混凝土與水泥制品的減碳路徑與策略研究（執(zhí)行摘要）

—2023年8月中建研科技股份有限公司會(huì)2023.08中建研科技股份有限公司中建研科技股份有限公司成立于2001年，隸屬于國(guó)務(wù)院國(guó)資委管理的中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司(以下簡(jiǎn)稱“中國(guó)建研院”)，是由中國(guó)建研院結(jié)構(gòu)所、抗震所、軟件所、建材所改制而成的高新技術(shù)企業(yè)，以建筑業(yè)新技術(shù)、新產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用為主業(yè)，業(yè)務(wù)領(lǐng)域涵蓋建筑軟件與信息化、建筑設(shè)計(jì)與工程咨詢、建筑改造與城市更新、建筑工業(yè)化與建材產(chǎn)品四大業(yè)務(wù)板塊，并提供多種全過程解決方案。自然資源保護(hù)協(xié)會(huì)(NRDC)自然資源保護(hù)協(xié)會(huì)(NRDC)是一家國(guó)際公益環(huán)保組織，成立于1970年。NRDC擁有700多名員工，以科學(xué)、法律、政策方面的專家為主力。NRDC自上個(gè)世紀(jì)九十年代中起在中國(guó)開展環(huán)保工作，中國(guó)項(xiàng)C促進(jìn)中國(guó)的綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展和低碳發(fā)展。NRDC在北京市公安局注冊(cè)并設(shè)立北京代表處，業(yè)務(wù)主管部門為國(guó)家林業(yè)和草原局。請(qǐng)?jiān)L問網(wǎng)站了解更多詳情/課題編寫人員:曹力強(qiáng)研究員中建研科技股份有限公司平高級(jí)工程師中建研科技股份有限公司王小燕工程師中建研科技股份有限公司工程師中建研科技股份有限公司趙喜龍城市項(xiàng)目主管/高級(jí)工程師自然資源保護(hù)協(xié)會(huì)潘支明城市項(xiàng)目主任自然資源保護(hù)協(xié)會(huì)錢京京高級(jí)戰(zhàn)略顧問自然資源保護(hù)協(xié)會(huì)cil所使用的方正字體由方正電子免費(fèi)公益授權(quán)自然資源保護(hù)協(xié)會(huì)根據(jù)中國(guó)水泥協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021年全國(guó)水泥行業(yè)碳排放總量約13.45億噸，占全國(guó)碳排放總量的13%左右，是僅次于電力行業(yè)(40%)和鋼鐵行業(yè)(14%)的第三大碳排放行業(yè)。水泥行業(yè)要實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和，不僅需要降低水泥生產(chǎn)單位碳排放量，更重要的是從水泥的應(yīng)用端出發(fā)，向上驅(qū)動(dòng)水泥生產(chǎn)端減量生產(chǎn)。混凝土是水泥產(chǎn)品的主要應(yīng)用端。水泥作為膠凝材料，配以碎砂石為骨料，與水按一定比例混合攪拌成混凝土，大量和廣泛用于建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。根據(jù)中國(guó)混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，2022年國(guó)內(nèi)商品混預(yù)制混凝土構(gòu)件PC(墻板、樓板、樓梯等)約2億立方米。商品混凝土、預(yù)制混凝土構(gòu)件等制品每年至少消納70%的水泥產(chǎn)量，其中2022年商品混凝土大約排放9億噸二氧化碳(包括材料隱含碳)。