Материалоотдача и материалоемкость: Материалоемкость продукции: формула расчета

Материалоемкость – это показатель расхода материалов на производство какой-нибудь продукции. Данное свойство выражено в натуральных единицах расхода топлива, сырья, энергии и материалов, которые нужны для производства единицы продукции или её определяют в процентном соотношении к стоимости материальных затраченных ресурсов в структуре себестоимости продукции, которая производится.

Материалоемкость является одним из важнейших показателей, которые позволяют определить рентабельность продукции, которая производится.

Рассмотрим, более детально, что значит материалоемкость.

Материалоотдача и материалоемкость

Применение материалов в изготовлении продукции выражают такими показателями:

• удельный расход материала на продукцию или материалоемкость. Он являет собой отношение расхода материалов к объему сделанной продукции. Данный показатель должен уменьшаться благодаря усовершенствованию конструкции изделий и снижения отходов материалов при производстве;
• материалоотдача или коэффициент выхода продукции из потребленных материалов. Это обратный показатель.
• коэффициент раскроя материала, который указывает, насколько рационально проведен раскрой этого материала. Он определяется делением суммы масс (длин, объемов, площадей) всех заготовок, которые получаются из этого материала, на массу (длину, объем, площадь) исходного материала.

Из данных показателей самым важным является материалоемкость. Когда она снижается, то из неизменного числа материальных ресурсов будет сделано больше продукции и уменьшится себестоимость последней. Отличают удельную, абсолютную, структурную материалоемкость.

Абсолютная материалоемкость указывает норму расхода материалов на одно изделие (Np), чистый вес изделия (Оч) и степень применения материалов

Структурная материалоемкость указывает долю конкретных типов материалов в общей материалоемкости изделий.

Удельная материалоемкость — это структурная материалоемкость, которая приведена к определенной натуральной единице измерения изделий определенного вида.

Мы коротко рассмотрели материалоемкость и ее связь с материалоотдачей. Оставляйте свои комментарии или дополнения к материалу.

Система показателей материалоемкости продукции

Для характеристики эффективности использования материальных ресурсов применяется система обобщающих и частных показателей.

Применение обобщающих показателей в анализе позволяет получить общее представление об уровне эффективности использования материальных ресурсов и резервах его повышения.[6, c. 65]

К обобщающим показателям относятся прибыль на рубль материальных затрат, материалоотдача, материалоемкость, коэффициент соотношений темпов роста объема производства и материальных затрат, удельный вес материальных затрат в себестоимости продукции, коэффициент использования материалов.

Материалоотдача определяется делением стоимости произведенной продукции на сумму материальных затрат. Этот показатель характеризует отдачу материалов, т.е. сколько произведено продукции с каждого рубля потребленных материальных ресурсов (сырья, материалов, топлива, энергии и т.д.).

Материалоемкость продукции – отношение суммы материальных затрат к стоимости произведенной продукции – показывает, сколько материальных затрат необходимо произвести или фактически приходится на производство единицы продукции.

Коэффициент соотношения темпов роста объема производства и материальных затрат определяется отношением индекса валовой или товарной продукции к индексу материальных затрат. Он характеризует в относительном выражении динамику материалоотдачи и одновременно раскрывает факторы ее роста. [7, c. 46]

Удельный вес материальных затрат в себестоимости продукции исчисляется отношением суммы материальных затрат к полной себестоимости произведенной продукции. Динамика этого показателя характеризует изменение материалоемкости продукции.

Коэффициент материальных затрат представляет собой отношение фактической суммы материальных затрат к плановой, пересчитанной на фактический объем выпущенной продукции. Он показывает насколько экономно используются материалы в процессе производства, нет ли их перерасхода по сравнению с установленными нормами. Если коэффициент больше 1, то это свидетельствует о перерасходе материальных ресурсов на производство продукции, и наоборот, если меньше 1, то материальные ресурсы использовались более экономно. [8, с. 212]

Частные показатели материалоемкости применяются для характеристики эффективности использования отдельных элементов материальных ресурсов (основных, вспомогательных материалов, топлива, энергии и др.), а также для характеристики уровня материалоемкости отдельных изделий.

В зависимости от специфики производства частными показателями могут быть: сырьеемкость – в перерабатывающей отрасли; металлоемкость – в машиностроении и металлообрабатывающей промышленности и т.д.

Удельная материалоемкость может быть исчислена как в стоимостном выражении (отношение стоимости всех потребленных материалов на единицу продукции к ее оптовой цене), так и в натуральном или условно-натуральном выражении (отношение количества или массы израсходованных материальных ресурсов на производство 1-го вида продукции к количеству выпущенной продукции этого вида). [6, c. 67]

К обобщающим показателямотносятся:

1) материалоемкость;

2) материалоотдача;

3) коэффициент соотношения темпов роста объема производства и материальных затрат;

4) удельный вес материальных затрат в себестоимости продукции;

5) коэффициент использования материалов;

6) прибыль на рубль материальных затрат.

1) Материалоемкость– показатель эффективности производства, характеризуемый уровнем использования материальных ресурсов на предприятии.

Материалоемкостьподразделяется на:

− материалоемкость производства – характеризуется как эффективность использования материальных ресурсов в производстве независимо от вида выпускаемой продукции;

− материалоемкость продукции – устанавливает расход материалов на единицу конкретного вида продукции.

Материалоемкость продукции, в свою очередь, подразделяется на абсолютную, структурную, относительную и общую.

Абсолютная материалоемкость – это расход основных видов сырья и материалов в абсолютном выражении на физическую единицу продукции, и характеризуется коэффициентом использования материальных ресурсов.

Структурная материалоемкость отражает удельный вес отдельных групп материалов в общей материалоемкости продукции.

Относительная (удельная) материалоемкость – это расход основных видов сырья и материалов на физическую единицу эксплуатационной или технической характеристики производимой продукции.

Общая материалоемкость – это цена материальных затрат на единицу продукции.

Материалоемкость продукции представляет собой отношение суммы материальных затрат к стоимости произведенной продукции и показывает, сколько материальных затрат необходимо произвести или фактически приходится на производство единицы продукции.

Материалоемкость продукции(Ме) определяется по формуле 1.1

(1.1)

где Мз – материальные затраты;

Vв – объем выпуска продукции в стоимостных или натуральных показателях.

Таким образом, материалоемкость измеряется в физических единицах, в денежном выражении или в процентах, которые составляют стоимость материалов в общих издержках производства продукции, в себестоимости.

Система показателей материалоемкости продукции тесно связана с системой норм расхода материальных ресурсов, так как основным источником анализа материалоемкости наряду с отчетами о фактическом расходе материалов в конкретном периоде служат нормы их расхода.

Все показатели материалоемкости тесно взаимосвязаны и используются для анализа потребления материальных ресурсов на различных стадиях производственного процесса и уровня планирования, выявления потерь материальных ресурсов и резервов снижения их расхода.

2) Материалоотдача(Мо) – это показатель, обратный материалоемкости. Материалоотдача определяется делением стоимости произведенной продукции на сумму материальных затрат и характеризует отдачу материалов, т.е. сколько произведено продукции с каждого рубля потребленных материальных ресурсов (сырья, материалов, топлива, энергии и т.д.) определяется по формуле 1.2

(1.2)

Материалоемкость, следовательно, и материалоотдача, зависят от количества произведенной продукции, ее структуры, уровня отпускных цен, расхода материалов на единицу продукции и стоимости материалов.

3) Коэффициент соотношения темпов роста объема производства и материальных затратопределяется отношением индекса валовой или товарной продукции к индексу материальных затрат.

Коэффициент соотношения темпов роста объема производства и материальных затрат характеризует в относительном выражении динамику материалоотдачи и одновременно раскрывает факторы ее роста.

4) Удельный вес материальных затрат в себестоимости продукции(Дмз) исчисляется отношением суммы материальных затрат к полной себестоимости произведенной продукции (формула 1.3)

(1.3)

где С – полная себестоимость произведенной продукции.

Динамика удельного веса материальных затрат в себестоимости продукции характеризует изменение материалоемкости продукции.

5) Коэффициент использования материалов(Ким) представляет собой отношение фактической суммы материальных затрат к плановой, пересчитанной на фактический объем выпущенной продукции (формула 1.4)

(1.4)

где Мфз – фактические материальные затраты;

Мпз – плановые материальные затраты.

Коэффициент использования материалов показывает, насколько экономно используются материалы в процессе производства, нет ли их перерасхода по сравнению с установленными нормами.

Если коэффициент использования материалов больше 1 (Ким>1), это свидетельствует о перерасходе материальных ресурсов на производство продукции, если меньше 1 (Ким<1) – об экономии.

6) Прибыль на 1 рубль материальных затрат– наиболее обобщающий показатель эффективности использования материальных ресурсов, который определяется делением суммы полученной прибыли от основной деятельности предприятия на сумму материальных затрат.

Частные показатели материалоемкостииспользуются для характеристики эффективности потребления отдельных видов материальных ресурсов, а также определения уровня материалоемкости отдельных видов продукции. [9, c. 129]

На изменение материальных затрат влияют:

а) факторы первого порядка:

— изменение общей материалоемкости продукции;

— изменение объема продукции;

б) факторы второго порядка:

— изменение материалоемкости по прямым материальным затратам;

— изменение соотношения всех материальных и прямых материальных затрат;

в) факторы третьего порядка:

— изменение структуры продукции;

— изменение удельной материалоемкости продукции (уровня затрат на отдельные изделия), которое зависит от инновационных мероприятий;

— изменение цен на материальные ресурсы;

— изменение отпускных цен на продукцию.

На завершающей стадии анализа эффективности использования материальных ресурсов необходимо определить возможности дальнейшего снижения норм расхода материальных затрат, обобщить все выявленные резервы по их уменьшению.

Для характеристики рационального использования материальных ресурсов используется следующая система частных показателей:

1. Расходный коэффициент (Красх) –это показатель, обратный коэффициенту использования материалов (формула 1.5)

(1.5)

2. Коэффициент потерь (Кп) рассчитывается по формуле 1.6

(1.6)

3. Коэффициент выхода (Квых) – выражает отношение количества произведенного продукта к количеству фактически израсходованного сырья (формула 1.7)

(1.7)

где Vп – количество произведенного (годного) продукта в натуральном выражении;

Vс – количество фактически израсходованного сырья и материалов в натуральном выражении. [6, с. 65-66]

Коэффициент выхода позволяет оценить эффективность использования сырья и материалов в производстве, и применяется для расчетов объемов производства. Наиболее широко данный показатель используется для расчета индивидуальных норм расхода материальных ресурсов.

В процессе анализа фактический уровень показателей эффективности использования материалов сравнивают с плановым, изучают их динамику и причины изменения (рисунок 1.1), а также влияние на объем производства продукции.

