Что такое sustainability?
Предпринятые «зелеными» атаки на меховую одежду, в результате чего оказался парализован экспортный потенциал советских звероферм, и на атомные электростанции, из-за чего избирательно в некоторых странах прекратилось развитие этой отрасли энергетики, заставили многих относиться скептически к природоохранной проблематике. Однако от успешного решения экологических проблем без преувеличения зависит будущее человечества.
История вопроса
С момента появления человека разумного как вида он стремился получить от природы в свое распоряжение максимум энергии и сократить энергозатраты на отдельное действие. Первоначально воздействие человека на окружающую среду ограничивалось истреблением крупных животных, затем пришел черед лесов. Волны сельскохозяйственной колонизации - первоначально примитивного подсечно-огневого земледелия - нанесли серьезный ущерб лесам Европы.
К этому моменту уже зародилась цивилизация, и в распоряжении горожанина было в 25 раз больше энергии, чем у первобытного охотника.
Следующий удар по природе нанесло появление и распространение производства чугуна. В отличие от древних металлургических технологий, доменная печь производит металл в значительных количествах и требует непрерывного поступления топлива. Их сооружали в лесистой местности, и после окончания срока службы домна оставляла после себя многокилометровую проплешину посреди леса.
За 200 лет с момента широкого распространения производства чугуна крупные европейские лесные массивы ушли в историю, а производство переместилось на фронтир: в Швецию и на Урал. К этому времени относится и широкое распространение новых типов двигателей: водяного и ветряного.
Нехватка древесного топлива заставила человечество впервые обратить серьезное внимание на ископаемое топливо. В 1735 году была открыта технология выплавки чугуна на каменноугольном коксе и большая металлургия вернулась в Англию благодаря местным запасам качественного каменного угля. В то же время все более широкое распространение получает паровая машина, позволившая обезвоживать шахты и обеспечивать домны дутьем даже в отсутствие источников гидроээнергии.
Уголь и пар совершили промышленную революцию, которая начала распространяться из Британии по миру. Индустриальные экономика и общество, все более урбанизированные и динамичные, вызвали и новые проблемы, пути решения которых нам еще предстоит найти.
Лондон - первый индустриальный мегаполис, перешагнувший планку миллионной численности населения, - вплотную столкнулся с проблемой промышленного загрязнения окружающей среды. Угольные зола и сажа, смешиваясь с туманом, образовывали знаменитый лондонский смог. Однако в те времена наиболее обсуждаемой экологической проблемой всемирного масштаба были огромные количества навоза, оставляемые гужевым транспортом. Распространение автомобильного и электротранспорта решило эту проблему, но только ее. Остальные в течение XX века лишь нарастали и приняли самый серьезный характер к его концу.
XX век
В XX веке население и энергопотребление стали расти невиданными в истории темпами, причем благодаря глобализации свой «кусок пирога» смогли получить социальные слои и народы, ранее лишенные такой возможности.
Подавляющее большинство энергетического прироста обеспечили ископаемые виды ресурсов. Уже в начале столетия одного угля оказалось мало, и в дело пошли сначала нефть, а затем природный газ и уран.
В течение XX века численность населения земного шара увеличилась почти в четыре раза, объемы производства и потребления энергии - более чем в десять раз, электроэнергии - почти в тысячу раз.
Ближе к концу столетия стало ясно, что при неизменных тенденциях роста населения и среднедушевого потребления энергии как добывающая промышленность, так и энергетическая отрасль рано или поздно окажутся неспособными обеспечить следующий этап роста, что может привести к самым катастрофическим последствиям.
Кроме того, количество промышленных и бытовых выбросов и отходов росло пропорционально темпам роста экономики и населения. Упаковочная отрасль с середины столетия произвела революцию в пищевой промышленности, сравнимую с широким внедрением холодильников, и серьезно повлияла на логистику любой потребительской продукции. В то же время количество упаковочных отходов выросло настолько, что стало представлять серьезную экологическую проблему.
Попытки решения
Из негосударственных организаций, занимающихся этой проблематикой, следует отметить Римский клуб, созданный в 1968 году. В первом докладе Римскому клубу, озаглавленном «Пределы роста», отмечалось, что развитие человечества в рамках существующей парадигмы приведет к экологической катастрофе в 20-х годах XXI века.
В 1972 году в Стокгольме была проведена конференции ООН по окружающей среде, что ознаменовало выход экологической проблематики из кабинетов отдельных ученых на межгосударственный уровень. 15 декабря 1972 года была принята резолюция Генеральной Ассамблеи ООН №2997, на основе которой была создана Программа ООН по охране окружающей среды - UNEP (United Nations Environment Programme).
С тех пор неоднократно предпринимались попытки оценить степень влияния человека на окружающую среду. В частности, после того, как был отмечен рост среднегодовой температуры на планете, появилась концепция глобального потепления, основная ответственность за которое возлагается на парниковый эффект, вызванный выбросами в результате человеческой деятельности парниковых газов: метана и углекислоты. В последнее время широкое распространение получила концепция углеродного следа, учитывающая не только газообразные, но и любые другие соединения углерода.
Проблема обеих концепций заключается в том, что на настоящий момент невозможно учесть в полной мере естественные источники тепла и углерода, например, вулканическую активность, а значит, и точно определить долю антропогенного фактора. В конечном итоге она может оказаться как значительной, так и ничтожной.
