生物炭混凝土：建築業的永續解決方案

本文轉載翻譯自網址：

https://puro.earth/blog/our-blog/Biochar-in-Concrete-A-Sustainable-Solution-for-the-Construction-Industry

以下全文：

建築業的挑戰與轉機

建築業，特別是混凝土生產，在全球對抗氣候變遷的關鍵時刻，正站在一個十字路口上。隨著人類積極尋求創新方法來減少溫室氣體排放，將生物炭以非燃燒方式整合進混凝土製程，正逐漸成為減碳的有力選項，尤其適用於這一「難以減排」的產業。

混凝土的挑戰

混凝土是現代建築中無所不在的基礎材料，但其環境負擔也十分沈重——其生產過程占全球溫室氣體排放量的約8%。尤其是混凝土中的核心成分——水泥，其製造過程本質上具有極高的碳排強度。實際上，若將整個混凝土產業視為一個「國家」來排名，它的碳排放量僅次於中國與美國，居全球第三。

要理解這項挑戰的規模，需從混凝土的基本組成談起。典型的混凝土包含粗骨材（如碎石或礫石）、細骨材（如砂）、水、水泥（作為結合劑）以及其他各種添加劑。其中的水泥雖只占混凝土總體積的約11%，卻貢獻了多達88%的二氧化碳排放量。

排放的主要來源

目前普遍使用的「普通波特蘭水泥」（OPC）主要是將石灰石與含矽原料在高達1,450°C的窯中混合燒製。這一高溫製程觸發稱為「煅燒反應」的化學變化，使礦物鍵結斷裂，產生熟料（clinker），並同時釋放大量二氧化碳。這些熟料再與石膏混合並研磨，即成為用於混凝土製作的水泥粉。

除了水泥的生產之外，混凝土對環境的影響還常常被忽略的一環是骨材的使用。估計每年用於混凝土製造的骨材高達 175億噸。如此龐大的消耗量導致了上游的顯著碳排放，以及因開採、破碎和運輸所帶來的環境破壞。

當前的減排努力

由於整體排放中很大一部分來自煅燒階段，尤其是石灰石分解時釋放的二氧化碳，因此混凝土產業被視為「難以減排的產業」。這是因為單靠轉用清潔能源無法完全去碳化，必須尋求在不影響性能與安全的前提下，創新水泥的配方與成分。

面對這些環境挑戰，混凝土產業並未停滯不前。許多企業已開始用飛灰（fly ash）、矽灰（silica fume）和廢玻璃等工業副產物來取代20–25%的水泥。這些材料被統稱為輔助膠結材料（SCMs），能夠有效降低混凝土的碳足跡。

然而，這類替代品本身通常也來自高碳產業，未來還可能面臨供應限制，因此業界仍持續尋找更具永續性的替代方案。

生物炭：一項有前景的替代方案

這時，生物炭應運而生——它是一種經由熱解處理生物質所產出的富碳材料。這種創新材料成為低碳混凝土的潛力選擇，主要有兩種應用方式：

1. 作為膠結材中的填料，減少高碳熟料的使用
2. 替代混凝土中的砂等細骨材

實驗顯示，當生物炭與混凝土結合後，會固化為堅固耐久的材料，並實現長期碳封存。

生物炭在混凝土中的優勢

1. 抵銷混凝土的溫室氣體排放

生物炭能取代部分水泥或傳統骨材，從而減少整體碳排放。同時，研究顯示，生物炭能加快水泥硬化過程中的碳化反應，提高 CO₂ 的吸收效率，進一步降低總體排放。

2. 實現碳移除（Carbon Removal）

作為一項負碳技術，生物炭本身具有高達 -3.3 公斤 CO₂ 當量／公斤生物炭 的碳足跡（視來源、製程與應用而異）。若用於建築等長期用途，其封存碳能力得以延續，因此將生物炭應用於混凝土，正是擴大碳移除的重要方式。