Материалоемкость, как и материалоотдача, в первую очередь зависит от объема выпуска продукции и суммы материальных затрат на ее производство. Объем же валовой (товарной) продукции в стоимостном выражении (ТП) может измениться за счет количества произведенной продукции (VBП), ее структуры (Удi) и уровня отпускных цен (ЦП). Сумма материальных затрат (МЗ) также зависит от объема произведенной продукции, ее структуры, расхода материалов на единицу продукции (УР), стоимости материалов (ЦМ) и суммы постоянных материальных затрат (Н), которая в свою очередь зависит от количества расходованных материалов и их стоимости. В итоге общая материалоемкость зависит от объема произведенной продукции, ее структуры, норм расхода материалов на единицу продукции, цен на материальные ресурсы и отпускных цен на продукцию [8. c. 214].

Условием бесперебойной работы организации является его полная обеспеченность материальными ресурсами. Потребность в материальных ресурсах определяется их затратами на выполнение производственной программы, капитальное строительство, непромышленные нужды и на создание необходимых запасов на конец периода. [10, c.269]

Ответы на тесты по курсу технико-экономический анализ хозяйственной деятельности предприятий тест 28

1 Вопрос: Как определяется материалоотдача?
Материалоотдача определяется делением суммы полученной прибыли от основной деятельности на сумму материальных затрат.

Материалоотдача – отношение суммы материальных затрат к стоимости произведенной продукции, показывает, сколько материальных затрат требуется или фактически приходится на производство единицы продукции.
Материалоотдача определяется делением стоимости произведенной продукции на сумму материальных затрат. Этот показатель характеризует отдачу материалов, т. е. количество произведенной продукции с каждого рубля потребленных материальных ресурсов (сырья, материалов, топлива, энергии и т. д.).(Верно)

2

Вопрос: Как определяется прибыль на рубль материальных затрат?
Прибыль на рубль материальных затрат определяется делением стоимости произведенной продукции на сумму материальных затрат.

Прибыль на рубль материальных затрат – отношение суммы материальных затрат к стоимости произведенной продукции.

Прибыль на рубль материальных затрат определяется делением суммы полученной прибыли от основной деятельности на сумму материальных затрат.(Верно)

3

Вопрос: Как определяется материалоемкость?
Материалоемкость продукции определяется делением стоимости произведенной продукции на сумму материальных затрат.

Материалоемкость продукции определяется делением суммы полученной прибыли от основной деятельности на сумму материальных затрат.

Материалоемкость продукции – отношение суммы материальных затрат к стоимости произведенной продукции, показывает, сколько материальных затрат требуется или фактически приходится на производство единицы продукции.(Верно)

4

Вопрос: От чего зависит общая материалоемкость продукции?
Общая материалоемкость зависит от объема произведенной продукции и цен на материальные ресурсы.

Общая материалоемкость зависит от объема произведенной продукции, ее структуры, норм расхода материалов на единицу продукции, цен на материальные ресурсы, отпускных цен на продукцию.(Верно)
Общая материалоемкость зависит от объема произведенной продукции и норм расхода материалов на единицу продукции.

5

Вопрос: Какие факторы влияют на общую сумму затрат на производство продукции?

Объем производства продукции и структура продукции.(Верно)

Уровень переменных затрат на единицу продукции и сумма постоянных расходов.(Верно)

Объем производства продукции и сумма постоянных расходов предприятия.

предоставляет материальные услуги с меньшим объемом производства

Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 13 марта 2013 г .; 371 (1986): 20120496.

Джулиан М. Олвуд

¹ Технический факультет Кембриджского университета, Трампингтон-стрит, Кембридж CB2 1PZ, Великобритания

Майкл Ф. Эшби

¹ Технический факультет Университета of Cambridge, Trumpington Street, Cambridge CB2 1PZ, UK

Тимоти Г. Гутовски

² Департамент машиностроения, Массачусетский технологический институт, 77 Массачусетс-авеню, Кембридж, Массачусетс 02139-4307, США

Эрнст Уоррелл

¹ Инженерный факультет Кембриджского университета, Трампингтон-стрит, Кембридж CB2 1PZ, Великобритания

² Департамент Машиностроение, Массачусетский технологический институт, 77 Массачусетс-авеню, Кембридж, Массачусетс 02139-4307, США

³ Департамент экологических и инновационных исследований, Утрехтский университет, Heidelberglaan 2, 3584 CS Утрехт, Нидерланды

Abstract

Эффективность использования материалов, как обсуждалось в этом вопросе совещания, влечет за собой реализацию технических стратегий, бизнес-моделей, предпочтений потребителей и политических инструментов, которые привели бы к значительному сокращению производства больших объемов энергоемких материалов, необходимых для доставляют человеческое благополучие. Этот документ, который представляет проблему для обсуждения на тему эффективности использования материалов, призван дать обзор современного мышления по этой теме, охватывающего вопросы экологии, инженерии, экономики, социологии и политики.Мотивы эффективности использования материалов включают снижение спроса на энергию, сокращение выбросов и других воздействий промышленности на окружающую среду, а также повышение национальной безопасности ресурсов. Есть много технических стратегий, которые могут привести к этому, и они, в основном, могут быть реализованы сегодня, если заказчики или производители предпочтут. Однако нынешние экономические структуры благоприятствуют замене рабочей силы материалами, а предпочтения потребителей в отношении потребления материалов сохраняются даже после того момента, когда рост потребления обеспечивает любое повышение благосостояния.Следовательно, потребуется политика, стимулирующая материальную эффективность. Теоретически идеальная мера политики, такая как цена на углерод, должна учитывать внешние эффекты выбросов, связанных с материальным производством, и, таким образом, напрямую мотивировать изменения. Однако реализация такой меры оказалась труднодостижимой, и вместо этого корректировка существующей политики государственных закупок или существующих нормативных актов — например, касающихся проектирования зданий, планирования или стандартов транспортных средств — скорее всего, даст более немедленный эффект.

Ключевые слова: материальная эффективность, промышленные выбросы, энергоэффективность, потенциал смягчения

1. Введение

Это дискуссионное собрание, посвященное философским трудам Королевского общества A является результатом собрания, проведенного в Королевском обществе в Лондоне, Великобритания, 30–31 января 2012 года. Предложение о проведении этой встречи возникло в результате подготовки настоящих авторов «Материальной эффективности: Белая книга» [1], которая была написана с целью изучения территории и надежды чтобы стимулировать интерес.Дизайн встречи был явно междисциплинарным и был направлен на то, чтобы сделать выводы из экономики, социологии, дизайна и политики, а также из экологического или технического анализа, в ответ на вопросы, поднятые в Белой книге. Этот обзорный документ структурирован так, чтобы представить краткое изложение Белой книги и показать, как 15 документов, представленных на встрече, и другая работа, появившаяся в академической литературе за последние 2 года, продвинули эту тему вперед.

Аргумент Белой книги состоит в том, что с ростом населения и увеличением благосостояния спрос на добычу и переработку материалов, вероятно, удвоится в следующие 40 лет.Воздействие на окружающую среду требуемой обработки станет критическим. В частности, промышленный сектор обеспечивает почти треть мирового спроса на энергию, причем большая часть этой энергии используется для производства сыпучих материалов. Эта потребность в энергии будет расти с увеличением спроса на материалы и повышением энергоемкости производства по мере снижения концентрации руды. Большая часть энергии производится за счет сжигания ископаемого топлива, поэтому переработка материалов является основным фактором выбросов углерода и, следовательно, изменения климата.Однако будут существенные ограничения для будущих улучшений эффективности процессов, потому что затраты на энергию уже привели ключевые процессы к их техническим пределам [2]. Следовательно, ключевым компонентом реакции человечества на глобальное потепление должно быть производство меньшего количества нового материала. Для некоторых материалов эта цель может быть достигнута за счет увеличения объемов вторичного использования, что является основной целью дискуссий вокруг фразы «экономика замкнутого цикла», хотя это ограничивается доступностью лома или материалов с истекшим сроком службы, а также множеством связанных с этим практических трудностей. со сбором, сортировкой и разделением [3].

Однако, помимо повышения энергоэффективности и вторичного использования, мы могли бы также снизить нашу общую потребность в материалах, следуя идее «эффективности использования материалов», которая заключается в продолжении предоставления услуг, связанных с использованием материалов, с сокращением общего объема производства. нового материала. Этого можно достичь с помощью многих технических стратегий, включая поддержание существующих продуктов в течение более длительного времени, их более интенсивное использование, повторное использование компонентов из нежелательных продуктов или разработку продуктов с меньшим количеством материалов за счет облегченной конструкции или дематериализации.Существуют экономические, коммерческие, нормативные и социальные причины, по которым эти стратегии не были реализованы до настоящего времени, хотя потенциально они могут быть преодолены с помощью политики, новых бизнес-моделей или выбора потребителя.

2. Мотивы для повышения эффективности использования материалов

Снижение требований к производству нового материала приведет к снижению темпов добычи природных ресурсов, снижению спроса на энергию, сокращению выбросов и другого вреда для окружающей среды и потенциально имеет политические преимущества на национальном уровне за счет предложения сокращенных зависимость от импорта и рост самообеспеченности.Тем не менее, основная мотивация для изучения эффективности использования материалов в этом вопросе дискуссионного собрания проистекает из его потенциала в качестве стратегии сокращения выбросов: производство материалов является энергоемким и уже в значительной степени энергоэффективным. Есть еще возможности для повышения эффективности, но их недостаточно для достижения очень амбициозных целей по сокращению выбросов, предложенных учеными-климатологами. Следовательно, если не существует меньше материалов-заменителей CO ₂ с сопоставимыми характеристиками, доступных в сопоставимых количествах, или если новый источник энергии с низким содержанием углерода не заменяет использование ископаемого топлива, или если CO ₂ не может быть безопасно улавливаться и храниться, стремление к сокращению промышленных выбросов может быть преобразовано в цель сократить наши общие потребности в производстве материалов.Обзор опубликованных анализов интенсивности выбросов (выбросы на тонну произведенного материала) пяти материалов с наибольшим выбросом (сталь, цемент, пластик, бумага и алюминий), которые уже были предметом 100-летних усилий по улучшению, мотивированных затратами, предполагает что они могут в дальнейшем улучшить самое большее примерно на 25-40% [2]. Gutowski et al. [4] с использованием оценок будущих технических инноваций как в первичном, так и в вторичном производстве и с учетом увеличения вклада вторичной переработки, прогнозирует немного больший потенциал улучшения до 50 процентов.Это позволило бы удвоить производство материалов в мире без увеличения выбросов, что было бы выдающимся достижением. Однако ученые-климатологи (например, через Межправительственную группу экспертов по изменению климата [5], таблица 3.10, стр. 229) и вытекающие из этого политики [6] предполагают, что мы должны достичь абсолютного сокращения выбросов не менее чем на 50 процентов к 2050 году, несмотря на это ожидается удвоение спроса.