«Устойчивое развитие»
В 1980 году в рамках Всемирной стратегии сохранения природы, разработанной по инициативе ЮНЕП, Международного союза охраны природы (МСОП) и Всемирного фонда дикой природы, была обнародована концепция устойчивого развития (sustainability или sustainable development). В 1987 году в докладе «Наше общее будущее» Международная комиссия по окружающей среде и развитию (МКОСР), которую также называли «комиссией Брунтланн», отметила необходимость устойчивого развития, которое было определено как «возможность удовлетворять текущие потребности, не подрывая возможности будущих поколений удовлетворять свои собственные потребности». Преимущество концепции состоит в том, что вместо оценочных суждений или нападок на отдельные отрасли промышленности предложена положительная программа действий, результатом которых будет сохранение биосферы в пригодном для жизни состоянии.
Трудности перевода
В отечественной литературе прижилось использование словосочетания «устойчивое развитие» в качестве перевода слова sustainability, несмотря на то, что такой вариант критиковали многие авторы. В самом деле, «устойчивое развитие» означает по-русски просто «непрерывный рост». Думается, более верным был бы перевод «самодостаточное развитие», то есть не требующее непрерывного притока все новых и новых ископаемых ресурсов.
Предлагаемые меры, которые могут быть для этого предприняты, - снижение энергопотребления, использование возобновляемых источников энергии и сырья, а также вторичное использование ресурсов.
Современное состояние
В настоящее время потребление энергии очень неравномерно. Если в Северной Америке среднедушевое потребление электроэнергии превышает 10 тыс. кВт•ч/год, то для Китая этот показатель равняется примерно 2,5 тыс. кВт•ч/год, а в Индии едва превышает 500 кВт•ч/год. За счет низких исходных показателей и быстрого роста экономики именно от этих стран стоит ожидать максимального роста энергопотребления.
РФ стоит особняком в ряду стран БРИК. С одной стороны, по общему среднедушевому энергопотреблению она вполне сравнима с другими северными странами, а среднедушевое потребление электроэнергии близко к среднеевропейскому уровню. Но, с другой стороны, по бытовому потреблению электроэнергии РФ отстает от развитых стран.
Причины такого положения дел кроются не только в сравнительно низкой оснащенности жилищ электроприборами, но и в повсеместном распространении у нас центрального отопления и горячего водоснабжения, а кроме того, в значительном возрасте и износе парка промышленного оборудования. Другими словами, наибольшие резервы для повышения энергоэффективности и снижения потерь в РФ нужно изыскивать в сферах ЖКХ и промышленности. При этом необходимо отметить, что административный запрет на лампы накаливания в отсутствие эффективной системы раздельного сбора и сортировки отходов может привести не столько к экономии, сколько к загрязнению свалок ртутью. Энергетическую отрасль, вероятно, в ближайшее время ждут перемены, однако заметную долю нетрадиционные источники возобновляемой энергии, такие как ветер, солнце, геотермальные источники, займут еще не скоро. Даже Германия, где ситуация будет тяжелой из-за полного отказа от атомной энергетики, который намечен на 2022 год, рассчитывает получить половину энергии из возобновляемых источников лишь к 2030 году. Следует учитывать, что сжигание возобновляемого топлива, например, отходов и древесины, обычно учитывается в энергетическом балансе отдельно, так же как традиционная гидроэнергетика. К возобновляемым источникам при построении баланса принято относить лишь малые ГЭС с мощностью до 10-15 МВт.
Роль индустрии пластмасс
Индустрия пластмасс играет одну из ключевых ролей в создании новой, более самодостаточной экономики. Даже сама по себе замена других материалов на полимерные, как правило, ведет к снижению энергопотребления, особенно в транспорте. Пластмассы не только легче других материалов, но и перерабатываются при более низких температурах, что особенно заметно при сравнении с металлами, стеклом или керамикой.
В последнее время усилия отрасли в природоохранной сфере сосредоточены на трех направлениях: снижение энергопотребления, производство биопластиков и рециклинг. Кроме того, полимерные материалы широко используются при производстве генерирующих мощностей, использующих энергию солнца и ветра.
Применение полимерных материалов при изготовлении средств транспорта позволяет облегчить их конструкцию и следовательно снизить расход топлива. Наиболее активно шло их внедрение в аэрокосмической отрасли. Новейшая модель компании Boeing 787 Dreamliner на 50 процентов состоит из композиционных материалов, благодаря чему самолет потребляет на 20 процентов меньше топлива. Airbus A350, подготовка к серийному производству которого идет сейчас, будет состоять из композиционных материалов на 52 процента.
Темпы внедрения пластмасс и композитов увеличиваются по нарастающей и в автомобилестроении. Помимо отдельных узлов и агрегатов, полимеры начинают использоваться и в несущих, и в высоконагруженных конструктивных элементах. Из нововведений можно отметить полностью созданную из композиционных материалов пятую дверь для нового поколения автомобиля Renault Clio. Благодаря этой тенденции в недалеком будущем автомобили станут легче современных примерно на 40 процентов.
