联网的当下‘智能家居’已深入到每个家庭,而智能门锁作为全屋智能的入口,成为了很多家庭入手的第一件智能家居产品。德施曼作为国内高端智能门锁领先企业,公司线上线下两辆马车并驾齐驱的业务模式为其未来发展奠定了扎实的基础。”

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/

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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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Ellen MacArthur Foundation “The Nature Imperative: How the Circular Economy Tackles Biodiversity Loss”
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World Resources Institute “Creating a Sustainable Food Future”
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
BCG, Blue Horizon Corporation “Food for Thought: The Protein Transformation”
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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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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:

🔗 新兴科技助力传统农业转化为可再生农业

🔗 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