Science重磅：綠色、低成本，科學家發(fā)明實現(xiàn)“凈零排放”的塑料生產(chǎn)方法
撰文：郝景
編審：寇建超
排版：李雪薇
不知道大家有沒有感覺到，這幾年的夏天似乎格外長，空調(diào) WIFI 西瓜都無法拯救那些季月煩暑。
由溫室效應導致的全球氣候變暖已經(jīng)嚴重影響到了人類的正常生活，對人類的生存產(chǎn)生威脅，為可持續(xù)發(fā)展帶來嚴峻挑戰(zhàn)。
塑料制品則是間接導致溫室效應的重要原因之一。當前塑料制品生產(chǎn)占全球石油消耗的 6%，預計在未來的 30 年內(nèi)將上升至近 20%，生產(chǎn)塑料和焚燒塑料垃圾會導致大量二氧化碳等“溫室氣體”的排放。
因此，為了達到全球氣候目標（將本世紀全球氣溫升幅限制在 2℃ 以內(nèi)，同時尋求將氣溫升幅進一步限制在 1.5℃ 以內(nèi)的措施），在塑料經(jīng)濟中實現(xiàn)溫室氣體凈零排放至關重要。
以往關于單獨或者部分結合循環(huán)技術的研究表明，這些技術將大規(guī)模減少溫室氣體的排放。然而，沒有研究確定如何結合循環(huán)技術來實現(xiàn)塑料的凈零排放。
近日，來自亞琛工業(yè)大學（RWTH Aachen University）的研究人員及其合作者，基于 400 多個代表全球 90% 以上塑料生命周期的技術數(shù)據(jù)集，提出了一個塑料生產(chǎn)和廢塑料處理、自下而上的模型，并利用該模型預測了 2050 年塑料生命周期溫室氣體排放的五種不同途徑。
相關研究論文以“Achieving net-zero greenhouse gas emission plastics by a circular carbon economy”為題，發(fā)表在權威期刊 Science 上。
研究結果表明，與當前“基于化石燃料的生產(chǎn)技術結合碳捕獲和封存技術（CCU）”的方案相比，通過將回收、生物質(zhì)利用和 CCU 技術相結合，可以實現(xiàn)塑料在生命周期中產(chǎn)生的溫室氣體的凈零排放，而且能源需求和運營成本更低。塑料是我們生活中最常見，卻也最容易忽視的東西，但是現(xiàn)在塑料所帶來的問題，卻一點兒也不能被忽視。
自塑料被發(fā)明以來，其就以鯨吞蠶食之勢席卷市場。從 1950 年到 2015 年，塑料制品的規(guī)模就從 200 萬噸增加到了 3.8 億噸，自然環(huán)境內(nèi)的塑料污染不斷增加。
然而，要想實現(xiàn)全球氣候目標，需要在本世紀下半葉完成凈零溫室氣體排放任務，因此必須減少塑料在生命周期中的溫室氣體排放。據(jù)論文描述，減少溫室氣體排放的戰(zhàn)略包括從石油開采到塑料生產(chǎn)的塑料供應鏈能源的脫碳，以及循環(huán)技術的實施：
（1）化學和機械回收；
（2）生物質(zhì)利用；
（3）碳捕獲和利用-交換化石碳原料。
研究人員表示，通過機械和化學循環(huán)的循環(huán)途徑，與線性碳途徑相比，減少了 30 億噸二氧化碳當量或 64% 的溫室氣體排放。
通過生物質(zhì)途徑可減少多達 45 億噸二氧化碳當量，而塑料垃圾和生物質(zhì)為轉(zhuǎn)化提供了足夠的碳和能量，CCU 技術則需要低碳足跡的電力來減少溫室氣體排放。
總體來說，僅僅基于回收利用、生物質(zhì)利用或 CCU 的塑料無法達到溫室氣體凈零排放，即使是基于風力發(fā)電（不需要化石燃料發(fā)電，風能是一種清潔無公害的可再生能源）。圖｜2050 年全球塑料溫室氣體排放量通過四個循環(huán)途徑的減少。（A）從“搖籃到墳墓”的四種途徑循環(huán)、生物質(zhì)、CCU 和最優(yōu)循環(huán)碳途徑的生命周期GHG排放量減少。（B）線性碳路徑和四個循環(huán)路徑的剩余 GHG 排放量，取決于電的碳強度。（C）以循環(huán)碳路徑百分比表示的最佳碳輸入。（來源：該論文）相比之下，以風力發(fā)電為前提，將回收、生物質(zhì)利用和 CCU 優(yōu)化結合的循環(huán)碳途徑可減少塑料的溫室氣體排放，相當于 47.3 億噸二氧化碳當量。
