生产和制造
创新生产材料与生产工艺，实现“零碳”制造的四个路径。
从华盛顿的梅迪纳（梅琳达和我居住的地方）到盖茨基金会的西雅图总部，总共8英里车程。从家到办公室，我要穿过华盛顿湖上的常绿岬浮桥。常绿岬浮桥是正式名称，生活在这里的人从不这么叫它。对当地人来说，它是520桥，是以穿越该桥的520号州道命名的。这座桥的长度超过7 700英尺，是世界上最长的浮桥（见图5–1[1]）。
有时驶过520桥，我会多花点儿时间欣赏它的神奇之处：它之所以神奇并不是因为它是世界上最长的浮桥，而是因为它是一座浮动的桥。用大量沥青、混凝土和钢建造起来的庞大结构，再加上上面穿梭的数百辆汽车，它还能漂浮在湖上，没有沉下去，到底是为什么？
答案是：这是神奇材料展现的工程奇迹，这个神奇材料就是混凝土。乍看之下似乎有些奇怪，因为我们会很自然地想到沉重的混凝土砌块是不可能浮在水面上的。混凝土是可以用来制造砌块，比如医院的混凝土墙就足够坚固，坚固到可以吸收核辐射，但也可以用来制造空心物，就比如支撑520桥的那77个防水的混凝土充气浮筒，每个浮筒重达数千吨，有足够的浮力让自身浮在湖面，而且足够坚固。它们支撑着桥梁和在桥梁上高速行驶的所有汽车，当然，在每天的交通阻塞时段，则是如蜗牛般行驶的汽车。[2]
图5-1 位于西雅图的520桥
注：每次从家开车到盖茨基金会总部，我都会穿过这里。它是现代工程的奇迹。
你不用刻意去寻找，在你身边还有其他很多由混凝土造就的奇迹。因为抗锈、抗腐且不会燃烧，所以大多数现代建筑都用混凝土作为材料。如果你是水电迷，那么应该感谢混凝土，因为正是它的存在才让大坝的出现成为可能。下次见到自由女神像时，你看一看她的基座——那可是用2.7万吨混凝土建造的。[3]
即便是美国最伟大的发明家，也无法抗拒混凝土的魅力。托马斯·爱迪生想把整个家都建成混凝土的，他梦想着打造混凝土家具，比如卧室家具组合，他甚至还尝试设计混凝土唱片机。[4]
尽管爱迪生的这些想象从未成为现实，但它并没有妨碍我们大规模使用混凝土。每年，为改造或修理现有道路、桥梁和建筑物，或建造新的道路、桥梁和建筑物，仅美国一个国家就生产超过9 600万吨水泥，而水泥正是混凝土的主要组成成分之一。在美国，这相当于人均近600磅。即便如此，美国也算不上全球最大的混凝土消费国——排名第一的是中国。在21世纪的前16年里，中国的混凝土用量超过了美国在整个20世纪的混凝土用量（见图5–2[5]）。
图5-2 中美混凝土用量对比
资料来源：U.S. Geological Survey
显然，人类所依赖的材料并不仅限于水泥和混凝土，还有用来制造各类产品的钢，比如汽车、船舶和火车，冰箱和火炉，工厂机器，食品罐，乃至电脑。钢坚固、便宜、耐用，而且可以无限循环利用。钢和混凝土还是一对完美的搭档：将钢筋置入混凝土，会得到一种神奇的建筑材料，它不仅可以承受极大的重量，而且不会因扭曲而破裂。这就是大多数建筑和桥梁内部使用钢筋混凝土的原因。
美国人消耗的钢量同水泥量基本相当——每年人均600磅，这还不包括回收后再利用的钢量。
塑料是另外一种神奇的材料，它被广泛应用于各种产品，从衣服和玩具，到家具和汽车，再到手机，不胜枚举。时下，塑料的名声并不是很好，这在一定程度上是客观评价。但它也有许多优势，所以我们才会广泛应用它。在撰写本章时，我坐在桌前环顾四周，到处都能看到塑料，比如我的电脑、键盘、监视器和鼠标，我的订书机，我的手机，等等。燃油效率高的汽车之所以轻便，一个重要原因就在于塑料：塑料约占汽车制造材料总量的50%，其重量却只占汽车总重量的10%。[6]