Очевидным первым ответом на этот вызов является изучение вариантов сокращения выбросов при одновременном удовлетворении рыночного спроса на материалы за счет энергоэффективности и эффективности процессов.Эта амбиция уже вызвала большой интерес к поиску четырех основных вариантов:

• — Увеличение объемов вторичного использования: вторичное использование металлов, бумаги и некоторых пластмасс позволяет сэкономить энергию по сравнению с производством новых материалов из руды, биомассы или нефти. Однако, помимо технических проблем, связанных с рециркуляцией [3], потенциал рециркуляции для сокращения промышленных выбросов ограничен объемом материала, доступного для рециркуляции. Даже если бы идеальный сбор был возможен, доступность материала из продуктов с истекшим сроком службы ограничивается временной задержкой между начальным производством и последующим списанием продуктов [7]: в то время как общий спрос растет, замкнутый цикл или «круговой» материальная экономия невозможна.Таким образом, прогнозирование потенциального воздействия переработки зависит от анализа будущих потребностей и существующих запасов. Это привело к появлению литературы по анализу запасов материалов, в том числе запасов стали в различных странах [8], стали в строительном фонде [9] и материалов в жилищном строительстве [10]. Свидетельства того, что потребность в на душу населения и потребности в запасах стали составляет около 10 тонн на человека [8], свидетельствует о том, что развитые экономики, такие как Великобритания, могли бы реально использовать замкнутый цикл производства стали, в то время как развивающиеся страны, такие как Китай и Индия, не могут этого сделать до тех пор, пока их запасы еще больше выросли.

• — Замена материалов: Эшби [11] предоставляет доказательную базу для изучения возможности использования материалов, отличных от тех, которые обычно используются сегодня. Помимо свойств материала, замещение зависит от наличия достаточных объемов материала — и, поскольку в настоящее время мы производим 200 кг стали и 400 кг цемента ежегодно на каждого человека, живущего на планете [12], похоже, что этот камень и древесина — единственные жизнеспособные заменители цемента и стали, если судить как по характеристикам собственности, так и по доступности.Однако эти два материала значительно сложнее использовать, поэтому в целом мы можем сделать вывод, что нет никаких существенных возможностей для замены объемных конструкционных материалов, производство которых доминирует в показателях промышленного спроса на энергию.

• — Энергетика с использованием низкоуглеродной электроэнергии: Маккей [13] исследует потенциал низкоуглеродного энергоснабжения из возобновляемых источников и показывает несколько вариантов обеспечения британской промышленности возобновляемой электроэнергией. Ни один из этих вариантов не является легким — из-за большого масштаба внедрения, необходимого для возобновляемых источников энергии (Маккей отражает это, давая оценки общей необходимой площади земли) или из-за большого количества требуемых атомных электростанций.Однако проблема еще хуже, потому что промышленность является лишь одним из трех основных секторов конечного спроса на энергию (два других — использование зданий и использование транспортных средств), и эти сектора также надеются использовать низкоэнергетические ресурсы. поставки углеродной электроэнергии в будущем. Более того, политические и инфраструктурные проблемы, связанные с осуществлением столь крупномасштабных изменений в нашей системе энергоснабжения, являются сложными. Смил [14] описывает относительно медленную трансформацию энергетических систем из-за сложного планирования и нормативно-правового регулирования, необходимого для внесения изменений в инфраструктуру снабжения.Помимо этого аргумента о скорости реализации, Fouquet & Pearson [15], представляя специальный выпуск по теме переходов, признают, что, в отличие от прошлых энергетических переходов, долгожданный переход к низкоуглеродной энергии может не показать частных выгод для производителя. и потребитель, который прошел через переходный период. Литература по трансформациям предполагает, что было бы очень рискованно полагаться на единственное техническое «исправление», не исследуя альтернативы, включая материальную эффективность.

• — Улавливание и хранение углерода: улавливание и хранение углерода промышленных выбросов также технически возможно, но хотя несколько технологий отделения CO ₂ от других газов в настоящее время хорошо отработаны (Meijer et al. [16] описывают варианты отделения CO ₂ от других газовых потоков в сталеплавильном производстве), даже первый крупномасштабный демонстрационный проект комбинации улавливания и хранения еще далеко. Эта технология также, вероятно, будет дорогостоящей: потенциально одна треть мощности традиционной электростанции потребуется для управления процессом. (Сатре и Масанет [17] в обзоре современной литературы по этому вопросу сообщают, что энергетический штраф за улавливание CO ₂ , определяемый как процентное снижение выработки электроэнергии на единицу входящего топлива, колеблется от 12% до 48%). %.) Следовательно, как и в случае стремления к низкоуглеродной электроэнергии, этот подход нельзя рассматривать как единственное безопасное решение для промышленной декарбонизации.

Эти четыре подхода вызвали значительный интерес, но, хотя пределы их реализации в течение следующих четырех десятилетий невозможно предсказать с точностью, кажется крайне маловероятным, что только эти меры позволят вдвое сократить выбросы за этот короткий период, в то время как удваивается объем производства материала. Следовательно, стратегии материальной эффективности — предоставление материальных услуг при меньшем общем материальном производстве — должны стать частью портфеля вариантов снижения промышленных выбросов CO ₂ .

Мотивация к достижению эффективности использования материалов в качестве стратегии снижения выбросов в равной степени применима ко многим другим экологически вредным воздействиям производства, включая выбросы других парниковых газов и выброс твердых частиц, кислот и других токсичных веществ в воздух, почву и воду: многие Эти проблемы возникают на наиболее энергоемких этапах производства, поэтому сокращение общих объемов производства материалов снизит их влияние. Однако в этом выпуске дискуссионного собрания также сообщается о двух других мотивах.Во-первых, Эйрес и Таленс Пейро [18] исследуют потенциальную важность эффективности использования материалов в дискуссиях о редких и критических металлах: скорость, с которой металлы становятся критическими, явно снизилась бы, если бы стратегии эффективности использования материалов применялись для снижения спроса на новую продукцию. Проблема критичности привлекала значительное внимание в последние 5 лет, но остается спорной областью: Erdmann & Graedel [19] рассматривают несколько методологий для определения «критичности», и остаются сомнения в том, существует ли значительный риск абсолютного дефицита или Неважно, заключается ли проблема в том, что по мере исчерпания месторождений высококачественной руды потребуется больше энергии для извлечения критических металлов из менее качественных руд.Айрес и Таленс Пейро [18] обсуждают последствия появления критических металлов в основном как «попутчики» по отношению к обычным металлам-аттракторам, таким как железо или медь, в частности при отключении цены и поставок, а также анализируют текущие приложения и процессы переработки. В настоящее время, помимо драгоценных металлов, таких как золото и платина, уровень переработки критических металлов очень низок: Graedel et al. По оценке [20], в большинстве случаев они составляют менее 1%, в основном потому, что эти металлы используются для легирования (поэтому их трудно разделить) или диспергированы в продуктах, в которых они используются только в очень малых количествах (поэтому их трудно выделить). собирать).Стремление к эффективности использования материалов при разработке продуктов, содержащих эти критические металлы, может способствовать более эффективному использованию в течение более длительных периодов времени, а также новым подходам к проектированию для разделения в конце срока службы продукта.

Во-вторых, Vasara et al. [21] обсуждают более общий феномен, чем сочетание «критических» и «энергетических» проблем, обнаруженных Эйресом и Таленсом Пейро. Развитие биотоплива в качестве альтернативы мазуту явно зависит от (крупномасштабного) наличия плодородных земель и пресной воды для орошения.Точно так же преобразование угля в жидкое топливо требует воды, и большинство средств для преодоления нехватки воды требуют увеличения энергозатрат. Vasara et al. [21], таким образом, описывают то, что они называют «конвергенцией ресурсов», признавая, что многие ресурсные стрессы и реакции на эти стрессы связаны с стрессами и реакциями на другие ключевые ресурсы (включая энергию, воду, землю, металлы, химические вещества и биомассу). . Следовательно, эффективность использования материалов, вероятно, станет приоритетной стратегией в более широкой области реагирования на нехватку ресурсов, помимо энергии и выбросов.

Где Vasara et al. [21] сосредотачиваются на связях между ключевыми материалами, такими как сталь и цемент, с другими системами ресурсов, Lifset и Eckelman [22] обсуждают роль этих ключевых материалов как компонентов в сложных многоматериальных продуктах. Они рассматривают мотивацию исследования материальной эффективности, спрашивая, на каком уровне принятия решений она, скорее всего, будет ценной. Для тех, кто стремится определить политику или общую корпоративную стратегию, идеи материальной эффективности предлагают новый набор стратегий при обсуждении политики промышленных выбросов.Тем не менее, для разработчиков индивидуальных и многоматериальных продуктов эффективность использования материалов, хотя и обеспечивает руководство по разумным стратегиям, не может применяться вслепую, поскольку полное воздействие выбора дизайна на окружающую среду будет зависеть от относительной экологической интенсивности различных материалов и взаимодействия между ударами при производстве и при использовании. Это хорошо известные проблемы мышления «жизненного цикла», которое рассматривает компромиссы при выборе дизайна продукта в течение срока его службы.Например, более широкое использование возобновляемых источников энергии может в краткосрочной перспективе оправданно увеличить спрос на определенные материалы по мере строительства инфраструктуры. Gutowski et al. [23] обсуждают этот вопрос с подробными данными для 25 различных продуктов, спрашивая, покажет ли восстановление старых продуктов чистую выгоду по сравнению с заменой их новыми продуктами — по сути, исследуя компромисс между воплощенной в продуктах энергией и требуемой энергией. во время их использования.Результаты показали, что восстановление производства было выгодной стратегией для продуктов с низким энергопотреблением или низкими темпами усовершенствования технологий, но неэффективным, когда технические улучшения позволяли более эффективно использовать продукт. Интлекофер и др. [24] сообщают об аналогичных результатах исследований бытовой техники и компьютеров. Поэтому для разработчиков продуктов применение стратегий материальной эффективности должно соответствовать конкретному контексту.

3. Технические возможности для повышения эффективности использования материалов

В «Белой книге» определены четыре широкие стратегии для повышения эффективности использования материалов, число которых здесь увеличено до шести [12]:

• — Облегченная конструкция: Carruth et al. [25] разработал набор технических принципов для проектирования легких продуктов, а затем протестировал их на пяти коммерческих примерах с подробной оценкой в ​​рамках текущей цепочки поставок. Их данные свидетельствуют о том, что в среднем одну треть всего использования материалов можно было бы сэкономить, если бы конструкции продуктов были оптимизированы для использования материалов, а не для снижения затрат, потому что в затратах на последующее производство (и проектирование), как правило, преобладают затраты на рабочую силу, а не на материалы. Кроме того, производители мотивированы использовать излишки материала из-за асимметрии затрат на отказ продукта по сравнению с затратами на превышение спецификации, а также из-за того, что многие продукты испытывают более высокие нагрузки перед использованием (при установке или транспортировке), чем при использовании. .