3. 提升性能

生物炭混凝土的結構性能取決於具體配方與製造條件，但已有多項研究證實，植物性生物炭可提升普通波特蘭水泥（OPC）的抗壓強度、耐久性與抗侵蝕能力。

4. 改善熱性能

生物炭多孔的結構有助於吸收與儲存熱能。應用於牆體、地板等建築構件時，可提升隔熱效果，幫助實現建築節能。

5. 教育與產業關注提升

混凝土與建築材料買家對生物炭的認識逐漸提升，市場接受度正逐步擴展。

挑戰與考量

儘管潛力可觀，生物炭混凝土在商業應用上仍面臨幾項挑戰：

1. 價格因素

生物炭成本高昂，因此生物炭混凝土目前多定位為高性能、高永續價值的「高階產品」。雖然價格高、產量少限制了其進入主流市場，但透過碳權收入有望強化其商業可行性。

2. 法規限制

尤其是在歐盟，目前的建築結構標準對於創新材料尚未提供完整法規途徑，導致生物炭混凝土初期多應用於非結構性用途（如人行道、外觀構件等）。部分創新者正努力取得如CE認證等必要標章，但即使符合性能標準，認證流程仍需時間。

3. 生物炭品質差異

並非所有生物炭都適合用於混凝土。其性質會依原料與熱解條件而異，對應用效果產生巨大影響，亦可能造成成品質量不穩。因此開發水泥替代品時，需使用針對性生產的生物炭，並考量其：

• 化學組成
• 含水量
• 顆粒粒徑
• 體積可得性
• 碳移除潛力
• 成本

4. 混凝土配方敏感性

混凝土對材料替代極為敏感。生物炭的多孔性會影響吸水性，進而影響混凝土的可施工性與硬化時間。此外，生物炭需經額外研磨至粒徑小於75微米，避免成品中含有空氣孔洞，確保材料穩定。

市場潛力與未來展望

如圖2所示，全球對水泥的需求在可預見的未來並不會下降，特別是在城市化與人口成長持續推進的情況下。因此，生物炭在混凝土產業中的應用潛力極為可觀。

在2020年，全球混凝土產量達到 260億噸。若僅在總市場的5%中以生物炭取代10%的水泥，便需每年約 2,200萬噸 的生物炭。然而，截至2023年，全球生物炭總產量僅約 35萬噸。若要使生物炭混凝土成為一個可行的市場應用並對氣候產生實質影響，生物炭供應量必須快速擴張。事實上，這也是目前限制試驗與大規模示範項目的主要障礙之一。

案例研究與產業觀點

儘管挑戰仍在，但生物炭混凝土的應用已逐漸受到關注，越來越多供應商開始進行試驗與示範項目來驗證其可行性。

例如，Pyrogen（一間 Puro.earth 認證供應商）正開發基於生物炭的水泥，以支持肯亞可負擔又永續的住宅建設：

在泰國，SCG Cement 與旗下創新團隊 Arbon 合作，已開始在多項建案中實際使用生物炭混凝土。這項計畫不僅針對農業焚燒導致的 PM2.5 污染，也希望為農民創造收入，同時協助建築產業減碳：

未來發展路徑

展望未來，生物炭混凝土為永續建築開啟了一條充滿潛力的新道路。然而，要真正發揮其價值，仍需各方攜手努力：

• 投資者：需加大對生物炭生產與研究的投資，提升供應能力並深化其在混凝土中的應用理解。
• 碳移除證書（CORC）購買者：支持正在開發水泥應用的生物炭供應商，有助於推進此難以減碳產業的轉型。
• 混凝土與建築企業：與生物炭供應商合作進行實驗，有助於減碳並在永續建材領域搶佔先機。
• 政策制定者與監管單位：建立創新建材的合規路徑，有助擴大生物炭混凝土市場，並支持其進入結構性應用。

結論

將生物炭導入混凝土製程，為建築產業的減碳目標提供了一條極具潛力的道路。雖然在擴大產量、降低成本與克服法規障礙方面仍存在挑戰，但在減排效益與性能提升方面所展現的價值，使其成為值得進一步研究與投資的領域。