再接下来是玻璃——我们的窗户、各种瓶瓶罐罐、绝缘材料、汽车、为我们提供高速互联网接入的光纤电缆等。铝被用于易拉罐、箔、电力线、门把手、火车、飞机、啤酒桶等物品当中。肥料助力增产增收。多年前，我曾预测，随着电子通信越来越普遍、电子屏幕越来越普及，纸会消失，但从目前看，还没有迹象显示这会在短期内成为现实。
简而言之，我们生产和制造的材料对现代生活的重要性已经丝毫不亚于电力。我们不会放弃这些材料，相反，随着世界人口的增长和人们生活水平的提高，还会消耗更多的材料。
这个论断是有大量数据支撑的。比如到21世纪中叶，钢产量将会比现在增加50%。不过，我觉得图5–3中的两张照片[7]也具有同等的说服力。两张照片看起来像两个不同的城市，对吧？事实并非如此，两张照片拍摄的都是上海，而且是从同一角度拍摄的。左边的那张照片拍摄于1987年，右边的那张拍摄于2013年。当我看右边照片中的那些新建筑时，我看到的是成吨的钢、水泥、玻璃和塑料。
图5-3 1987年的上海（左）和2013年的上海（右）
注：这两张照片让我们看到了什么是发展，有好的一面，也有不好的一面。
这样的场景在世界各地不断上演——尽管大多数地方的发展并不像上海这样引人注目。我要重申本书中反复出现的一个主题：这种进步是好事。这两张照片折射出城市的快速发展，意味着民众生活的方方面面都得到了提升，他们赚了更多的钱，接受了更好的教育，再也不会年纪轻轻就死去。对任何关心脱贫事业的人来说，这无疑是一个好消息。
但在这里，让我们重申本书中另一个经常出现的主题：即便是银色的云彩，背后也会有一丝黑暗。在生产和制造所有这些材料的过程中，会产生大量温室气体。事实上，这些活动的温室气体排放量约占全球温室气体总排放量的三分之一。具体到某些材料，我们还没有切实可行的“零碳”生产工艺，也就是在生产过程中不产生碳排放的工艺，这一点在水泥生产方面表现得尤为明显。
让我们来看看怎样才能打破这个怪圈。也就是说，如何做到在继续生产这些材料的同时，避免导致气候恶化到人类无法居住的程度？为简便起见，我们将重点放到三种最重要的材料上——钢、混凝土和塑料。同第四章中所讲述的电力一样，我们也将回顾人类是如何走到今天这一步的，以及为什么这些材料会给气候带来如此大的麻烦？然后，我们将计算利用当今技术减少排放量的绿色溢价，并考察有助于降低绿色溢价的种种方法及生产这些材料的“零碳”方式。
钢的历史可以追溯到大约4 000年前。从铁器时代到今天我们能用上廉价的、种类繁多的钢产品，这几千年间出现了一系列迷人的发明。但依我个人的经验来看，大多数人不会对高炉、搅炼炉和贝塞麦转炉的炼钢法之间的区别感兴趣。所以，我在这里讲的是人们主要应该了解的事情。
钢之所以受欢迎，是因为它具有令人满意的硬度及高温下的易塑造性。生产钢需要纯铁和碳。就铁本身而言，它并不是很坚硬，但只要加入适量的碳（不超过1%，这取决于你想要什么样的钢），碳原子就会挤在铁原子之间，从而使钢获得其最重要的属性。
碳和铁不难获得，前者可以从煤炭中获得，后者是地壳中的常见元素。但纯铁非常罕见，在开采铁这种金属时，你会发现它几乎都是跟氧及其他元素结合在一起的，这种混合物就是铁矿石。
要生产钢，就得把氧从铁中分离出去，并在铁中加入少量的碳。这两点都不难实现：借助氧气和被称作“焦炭”的煤，只需在高温（1 700摄氏度或3 000华氏度以上）下冶炼铁矿石。通过高温冶炼，铁矿石释放出氧，焦炭释放出碳，少量的碳跟铁结合形成我们想要的钢，剩余的碳则与氧结合，形成我们不想要的副产品——二氧化碳。在这个过程中，二氧化碳的产量巨大。每生产1吨钢，会产生大约1.8吨二氧化碳。