• — Снижение потерь урожая: отдельные производственные компании обычно уверены в том, что их управление потерями урожая (обычно измеряемое как разница между массой закупленного материала и массой материала, который в конечном итоге используется в продукции) находится под контролем. Однако Milford et al. [26] сообщают о серии тематических исследований, в которых изучаются потери урожая по всей цепочке поставок — от жидкого металла до конечной продукции — и демонстрируются чрезвычайно высокие накопленные потери.В частности, для товаров, изготовленных из листового металла, примерно половина всего жидкого металла становится ломом (который затем в большинстве случаев перерабатывается) на пути к конечному продукту. Наихудшие потери произошли при вырубке (10% для листового металла, аналогичные потери наблюдались в полиграфической и упаковочной промышленности) и обрезке после штамповки (15–30%), и, похоже, им не уделялось должного внимания. Новые технологии потенциально могут решить эти проблемы. Например, в швейной промышленности листы ткани перед сшиванием разрезаются лазером на куски, что позволяет улучшить мозаику и снизить потери урожая [27].При правильном развитии технологии легкий дизайн может сочетаться с уменьшенными потерями урожая. Например, новая технология прокатки двутавровых балок переменного сечения для использования в строительстве позволяет создавать балки, используя на треть меньше металла, чем стандартные двутавровые балки, обеспечивая идентичные услуги, но без дополнительных потерь при выходе [28]. Это богатая область для дальнейших инноваций.

• — Отвод производственного брака: следствием высоких потерь выхода продукции при вырубке в настоящее время является то, что остаточный «скелет» листа может — при правильном управлении — использоваться в качестве источника для дальнейших меньших заготовок.Allwood et al. [12] сообщают о тематических исследованиях предприятий, которые выполняют эту задачу и имеют больший спрос, чем можно удовлетворить при наличии имеющегося предложения. Это ограниченная возможность, и она будет уменьшена, если будут введены более эффективные процедуры гашения, поэтому не является целевой областью для дальнейшего исследования. Что касается алюминиевого лома, то особая возможность его перенаправления стала возможной благодаря технологии твердого склеивания, позволяющей переработать стружку путем экструзии без плавления [29].

• — Повторное использование компонентов: обычно, когда владельцы решают заменить продукты, решение принимается только на основании характеристик нескольких компонентов в продукте, поэтому оставшиеся можно использовать повторно.Ярким примером этого являются здания со стальным каркасом, где сталь не ухудшается при использовании, а замена здания обычно обусловлена ​​изменением требований пользователей или политикой планирования: некоторые здания были построены из повторно используемой стали [30], но они остаются редкими. Чтобы изучить возможность повторного использования в качестве стратегии повышения эффективности использования материалов, Cooper & Allwood [31] создает каталог всех текущих продуктов из стали и алюминия и проводит экспертные интервью о возможности повторного использования компонентов для каждого типа продукта. .Их результаты показывают, что около 30 процентов всех компонентов по массе могут быть повторно использованы по окончании срока службы продукта, что открывает новые возможности для строительства, крупногабаритных транспортных средств и промышленного оборудования. Пока что повторное использование является редкостью из-за несовместимости между прошлыми и настоящими конструкциями, а также относительно высокой стоимости разборки продукта и управления использованными компонентами.

• — Продукты с более длительным сроком службы: обеспокоенность общественности по поводу «одноразового общества» вызвала много дискуссий, но пока мало действий.Купер [32] представляет 17 статей, в которых исследуется, почему это так с потребительскими товарами, но большинство материалов используется в строительстве, оборудовании или транспортных средствах, и этой области уделялось мало внимания. Стальные изделия чаще всего заменяются из-за того, что часть критических компонентов вышла из строя. На эти критические компоненты обычно приходится небольшая доля массы стали в продукции, и потенциально продукция могла бы использоваться дольше, если бы эти компоненты были заменены [12].

• — Более интенсивное использование: обширная работа в области «систем обслуживания продуктов» направлена ​​в основном на изучение коммерческих возможностей лизинга, а не продажи товаров, и потенциально это может иметь экологические преимущества в виде сокращения общего числа товаров (и, следовательно, требований к материальному производству), необходимых для предоставления требуемого уровня обслуживания.Однако Туккер [33], размышляя о сетевой активности в Европейском Союзе (ЕС) в этой области, сообщает лишь о незначительных выгодах из-за изменения поведения пользователей с различными договорами собственности. Пока нет данных о том, как более интенсивное использование продукта может снизить потребность в материалах. Однако интересной бизнес-моделью, направленной на обеспечение энергоэффективности, является модель «энергосервисных компаний» (ESCos), которые, например, могут взимать с арендаторов зданий плату за предоставление энергетических услуг (таких как тепло и свет), а не за коммунальные услуги.Таким образом, прибыль ESCo зависит от сокращения закупок энергии при обеспечении требуемого уровня обслуживания — например, за счет интеллектуального переключения света и улучшенной изоляции. (Соррелл [34] описывает эти компании и исследует условия, в которых они будут привлекательны для клиентов.) Таким образом, у этих компаний есть четкая мотивация для получения прибыли, чтобы развивать навыки и внедрять соответствующие технологии для снижения затрат на покупку энергии. Потенциально некоторые материальные услуги могут быть предоставлены аналогичным образом [35].

Каждая из этих стратегий заслуживает дальнейших исследований, чтобы определить объем их потенциала смягчения и найти средства для преодоления современных препятствий на пути их реализации. Особенностью технического стремления к повышению эффективности использования материалов является то, что шесть вышеперечисленных стратегий могут противоречить друг другу, и три таких конфликта требуют дальнейшего изучения:

• — Оптимизация массы компонента за счет облегченной конструкции может препятствовать повторному использованию компонента в будущем, если архитектура, в которой используется компонент, не стандартизирована, и может препятствовать использованию в течение более длительного срока службы, если оптимизация препятствует будущим изменениям использовать.

• — Снижение потерь урожая сокращает доступность лома для перенаправления или переработки. Таким образом, эта стратегия действительно экономит энергию, но менее эффективна, чем стремление к облегченной конструкции или продлению срока службы продукта, поскольку она снижает как предложение, так и спрос на материалы, протекающие через (менее энергоемкие) вторичные производства.

• — Поддержание использования энергопотребляющего продукта в течение более длительного срока может отсрочить возможность внедрения технологических усовершенствований, которые приведут к снижению потребности в энергии при использовании.Этот компромисс был предметом нескольких исследований (в том числе [23,24], упомянутых выше), которые рассматриваются Скелтоном и Оллвудом [36], которые развивают модель совокупных энергетических последствий владения продуктом. Используя ряд предположений относительно характеристик продукта и типичных сроков выхода продукта из строя, они показывают, что ранняя замена может вызвать такое же избыточное потребление энергии, как и отсроченная замена.

4. Экономика и эффективность материалов

Ключевым компонентом экономического обсуждения эффективности energy было рассмотрение «эффекта отскока», также известного как парадокс Джевонса [37]:

Предположение о том, что экономичное использование топлива эквивалентно уменьшенному расходу, является полной путаницей.Совсем наоборот.

Другими словами, если технологические усовершенствования позволяют выполнять некоторые функции с уменьшенным потреблением энергии, стоимость функции снижается, поэтому стимулирование повышенного спроса и, как следствие, общие потребности в энергии не уменьшаются. Джевонс сделал это заявление на основе своего анализа британского использования угля в девятнадцатом веке, а Ригли [38] устанавливает это в контексте, описывая саморегулирование «органической экономики» в Великобритании до ее зависимости от угля: без угля, единственный источник доступной энергии — фотосинтез, поэтому биомасса требовалась для производства продуктов питания, топлива и материалов.Таким образом, производство железа было ограничено по своей природе, так как требовалось большое количество биомассы для производства энергии, и, когда наиболее продуктивные земли находились под управлением, это могло быть обеспечено только за счет сокращения количества продуктов питания и других материалов. Таким образом, рост населения сдерживался (или в конечном итоге будет предотвращен) пределами общей чистой первичной продуктивности земли. Эта точка зрения обеспечивает полезный контекст для обсуждения материальной эффективности — и подобное саморегулирование могло бы произойти, если бы поставки руды и минералов были в равной степени ограничены.Однако, как обсуждалось выше, проблемы материального производства заключаются не в том, что мы сталкиваемся с ограничениями на входе, а в том, что нежелательные результаты производства — в частности, выбросы CO ₂ — создают нагрузку на пропускную способность естественных стоков Земли. Обратная связь об ограничении ресурсов в органической экономике была мгновенной — нехватка продовольствия в любой год немедленно сказывалась бы на всем населении. Однако обратная связь глобального потепления имеет относительно долгую временную задержку, и ключевой проблемой в реализации материальной эффективности является сегодня экономическое обоснование действий, которые принесут пользу населению в будущем.

Слово «эффективность» всегда относится к соотношению, но может иметь несколько различных определений, и это приводит к значительной путанице при изучении экономических последствий стратегий, нацеленных на эффективность. По замыслу авторов этой статьи, «материальная эффективность» — это физическая мера — сколько тонн материала требуется для предоставления определенного уровня конечных услуг, таких как пассажирский транспорт или подходящее пространство для работы и проживания. Однако в экономике знаменателем показателей эффективности обычно являются деньги — сколько материала требуется для получения каждой денежной единицы дохода или валового внутреннего продукта (ВВП).Таким образом, экономисты отождествляют повышенное потребление материалов и энергетических услуг с повышением экономического благосостояния, при этом физическая точка зрения состоит в том, что благосостояние возникает из услуг, предоставляемых энергией и материалами, а не их потребления как такового . Уравнение (4.1) связывает эти две меры с помощью третьего отношения, которое представляет собой цену, которую потребители готовы платить за материальные услуги,

4,1

Цель физического определения эффективности использования материалов состоит в том, чтобы привлечь внимание к физическим ресурсам, необходимым обществу, которые, в свою очередь, определяют промышленные выбросы, возникающие в результате производства.Цель экономического определения — связать материальный спрос с другой экономической деятельностью и мотивациями. Однако уравнение (4.1) демонстрирует, что экономическая эффективность материалов вполне может повыситься (для уменьшения коэффициента), в то время как требования к физическим материалам останутся неизменными или даже увеличатся, если стоимость услуги, предоставляемой материалами, возрастет. Следовательно, стремление к экономической эффективности материалов не может привести к какому-либо снижению экологических последствий промышленного производства, и, в худшем случае, экономическое определение может быть использовано для создания полностью искусственного впечатления « разделения » экономической и физической активности: Если богатые страны, такие как Великобритания, будут проводить политику по сокращению производства и производства материалов на суше, они, очевидно, продемонстрируют переход к экономике, в большей степени ориентированной на услуги, их экономическая эффективность использования материалов, очевидно, улучшится, а выбросы CO ₂ на суше, очевидно, сократятся.Чтобы проиллюстрировать это, Wiedmann et al. [39] демонстрируют быстрое расхождение между выбросами в Великобритании, указанными в Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата (на основе производства), и выбросами в результате потребления с 1990 года: выбросы в Великобритании в настоящее время более чем на 30 процентов превышают сообщила производственные данные. Эта разница полностью связана с морским производством и производством материалов, необходимых для удовлетворения физических потребностей потребления в Великобритании. Таким образом, любое зарегистрированное повышение эффективности использования материалов в Великобритании, измеренное с помощью экономического коэффициента, может скрыть истинное ухудшение физической эффективности использования материалов в Великобритании.Дэвис и др. [40] продемонстрировал, что это явление не ограничивается Соединенным Королевством, и сообщил о торговом балансе CO ₂ для 11 стран, убедительно подтверждая вывод о том, что производственные данные являются плохим индикатором воздействия страны на окружающую среду. .

