Science重磅：綠色、低成本實現“凈零排放”的塑料生產方法

由溫室效應導致的全球氣候變暖已經嚴重影響到了人類的正常生活，對人類的生存產生威脅，為可持續發展帶來嚴峻挑戰。塑料制品則是間接導致溫室效應的重要原因之一。當前塑料制品生產占全球石油消耗的 6%，預計在未來的 30 年內將上升至近 20%，生產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，同時尋求將氣溫升幅進一步限制在 1.5℃ 以內的措施），在塑料經濟中實現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技術的研究表明，這些技術將大規模減少溫室氣體的排放。然而，沒有研究確定如何結合循環技術來實現塑料的凈零排放。近日，來自亞琛工業大學（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據集，提出了一個塑料生產和廢塑料處理、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、生物質利用和 CCU 技術相結合，可以實現塑料在生命周期中產生的溫室氣體的凈零排放，而且能源需求和運營成本更低。

塑料問題由來已久

塑料是我們生活中最常見，卻也最容易忽視的東西，但是現在塑料所帶來的問題，卻一點兒也不能被忽視。自塑料被發明以來，其就以鯨吞蠶食之勢席卷市場。從 1950 年到 2015 年，塑料制品的規模就從 200 萬噸增加到了 3.8 億噸，自然環境內的塑料污染不斷增加。然而，要想實現全球氣候目標，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。據論文描述，減少溫室氣體排放的戰略包括從石油開采到塑料生產的塑料供應鏈能源的脫碳，以及循環技術的實施：

（1）化學和機械回收；

（2）生物質利用；

（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的循環途徑，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為轉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，即使是基于風力發電（不需要化石燃料發電，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途徑的減少。（A）從“搖籃到墳墓”的四種途徑循環、生物質、CCU 和最優循環碳途徑的生命周期GHG排放量減少。（B）線性碳路徑和四個循環路徑的剩余 GHG 排放量，取決于電的碳強度。（C）以循環碳路徑百分比表示的最佳碳輸入。（來源：該論文）

相比之下，以風力發電為前提，將回收、生物質利用和 CCU 優化結合的循環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｜風力發電循環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，循環碳經濟的表現如何?

研究人員表示，資源需求可以在生物質和可再生電力之間轉換，因為 CCU 和生物質都可以實現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，以實現塑料凈零排放。

圖｜2050 年實現塑料凈零排放的生物質和電力需求。循環碳途徑的數據與線性碳和 CCS 循環碳途徑的數據，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化為生物質和電力。（來源：該論文）

總體來看，研究人認為，使用現有商業化的技術可以實現凈零排放塑料。

為了實現這一目標，研究人員確定了實現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）根據當地可再生電力和生物質的可用性部署 CCU 或生物質技術。

根據《2020 全球氣候報告》顯示，自 1850 年（工業化前）到現在為止，全球的平均溫度已經上升了 1.2℃，氣候變化帶來的影響已經波及到了世界各地，包括冰山融化、毀滅性熱浪以及強烈的風暴等極端天氣。

圖｜五組全球溫度數據集的全球年平均氣溫與工業化前的差異。（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《巴黎協定》，該協議設定了在本世紀末將全球升溫控制在 2℃ 以內的目標。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，無不警示著我們全球升溫帶來的災難性的后果，氣候變化已經影響到我們的健康、糧食生產能力、住房、安全和工作。事實上，如今生活在小島嶼國家和其他發展中國家的人們在氣候變化面前已經顯得尤為脆弱，而“氣候難民”的數量預計會在未來繼續增加。如果我們仍舊不注意節能減排等問題，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。