因此，研究混凝土自身的減碳措施以及混凝土減量化使用，可形成有效的減碳動(dòng)力，促進(jìn)水泥生產(chǎn)及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同減碳。本報(bào)告從混凝土應(yīng)用端出發(fā)，預(yù)測(cè)了商品混凝土未來市場(chǎng)需求趨勢(shì)，并以混凝土產(chǎn)品本身為減碳研究對(duì)象，以減少水泥使用為目標(biāo)，提出了混凝土與水泥制品低碳發(fā)展的技術(shù)路徑，對(duì)不同技術(shù)的減碳潛力進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并提出了水泥行業(yè)應(yīng)用端低碳發(fā)展的政策建議。根據(jù)中國(guó)水泥網(wǎng)水泥研究院分析，商品混凝土產(chǎn)量年均復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到-3%左右。考慮到我國(guó)城鎮(zhèn)化的發(fā)展階段，隨著建設(shè)需求的逐漸回落，行業(yè)逐步進(jìn)入下行周期(見圖1)，2030年商品混凝土產(chǎn)量預(yù)計(jì)下降至24億立方米，2060年預(yù)計(jì)為16億立方米。依據(jù)GB/T51366-2019《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》附錄D中C30混凝土碳排放因子295kgCO2e/m3計(jì)算，通過產(chǎn)量縮減，到2030年二氧化碳排放可較2022年減少約1.95億噸，2060年可減少約4.3億噸(以下均為與2022年混凝土碳排放數(shù)據(jù)比較)。商品混凝土產(chǎn)量(億立方米)產(chǎn)產(chǎn)量(億方)5029.7128.8229.7128.8218.1418.5520.6120.61201520162017201820192020202120222023202420252030203520402060圖1商品混凝土產(chǎn)量預(yù)測(cè)(2022年之前為發(fā)改委公布數(shù)據(jù)，2022年之后為預(yù)測(cè)值)原材料隱含碳排放是混凝土碳排放的最主要組成部分。根據(jù)北京地區(qū)攪拌站混凝土組成，計(jì)算碳排放得上?；炷辽a(chǎn)與運(yùn)輸環(huán)節(jié)所占混凝土碳排放比重較小。PC構(gòu)件生產(chǎn)碳排放強(qiáng)度在300~400kg/m3左右，原材料隱含碳占80%以上、圖2)。執(zhí)行摘要/混凝土與水泥制品的減碳路徑與策略研究/01自然資源保護(hù)協(xié)會(huì)減碳量(萬噸)減碳量(萬噸)%混凝土碳排放構(gòu)成%以上418.55 21.723.3626.4629.4432.9330.631PCPC制品碳排放組成上原材料隱含碳原材料運(yùn)輸PC生產(chǎn)PC運(yùn)輸圖2混凝土與PC構(gòu)件的碳排放組成減碳技術(shù)路徑：混凝土生產(chǎn)端減碳包括優(yōu)化混凝土配合比、混凝土及制品固碳等；運(yùn)輸端采清潔運(yùn)輸代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源汽車；使用端采用延長(zhǎng)混凝土使用壽命技術(shù)。 (1)在混凝土生產(chǎn)端減碳方面，優(yōu)化混凝土配合比是技術(shù)路徑中較為成熟的手段。本報(bào)告從增加礦物摻合料比例、科學(xué)合理設(shè)計(jì)顆粒級(jí)配、增加再生骨料使用比例三個(gè)方面按照時(shí)間梯度分別進(jìn)行了減碳分析，預(yù)計(jì)到2030年通過優(yōu)化混凝土配合比可減少碳排放7617萬噸/年，2060年可減少碳排放8971萬噸/年。