Не менее важен потенциал полимерных материалов для теплоизоляции транспорта, зданий и сооружений. Пенопласты позволяют сберегать энергию как на этапе производства, в сравнении с минеральными утеплителями, так и будучи установленными. При этом даже хорошо известные материалы могут иметь потенциал для модернизации. Так, концерну BASF удалось на 20 процентов улучшить теплоизоляционные характеристики вспененного полистирола за счет добавления частиц графита.
Один из наиболее масштабных проектов в этой сфере - программа EcoCommercial Building, инициированная компанией Bayer MaterialScience. Сеть европейских высокотехнологичных компаний, которая насчитывает около 50 участников, предложила комплекс решений, которые позволяют значительно сократить энергопотребление при эксплуатации зданий и сооружений. Благодаря большому количеству участников из самых разных отраслей можно наиболее полно использовать потенциал энергосбережения, пересмотрев традиционные подходы от этапа проектирования до финишной отделки. Многие разработки пригодятся и при реконструкции существующих зданий. Например, пенополиуретаны Bayer MaterialScience обеспечивают эффективную теплоизоляцию, а поликарбонат применяется для создания современных осветительных систем.
Современное оборудование для переработки пластмасс также стало значительно экономичнее. Полностью электрические ТПА потребляют в разы меньше электроэнергии в сравнении с гидравлическими машинами прежних поколений. Электрическая машина потребляет энергию лишь для совершения работы, а высокая параллельность движений и быстроходность позволяют уменьшать время цикла. Особенно яркий пример - «старшие» модели ТПА Engel E-Cap, предназначенные для литья укупорочных средств, на которых десятки крышек или колпачков изготавливаются менее чем за 3 секунды. Дополнительную экономию электрическому ТПА может обеспечить система рекуперации кинетической энергии, сокращенное название которой, KERS, известно поклонникам «Формулы-1». Такая система установлена, например, на ТПА Wittmann Battenfeld EcoPower. По заявлению производителя, стоимость сэкономленной за время эксплуатации машины энергии может составить около половины цены самого ТПА. Если в 90-х годах прошлого века электрические машины производили в основном в Японии, то сейчас они есть в ассортименте подавляющего большинства ведущих производителей.
Между тем и новейшие гибридные или гидравлические ТПА с сервоприводами обеспечивают до 50 процентов экономии в сравнении со старыми машинами. Для ТПА Engel victory с бесколонным узлом смыкания показатель экономии, по заявлению производителя, может достигать 70%. Дополнительный резерв экономии - теплоизоляция материального цилиндра. Применение матов из минеральной ваты позволяет сохранить энергию, затраченную на нагрев материала. Этот способ может быть применен и к экструдерам.
Такие успехи демонстрирует не только сфера литья под давлением. Уже выпускаются полностью электрические экструзионно-выдувные машины, энергопотребление которых также заметно ниже. Например, такие машины начала выпускать итальянская компания Plastiblow S.r.l.
Биопластики
Отдельно необходимо сказать о биопластиках. Под этим собирательным названием объединены различные типы материалов: разлагаемые и произведенные из возобновляемого сырья. В обоих случаях речь может идти о «сотрудничестве» с микроорганизмами, в первом они обычно используются для разложения пластмассы, а во втором - в процессе ее производства: так, некоторые типы полиэфиров образуются в качестве продукта жизнедеятельности определенных видов бактерий. В отдельных случаях материалы могут быть получены из возобновляемого сырья и одновременно относиться к разлагаемым, как полимолочная кислота.
Разлагаемые пластмассы делятся на два класса: биоразлагаемые, то есть способные к разложению в естественных условиях с помощью бактерий или грибков, и компостируемые, то есть разлагающиеся в условиях специально оборудованного полигона для ТБО.
Такие свойства могут быть присущи полимеру изначально либо приданы путем введения специальных добавок в рецептуру. Сейчас есть возможность сделать разлагаемыми большинство крупнотоннажных пластмасс.
Удачный пример сотрудничества в этой сфере - совместная работа компаний Dow Chemical, которая производит биоматериалы, в том числе биоразлагаемые добавки, и PolyOne, которая создает мастербатчи на их основе, что позволяет переработчикам использовать готовые рецептуры.
С точки зрения некоторых экологических концепций, например, углеродного следа или глобального потепления, роль разлагаемых пластмасс может быть признана неоднозначной, поскольку биоразлагаемые пластики, разлагаясь, выделяют углекислый газ или метан. В случае компостируемых материалов проблема решается установкой газосборного оборудования на полигоне, но рассчитывать на повсеместное распространение таких систем во всемирном масштабе преждевременно.
Интересно, что первый полимер, освоенный промышленностью - целлулоид, - производился из возобновляемого сырья, а слово «целлофан» до сих пор можно услышать в качестве синонима прозрачной полимерной пленки. Со временем доступность и дешевизна ископаемого сырья привели к тому, что большая часть пластмасс стала продукцией нефтехимии. Сейчас маятник должен качнуться в другую сторону.
Если использование продуктов питания и пищевого сырья для производства полимеров представляется неоднозначным, то применение для этих целей биомассы из отходов сельского хозяйства и даже животноводства позволит решить массу проблем. С другой стороны, переработка отходов всегда сопряжена со значительными трудностями, в то время как перевод кукурузы и сахарного тростника в разряд технических культур выглядит более простым решением. Из кукурузы получают полимолочную кислоту, которая сейчас лидирует на рынке биопластиков. Крупнотоннажное производство полиолефинов из сахарного тростника начала бразильская корпорация Braskem. Находит свое применение ТПУ Pearlthane ECO компании Merquinsa, при изготовлении которого используется от 32 до 46 процентов возобновляемого сырья.