为什么我们要采取这种做法？因为成本低廉，导致在我们开始担忧气候变化问题之前，没有动力改用其他方法。铁矿石很容易开采（因而价格不高），煤炭也不贵，因为它在地下的储量丰富。
所以，这个世界的发展仍保持着马力，并未放缓步伐。尽管美国的钢产量已基本进入稳定期，但全球钢产量还在不断增长。目前，多个国家的粗钢产量已经超过美国，比如中国、印度和日本。到2050年，全球每年将生产大约28亿吨粗钢。也就是说，如果我们找不到新的、气候友好型的冶炼方法，那么到21世纪中叶，仅炼钢这一个领域，每年就会释放50亿吨二氧化碳。
这听起来很有挑战性，再看看混凝土的生产，其挑战难度更大。要生产混凝土，你需要把石子、沙子、水和水泥混合搅拌到一起。在这些原料中，前面三种带给我们的挑战相对容易解决，对气候造成大麻烦的其实是水泥的生产。
要生产水泥，就得有钙。要想获得钙，首先得有石灰岩（石灰岩中含有钙，还有碳和氧），然后把石灰岩同其他原料一同放入窑炉中做焚烧处理。
因为有碳和氧的存在，所以你可能会猜到将发生什么。将石灰岩焚烧之后，会得到你想要的东西，也就是用以生产水泥的钙，外加你不想要的东西——二氧化碳。除此工艺外，没有人知道其他生产水泥的方法。这是一种化学反应：石灰岩加上热能等于氧化钙加上二氧化碳。情况就是这样，它是一种一对一的关系。每生产1吨水泥，会产生大约1吨二氧化碳。
而且，同钢生产一样，我们也没有理由认为我们会停止生产水泥。中国是当今全球最大的水泥生产国，其水泥产量是全球排名第二的印度的7倍，比世界其他国家的产量总和还要多。[8]2021—2050年，全球水泥年产量将小幅上升（中国的建筑热潮趋于减退，其他小型发展中国家则开始加速），然后回落到每年近40亿吨的水平，大致与当前的产量相当。[9]
同水泥和钢相比，塑料可以说是这个群体中的“婴儿”。尽管人类早在几千年前就已经在使用橡胶等天然塑料，但直到20世纪50年代，合成塑料才开始在我们的生活中盛行起来，而这主要得益于化学工程领域的一些研究突破。今天的塑料有20多个类型，其中既包括你可能比较熟悉的用于制造酸奶容器等产品的聚丙烯，也包括一些你可能想不到的，比如涂料、地板蜡和洗衣粉中的丙烯酸，肥皂和洗发水中的微塑料，防水夹克中的尼龙，或者在20世纪70年代我穿过的那些至今难以忘怀的衣服中的涤纶。
这些不同类型的塑料都有一个共同点——含有碳。事实证明，碳在制造各类材料时发挥着重要作用，因为它很容易与不同的元素相结合。就塑料而言，碳通常是跟氢和氧结合。
既然你已经读到这里，那么对于塑料生产企业的碳来源可能就不会感到惊讶了。他们提炼石油、煤炭和天然气，然后通过各种方式对炼制品进行加工，以此获得碳。这也解释了塑料价格低廉的原因：同水泥和钢一样，塑料之所以便宜，是因为化石燃料便宜。
但同水泥和钢相比，塑料有一个重要的不同之处。在生产水泥或钢时，二氧化碳作为一种不可避免的副产品被释放出来，而在生产塑料时，大约50%的碳存留在塑料中。（就不同的塑料而言，这个百分比其实差别很大，但50%是一个合理的近似值。）碳很容易跟氧和氢结合，它们结合之后通常不易分开，因此塑料需要几百年的时间才能降解。
这是一个重大的环境问题，因为塑料被填埋或进入海洋之后，仍会存在一个世纪乃至更长的时间。这也的确是一个亟待解决的问题：漂浮在海洋中的塑料会引发各种各样的问题，比如毒害海洋生物。但是，塑料不会导致气候恶化。单就排放而言，塑料中含有碳并不是特别糟糕的消息。因为塑料需要漫长的时间才能降解，所以其内部的碳原子不会排放到大气中，也就不会导致温度上升——至少在很长的一段时间内不会。
