欧盟建筑中的生物源性二氧化碳储存与矿物碳化吸收

《Journal of Environmental Management》：Biogenic carbon dioxide storage and mineral carbonation uptake in EU buildings

　　多米尼克·施泰因伯格-迈尔霍费尔（Dominik Steinberger-Maierhofer）| 尼古拉·阿洛克斯（Nicolas Alaux）| 德尔芬·拉蒙（Delphine Ramon）| 塞姆jon波佩克（Semjon Popek）| 塔杰达·波特奇·奥布雷赫特（Tajda Potr? Obrecht）| 朱迪特·科卡特（Judit Kockat）| 中晓阳（Xiaoyang Zhong）| 亚历西奥·马斯特鲁奇（Alessio Mastrucci）| 马塞拉·鲁斯基·门德斯·萨德（Marcella Ruschi Mendes Saade）| 卡伦·阿莱克（Karen Allacker）| 亚历山大·帕瑟（Alexander Passer）| 马丁·罗克（Martin R?ck）
奥地利格拉茨工业大学，结构设计研究所 - 可持续建筑系

**摘要**
将大气中的二氧化碳（CO2）储存到产品中被认为是减少二氧化碳的关键措施之一。建筑行业及其作为碳汇的潜力正在迅速成为欧洲积极政策考虑的因素。然而，尽管这是做出明智决策的关键要素，但关于建筑行业当前温室气体（GHG）排放情况下的CO2储存和吸收潜力的可靠数据仍然缺乏。在这里，我们从三个层次上量化了2020年欧盟建筑物的CO2储存和吸收潜力：材料层面、建筑层面和建筑存量层面。我们评估了基于生物的材料和矿物碳化技术的潜力，并将结果与欧盟建筑存量的基准温室气体排放进行了比较。在建筑层面，基于生物的材料显示出最大的储存效果。建筑使用过程中的碳化作用小于使用寿命结束时的碳化作用，但两者都产生了不可忽视的效果，这应在建筑物的生命周期评估中予以考虑。然而，如果考虑到生产阶段的煅烧排放，矿物材料的碳化吸收并不能在建筑层面实现净二氧化碳去除。在建筑存量层面，净生物碳储存效应相当于内含温室气体排放量的1.27%，而包括碳化在内的矿物CO2通量则相当于2020年欧盟27国建筑存量内含温室气体排放量的10.16%。材料层面、建筑层面和建筑存量层面的结果可以作为欧洲未来净零温室气体研究的比较基准。

**引言**
要在地球上实现净零人为温室气体（GHG）排放，需要进行大规模的二氧化碳去除（CDR），其中将大气中的二氧化碳（CO2）储存到产品中被认为是一种有效的CDR方法（IPCC，2021年）。最新的二氧化碳去除报告将CDR定义为“人类活动从大气中捕获CO2并将其持久地储存在地质、陆地或海洋储层或产品中”（Smith等人，2024年）。一项活动要被视为CDR，需要满足三个原则：1）“捕获的CO2必须来自大气，而不是化石来源”；2）“随后的储存必须是持久的，以防止CO2很快重新释放到大气中”；3）“去除过程必须是人类干预的结果，而不是地球自然过程的一部分”（Smith等人，2024年）。关于持久储存的第二个原则，布伦纳和豪斯法特（Brunner and Hausfather，2024年）指出，少于1000年的储存期不足以中和剩余的化石燃料排放带来的升温效应，从而区分了临时二氧化碳储存（CDS）和永久性CDR。在我们的解释中，CDS指的是储存时间少于1000年的活动，而CDR指的是储存时间至少为1000年的活动。

近年来，在建筑行业出现了将建筑物作为碳汇的范式，即利用该行业大量的材料流将大气中的碳储存在持久的建筑构件中。能够储存或去除大气中CO2的建筑材料可以分为基于生物的材料和矿物材料（Smith等人，2024年）。对于基于生物的材料，大气中的CO2在植物生长过程中被去除并以生物碳的形式储存在生物质中。收获后，之前存在于大气中并储存在植物中的CO2转移到建筑存量中的碳池中。在这个人为制造的碳池中，生物碳的流入起到碳汇的作用，而流出则起到碳源的作用（Rüter，2017年）。基于生物的材料通常具有低于1000年的储存期（Rüter等人，2019年），因此它们属于临时CDS。对于矿物材料，大气中的CO2通过碳化作用被去除。在建筑使用过程中，矿物建筑材料的表面会发生碳化。在建筑物寿命结束时，当材料被拆除时，破碎材料的表面积增加，导致更多的未碳化分子暴露出来，从而引发额外的碳化。如果矿物材料不再暴露在高能量下，那么被碳化到矿物材料中的大气CO2可以储存超过1000年。例如，温内菲尔德（Winnefeld等人，2022年）报告称，这种碳以类似于地球上碳酸岩的形式长期稳定存在。因此，根据上述定义，当温室气体排放和去除的净效应为负时，矿物材料符合CDR的要求。