Интересный материал создала и компания Evonik: в композите на базе полиамида из возобновляемого сырья для армирования используется вискозное волокно, полученное из древесных отходов: Terra HS и Terra DS. Доля растительного сырья составляет 67-100 процентов, в результате значительно уменьшены выбросы углекислоты, материал на 10 процентов легче стеклопластика и, вероятно, будет лучше поддаваться вторичному использованию.
К 2016 году производство биопластиков вырастет в пять раз по сравнению с уровнем прошлого года - до 6 млн тонн. В то же время еврокомиссар по вопросам защиты окружающей среды Янез Поточник отметил, что хотя существуют ниши, в которых оптимально применение биопластиков, на данный момент предполагать, что они могут или должны вытеснить обычные пластмассы, нереалистично даже в средне- и долгосрочной перспективе.
Рециклинг
Рециклинг, то есть восстановление и возвращение в оборот различных материалов, известен с глубокой древности. Однако вторичное использование пластмасс имеет особое значение, в первую очередь потому, что большинство типов полимеров разлагаются в естественных условиях десятки и сотни лет. В то же время пластмассы близки по своим физическим параметрам к другой органике, поэтому их крайне сложно выделить из смеси отходов. Другой аспект связан с тем, что полимеры производятся из углеводородного сырья, то есть индустрия пластмасс конкурирует здесь с энергетической отраслью. Неслучайно при обсуждении этого вопроса многие сравнивают захоронение полимерных отходов на полигонах со сливом сырой нефти в землю.
Полимерные отходы могут быть вторично использованы и для получения энергии, однако сжигание пластмассы представляется не лучшим путем ее использования, поскольку выделяется сравнительно небольшое количество теплоты, требуется фильтрация токсичных продуктов горения, а ценное сырье оказывается утраченным безвозвратно. В то же время этот вариант самый простой и занял заметную долю (около 10 процентов) в энергетическом балансе некоторых развитых стран. В США активно ведется разработка технологий получения из пластиковых отходов моторного топлива, и некоторые из них уже внедряются. Этот путь выгоднее в энергетическом плане, но имеет тот же недостаток: углеводородное сырье используется только два раза.
Рециклинг позволяет использовать углеводороды несколько раз и поэтому приближает нас к достижению самодостаточности в хозяйствовании в большей степени, нежели любая другая технология. Однако упомянутые свойства полимеров требуют для эффективной организации работы по возвращению ресурсов в оборот совместных усилий органов власти, промышленности, торговли и потребителей. В первую очередь речь идет о сортировке отходов в домохозяйствах и организации их раздельного сбора.
Наиболее эффективно эта работа организована в странах Евросоюза, где цели, задачи и требования четко прописаны на законодательном уровне.
В прошлом году все страны ЕС, кроме Мальты и Кипра, перевыполнили план по рециклингу пластмасс, который был установлен на уровне 22,5 процента от общего числа пластиковых отходов. Всего в Европе было переработано более трети отходов (более 5 млн тонн), и еще треть была использована в качестве топлива.
Вероятно, в скором времени будет поставлен вопрос о полном запрете на захоронение пластиковых отходов на полигонах в странах ЕС.
Не менее значительна китайская отрасль рециклинга, - пожалуй, крупнейшая в мире. Помимо собственных отходов Китай перерабатывает и импортированные в соотношении примерно 50 на 50, и объем этого импорта был сопоставим в 2010 году с объемом отходов, переработанных в Европе. Однако в прошлом году китайское правительство ужесточило правила ввоза отходов, поскольку значительная их часть оказывалась на свалках, ухудшая и без того не самую простую экологическую ситуацию.
Главное препятствие для вторичного использования уже собранных материалов - то, что в ходе эксплуатации изделия и при первичной обработке происходит деградация части полимера в результате контакта с кислородом, фотодеструкции или повреждения и термодеструкции в агломераторе.
Самый, пожалуй, развитый сектор - это рециклинг ПЭТ, современное состояние которого позволяет увидеть будущее отрасли. Связано это как со сравнительно более удобными сбором и сортировкой ПЭТ-бутылок (а на них приходится львиная доля переработки первичного полиэтилентерефталата), так и с тем, что при первичной переработке бутылок получаются ПЭТ-хлопья, в удобстве обращения немногим уступающие гранулам.
Изначально главным потребителем вторичного ПЭТ была отрасль производства полиэфирных волокон, и этот сектор продолжает оставаться в мире самым значительным. Кроме того, из вторичного ПЭТ производят ПЭТ-ленту для промышленной упаковки, которая практически полностью вытеснила стальную. Однако главная задача отрасли - возвращение материала в пищевую упаковку.
С 90-х годов было разработано и сертифицировано несколько технологий переработки ПЭТ «из бутылки в бутылку», другими словами, такой вторичный ПЭТ не уступает первичному по своим физико-механическим качествам и пригоден для контакта с пищевыми продуктами. Такое оборудование производят компании Buehler, Erema, Starlinger и другие.