圖｜風力發(fā)電循環(huán)碳路徑的原料供應和廢物處理，每千瓦時 7 克二氧化碳當量，線寬和相應的值表示流量的碳含量（百萬噸碳）。（來源：該論文）然而，這種循環(huán)技術實際的可行性將很大程度上取決于可再生資源的可用性。這就出現(xiàn)了兩個問題：
（1）是否有足夠的可再生資源來滿足全球塑料需求？
（2）與其他凈零排放塑料的途徑（如 CCS）相比，循環(huán)碳經(jīng)濟的表現(xiàn)如何？
研究人員表示，資源需求可以在生物質(zhì)和可再生電力之間轉(zhuǎn)換，因為 CCU 和生物質(zhì)都可以實現(xiàn)凈零排放塑料結合回收。
為了更好地理解可再生能源的需求，研究人員將其與線性碳排放方式進行了比較，線性碳排放方式需要 47 億噸的二氧化碳儲存才能實現(xiàn)塑料凈零排放。在這種情況下，需要 76.9 EJ（10^18 焦耳）的化石能源和 1.9-33.9 EJ 的 CCS 額外電力。
而將回收途徑與 CCS 相結合，可進一步降低能源需求，以實現(xiàn)塑料凈零排放。
圖｜2050 年實現(xiàn)塑料凈零排放的生物質(zhì)和電力需求。循環(huán)碳途徑的數(shù)據(jù)與線性碳和 CCS 循環(huán)碳途徑的數(shù)據(jù)，CCS 的范圍反映了不同的二氧化碳來源，線性碳能源需求是以化石資源為基礎的，化石資源在能源基礎上被轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)和電力。（來源：該論文）總體來看，研究人認為，使用現(xiàn)有商業(yè)化的技術可以實現(xiàn)凈零排放塑料。
為了實現(xiàn)這一目標，研究人員確定了實現(xiàn)塑料凈零排放所必需的兩項關鍵技術變革:
（1）提高塑料回收率和供應更多的塑料廢料原料；
（2）根據(jù)當?shù)乜稍偕娏蜕镔|(zhì)的可用性部署 CCU 或生物質(zhì)技術。根據(jù)《2020 全球氣候報告》顯示，自 1850 年（工業(yè)化前）到現(xiàn)在為止，全球的平均溫度已經(jīng)上升了 1.2℃，氣候變化帶來的影響已經(jīng)波及到了世界各地，包括冰山融化、毀滅性熱浪以及強烈的風暴等極端天氣。
圖｜五組全球溫度數(shù)據(jù)集的全球年平均氣溫與工業(yè)化前的差異。（來源：《2020 全球氣候報告》）對于應對全球的氣候變化的問題，世界各國在 2015 年達成了《巴黎協(xié)定》，該協(xié)議設定了在本世紀末將全球升溫控制在 2℃ 以內(nèi)的目標。
而控制升溫的最主要問題就是控制溫室氣體的排放，截至 2020 年，全球二氧化碳排放量已達 375 億噸，已達到 450 萬年以來的最高值，而且溫室氣體的排放量還在持續(xù)上升。
面對全球變暖，很多人都不以為意，認為這些似乎并沒有影響到自己的切身利益。
但是，當前全球出現(xiàn)的各種問題，比如干旱、缺水、重大火災、海平面上升、極地冰層融化、風暴以及生物多樣性的減少，無不警示著我們?nèi)蛏郎貛淼臑碾y性的后果，氣候變化已經(jīng)影響到我們的健康、糧食生產(chǎn)能力、住房、安全和工作。
事實上，如今生活在小島嶼國家和其他發(fā)展中國家的人們在氣候變化面前已經(jīng)顯得尤為脆弱，而“氣候難民”的數(shù)量預計會在未來繼續(xù)增加。
如果我們?nèi)耘f不注意節(jié)能減排等問題，就會像美國電影《后天》中展示的那樣，由于溫室效應造成全球變暖，地球進入下一個冰川期，給人類帶來毀滅性的災難。
參考資料：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg9853
https://www.un.org/zh/climatechange/paris-agreement
http://download.caixin.com/upload/1264_Statement_2020_en.pdf
https://www.un.org/zh/climatechange/what-is-climate-change
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