在这里我再强调一下，这项快速调查仅涵盖我们时下生产的三种最重要的材料，肥料、玻璃、纸、铝及其他很多材料均未包括在内。但关键点是一样的：我们制造了数量庞大的材料，并在此过程中排放出可观的温室气体——占每年温室气体总排放量510亿吨的近三分之一。我们需要把这些排放量降低到“0”，但并不能简单地停止生产和制造活动。在本章的剩余部分，我将对替代选项进行考察，看看其绿色溢价到底有多高，然后再看看怎样才能通过技术降低绿色溢价。因为只有绿色溢价降下来了，人们才会有采取“零碳”方法的意愿。
要计算材料的绿色溢价，首先得了解产品制造过程中的温室气体排放来自哪里。在我看来，这包括三个阶段：（1）利用化石燃料为工厂提供其运营所需的电力时；（2）利用化石燃料为不同的制造流程提供热能时，比如钢铁生产中的铁矿石熔化；（3）真正制造这些材料时，比如水泥的生产就会不可避免地产生二氧化碳。接下来，让我们逐一进行分析，看看它们是如何抬高绿色溢价的。
就第一阶段的电力而言，我们在第四章中已经讲了该领域的大部分关键性挑战。在计入电力存储和输送因素以及很多工厂一天24小时均需要可靠电力的事实之后，清洁电力的成本大幅飙升。大多数国家的这个升幅远超美国或欧盟。
再来看第二阶段：如果不燃烧化石燃料，怎样获得热能？如果不需要超高的温度，那么可以用电热泵或其他技术，但如果需要的是几千摄氏度的高温，电力并不是一个经济的选项——至少从当前的技术水平来看是这样的。你要么利用核能，要么燃烧化石燃料并安装碳捕获装置。令人遗憾的是，碳捕获不是免费的，它会增加制造商的成本，这些成本又被转嫁到消费者身上。
第三阶段，也是最后一个阶段：我们如何处理本身就会造成温室气体排放的生产过程？要知道，生产钢和水泥是会排放二氧化碳的——这里说的还不是化石燃料的燃烧，而是一些产生二氧化碳的化学反应，这些化学反应对钢和水泥的生产至关重要。
就当前情况来看，答案非常明确：除非关闭制造部门的这些部分，否则无法避免排放二氧化碳。若想利用现有的技术消除这些排放，可选项跟第二阶段一样有限。我们必须使用化石燃料和碳捕获装置，而这同样会增加成本。
在了解了这三个阶段后，再来看利用碳捕获装置生产清洁的塑料、钢和水泥的绿色溢价区间（见表5–1[10]）。
表5-1塑料、钢和水泥的绿色溢价
除了水泥，塑料和钢的绿色溢价看起来并不是很高。的确，在某些情况下，消费者可能根本感受不到价格上涨的压力。举例来说，一辆售价3万美元的汽车，其制造材料中可能包含1吨钢，这种钢每吨的价格是750美元还是950美元，几乎不会对汽车的整体价格产生任何影响。即便是自动售货机里售价每瓶2美元的可乐，其瓶身所用塑料在整体价格中所占的比例也是极小的。
但消费者承受的最终成本并不是唯一重要的因素。假设你是一名为西雅图市工作的工程师，你正在评估某桥梁修复的投标文件，一份文件中的水泥报价是每吨125美元，另一份文件中的水泥报价是每吨250美元（包含碳捕获的成本）。你会怎么选？在使用“零碳”水泥方面，如果没有激励措施，那么你自然会挑便宜的。
或者，假设你在经营一家汽车制造公司，你愿意在钢的采购成本上多投入25%吗？可能不愿意，尤其是当你的竞争对手决定一如既往地使用廉价材料时。汽车的整体价格只会上涨一点点这个事实并不会给你带来多大的安慰，你的利润率已经很低了；反之作为消费者，如果你需要的重要的商品的价格上涨了25%，你会乐于接受吗？在一个利润空间很小的行业内，25%的溢价可能就是维持经营和走向破产的临界点。