Еще одно осложнение, связанное с различием между экономическими и физическими показателями эффективности использования материалов, возникает, когда слово «материал» используется для описания промежуточных затрат на производство, а не физических материалов.Баптист и Хепберн [41] сформулировали это различие следующим образом:

Инженеры и ученые, как правило, определяют «материалы» как физические ресурсы, такие как железная руда и сталь, часто измеряемые в единицах массы. Напротив, экономисты часто не делают различий между агрегированными «материалами» и другими промежуточными затратами, отчасти потому, что бывает трудно отличить «сырье» от других обработанных физических компонентов — даже такие материалы, как хлопок и древесина, требуют труда и капитала. произведено.

Баптист и Хепберн приступают к экономическому определению и, подгоняя производственные функции к данным, относящимся к широкому набору производственных секторов в США, демонстрируют, что фирмы с более низкими « материальными » (промежуточными) затратами имеют более высокую совокупную факторную производительность ( ту часть выпуска, которую невозможно объяснить после учета применения определенных затрат, включая капитал и рабочую силу). Этот анализ — первый, который мы обнаружили для изучения эффективности использования материалов в экономической литературе — зависит от экономического определения понятия «материал» и, например, показывает, что консультационные услуги по проектированию с небольшими промежуточными затратами имеют большую общую факторную производительность, чем сборочная линия с многие.В этом содержится интересный политический посыл, подтверждающий логику «разделения», согласно которой более трудоемкие предприятия имеют меньшее материальное воздействие. Однако это сообщение следует интерпретировать осторожно, потому что получатели этих производительных услуг будут продолжать тратить свой доход на материальные товары, которые необходимо где-то производить. Кроме того, промежуточные затраты для отдельных фирм сами по себе являются выпусками других фирм, и, в конечном итоге, все промежуточные расходы конвертируются в заработную плату, налоги и прибыль, как только будет учтено достаточное количество операций.Разрыв связей в этой цепочке транзакций — один из вкладов в материальную эффективность, который возможен благодаря анализу затрат-выпуска. Хэннон [42] резюмирует работу своей группы в Иллинойсе, используя этот подход в 1970-х годах. Анализ проводится путем дезагрегирования национального энергопотребления по секторам, представленным в экономической таблице затрат и выпуска, либо в идеальном случае путем прямого отраслевого анализа закупок и использования энергии, либо, как правило, при допущении, что потребление энергии внутри сектора строго пропорционально денежный поток.(Это явно серьезное предположение, когда цены на энергию могут варьироваться независимо от количества закупаемой энергии, цены могут быть разными для разных секторов и так далее.) Затем используется обратное значение Леонтьева, чтобы возложить ответственность за потребление энергии на конечный спрос. Этот подход можно использовать для оценки энергетических последствий различных средств достижения одной и той же цели — например, противопоставление использования одноразовых или многоразовых контейнеров для напитков.

Упрощенное предположение о линейности — денежные потоки и использование энергии всегда пропорциональны — сильно влияет на выводы, которые можно сделать из этой формы анализа.На агрегированном уровне предположение имеет тенденцию предполагать, что основным способом сокращения национального энергопотребления является сокращение общего национального дохода, потому что меры по повышению эффективности в одном секторе высвободят дополнительные расходы в другом, и аналогично потому, что структурные изменения (увеличение активности в одном секторе , меньше в другом) будет иметь меньший эффект, чем ожидалось, поскольку доход в одном секторе превращается в расходы в другом. На индивидуальном уровне это допущение создает трудности для одного человека, стремящегося уменьшить свой «энергетический след»: выбор покупки менее энергоемких товаров имеет меньший эффект, чем ожидалось, потому что люди должны каким-то образом тратить свои деньги, поэтому они останутся в силе. экономики, и будут «повторно израсходованы» поставщиками этих товаров, которые в среднем будут следовать национальным предпочтениям в отношении энергоемких товаров.Этот аргумент будет точно отражен в эквивалентном анализе материалов. Технические стратегии, изложенные в предыдущем разделе, нацелены на снижение «материалоемкости» производственного и строительного секторов — и можно использовать анализ затрат-выпуска, чтобы продемонстрировать, как это изменит затраты и, следовательно, повлияет на спрос, хотя это должно учитывать трансграничную взаимосвязь — чтобы избежать иллюзий производственного учета, продемонстрированного выше [39]. Есть возможность для ценных исследований в этой области.

В рамках анализа затрат-выпуска, если бы все обрабатывающая промышленность, строительство и сталелитейная промышленность рассматривались как единый сектор, национальная экономика не пострадала бы от побочного эффекта от перехода к эффективности использования материалов (за вычетом производства стали в данном случае ), если объединенный сектор обеспечил такой же общий объем производства, с тем же вкладом в занятость, налоги и прибыль и с такими же потребностями для прочего промежуточного потребления. Это гипотетическое требование является основой для предварительного изучения перехода к эффективности использования материалов в черной металлургии Великобритании [43].Потребление стали в Великобритании в настоящее время составляет около 530 кг стали на человека в год и должно быть сокращено до 160 кг на человека в год, чтобы соответствовать требованиям Закона Великобритании об изменении климата [6]. Для четырех продуктов из тематических исследований технические стратегии, описанные выше, предоставляют достаточные возможности для предоставления аналогичных услуг в рамках этого требуемого сокращения для стали [43]. То, как сегодня доставляются стальные товары, требует рабочей силы, в основном для создания новых товаров в производстве или строительстве, и потенциально этот труд может быть повторно использован для технического обслуживания, обслуживания, модернизации и передачи существующих товаров, а не для производства заменяющих товаров. .Для изучения экономического потенциала и последствий этого повторного развертывания требуется подробный анализ, но он будет осуществлен быстро, если потребители или производители предпочтут его, и в будущем может быть разработана государственная политика, поддерживающая это предпочтение.

5. Социология и эффективность использования материалов

В условиях кризиса индивидуальное поведение может быстро измениться, чтобы поддержать национальную цель: в Великобритании во время Второй мировой войны домовладельцы отказались от своих железных перил, чтобы поставлять материалы для вооружения, а летом 2011 г., после цунами 11 марта того же года, японские домохозяйства добровольно снизили потребление электроэнергии на 15–20% по сравнению с предыдущим годом [44].Также формируется консенсус в отношении того, что, хотя существует четко установленная линейная корреляция между индивидуальным доходом и общими потребностями в энергии [45], за пределами определенного порога увеличение благосостояния не ведет к повышению благосостояния — например, в исследованиях Кассера [46] или Лейард [47]. Однако, несмотря на этот консенсус, существуют ли механизмы, с помощью которых отдельные лица, сообщества или общества могут предпочесть варианты материальной эффективности, в отсутствие кризиса?

Пока что оказалось трудно найти такие механизмы, без которых надежда на социальные изменения остается бесполезным «принятием желаемого за действительное», а не чем-то, что мы можем активно реализовать.Тем не менее, ценный вклад состоит в том, чтобы признать существование в настоящее время альтернатив «западному потреблению», а затем изучить, есть ли особенности других социальных структур, которые можно было бы адаптировать и принять. Урри [48] утверждает, что «ослабленное» общество должно соответствовать нескольким критериям, чтобы быть социально стабильным и привлекательным: должны быть разумные уровни благосостояния, измеряемые социальными (а не ВВП) показателями общественного здоровья; должно быть разумное социальное равенство — не слишком большой разрыв между «имущими» и «неимущими»; «герои» или «образцы для подражания» такого общества должны быть «местными», а не быть образцами высокой мобильности и потребления, как в настоящее время с западными знаменитостями; такое общество должно быть более локальным и действовать в меньшем масштабе.Урри описывает две демонстрации некоторых из этих характеристик: недавнее развитие на Кубе органического сельского хозяйства, агроэкологии, небольших рынков, рабочих кооперативов и городских садов; переход под руководством сообщества к будущему без окаменелостей в шведском городе Векшё.

В отличие от этого общественного взгляда на потребление, Харрод [49] исследует эмоциональные отношения между людьми и материалами или объектами посредством обширного опроса художников, скульпторов и писателей. Харрод обращает наше внимание на (в значительной степени утраченную) значимость материалов: от опасений Рескина по поводу того, что чугун является эмоционально пустым симулятором кованого железа ручной ковки, через эмоциональные реакции на дерево до использования потребительских отходов в качестве сырья для скульптур. и предметы, сделанные из них.Флетчер [50], стремясь подчеркнуть аналогичное сообщение, отмечает, что одежду из сети «fast-fashion» можно выбросить после одной прогулки так же дешево, как и было куплено, в то время как то, что сделал или улучшил друг во время кризиса. не может быть отброшен вообще, поскольку он стал «эмоционально устойчивым» и стал частью истории жизни человека. Эмоциональное постоянство зданий и предметов было константой многих обществ, и только при массовой доступности, создаваемой промышленным производством, она утрачивалась.Хотя работы Харрода еще не обеспечивают механизма изменений, они являются ценным указателем на материальную ценность и, как следствие, благополучие, которые были скрыты в результате массового производства.

Наследие высоко ценится в нескольких странах с более длительной историей, и в статьях Урри и Харрода есть указатели на возможность того, что общественное благосостояние, которое, по-видимому, больше не увеличивается вместе с ВВП в развитых странах, может быть увеличено с меньшими затратами. голодное общество. Пока эта возможность таит в себе опасность ностальгии — возвращение к воображаемому золотому прошлому, где люди были счастливее, но меньше потребляли.Нам не хватает видения технологически продвинутого будущего с уменьшенным потреблением: «безбумажный офис» еще не появился, несмотря на 40 лет использования персональных компьютеров, и пока у нас нет данных в поддержку (маркетинговой) концепции, согласно которой электронные книги и другие портативные устройства снижают общее воздействие на окружающую среду. Требуются дальнейшие размышления и исследования, чтобы начать разработку и преобразование таких видений в предложения к действию.

6. Политика и материальная эффективность

Цель материальной эффективности потенциально создает две проблемы для традиционных политических целей: уничтожает ли она рабочие места и отрицает ли рост? Таким образом, изучение политической заинтересованности в материальной эффективности должно дать подтверждение этим двум опасениям, а также поиск политических механизмов, которые являются политически приемлемыми.