Подводя итог, отмечу, что переход на самодостаточное хозяйствование позволит сохранить биосферу для будущих поколений. Однако это займет десятки лет, и нам остается надеяться, что усилия в этом направлении стали прилагаться не слишком поздно.
История вопроса
С момента появления человека разумного как вида он стремился получить от природы в свое распоряжение максимум энергии и сократить энергозатраты на отдельное действие. Первоначально воздействие человека на окружающую среду ограничивалось истреблением крупных животных, затем пришел черед лесов. Волны сельскохозяйственной колонизации - первоначально примитивного подсечно-огневого земледелия - нанесли серьезный ущерб лесам Европы.
К этому моменту уже зародилась цивилизация, и в распоряжении горожанина было в 25 раз больше энергии, чем у первобытного охотника.
Следующий удар по природе нанесло появление и распространение производства чугуна. В отличие от древних металлургических технологий, доменная печь производит металл в значительных количествах и требует непрерывного поступления топлива. Их сооружали в лесистой местности, и после окончания срока службы домна оставляла после себя многокилометровую проплешину посреди леса.
За 200 лет с момента широкого распространения производства чугуна крупные европейские лесные массивы ушли в историю, а производство переместилось на фронтир: в Швецию и на Урал. К этому времени относится и широкое распространение новых типов двигателей: водяного и ветряного.
Нехватка древесного топлива заставила человечество впервые обратить серьезное внимание на ископаемое топливо. В 1735 году была открыта технология выплавки чугуна на каменноугольном коксе и большая металлургия вернулась в Англию благодаря местным запасам качественного каменного угля. В то же время все более широкое распространение получает паровая машина, позволившая обезвоживать шахты и обеспечивать домны дутьем даже в отсутствие источников гидроээнергии.
Уголь и пар совершили промышленную революцию, которая начала распространяться из Британии по миру. Индустриальные экономика и общество, все более урбанизированные и динамичные, вызвали и новые проблемы, пути решения которых нам еще предстоит найти.
Лондон - первый индустриальный мегаполис, перешагнувший планку миллионной численности населения, - вплотную столкнулся с проблемой промышленного загрязнения окружающей среды. Угольные зола и сажа, смешиваясь с туманом, образовывали знаменитый лондонский смог. Однако в те времена наиболее обсуждаемой экологической проблемой всемирного масштаба были огромные количества навоза, оставляемые гужевым транспортом. Распространение автомобильного и электротранспорта решило эту проблему, но только ее. Остальные в течение XX века лишь нарастали и приняли самый серьезный характер к его концу.
XX век
В XX веке население и энергопотребление стали расти невиданными в истории темпами, причем благодаря глобализации свой «кусок пирога» смогли получить социальные слои и народы, ранее лишенные такой возможности.
Подавляющее большинство энергетического прироста обеспечили ископаемые виды ресурсов. Уже в начале столетия одного угля оказалось мало, и в дело пошли сначала нефть, а затем природный газ и уран.
В течение XX века численность населения земного шара увеличилась почти в четыре раза, объемы производства и потребления энергии - более чем в десять раз, электроэнергии - почти в тысячу раз.
Ближе к концу столетия стало ясно, что при неизменных тенденциях роста населения и среднедушевого потребления энергии как добывающая промышленность, так и энергетическая отрасль рано или поздно окажутся неспособными обеспечить следующий этап роста, что может привести к самым катастрофическим последствиям.
Кроме того, количество промышленных и бытовых выбросов и отходов росло пропорционально темпам роста экономики и населения. Упаковочная отрасль с середины столетия произвела революцию в пищевой промышленности, сравнимую с широким внедрением холодильников, и серьезно повлияла на логистику любой потребительской продукции. В то же время количество упаковочных отходов выросло настолько, что стало представлять серьезную экологическую проблему.
Попытки решения
Из негосударственных организаций, занимающихся этой проблематикой, следует отметить Римский клуб, созданный в 1968 году. В первом докладе Римскому клубу, озаглавленном «Пределы роста», отмечалось, что развитие человечества в рамках существующей парадигмы приведет к экологической катастрофе в 20-х годах XXI века.
В 1972 году в Стокгольме была проведена конференции ООН по окружающей среде, что ознаменовало выход экологической проблематики из кабинетов отдельных ученых на межгосударственный уровень. 15 декабря 1972 года была принята резолюция Генеральной Ассамблеи ООН №2997, на основе которой была создана Программа ООН по охране окружающей среды - UNEP (United Nations Environment Programme).
С тех пор неоднократно предпринимались попытки оценить степень влияния человека на окружающую среду. В частности, после того, как был отмечен рост среднегодовой температуры на планете, появилась концепция глобального потепления, основная ответственность за которое возлагается на парниковый эффект, вызванный выбросами в результате человеческой деятельности парниковых газов: метана и углекислоты. В последнее время широкое распространение получила концепция углеродного следа, учитывающая не только газообразные, но и любые другие соединения углерода.
Проблема обеих концепций заключается в том, что на настоящий момент невозможно учесть в полной мере естественные источники тепла и углерода, например, вулканическую активность, а значит, и точно определить долю антропогенного фактора. В конечном итоге она может оказаться как значительной, так и ничтожной.