料平均替代水平是36%，隨著礦物摻合料粉磨技術(shù)的提高、摻合料品質(zhì)的提升，到2030年礦物摻合料替代水泥摻量比例可整體提升至50%。根據(jù)行業(yè)企業(yè)技術(shù)水平推算，到2030年，將有60%混凝土生產(chǎn)企業(yè)可實(shí)現(xiàn)礦物摻合料50%水平替代，可減少碳排放3811.2萬噸，2060年可實(shí)現(xiàn)100%混凝土生產(chǎn)企業(yè)礦物摻合料50%替代，減少碳排放4233.6萬噸(見圖3)。減少碳排放(萬噸)替代水平(%)120%4233.620232024202520302060圖3礦物摻合料逐年替代比例和減少碳排放量0.00.002/混凝土與水泥制品的減碳路徑與策略研究/執(zhí)行摘要自然資源保護(hù)協(xié)會(huì)減碳量(萬噸)減碳量(萬噸)減碳量(萬噸)減碳量(萬噸)%1680.050%0.00.00.00.0.0.0.0.0%30%20%10%5%可以實(shí)現(xiàn)顆粒的更緊密堆積。通過三摻技術(shù)實(shí)現(xiàn)顆粒的緊密堆積，從而減少膠凝材料的使用。通過混凝土配合比的優(yōu)化，使混凝土結(jié)構(gòu)更為致密，耐久性提升。預(yù)測(cè)到2030年將有50%的混凝土生產(chǎn)企業(yè)可實(shí)現(xiàn)三摻技術(shù)，可減少碳排放2293萬噸；到2060年三摻技術(shù)實(shí)可以實(shí)現(xiàn)顆粒的更緊密堆積。通過三摻技術(shù)實(shí)現(xiàn)顆粒的緊密堆積，從而減少膠凝材料的使用。通過混凝土配合減少碳排放(萬噸)替代比例(%)20%3500.02024202520302060圖4原材料顆粒級(jí)配技術(shù)對(duì)減碳量的影響石共同占有市場(chǎng)份額。根據(jù)研究，以1m3C30再生混凝土減少約21kg二氧化碳(再生骨料100%替代)，以此為基準(zhǔn)按時(shí)間梯度計(jì)算混凝土企業(yè)使用再生混凝土減少的碳排放。到2030年，預(yù)測(cè)將有石共同占有市場(chǎng)份額。根據(jù)研究，以1m3C30再生混凝土減少約21kg二氧化碳(再生骨料100%替代)，以此為基準(zhǔn)按時(shí)間梯度計(jì)算混凝土企業(yè)使用再生混凝土每年減碳量(萬噸)再生混凝土逐年替代比例20232024202520302060圖5再生混凝土替代比例和減少碳排放量執(zhí)行摘要/混凝土與水泥制品的減碳路徑與策略研究/03自然資源保護(hù)協(xié)會(huì)減減碳量(萬噸)57.010%5% (2)混凝土及水泥制品CCUS技術(shù)是水泥混凝土行業(yè)脫碳的兜底技術(shù)，包括二氧化碳礦化養(yǎng)護(hù)和混凝土固碳兩種技術(shù)。調(diào)研國(guó)內(nèi)二氧化碳礦化養(yǎng)護(hù)制備建材產(chǎn)品示范案例的減碳效果：1億塊固碳磚可減少1.9萬噸二氧化碳。以此為基準(zhǔn)，按時(shí)間梯度代替3000億塊磚 (全國(guó)年產(chǎn)量)進(jìn)行減碳分析。到2030年固碳磚替代總量的30%可減少碳排放1710萬噸(當(dāng)年)；2060年，技術(shù)全面推廣后100%替代后可減少碳排放達(dá)3800萬噸(當(dāng)年)(見圖6)。每年減碳量(萬噸)市場(chǎng)占有率% 圖6固碳生態(tài)磚的減碳分析0.0 (3)在混凝土使用端減碳方面，延長(zhǎng)混凝土的使用壽命是基于混凝土全壽命周期進(jìn)行減碳的技術(shù)手段。