尽管少数行业中的少数制造企业可能愿意承担这一成本，以此表明其正在为解决气候变化问题贡献自己的力量，但仅仅靠这些努力，我们永远不可能推动系统性的变革，因而也就无法实现零排放的目标。同样，我们也不能把希望寄托到消费者身上：即便他们要求商家提供更多的绿色产品，绿色溢价也不会下降。毕竟，购买水泥或钢的是大公司，不是作为个体的消费者。
降低绿色溢价，还有其他方法，其中之一是利用公共政策为清洁产品创造需求，比如制定激励政策鼓励购买“零碳”水泥或钢，甚至出台相关规定，要求人们购买此类产品。如果法律有要求，客户有要求，而且竞争者也遵守要求，那么企业就更有可能为清洁材料支付溢价。关于这方面的激励措施，我会在第十章和第十一章中介绍。
至关重要的是，我们需要创新生产工艺，需要开发“零碳”制造方法。让我们来看看这方面的一些机会。
在本章讲述的所有材料中，水泥带给人类的挑战最大。前面讲的那个简单事实是很难绕过的：石灰岩加上热能等于氧化钙加上二氧化碳。不过，有些公司已经有了出色的创意。
方法之一：把回收来的二氧化碳（可能是在生产水泥的过程中捕获的）重新注入尚未使用的水泥。采用该方法的公司现在已经有几十个客户，其中就包括微软和麦当劳。目前，这种方法仅能减少大约10%的碳排放量，这家公司的最终目标是达到33%。
方法之二：这个方法更多的是理论层面的，即利用海水和发电厂捕获的二氧化碳生产水泥。该方法的发明者认为，它最终可以减少超过70%的碳排放量。
然而，即便这些方法成功了，它们也无法提供100%的“零碳”水泥。在可预见的未来，我们还必须依靠碳捕获装置和直接空气捕获技术（如果实用的话）来捕获水泥生产过程中产生的二氧化碳。
对其他大多数材料而言，我们首先需要的就是大量可靠的清洁电力。在全球范围内，电力在制造业部门所用能源中的占比约为四分之一。要想用电力驱动所有工业流程，不仅需要部署现有的清洁能源技术，还需要开发突破性技术，让我们能以廉价的方式生产和存储大量“零碳”电力。
很快，我们就会需要更多的电力，因为我们正在寻找另外一种减排方法——电气化，即在一些工业流程中用电力替代化石燃料。比如，一种非常酷的炼钢法就是用电力取代煤炭。我密切关注的一家公司已经开发了一种名为“熔融氧化物电解”的新工艺：不再使用焦炭和熔炉冶炼铁，而是让电力通过一个包含有液体氧化铁和其他成分的电解池，在电的作用下，氧化铁得以从中分离出来，从而获得用来生产钢的纯铁及作为副产品的纯氧。在整个过程中，没有任何二氧化碳产生。这是一项很有前景的技术，类似于我们已经用了一个多世纪的铝纯化工艺。不过，同其他生产清洁的钢的想法一样，该技术能否实现工业级应用，还有待进一步证实。
清洁电力还可解决另外一个问题：塑料生产。如果把足够多的步骤组合到一起，那么塑料终有一天会变成“碳汇”——一种消除碳而不是排放碳的方式。
下面来看我们的做法：首先，需要一种为精炼流程提供动力的“零碳”方法，我们可以使用清洁电力或由清洁电力产生的氢；其次，需要一种不用烧煤就能为塑料提供碳的方法。方法之一：消除空气中的二氧化碳并提取碳，不过这是一个成本高昂的工艺流程。方法之二：从植物中获得碳，多家公司已经在开展这方面的工作。最后，我们需要一个“零碳”的热能来源，这同样可能是清洁电力、氢或装配有碳捕获装置的天然气。
把所有这些步骤组合到一起，就可以生产净负排放的塑料。事实上，我们会寻找一种从空气中提取碳的方法（利用植物或采用其他方式），然后把获得的碳装入瓶子或其他塑料制品，这样它就会在容器内留存几十年乃至几百年，因而也就不会产生额外的排放。我们保存起来的碳会超过排放的碳。
