摄影：Molly Rettig， NREL

国家可再生能源实验室（NREL）已被选中从美国能源部高级研究计划局（ARPA-E）获得超过540万美元的资金，用于开发可以将建筑物转变为碳储存结构的技术。这笔资金是ARPA-E的“利用排放进入从大气中获取输入的结构”（HESTIA）计划的一部分，该计划旨在解决设计和建造碳储存建筑的障碍。

建筑施工行业占美国年度温室气体排放总量的很大一部分，使其成为脱碳的重要目标，也是最难脱碳的行业之一。

在HESTIA计划中，NREL研究人员将开发增加建筑物中储存的碳总量的方法，以创建碳汇，碳汇从大气中吸收的碳比建筑材料和施工过程释放的碳量更多。

在资助的18个项目中，NREL获得了两个主要奖项，并且是第三个奖项的次级获奖者。

隔热你可以成长

由NREL的Robbin Garber-Slaght和阿拉斯加大学安克雷奇分校的联合首席研究员Philippe Amstislavski领导的一个团队获得了近250万美元的HESTIA资金，用于开发具有成本效益的生物基绝缘材料。该项目名为“Celium：用于碳负性建筑/建筑的纤维素 - 菌丝体复合材料”，将通过将泡沫纤维素与菌丝体（真菌的根网络）相结合来创造负碳绝缘。

“该项目背后的想法是，我们正在服用纤维素并将其与菌丝体结合在一起，”NREL寒冷气候住房研究中心的可持续建筑工程师Garber-Slaght说。“还有什么比隔热材料更负碳的呢？”

NREL团队已经与阿拉斯加大学安克雷奇分校合作了近六年，以完善这项技术。该集团专注于阿拉斯加特有的纤维素 - 在这个市场中，绝缘材料可以占家庭建筑用品成本的30%-50%。

“对于这项技术，我是最终用户，”在阿拉斯加费尔班克斯生活和工作的Garber-Slaght说。“阿拉斯加的建筑效率非常低下，试图将它们提升到任何效率水平都非常困难。我们的目标是开发模块化的便携式制造单元，以便我们可以收获当地的树木或纤维素，并在现场开发绝缘材料。提出一些不必运输的东西代表着巨大的节省，无论是在成本上还是在能源方面。

除了节省成本和能源外，用于制造隔热材料的新方法还具有与塑料泡沫相当的热性能，使该团队更接近于直接（和更清洁）替代塑料隔热材料。

“我们终于到了技术接近我们可以商业化的地步，”Garber-Slaght说。“三年后，我们打算推出一种适销对路的绝缘产品。五年后，我希望看到模块化制造在农村社区。10年后，我希望我们能够改造阿拉斯加的每一座建筑。

除了阿拉斯加大学安克雷奇分校，NREL团队还与芬兰VTT技术研究中心和美国农业部林产品实验室合作。虽然Garber-Slaght位于阿拉斯加，但该团队与NREL的科罗拉多州Golden办事处有着密切的合作。NREL的主要贡献者包括Peter Ciesielski，Mike Himmel，Gokulram Paranjothi和Ryan Tinsley。

负碳混凝土

NREL研究员Wale Odukomaiya和他的团队为他们的项目获得了大约180万美元的资金，“使用生物燃料生产的低价值副产品实现高性能碳负混凝土”，该项目专注于对用于建筑施工的混凝土进行脱碳。

该项目旨在创造新的生物基补充胶凝材料（SCM），可以取代混凝土中使用的大量水泥。新的生物基SCM将实现二氧化碳（CO2）由天然生物质与大气隔离，被锁在混凝土中。该团队选择专注于水泥 - 将混凝土的其他成分保持在一起的“胶水” - 因为它对碳的影响很大。

“在混凝土中使用水泥约占全球温室气体排放量的8%。这相当于美国排放量的40%，是日本排放量的两倍，“NREL建筑能源科学小组的研究员Odukomaiya说。“混凝土是全球仅次于水的第二大消耗材料。它的大部分排放 - 在80%到85%之间 - 来自混凝土中使用的水泥。

该团队正在利用另一个NREL项目的低价值副产品 - 来自[i]可再生乙醇的可持续航空燃料（SAFFiRE） - 来创造LignoCrete，这是他们新的低碳混凝土。

“如果SAFFiRE工艺按照我们认为的方式进行扩展，那么我们将有足够的副产品让LignoCrete每年取代美国每年使用的混凝土的20%至60%，”Odukomaiya说。“现有的水泥替代SCM有一些选择，但其中大多数都没有潜力扩展到这样的数量，它们的供应与其他污染行业有关，如煤炭和钢铁。

除了开发碳足迹较低的混凝土外，该团队还希望展示出更高的强度和更高的隔热性能。

“我们很高兴有可能在建筑物中使用隔热性更强的混凝土来提高其热性能，”Odukomaiya说。大多数住宅建筑都有混凝土制成的地基和地下室墙壁，所以那里有很多机会。

与NREL的其他ARPA-E项目一样，合作和行业伙伴关系是关键。该团队正在与碳升级再造技术公司（CUT）和科罗拉多大学博尔德分校合作开发和表征他们的新混凝土。CUT的技术将使该团队能够增强其生物SCM的性能，同时实现额外的一氧化碳2封存。

“除了我们的行业和大学合作伙伴外，我们还在NREL的几个中心拥有一支真正的跨学科团队，”Odukomaiya说。“这真的是一个团队的努力。

从微藻到水泥

NREL还为科罗拉多大学博尔德分校领导的生物石灰石基水泥项目做出了贡献，该项目名为“碳负波特兰石灰石水泥生产的光合途径”。在该项目获得的320万美元中，由Michael Guarnieri领导的NREL团队将获得120万美元。

该项目由科罗拉多大学博尔德分校的Wil Srubar领导，旨在使用生物石灰石制造和商业化一种储碳的波特兰石灰石水泥 - 一种石灰石，使用来自球石团的生物水泥熟料，微藻通过光合作用和钙化螯合二氧化碳，以储存碳。

“目前，大多数水泥相关一氧化碳2排放是由将采石石灰石煅烧成CaO引起的，CaO释放出一氧化碳2.因此，这是一个非常繁重的温室气体排放过程，“Guarnieri说。“产生绿色替代品的潜力确实令人兴奋。

该项目将利用NREL在藻类工程和培养方面的现有能力。在过去的十年中，NREL的藻类研究一直致力于藻类生物燃料的商业化。但现在这项工作正在寻找新的应用。

“我们在NREL藻类平台上建立的基础将在这个新领域实现很多这项工作。我们花了数年时间开发广泛的宿主范围遗传工具，这些工具将改善用于制造这种水泥的菌株，“Guarnieri说。“它确实显示了我们在国家实验室所做的工作的广泛潜在影响。

该团队已经通过他们的行业合作伙伴 Minus Materials 找到了商业化的途径。北卡罗来纳大学威尔明顿分校也在该项目上进行合作，提供球石种植方面的专业知识。该团队在资助期间的目标是证明组件的集成在经济上是可行的。

“这些拟议的工作大部分在于整合已建立的，不同的技术，但总体过程是新颖的，”Guarnieri说。“这项工作的可持续性和潜在的生命周期影响是巨大的。