В широком ответе на Белую книгу авторов по эффективности использования материалов Сёдерхольм и Тилтон [51] заявляют, что

Директивным органам следует выбирать меры политики, направленные на устранение соответствующих сбоев рынка (например, экологического ущерба), насколько это возможно. Обычно это означает отказ от политики, которая напрямую поощряет конкретные варианты повышения эффективности использования материалов…. Это связано с тем, что политикам заранее сложно понять, каким образом и насколько изменить производство и использование материалов.

Наиболее широко обсуждаемая такая мера — это введение «цены на углерод» или «налога на углерод» на том основании, что выбросы углерода являются «внешним эффектом», не учитываемым в ценах, поэтому соответствующее ценообразование изменит структуру затрат, так что свободный рынок находит оптимальное решение для будущего с низким уровнем выбросов углерода. (Есть также много других экологических последствий, таких как загрязнение воздуха в развивающихся странах, которые являются внешними по отношению к текущим ценам.) Это было основой для большинства международных переговоров по изменению климата до настоящего времени, но оказалось в значительной степени безуспешным: без согласия международного цена углерода, можно установить цены на углерод в более региональном масштабе, например, в схеме торговли выбросами ЕС.Однако в таких схемах могут применяться только очень низкие цены на углерод, чтобы избежать создания невозможного невыгодного конкурентного положения для отраслей в этом регионе, которые должны конкурировать на мировых рынках. Действительно, Виктор [52] утверждает, что стремление разработать универсальное, международное, юридически обязательное соглашение, которое национальные правительства затем воплотят во внутренней политике, в корне ошибочно в случае выбросов парниковых газов: такое соглашение всегда должно быть ограничено минимальным общий знаменатель приверженности, поэтому он не будет соответствовать уровню действий, необходимых для значительного изменения.Вместо этого Виктор предполагает, что прогресс более вероятен благодаря «клубам» — небольшим группам стран, возможно, связанных регионально, которые продвигают свои обязательства по снижению выбросов в ответ на действия друг друга и разделяют между собой выгоды от прогресса.

Помимо общей сложности международного соглашения, возникает конкретная проблема при рассмотрении влияния цены углерода на спрос на материалы: материалы являются промежуточным товаром и обычно составляют лишь очень небольшую часть общих затрат на производство конечных материалов. товары — например, из всех затрат на строительство типичного офисного здания со стальным каркасом покупка стали составляет около 4% [12].Доминирующими затратами при строительстве зданий и товаров является труд, поэтому даже очень высокая цена углерода будет иметь лишь относительно небольшое влияние на цену конечных товаров. Сходные структуры затрат в других отраслях означают, что у участников в конце цепочки поставок, таких как автомобильные компании, компании пищевой промышленности и клиенты строительного сектора, слабые стимулы к осуществлению мер по повышению материальной эффективности на начальных этапах производства. Цена на углерод изменила бы относительную стоимость различных материалов и, таким образом, создала бы большие стимулы для повышения эффективности использования материалов в отдельных компаниях, занимающихся разведкой и добычей, но, как обсуждалось выше, существует немного, если вообще есть, заменители сыпучих материалов, которые приводят к большей части промышленных выбросов, и такие меры в области добычи, как облегчение и повышение урожайности требуют сотрудничества в цепочках поставок [26].Следовательно, идея о том, что цена на углерод будет действовать, чтобы вызвать форму материальной эффективности, обсуждаемую в этом документе, является вдвойне маловероятной: с политической точки зрения очень маловероятно, что международная цена на углерод будет согласована; даже если бы это было согласовано, маловероятно, что это приведет к совместным усилиям во всех цепочках поставок, которые необходимы для полного использования возможностей повышения эффективности использования материалов.

Skelton & Allwood [53] используют межрегиональный анализ затрат и выпуска для изучения влияния цены на углерод на стимулы для повышения эффективности материалов в цепочках поставок пяти ключевых сталелитейных секторов.Они показывают, что структура затрат в этих цепочках поставок такова, что больше внимания уделяется снижению затрат на рабочую силу, чем снижению затрат на сталь: средние затраты на рабочую силу в 12 раз превышают затраты на сталь при производстве этих пяти продуктов. Даже высокая цена углерода мало способствует повышению приоритета стали. Что еще более важно, стимулы, предлагаемые ценой на углерод, затмеваются сдерживающими факторами к повышению материальной эффективности, вызванными налогами на рабочую силу (сочетание налогов на доход, прибыль и взносы на социальное страхование), которые сдерживают замену стали рабочей силой.Чистый результат политики, даже при высокой цене на углерод, остается стимулом к ​​замене большего количества материала на меньшее количество рабочей силы. Это противоположный эффект, который требуется для повышения эффективности использования материалов, и он подкрепляет давно высказанное Стахелом [54] предложение о том, что правительства должны переложить бремя налогообложения с возобновляемых ресурсов рабочей силы на невозобновляемые ресурсы населения. материалы и ископаемое топливо. Баптист и Хепберн [41] повторяют это предположение, но пока оно остается в значительной степени гипотетическим и не вошло в политическое мышление или реализацию.На самом деле реализация может быть чрезвычайно сложной: учитывая текущее высокое соотношение налога на рабочую силу и налогов на энергию / материалы, новый налог на материалы должен быть установлен на чрезвычайно высоком уровне для поддержания чистого государственного дохода, а это даст значительный недостаток первопроходца для отраслей в любой стране, начинающей переход.

Таким образом, представляется, что, хотя было бы предпочтительнее разработать простую политику, направленную на сбои рынка как можно точнее, в достижении этого существуют достаточные трудности, чтобы предположить, что во многих случаях другие, менее совершенные средства могут быть проще в реализации. .Правительственная политика во всех странах уже включает широко распространенные общепринятые правила, например, о разрешениях на строительство, строительных стандартах, стандартах для транспортных средств, здоровье и безопасности и так далее. Таким образом, потенциально существует гораздо более быстрое вмешательство, доступное правительствам путем корректировки существующего регулирования, а не мечтать об идеализированном, но недостижимом стимуле. Параллельно с этим правительства оказывают значительное влияние на рынки в качестве покупателей (в Великобритании на государственные закупки приходится ок.30% всего конечного спроса), поэтому изменение существующей политики закупок для стимулирования рынков для материально эффективной доставки товаров является мощным оружием, доступным для политиков. Олвуд [43] предвидит широкий спектр мер, которые могут стимулировать движение к материальной эффективности, определяя две основные особенности возможного вмешательства: там, где нет достаточного опыта реализации материальной эффективности, правительства могут действовать, чтобы стимулировать осведомленность и инновации; там, где отсутствует мотивация к внедрению материальной эффективности, правительства могут стимулировать предпочтения как бизнеса, так и потребителей.

Однако вмешательства, которые не основаны на единственной стимулирующей мере, должны применяться хорошо, чтобы быть эффективными. Уоррелл и др. . [55] приводят подробный пример политики в отношении упаковки в Нидерландах за период 1991–2012 гг., Показывающий, что до 2000 г. объемы упаковки сокращались, но после этого объемы постоянно росли. Они пришли к выводу, что это произошло в первую очередь из-за отсутствия последовательной национальной политики с течением времени, отсутствия четко определенных и контролируемых целей, отсутствия национальной государственной статистики по упаковке и неспособности сообщить о вариантах более материально эффективной упаковки.Более четкие обязательства по отчетности, особенно о массе материалов, используемых по всей стране, помогут стимулировать эффективное сокращение.

Крамер [45] дает политический взгляд на политику материальной эффективности, исследуя переходный процесс реализации, который должен произойти даже после определения согласованного политического подхода. Она подчеркивает ключевые уроки управления переходным процессом — что все участники должны быть вовлечены в процесс изменений, что изменения должны происходить на многих уровнях (например, с инновационными экспериментами, на практике, информированием об изменениях на уровне режима) с долгосрочным видением, направленным на краткосрочные срок действия — и делает вывод, что:

роль правительства не ограничивается формулированием политики с последующим предоставлением ее реализации другим субъектам.Вместо этого [правительство предполагает] постоянное взаимодействие между различными участниками в течение всего процесса реализации.

В отсутствие единой «чистой» меры политики, основанной на единственном стимуле, кажется вероятным, что политика по обеспечению материальной эффективности должна быть процессом типа, описанного Крамером, на основе долгосрочного видения (с четкую метрику, как предлагает Уоррелл) и рассчитывается с помощью обычного широкого комплекса государственных мер.

7. Обсуждение

Потребность в эффективности использования материалов в качестве компонента сокращения промышленных выбросов неизбежна, если мы хотим достичь жестких целей по сокращению выбросов.Существуют достаточные технические возможности для предоставления текущих уровней материальных услуг при значительно меньшем количестве материалов, многие из которых могут быть реализованы немедленно, если того потребуют клиенты, а некоторые из них могут быть удешевлены за счет технических инноваций. Однако структура затрат долгое время способствовала замене большего количества материала меньшим количеством рабочей силы, поэтому у предприятий относительно мало стимулов для перехода к материальной эффективности, если этого не требуют клиенты или политика.Хотя «идеальная» политическая инициатива, основанная на ценообразовании за внешние эффекты выбросов, была бы привлекательна для политиков, она может оказаться неэффективной для продуктов (где в затратах преобладает труд, а не энергия), и пока нет никаких указаний на то, что правительства могут принять такие меры. Несомненно, тем, кто стремится к эффективности использования материалов, есть чему поучиться из истории регулирования энергоэффективности, и повторяющаяся корректировка существующих нормативных требований может создать значительные стимулы для повышения эффективности использования материалов.Например, в краткосрочной перспективе корректировка политики в отношении строительства и планирования имеет значительный потенциал для снижения общих требований к материалам, связанным со зданиями, хотя такое регулирование носит локальный характер, поэтому потребует многих инициатив, чтобы привести к быстрым изменениям.

Интерес к обсуждению материальной эффективности растет, и этот вопрос для дискуссионного собрания направлен на стимулирование более широкого взаимодействия по всему спектру задействованных дисциплин, но для того, чтобы осуществить это на практике, требуется лидерство.Особый приоритет в настоящее время, обозначенный Крамер [45] в ее предложении о том, что инновационные эксперименты должны способствовать смене режима, — это найти «ведущих пользователей», которые благодаря личной мотивации или ценностям бренда, связанным с экологическим лидерством, будут первыми в реализации концепции технические стратегии, описанные ранее. Параллельно с этим, материальная эффективность должна быть включена в обсуждение политики — чтобы повысить осведомленность о ее реальном потенциале и начать процесс перехода, необходимый для разработки политики, чтобы признать последствия потребления материалов.