為延長(zhǎng)混凝土使用壽命、減少二氧化碳排放量，一方面通過劉加平院士的“隔、阻、緩、延”等防護(hù)技術(shù)提高鋼筋混凝土的耐久性，提升橋梁、海港工程等工程的使用壽命。另一方面，還可以通過混凝土高性能化來達(dá)到減排目的。通過對(duì)鋼-UHPC和鋼-混凝土兩種類型的橋面板進(jìn)行減碳分析發(fā)現(xiàn)，雖然鋼-UHPC橋面板生產(chǎn)階段的碳排放量是常規(guī)鋼-混橋面板生產(chǎn)階段的1.55倍，但是在成品維護(hù)階段鋼-UHPC橋面板碳排放量降鋼-UHPC橋面板具有更大的碳減排潛力。在總結(jié)不同技術(shù)路徑減碳潛力的基礎(chǔ)上，混凝土與水泥制品領(lǐng)域到2030年通過優(yōu)化混凝土配合比、二氧化碳養(yǎng)護(hù)技術(shù)、低碳水泥等技術(shù)措施預(yù)計(jì)可減少碳排放約2.32億噸(當(dāng)年)，占當(dāng)年碳排總量的32%；到2060年通過各種技術(shù)手段可實(shí)現(xiàn)減碳約2.27億噸(當(dāng)年)，占當(dāng)年碳排總量的48%(見圖7)。04/混凝土與水泥制品的減碳路徑與策略研究/執(zhí)行摘要自然資源保護(hù)協(xié)會(huì)%%%34%34%圖7各技術(shù)路徑減碳貢獻(xiàn)圖的低碳發(fā)展路徑，提出了以提質(zhì)增效、精細(xì)化利用為總體指導(dǎo)思想的政策建議。第一，進(jìn)一步提高混凝土生產(chǎn)端礦物摻合料使用害的工業(yè)固體廢棄物為主要原料的超細(xì)粉生產(chǎn)利用，提高礦物摻合料產(chǎn)品質(zhì)量。另一方面，在摻合料質(zhì)量提升前提下逐步提高混凝土與水泥制品的礦物摻合料利用水平。對(duì)于大體積混凝土，建議采用大摻量礦物摻合料混用比例，擴(kuò)大再生骨料及制品使用范圍。鼓勵(lì)建筑垃圾再生骨料及制品在建筑工程和道路工程中的應(yīng)用，將再推動(dòng)在土方平衡、林業(yè)用土、環(huán)境治理、燒結(jié)制品及回將替代原材料、再生混凝土納入“低碳混凝土”體系，在有關(guān)混凝土材料生產(chǎn)碳排放計(jì)算和評(píng)價(jià)方法中予以明確，以鼓勵(lì)和推進(jìn)相關(guān)碳減排技術(shù)的應(yīng)用。第三，從生產(chǎn)端加快低碳水泥品種的研發(fā)和推廣應(yīng)用。國(guó)內(nèi)高貝利特水泥已經(jīng)具備工業(yè)化生產(chǎn)條件，堿激發(fā)膠凝材料在學(xué)術(shù)界也取得了較大進(jìn)步。建議形成一條以硅酸鹽水泥為主，低碳水泥/膠凝材料為輔的路線。擴(kuò)大新品種高貝利特水泥在非結(jié)構(gòu)部位的應(yīng)用場(chǎng)景示范，在政府投資的公共建筑、道路工程中的開展高貝利特水泥制備混凝土的示范應(yīng)用，同步制定高貝利特水泥的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等。第四，推廣二氧化碳養(yǎng)護(hù)制備磚/砌塊市場(chǎng)應(yīng)用，鼓勵(lì)發(fā)展CCUS技術(shù)?？紤]將二氧化碳養(yǎng)護(hù)磚列入國(guó)家綠色建筑、低碳建筑招投標(biāo)要求。通過市場(chǎng)選購(gòu)、政府稅收減免等手段，扶持二氧化碳固碳技術(shù)公司創(chuàng)新投入，加大技術(shù)攻關(guān)資金支持，同時(shí)政府應(yīng)加大對(duì)固碳產(chǎn)品的宣傳力度，提高市場(chǎng)認(rèn)可度。第五，大力發(fā)展清潔運(yùn)輸。鼓勵(lì)新能源運(yùn)輸車代替?zhèn)鹘y(tǒng)柴油車輛。汽車運(yùn)輸應(yīng)全部采取新能源或國(guó)