隨著我們持續尋找創新方式來對抗氣候變遷，生物炭混凝土成為一項極具說服力的選項。只要能結合供應鏈中各方力量——從生物炭生產者、混凝土製造商，到建築公司——我們就有機會為全球最重要的產業之一創造更永續的未來。

通往永續混凝土的旅程充滿挑戰且多面向，但生物炭的整合提供了一道希望的曙光。隨著研究深入與產能擴展，我們或許能迎來一個新時代：建築不僅承載功能，更主動參與碳封存與環境保護。

鳴謝

Puro.earth 特別感謝以下專家對本文的貢獻：

Giorgio Ponte（ecoLocked）、Charles Peurois（Enchar）、Bryan Eagle（Glanris）、Jason Mühleck（Holcim）、Kathleen Draper（International Biochar Initiative）、Giles Welch 與 Andrew Ingle（Onnu）、Philip Maciocia（Pyrogen Energy）、以及 Sakprayut Sinthupinyo（SCG Cement 和 Arbon）。

參考資料

1. Gangotra, A., Kennedy, K., and Carlsen, W. (2024). The US Needs to Lower Cement Emissions — ‘Blended Cement’ Can Help. The World Resource Institute. Available at: https://www.wri.org/insights/lower-carbon-blended-cement#:~:text=Cement%20manufacturing%20is%20a%20major,needed%20—%20there's%20no%20silver%20bullet.
2. Pecha, M. B., Tunstall, L., & Hylton, J. (2022). Biochar as a Building Material: Sequestering Carbon and Strengthening Concrete. Renewable Resources and Enabling Sciences Center. Available at: https://www.nrel.gov/docs/fy22osti/82445.pdf
3. Friedman, J. (2024). Cement and Concrete Companies Leading the Net-Zero Transition. The Center for American Progress. Available at: https://www.americanprogress.org/article/cement-and-concrete-companies-leading-the-net-zero-transition/
4. Gasdia-Cochrane, M. (2023). The Cement Manufacturing Process. Available at: https://www.thermofisher.com/blog/mining/the-cement-manufacturing-process/#:~:text=How%20cement%20is%20made,C%20in%20a%20cement%20kiln.
5. Zhang, Y., He, M., Wang, L. et al. (2022). Biochar as construction materials for achieving carbon neutrality. Biochar 4, 59. Available at: https://doi.org/10.1007/s42773-022-00182-x
6. Nassiri, S. (2024). Biochar in Concrete Applications: Challenges and Opportunities. US Biochar Initiative. Available at: https://www.youtube.com/watch?v=bvQfqJUaViY
7. Zhao, Z., El-Naggar, A., Kau, J. et al. (2024). Biochar affects compressive strength of Portland cement composites: a meta-analysis. Biochar 6, 2. Available at: https://doi.org/10.1007/s42773-024-00309-2
8. European Biochar Industry’s Materials Working Group (2024). Permanence of Biochar in Concrete. Available at: https://old.biochar-industry.com/2024/decarbonizing-the-cement-industry-with-biochar/
9. Senadheera, S.S., Gupta, S., Kua, H.W., et al. (2023). Application of biochar in concrete – A review. Cement and Concrete Composites 143. Available at: https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2023.105204
10. Barbhuiya, S., Das, B. B., & Kanavaris, F. (2024). Biochar-concrete: A comprehensive review of properties, production and sustainability. Case Studies in Construction Materials, e02859. Available at: https://doi.org/10.1016/j.cscm.2024.e02859
11. Ruthowski, E., Pitt, H., and Larsen, K. (2024). The Global Cement Challenge. Rhodium Group. Available at: https://rhg.com/research/the-global-cement-challenge/
12. International Biochar Initiative (2024). Global Biochar Market Soars to $600 Million in 2023, Setting the Stage for Future Growth. Available at: https://biochar-international.org/news/global-biochar-market-soars-to-600-million-in-2023-setting-the-stage-for-future-growth/