«Устойчивое развитие»
В 1980 году в рамках Всемирной стратегии сохранения природы, разработанной по инициативе ЮНЕП, Международного союза охраны природы (МСОП) и Всемирного фонда дикой природы, была обнародована концепция устойчивого развития (sustainability или sustainable development). В 1987 году в докладе «Наше общее будущее» Международная комиссия по окружающей среде и развитию (МКОСР), которую также называли «комиссией Брунтланн», отметила необходимость устойчивого развития, которое было определено как «возможность удовлетворять текущие потребности, не подрывая возможности будущих поколений удовлетворять свои собственные потребности». Преимущество концепции состоит в том, что вместо оценочных суждений или нападок на отдельные отрасли промышленности предложена положительная программа действий, результатом которых будет сохранение биосферы в пригодном для жизни состоянии.
Трудности перевода
В отечественной литературе прижилось использование словосочетания «устойчивое развитие» в качестве перевода слова sustainability, несмотря на то, что такой вариант критиковали многие авторы. В самом деле, «устойчивое развитие» означает по-русски просто «непрерывный рост». Думается, более верным был бы перевод «самодостаточное развитие», то есть не требующее непрерывного притока все новых и новых ископаемых ресурсов.
Предлагаемые меры, которые могут быть для этого предприняты, - снижение энергопотребления, использование возобновляемых источников энергии и сырья, а также вторичное использование ресурсов.
Современное состояние
В настоящее время потребление энергии очень неравномерно. Если в Северной Америке среднедушевое потребление электроэнергии превышает 10 тыс. кВт•ч/год, то для Китая этот показатель равняется примерно 2,5 тыс. кВт•ч/год, а в Индии едва превышает 500 кВт•ч/год. За счет низких исходных показателей и быстрого роста экономики именно от этих стран стоит ожидать максимального роста энергопотребления.
РФ стоит особняком в ряду стран БРИК. С одной стороны, по общему среднедушевому энергопотреблению она вполне сравнима с другими северными странами, а среднедушевое потребление электроэнергии близко к среднеевропейскому уровню. Но, с другой стороны, по бытовому потреблению электроэнергии РФ отстает от развитых стран.
Причины такого положения дел кроются не только в сравнительно низкой оснащенности жилищ электроприборами, но и в повсеместном распространении у нас центрального отопления и горячего водоснабжения, а кроме того, в значительном возрасте и износе парка промышленного оборудования. Другими словами, наибольшие резервы для повышения энергоэффективности и снижения потерь в РФ нужно изыскивать в сферах ЖКХ и промышленности. При этом необходимо отметить, что административный запрет на лампы накаливания в отсутствие эффективной системы раздельного сбора и сортировки отходов может привести не столько к экономии, сколько к загрязнению свалок ртутью. Энергетическую отрасль, вероятно, в ближайшее время ждут перемены, однако заметную долю нетрадиционные источники возобновляемой энергии, такие как ветер, солнце, геотермальные источники, займут еще не скоро. Даже Германия, где ситуация будет тяжелой из-за полного отказа от атомной энергетики, который намечен на 2022 год, рассчитывает получить половину энергии из возобновляемых источников лишь к 2030 году. Следует учитывать, что сжигание возобновляемого топлива, например, отходов и древесины, обычно учитывается в энергетическом балансе отдельно, так же как традиционная гидроэнергетика. К возобновляемым источникам при построении баланса принято относить лишь малые ГЭС с мощностью до 10-15 МВт.
Роль индустрии пластмасс
Индустрия пластмасс играет одну из ключевых ролей в создании новой, более самодостаточной экономики. Даже сама по себе замена других материалов на полимерные, как правило, ведет к снижению энергопотребления, особенно в транспорте. Пластмассы не только легче других материалов, но и перерабатываются при более низких температурах, что особенно заметно при сравнении с металлами, стеклом или керамикой.
В последнее время усилия отрасли в природоохранной сфере сосредоточены на трех направлениях: снижение энергопотребления, производство биопластиков и рециклинг. Кроме того, полимерные материалы широко используются при производстве генерирующих мощностей, использующих энергию солнца и ветра.
Применение полимерных материалов при изготовлении средств транспорта позволяет облегчить их конструкцию и следовательно снизить расход топлива. Наиболее активно шло их внедрение в аэрокосмической отрасли. Новейшая модель компании Boeing 787 Dreamliner на 50 процентов состоит из композиционных материалов, благодаря чему самолет потребляет на 20 процентов меньше топлива. Airbus A350, подготовка к серийному производству которого идет сейчас, будет состоять из композиционных материалов на 52 процента.
Темпы внедрения пластмасс и композитов увеличиваются по нарастающей и в автомобилестроении. Помимо отдельных узлов и агрегатов, полимеры начинают использоваться и в несущих, и в высоконагруженных конструктивных элементах. Из нововведений можно отметить полностью созданную из композиционных материалов пятую дверь для нового поколения автомобиля Renault Clio. Благодаря этой тенденции в недалеком будущем автомобили станут легче современных примерно на 40 процентов.
Не менее важен потенциал полимерных материалов для теплоизоляции транспорта, зданий и сооружений. Пенопласты позволяют сберегать энергию как на этапе производства, в сравнении с минеральными утеплителями, так и будучи установленными. При этом даже хорошо известные материалы могут иметь потенциал для модернизации. Так, концерну BASF удалось на 20 процентов улучшить теплоизоляционные характеристики вспененного полистирола за счет добавления частиц графита.