Путь к достижению значительной физической эффективности материалов — долгий, хотя и срочный, если мы хотим достичь целей по сокращению выбросов. Длительная история торговли сыпучими (энергоемкими) материалами как недорогими товарами привела к созданию материально неэффективной системы, но это можно изменить. Призыв Стахела [54] облагать налогом ресурсы, а не труд, разительно подчеркивает масштаб изменений, необходимых для перенаправления экономической системы в сторону материальной эффективности, но, возможно, более непосредственная коммерческая мотивация возникает по аналогии, указанной Ригли [38]: промышленная революция в Великой Отечественной войне. Великобритания возникла не из-за британской добычи угля, а из-за того, что Великобритания использовала уголь для предоставления новых более ценных продуктов и услуг.Потенциально это могло бы стать источником вдохновения для руководителей предприятий и политиков, чьи решения определяют использование материалов: будущее экономическое благополучие может в гораздо большей степени зависеть от ценности, создаваемой материалами, чем от торговли ими как товарами, и погоня за этой ценностью будет неизбежно совпадают с погоней за материальной эффективностью.

Благодарности

J.M.A. поддерживается стипендией Leadership Fellowship, предоставленной Советом по инженерным и физическим наукам Великобритании (EPSRC), ссылка EP / G007217 / 1, и авторы благодарны команде WellMet2050, задействованной в этом гранте, за многие конструктивные предложения по этой статье.Авторы также чрезвычайно благодарны Королевскому обществу за выбор и проведение этого дискуссионного собрания, в частности Рэйчел Фрэнсис за организацию встречи и Сюзанне Эбботт за управление этим специальным выпуском.

Ссылки

предоставляет материальные услуги с меньшим объемом материального производства

Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 13 марта 2013 г .; 371 (1986): 20120496.

Джулиан М. Олвуд

¹ Технический факультет Кембриджского университета, Трампингтон-стрит, Кембридж CB2 1PZ, Великобритания

Майкл Ф. Эшби

¹ Технический факультет Кембриджского университета, Трампингтон-стрит, Кембридж CB2 1PZ, UK

Тимоти Г. Гутовски

² Департамент машиностроения, Массачусетский технологический институт, 77 Массачусетс-авеню, Кембридж, Массачусетс 02139-4307, США

Эрнст Уоррелл

³ Исследования в области инноваций, Утрехтский университет, Гейдельберглан 2, 3584 CS Утрехт, Нидерланды

¹ Технический факультет, Кембриджский университет, Трампингтон-стрит, Кембридж CB2 1PZ, Великобритания

² Кафедра машиностроения Массачусетского технологического института , 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA 02139-4307, USA

³ Департамент Исследования в области окружающей среды и инноваций, Утрехтский университет, Гейдельберглан 2, 3584 CS Утрехт, Нидерланды

Abstract

Эффективность использования материалов, как обсуждалось в этом вопросе совещания, влечет за собой реализацию технических стратегий, бизнес-моделей, предпочтений потребителей и политических инструментов, которые привели бы к значительному сокращению производства больших объемов энергоемких материалов, необходимых для доставляют человеческое благополучие. Этот документ, который представляет проблему для обсуждения на тему эффективности использования материалов, призван дать обзор современного мышления по этой теме, охватывающего вопросы экологии, инженерии, экономики, социологии и политики.Мотивы эффективности использования материалов включают снижение спроса на энергию, сокращение выбросов и других воздействий промышленности на окружающую среду, а также повышение национальной безопасности ресурсов. Есть много технических стратегий, которые могут привести к этому, и они, в основном, могут быть реализованы сегодня, если заказчики или производители предпочтут. Однако нынешние экономические структуры благоприятствуют замене рабочей силы материалами, а предпочтения потребителей в отношении потребления материалов сохраняются даже после того момента, когда рост потребления обеспечивает любое повышение благосостояния.Следовательно, потребуется политика, стимулирующая материальную эффективность. Теоретически идеальная мера политики, такая как цена на углерод, должна учитывать внешние эффекты выбросов, связанных с материальным производством, и, таким образом, напрямую мотивировать изменения. Однако реализация такой меры оказалась труднодостижимой, и вместо этого корректировка существующей политики государственных закупок или существующих нормативных актов — например, касающихся проектирования зданий, планирования или стандартов транспортных средств — скорее всего, даст более немедленный эффект.

Ключевые слова: материальная эффективность, промышленные выбросы, энергоэффективность, потенциал смягчения

1. Введение

Это дискуссионное собрание, посвященное философским трудам Королевского общества A является результатом собрания, проведенного в Королевском обществе в Лондоне, Великобритания, 30–31 января 2012 года. Предложение о проведении этой встречи возникло в результате подготовки настоящих авторов «Материальной эффективности: Белая книга» [1], которая была написана с целью изучения территории и надежды чтобы стимулировать интерес.Дизайн встречи был явно междисциплинарным и был направлен на то, чтобы сделать выводы из экономики, социологии, дизайна и политики, а также из экологического или технического анализа, в ответ на вопросы, поднятые в Белой книге. Этот обзорный документ структурирован так, чтобы представить краткое изложение Белой книги и показать, как 15 документов, представленных на встрече, и другая работа, появившаяся в академической литературе за последние 2 года, продвинули эту тему вперед.

Аргумент Белой книги состоит в том, что с ростом населения и увеличением благосостояния спрос на добычу и переработку материалов, вероятно, удвоится в следующие 40 лет.Воздействие на окружающую среду требуемой обработки станет критическим. В частности, промышленный сектор обеспечивает почти треть мирового спроса на энергию, причем большая часть этой энергии используется для производства сыпучих материалов. Эта потребность в энергии будет расти с увеличением спроса на материалы и повышением энергоемкости производства по мере снижения концентрации руды. Большая часть энергии производится за счет сжигания ископаемого топлива, поэтому переработка материалов является основным фактором выбросов углерода и, следовательно, изменения климата.Однако будут существенные ограничения для будущих улучшений эффективности процессов, потому что затраты на энергию уже привели ключевые процессы к их техническим пределам [2]. Следовательно, ключевым компонентом реакции человечества на глобальное потепление должно быть производство меньшего количества нового материала. Для некоторых материалов эта цель может быть достигнута за счет увеличения объемов вторичного использования, что является основной целью дискуссий вокруг фразы «экономика замкнутого цикла», хотя это ограничивается доступностью лома или материалов с истекшим сроком службы, а также множеством связанных с этим практических трудностей. со сбором, сортировкой и разделением [3].

Однако, помимо повышения энергоэффективности и вторичного использования, мы могли бы также снизить нашу общую потребность в материалах, следуя идее «эффективности использования материалов», которая заключается в продолжении предоставления услуг, связанных с использованием материалов, с сокращением общего объема производства. нового материала. Этого можно достичь с помощью многих технических стратегий, включая поддержание существующих продуктов в течение более длительного времени, их более интенсивное использование, повторное использование компонентов из нежелательных продуктов или разработку продуктов с меньшим количеством материалов за счет облегченной конструкции или дематериализации.Существуют экономические, коммерческие, нормативные и социальные причины, по которым эти стратегии не были реализованы до настоящего времени, хотя потенциально они могут быть преодолены с помощью политики, новых бизнес-моделей или выбора потребителя.

2. Мотивы для повышения эффективности использования материалов

Снижение требований к производству нового материала приведет к снижению темпов добычи природных ресурсов, снижению спроса на энергию, сокращению выбросов и другого вреда для окружающей среды и потенциально имеет политические преимущества на национальном уровне за счет предложения сокращенных зависимость от импорта и рост самообеспеченности.Тем не менее, основная мотивация для изучения эффективности использования материалов в этом вопросе дискуссионного собрания проистекает из его потенциала в качестве стратегии сокращения выбросов: производство материалов является энергоемким и уже в значительной степени энергоэффективным. Есть еще возможности для повышения эффективности, но их недостаточно для достижения очень амбициозных целей по сокращению выбросов, предложенных учеными-климатологами. Следовательно, если не существует меньше материалов-заменителей CO ₂ с сопоставимыми характеристиками, доступных в сопоставимых количествах, или если новый источник энергии с низким содержанием углерода не заменяет использование ископаемого топлива, или если CO ₂ не может быть безопасно улавливаться и храниться, стремление к сокращению промышленных выбросов может быть преобразовано в цель сократить наши общие потребности в производстве материалов.Обзор опубликованных анализов интенсивности выбросов (выбросы на тонну произведенного материала) пяти материалов с наибольшим выбросом (сталь, цемент, пластик, бумага и алюминий), которые уже были предметом 100-летних усилий по улучшению, мотивированных затратами, предполагает что они могут в дальнейшем улучшить самое большее примерно на 25-40% [2]. Gutowski et al. [4] с использованием оценок будущих технических инноваций как в первичном, так и в вторичном производстве и с учетом увеличения вклада вторичной переработки, прогнозирует немного больший потенциал улучшения до 50 процентов.Это позволило бы удвоить производство материалов в мире без увеличения выбросов, что было бы выдающимся достижением. Однако ученые-климатологи (например, через Межправительственную группу экспертов по изменению климата [5], таблица 3.10, стр. 229) и вытекающие из этого политики [6] предполагают, что мы должны достичь абсолютного сокращения выбросов не менее чем на 50 процентов к 2050 году, несмотря на это ожидается удвоение спроса.

Очевидным первым ответом на этот вызов является изучение вариантов сокращения выбросов при одновременном удовлетворении рыночного спроса на материалы за счет энергоэффективности и эффективности процессов.Эта амбиция уже вызвала большой интерес к поиску четырех основных вариантов:

• — Увеличение объемов вторичного использования: вторичное использование металлов, бумаги и некоторых пластмасс позволяет сэкономить энергию по сравнению с производством новых материалов из руды, биомассы или нефти. Однако, помимо технических проблем, связанных с рециркуляцией [3], потенциал рециркуляции для сокращения промышленных выбросов ограничен объемом материала, доступного для рециркуляции. Даже если бы идеальный сбор был возможен, доступность материала из продуктов с истекшим сроком службы ограничивается временной задержкой между начальным производством и последующим списанием продуктов [7]: в то время как общий спрос растет, замкнутый цикл или «круговой» материальная экономия невозможна.Таким образом, прогнозирование потенциального воздействия переработки зависит от анализа будущих потребностей и существующих запасов. Это привело к появлению литературы по анализу запасов материалов, в том числе запасов стали в различных странах [8], стали в строительном фонде [9] и материалов в жилищном строительстве [10]. Свидетельства того, что потребность в на душу населения и потребности в запасах стали составляет около 10 тонн на человека [8], свидетельствует о том, что развитые экономики, такие как Великобритания, могли бы реально использовать замкнутый цикл производства стали, в то время как развивающиеся страны, такие как Китай и Индия, не могут этого сделать до тех пор, пока их запасы еще больше выросли.