除了寻找零排放的生产方法，还可以减少材料的使用。仅仅靠回收更多的钢、水泥和塑料远不足以减少温室气体排放量，但至少会起到一定的辅助作用。我们可以回收更多的材料，同时也应该探索新的方法，降低回收过程中所需的能量。由于重复使用物品比回收利用物品所需能量要少，所以我们也应该寻找方法在生产和制造过程中使用各种可改变用途的材料。最后，在建筑物和道路的设计方面，也可以尽量减少水泥和钢的使用。比如，由木材板胶合而成的交叉层压材就非常结实耐用，在某些情况下完全可以替代水泥和钢。
总结来说，制造部门实现零排放的路径大致是这样的：
1.尽可能实现所有工艺的电气化，这需要大量的创新；
2. 从已经“脱碳”的电网中获取所需电力，这也需要大量的创新；
3.利用碳捕获装置吸收剩余的排放，这同样需要大量的创新；
4.更有效地使用材料，这也离不开大量的创新。
要习惯这个主题。在接下来的章节中，它会经常出现。第六章要讲的是农业，这里有20世纪伟大的无名英雄，还有满是打嗝的奶牛的农场。
[1] 图片来源：WSDOT.
[2] Washington State Department of Transportation, www.wsdot.wa.gov.
[3] “Statue Statistics,” Statue of Liberty National Monument, New York, National Park Service, www.nps.gov.
[4] Vaclav Smil, Making the Modern World (Chichester, U.K.: Wiley, 2014), 36.
[5] 水泥产量的计量单位为公吨。U.S. Department of the Interior, U.S. Geolo gical Survey, T. D. Kelly, and G. R. Matos, comps., 2014, “Historical Statistics for Mineral and Material Commodities in the United States” (2016 version):U.S. Geological Survey Data Series 140, accessed December 6, 2019; USGS Minerals Yearbooks — China (2002, 2007, 2011, 2016), https://www.usgs.gov.
[6] American Chemistry Council, “Plastics and Polymer Composites in Light Vehicles,” Aug. 2019, www.automotiveplastics.com.
[7] 图片来源：REUTERS/Carlos Barria.
[8] U.S. Department of the Interior, U.S. Geological Survey, “Mineral Commodity Summaries 2019.”
[9] Freedonia Group, “Global Cement—Demand and Sales Forecasts, Market Share, Market Size, Market Leaders,” May 2019, www.freedoniagroup.com.
[10] 直接排放量，不包括电力生产的排放量。Rhodium Group.