Один из наиболее масштабных проектов в этой сфере - программа EcoCommercial Building, инициированная компанией Bayer MaterialScience. Сеть европейских высокотехнологичных компаний, которая насчитывает около 50 участников, предложила комплекс решений, которые позволяют значительно сократить энергопотребление при эксплуатации зданий и сооружений. Благодаря большому количеству участников из самых разных отраслей можно наиболее полно использовать потенциал энергосбережения, пересмотрев традиционные подходы от этапа проектирования до финишной отделки. Многие разработки пригодятся и при реконструкции существующих зданий. Например, пенополиуретаны Bayer MaterialScience обеспечивают эффективную теплоизоляцию, а поликарбонат применяется для создания современных осветительных систем.
Современное оборудование для переработки пластмасс также стало значительно экономичнее. Полностью электрические ТПА потребляют в разы меньше электроэнергии в сравнении с гидравлическими машинами прежних поколений. Электрическая машина потребляет энергию лишь для совершения работы, а высокая параллельность движений и быстроходность позволяют уменьшать время цикла. Особенно яркий пример - «старшие» модели ТПА Engel E-Cap, предназначенные для литья укупорочных средств, на которых десятки крышек или колпачков изготавливаются менее чем за 3 секунды. Дополнительную экономию электрическому ТПА может обеспечить система рекуперации кинетической энергии, сокращенное название которой, KERS, известно поклонникам «Формулы-1». Такая система установлена, например, на ТПА Wittmann Battenfeld EcoPower. По заявлению производителя, стоимость сэкономленной за время эксплуатации машины энергии может составить около половины цены самого ТПА. Если в 90-х годах прошлого века электрические машины производили в основном в Японии, то сейчас они есть в ассортименте подавляющего большинства ведущих производителей.
Между тем и новейшие гибридные или гидравлические ТПА с сервоприводами обеспечивают до 50 процентов экономии в сравнении со старыми машинами. Для ТПА Engel victory с бесколонным узлом смыкания показатель экономии, по заявлению производителя, может достигать 70%. Дополнительный резерв экономии - теплоизоляция материального цилиндра. Применение матов из минеральной ваты позволяет сохранить энергию, затраченную на нагрев материала. Этот способ может быть применен и к экструдерам.
Такие успехи демонстрирует не только сфера литья под давлением. Уже выпускаются полностью электрические экструзионно-выдувные машины, энергопотребление которых также заметно ниже. Например, такие машины начала выпускать итальянская компания Plastiblow S.r.l.
Биопластики
Отдельно необходимо сказать о биопластиках. Под этим собирательным названием объединены различные типы материалов: разлагаемые и произведенные из возобновляемого сырья. В обоих случаях речь может идти о «сотрудничестве» с микроорганизмами, в первом они обычно используются для разложения пластмассы, а во втором - в процессе ее производства: так, некоторые типы полиэфиров образуются в качестве продукта жизнедеятельности определенных видов бактерий. В отдельных случаях материалы могут быть получены из возобновляемого сырья и одновременно относиться к разлагаемым, как полимолочная кислота.
Разлагаемые пластмассы делятся на два класса: биоразлагаемые, то есть способные к разложению в естественных условиях с помощью бактерий или грибков, и компостируемые, то есть разлагающиеся в условиях специально оборудованного полигона для ТБО.
Такие свойства могут быть присущи полимеру изначально либо приданы путем введения специальных добавок в рецептуру. Сейчас есть возможность сделать разлагаемыми большинство крупнотоннажных пластмасс.
Удачный пример сотрудничества в этой сфере - совместная работа компаний Dow Chemical, которая производит биоматериалы, в том числе биоразлагаемые добавки, и PolyOne, которая создает мастербатчи на их основе, что позволяет переработчикам использовать готовые рецептуры.
С точки зрения некоторых экологических концепций, например, углеродного следа или глобального потепления, роль разлагаемых пластмасс может быть признана неоднозначной, поскольку биоразлагаемые пластики, разлагаясь, выделяют углекислый газ или метан. В случае компостируемых материалов проблема решается установкой газосборного оборудования на полигоне, но рассчитывать на повсеместное распространение таких систем во всемирном масштабе преждевременно.
Интересно, что первый полимер, освоенный промышленностью - целлулоид, - производился из возобновляемого сырья, а слово «целлофан» до сих пор можно услышать в качестве синонима прозрачной полимерной пленки. Со временем доступность и дешевизна ископаемого сырья привели к тому, что большая часть пластмасс стала продукцией нефтехимии. Сейчас маятник должен качнуться в другую сторону.
Если использование продуктов питания и пищевого сырья для производства полимеров представляется неоднозначным, то применение для этих целей биомассы из отходов сельского хозяйства и даже животноводства позволит решить массу проблем. С другой стороны, переработка отходов всегда сопряжена со значительными трудностями, в то время как перевод кукурузы и сахарного тростника в разряд технических культур выглядит более простым решением. Из кукурузы получают полимолочную кислоту, которая сейчас лидирует на рынке биопластиков. Крупнотоннажное производство полиолефинов из сахарного тростника начала бразильская корпорация Braskem. Находит свое применение ТПУ Pearlthane ECO компании Merquinsa, при изготовлении которого используется от 32 до 46 процентов возобновляемого сырья.