近年来，可持续建筑研究界对该主题表现出了极大的兴趣（Alaux等人，2024a）。皮陶（Pittau等人，2019年）研究了通过热改造在欧洲建筑存量中储存大气碳的方法。他们采用动态生命周期评估（LCA）方法对五种不同的生物和非生物外墙系统进行了研究，发现快速生长的可再生基于生物的材料在建筑存量中具有巨大的碳储存潜力。由于这些材料的周转周期较短，它们允许快速应用和再生，从而在短时间内储存大量的大气碳。丘尔基纳（Churkina等人，2020年）从全球层面研究了随着木材建筑比例逐步增加的CDS问题，在一些所谓的“木材城市”中，这一比例高达90%。庞波尼（Pomponi等人，2020年）从国家层面探讨了木材的供需系统，考察了全球森林供应预计楼面面积的能力。作者们开发了一个简化的供需模型，得出结论认为，到2050年，总木材供应量仅相当于所需新楼面面积的36%。他们认为，在楼面面积需求上升的国家，必须充分考虑森林砍伐问题。阿雷哈特（Arehart等人，2021年）对建筑物作为碳汇的范式进行了全面的系统性文献回顾，研究了180篇文章，提供了当前文献的概述。库伊蒂宁（Kuittinen等人，2021年）展示了在单个建筑层面储存大气CO2的各种方法，并区分了碳从大气中去除的时间和空间。比昂内索伊（Bj?nes?y等人，2023年）通过评估151篇近期文章对该主题进行了系统性文献回顾，他们的研究范围扩展到了基础设施和城市绿地（如公园）。在矿物碳化评估方面，埃利奥特（Elliot等人，2024年）研究了混凝土碳化的动态环境回报，发现碳化可以封存材料生产过程中排放的6%的CO2。

近年来，科学界对这一主题的兴趣显著增加。此外，在国家和国际立法层面上，也有越来越多的努力将建筑物作为新建筑的碳汇（碳去除和碳农业 - 欧盟委员会，2025年）。然而，科学文献中缺乏关于欧盟建筑存量中CDS和CDR数量的具体数据。目前评估建筑存量环境影响的模型在建筑类型、建筑组件和材料的建模方面缺乏细节（参见Alaux等人，2024b），而这些因素对CDS和CDR的评估至关重要，因为它们通常受到建筑技术和材料在建筑中位置的影响（例如是否暴露在空气中）。为了解决这一差距，本文利用新开发的欧盟建筑存量模型PULSE-EU（Alaux等人，2026年）提供了关于欧盟建筑物预期CDS和CDR的新见解，该模型结合了R?ck等人（2024年）开发的可扩展生命周期工程（SLiCE）建筑库存建模和PULSE-AT（Alaux等人，2024b）的扩展逻辑。

**研究目的**
本研究旨在了解2020年基准年度欧洲建筑和建筑的CDS和CDR范围，与其整个欧盟的生命周期温室气体排放进行比较，通过研究以下问题：1）欧洲建筑中的生物基和矿物基CO2通量是多少？2）欧洲建筑存量可观察到的净生物基CO2储存量是多少？3）欧洲建筑存量可观察到的矿物碳化量是多少？4）这些数字与建筑存量的内含碳和全生命周期碳（WLC）排放量相比如何？

**方法**
我们关注三个层次：
1. **材料层面（HL1）**：通过基于生物的材料评估每千克建筑材料的生物基CDS量（CDS）和CO2吸收量（CDU）；
2. **建筑层面（HL2）**：评估每平方米可用楼面的CDS和CDU量；
3. **建筑存量层面（HL3）**：评估建筑存量中发生的CDS和CDU量。

**材料层面（HL1）**
在此部分，我们展示了每千克材料的结果。材料层面的结果按材料类别进行了分类，以分析不同材料类别的分布。基于生物的材料被归类为“锯木”、“木基板材”、“门窗”和其他生物基材料。结果显示了材料中的生物碳含量，以千克CO2表示。

**讨论**
本文的评估基于欧盟27个成员国的建模建筑原型中的材料流。这些原型来自一个欧洲研究项目，该项目为所有欧盟27个国家开发了统一的数据集（Ramon等人，2025年）。传统的原型代表了各国现有的建筑技术组合，这使我们能够……

**结论**
本文研究了生物基和矿物基二氧化碳通量，以量化二氧化碳储存和通过碳化实现的矿物基二氧化碳吸收。我们采用了欧洲建筑存量模型PULSE-EU，该模型结合了可扩展生命周期工程数据和欧盟27个成员国的详细建筑存量数据。根据最新的气候科学文献，我们区分了二氧化碳储存和二氧化碳去除。

**作者贡献声明**
多米尼克·施泰因伯格-迈尔霍费尔（Dominik Steinberger-Maierhofer）：撰写——原始草稿、可视化、方法学、调查、形式分析、数据管理、概念化；
尼古拉·阿洛克斯（Nicolas Alaux）：撰写——审稿与编辑、可视化、方法学、数据管理、概念化；
德尔芬·拉蒙（Delphine Ramon）：软件、方法学、调查、数据管理；
塞姆jon波佩克（Semjon Popek）：撰写——审稿与编辑、方法学、数据管理；
塔杰达·波特奇·奥布雷赫特（Tajda Potr? Obrecht）：撰写——审稿与编辑、方法学；
朱迪特·科卡特（Judit Kockat）：撰写——审稿与编辑。

**关于人工智能和AI辅助技术的声明**
在准备这项工作时，第一作者多米尼克·施泰因伯格-迈尔霍费尔（DSM）使用了ChatGPT（版本5.2）来重构、简化并提高先前撰写的文本的英文可读性，并辅助德文到英文的翻译。该工具仅用于提升手稿的整体质量。所有内容随后均由DSM进行了审阅和编辑，DSM对发表文章的内容负全部责任。

**利益冲突声明**
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：亚历山大·帕瑟（Alexander Passer）代表作者报告称，得到了内部市场、工业、创业和中小企业总司的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究基于欧盟委员会DG GROW委托的欧盟研究项目“分析欧盟建筑和建筑的生命周期温室气体排放和去除”[GROW/2022/OP/0005]产生的结果。本文所表达的观点仅代表作者本人，并不代表欧盟委员会的官方立场。有关该项目的更多信息，请访问项目网站（//c.ramboll.com/life-cycle-emissions-of-eu-building-and-construction）。