Интересный материал создала и компания Evonik: в композите на базе полиамида из возобновляемого сырья для армирования используется вискозное волокно, полученное из древесных отходов: Terra HS и Terra DS. Доля растительного сырья составляет 67-100 процентов, в результате значительно уменьшены выбросы углекислоты, материал на 10 процентов легче стеклопластика и, вероятно, будет лучше поддаваться вторичному использованию.
К 2016 году производство биопластиков вырастет в пять раз по сравнению с уровнем прошлого года - до 6 млн тонн. В то же время еврокомиссар по вопросам защиты окружающей среды Янез Поточник отметил, что хотя существуют ниши, в которых оптимально применение биопластиков, на данный момент предполагать, что они могут или должны вытеснить обычные пластмассы, нереалистично даже в средне- и долгосрочной перспективе.
Рециклинг
Рециклинг, то есть восстановление и возвращение в оборот различных материалов, известен с глубокой древности. Однако вторичное использование пластмасс имеет особое значение, в первую очередь потому, что большинство типов полимеров разлагаются в естественных условиях десятки и сотни лет. В то же время пластмассы близки по своим физическим параметрам к другой органике, поэтому их крайне сложно выделить из смеси отходов. Другой аспект связан с тем, что полимеры производятся из углеводородного сырья, то есть индустрия пластмасс конкурирует здесь с энергетической отраслью. Неслучайно при обсуждении этого вопроса многие сравнивают захоронение полимерных отходов на полигонах со сливом сырой нефти в землю.
Полимерные отходы могут быть вторично использованы и для получения энергии, однако сжигание пластмассы представляется не лучшим путем ее использования, поскольку выделяется сравнительно небольшое количество теплоты, требуется фильтрация токсичных продуктов горения, а ценное сырье оказывается утраченным безвозвратно. В то же время этот вариант самый простой и занял заметную долю (около 10 процентов) в энергетическом балансе некоторых развитых стран. В США активно ведется разработка технологий получения из пластиковых отходов моторного топлива, и некоторые из них уже внедряются. Этот путь выгоднее в энергетическом плане, но имеет тот же недостаток: углеводородное сырье используется только два раза.
Рециклинг позволяет использовать углеводороды несколько раз и поэтому приближает нас к достижению самодостаточности в хозяйствовании в большей степени, нежели любая другая технология. Однако упомянутые свойства полимеров требуют для эффективной организации работы по возвращению ресурсов в оборот совместных усилий органов власти, промышленности, торговли и потребителей. В первую очередь речь идет о сортировке отходов в домохозяйствах и организации их раздельного сбора.
Наиболее эффективно эта работа организована в странах Евросоюза, где цели, задачи и требования четко прописаны на законодательном уровне.
В прошлом году все страны ЕС, кроме Мальты и Кипра, перевыполнили план по рециклингу пластмасс, который был установлен на уровне 22,5 процента от общего числа пластиковых отходов. Всего в Европе было переработано более трети отходов (более 5 млн тонн), и еще треть была использована в качестве топлива.
Вероятно, в скором времени будет поставлен вопрос о полном запрете на захоронение пластиковых отходов на полигонах в странах ЕС.
Не менее значительна китайская отрасль рециклинга, - пожалуй, крупнейшая в мире. Помимо собственных отходов Китай перерабатывает и импортированные в соотношении примерно 50 на 50, и объем этого импорта был сопоставим в 2010 году с объемом отходов, переработанных в Европе. Однако в прошлом году китайское правительство ужесточило правила ввоза отходов, поскольку значительная их часть оказывалась на свалках, ухудшая и без того не самую простую экологическую ситуацию.
Главное препятствие для вторичного использования уже собранных материалов - то, что в ходе эксплуатации изделия и при первичной обработке происходит деградация части полимера в результате контакта с кислородом, фотодеструкции или повреждения и термодеструкции в агломераторе.
Самый, пожалуй, развитый сектор - это рециклинг ПЭТ, современное состояние которого позволяет увидеть будущее отрасли. Связано это как со сравнительно более удобными сбором и сортировкой ПЭТ-бутылок (а на них приходится львиная доля переработки первичного полиэтилентерефталата), так и с тем, что при первичной переработке бутылок получаются ПЭТ-хлопья, в удобстве обращения немногим уступающие гранулам.
Изначально главным потребителем вторичного ПЭТ была отрасль производства полиэфирных волокон, и этот сектор продолжает оставаться в мире самым значительным. Кроме того, из вторичного ПЭТ производят ПЭТ-ленту для промышленной упаковки, которая практически полностью вытеснила стальную. Однако главная задача отрасли - возвращение материала в пищевую упаковку.
С 90-х годов было разработано и сертифицировано несколько технологий переработки ПЭТ «из бутылки в бутылку», другими словами, такой вторичный ПЭТ не уступает первичному по своим физико-механическим качествам и пригоден для контакта с пищевыми продуктами. Такое оборудование производят компании Buehler, Erema, Starlinger и другие.
Подводя итог, отмечу, что переход на самодостаточное хозяйствование позволит сохранить биосферу для будущих поколений. Однако это займет десятки лет, и нам остается надеяться, что усилия в этом направлении стали прилагаться не слишком поздно.