• — Замена материалов: Эшби [11] предоставляет доказательную базу для изучения возможности использования материалов, отличных от тех, которые обычно используются сегодня. Помимо свойств материала, замещение зависит от наличия достаточных объемов материала — и, поскольку в настоящее время мы производим 200 кг стали и 400 кг цемента ежегодно на каждого человека, живущего на планете [12], похоже, что этот камень и древесина — единственные жизнеспособные заменители цемента и стали, если судить как по характеристикам собственности, так и по доступности.Однако эти два материала значительно сложнее использовать, поэтому в целом мы можем сделать вывод, что нет никаких существенных возможностей для замены объемных конструкционных материалов, производство которых доминирует в показателях промышленного спроса на энергию.

• — Энергетика с использованием низкоуглеродной электроэнергии: Маккей [13] исследует потенциал низкоуглеродного энергоснабжения из возобновляемых источников и показывает несколько вариантов обеспечения британской промышленности возобновляемой электроэнергией. Ни один из этих вариантов не является легким — из-за большого масштаба внедрения, необходимого для возобновляемых источников энергии (Маккей отражает это, давая оценки общей необходимой площади земли) или из-за большого количества требуемых атомных электростанций.Однако проблема еще хуже, потому что промышленность является лишь одним из трех основных секторов конечного спроса на энергию (два других — использование зданий и использование транспортных средств), и эти сектора также надеются использовать низкоэнергетические ресурсы. поставки углеродной электроэнергии в будущем. Более того, политические и инфраструктурные проблемы, связанные с осуществлением столь крупномасштабных изменений в нашей системе энергоснабжения, являются сложными. Смил [14] описывает относительно медленную трансформацию энергетических систем из-за сложного планирования и нормативно-правового регулирования, необходимого для внесения изменений в инфраструктуру снабжения.Помимо этого аргумента о скорости реализации, Fouquet & Pearson [15], представляя специальный выпуск по теме переходов, признают, что, в отличие от прошлых энергетических переходов, долгожданный переход к низкоуглеродной энергии может не показать частных выгод для производителя. и потребитель, который прошел через переходный период. Литература по трансформациям предполагает, что было бы очень рискованно полагаться на единственное техническое «исправление», не исследуя альтернативы, включая материальную эффективность.

• — Улавливание и хранение углерода: улавливание и хранение углерода промышленных выбросов также технически возможно, но хотя несколько технологий отделения CO ₂ от других газов в настоящее время хорошо отработаны (Meijer et al. [16] описывают варианты отделения CO ₂ от других газовых потоков в сталеплавильном производстве), даже первый крупномасштабный демонстрационный проект комбинации улавливания и хранения еще далеко. Эта технология также, вероятно, будет дорогостоящей: потенциально одна треть мощности традиционной электростанции потребуется для управления процессом. (Сатре и Масанет [17] в обзоре современной литературы по этому вопросу сообщают, что энергетический штраф за улавливание CO ₂ , определяемый как процентное снижение выработки электроэнергии на единицу входящего топлива, колеблется от 12% до 48%). %.) Следовательно, как и в случае стремления к низкоуглеродной электроэнергии, этот подход нельзя рассматривать как единственное безопасное решение для промышленной декарбонизации.

Эти четыре подхода вызвали значительный интерес, но, хотя пределы их реализации в течение следующих четырех десятилетий невозможно предсказать с точностью, кажется крайне маловероятным, что только эти меры позволят вдвое сократить выбросы за этот короткий период, в то время как удваивается объем производства материала. Следовательно, стратегии материальной эффективности — предоставление материальных услуг при меньшем общем материальном производстве — должны стать частью портфеля вариантов снижения промышленных выбросов CO ₂ .

Мотивация к достижению эффективности использования материалов в качестве стратегии снижения выбросов в равной степени применима ко многим другим экологически вредным воздействиям производства, включая выбросы других парниковых газов и выброс твердых частиц, кислот и других токсичных веществ в воздух, почву и воду: многие Эти проблемы возникают на наиболее энергоемких этапах производства, поэтому сокращение общих объемов производства материалов снизит их влияние. Однако в этом выпуске дискуссионного собрания также сообщается о двух других мотивах.Во-первых, Эйрес и Таленс Пейро [18] исследуют потенциальную важность эффективности использования материалов в дискуссиях о редких и критических металлах: скорость, с которой металлы становятся критическими, явно снизилась бы, если бы стратегии эффективности использования материалов применялись для снижения спроса на новую продукцию. Проблема критичности привлекала значительное внимание в последние 5 лет, но остается спорной областью: Erdmann & Graedel [19] рассматривают несколько методологий для определения «критичности», и остаются сомнения в том, существует ли значительный риск абсолютного дефицита или Неважно, заключается ли проблема в том, что по мере исчерпания месторождений высококачественной руды потребуется больше энергии для извлечения критических металлов из менее качественных руд.Айрес и Таленс Пейро [18] обсуждают последствия появления критических металлов в основном как «попутчики» по отношению к обычным металлам-аттракторам, таким как железо или медь, в частности при отключении цены и поставок, а также анализируют текущие приложения и процессы переработки. В настоящее время, помимо драгоценных металлов, таких как золото и платина, уровень переработки критических металлов очень низок: Graedel et al. По оценке [20], в большинстве случаев они составляют менее 1%, в основном потому, что эти металлы используются для легирования (поэтому их трудно разделить) или диспергированы в продуктах, в которых они используются только в очень малых количествах (поэтому их трудно выделить). собирать).Стремление к эффективности использования материалов при разработке продуктов, содержащих эти критические металлы, может способствовать более эффективному использованию в течение более длительных периодов времени, а также новым подходам к проектированию для разделения в конце срока службы продукта.

Во-вторых, Vasara et al. [21] обсуждают более общий феномен, чем сочетание «критических» и «энергетических» проблем, обнаруженных Эйресом и Таленсом Пейро. Развитие биотоплива в качестве альтернативы мазуту явно зависит от (крупномасштабного) наличия плодородных земель и пресной воды для орошения.Точно так же преобразование угля в жидкое топливо требует воды, и большинство средств для преодоления нехватки воды требуют увеличения энергозатрат. Vasara et al. [21], таким образом, описывают то, что они называют «конвергенцией ресурсов», признавая, что многие ресурсные стрессы и реакции на эти стрессы связаны с стрессами и реакциями на другие ключевые ресурсы (включая энергию, воду, землю, металлы, химические вещества и биомассу). . Следовательно, эффективность использования материалов, вероятно, станет приоритетной стратегией в более широкой области реагирования на нехватку ресурсов, помимо энергии и выбросов.

Где Vasara et al. [21] сосредотачиваются на связях между ключевыми материалами, такими как сталь и цемент, с другими системами ресурсов, Lifset и Eckelman [22] обсуждают роль этих ключевых материалов как компонентов в сложных многоматериальных продуктах. Они рассматривают мотивацию исследования материальной эффективности, спрашивая, на каком уровне принятия решений она, скорее всего, будет ценной. Для тех, кто стремится определить политику или общую корпоративную стратегию, идеи материальной эффективности предлагают новый набор стратегий при обсуждении политики промышленных выбросов.Тем не менее, для разработчиков индивидуальных и многоматериальных продуктов эффективность использования материалов, хотя и обеспечивает руководство по разумным стратегиям, не может применяться вслепую, поскольку полное воздействие выбора дизайна на окружающую среду будет зависеть от относительной экологической интенсивности различных материалов и взаимодействия между ударами при производстве и при использовании. Это хорошо известные проблемы мышления «жизненного цикла», которое рассматривает компромиссы при выборе дизайна продукта в течение срока его службы.Например, более широкое использование возобновляемых источников энергии может в краткосрочной перспективе оправданно увеличить спрос на определенные материалы по мере строительства инфраструктуры. Gutowski et al. [23] обсуждают этот вопрос с подробными данными для 25 различных продуктов, спрашивая, покажет ли восстановление старых продуктов чистую выгоду по сравнению с заменой их новыми продуктами — по сути, исследуя компромисс между воплощенной в продуктах энергией и требуемой энергией. во время их использования.Результаты показали, что восстановление производства было выгодной стратегией для продуктов с низким энергопотреблением или низкими темпами усовершенствования технологий, но неэффективным, когда технические улучшения позволяли более эффективно использовать продукт. Интлекофер и др. [24] сообщают об аналогичных результатах исследований бытовой техники и компьютеров. Поэтому для разработчиков продуктов применение стратегий материальной эффективности должно соответствовать конкретному контексту.

3. Технические возможности для повышения эффективности использования материалов

В «Белой книге» определены четыре широкие стратегии для повышения эффективности использования материалов, число которых здесь увеличено до шести [12]:

• — Облегченная конструкция: Carruth et al. [25] разработал набор технических принципов для проектирования легких продуктов, а затем протестировал их на пяти коммерческих примерах с подробной оценкой в ​​рамках текущей цепочки поставок. Их данные свидетельствуют о том, что в среднем одну треть всего использования материалов можно было бы сэкономить, если бы конструкции продуктов были оптимизированы для использования материалов, а не для снижения затрат, потому что в затратах на последующее производство (и проектирование), как правило, преобладают затраты на рабочую силу, а не на материалы. Кроме того, производители мотивированы использовать излишки материала из-за асимметрии затрат на отказ продукта по сравнению с затратами на превышение спецификации, а также из-за того, что многие продукты испытывают более высокие нагрузки перед использованием (при установке или транспортировке), чем при использовании. .

• — Снижение потерь урожая: отдельные производственные компании обычно уверены в том, что их управление потерями урожая (обычно измеряемое как разница между массой закупленного материала и массой материала, который в конечном итоге используется в продукции) находится под контролем. Однако Milford et al. [26] сообщают о серии тематических исследований, в которых изучаются потери урожая по всей цепочке поставок — от жидкого металла до конечной продукции — и демонстрируются чрезвычайно высокие накопленные потери.В частности, для товаров, изготовленных из листового металла, примерно половина всего жидкого металла становится ломом (который затем в большинстве случаев перерабатывается) на пути к конечному продукту. Наихудшие потери произошли при вырубке (10% для листового металла, аналогичные потери наблюдались в полиграфической и упаковочной промышленности) и обрезке после штамповки (15–30%), и, похоже, им не уделялось должного внимания. Новые технологии потенциально могут решить эти проблемы. Например, в швейной промышленности листы ткани перед сшиванием разрезаются лазером на куски, что позволяет улучшить мозаику и снизить потери урожая [27].При правильном развитии технологии легкий дизайн может сочетаться с уменьшенными потерями урожая. Например, новая технология прокатки двутавровых балок переменного сечения для использования в строительстве позволяет создавать балки, используя на треть меньше металла, чем стандартные двутавровые балки, обеспечивая идентичные услуги, но без дополнительных потерь при выходе [28]. Это богатая область для дальнейших инноваций.

• — Отвод производственного брака: следствием высоких потерь выхода продукции при вырубке в настоящее время является то, что остаточный «скелет» листа может — при правильном управлении — использоваться в качестве источника для дальнейших меньших заготовок.Allwood et al. [12] сообщают о тематических исследованиях предприятий, которые выполняют эту задачу и имеют больший спрос, чем можно удовлетворить при наличии имеющегося предложения. Это ограниченная возможность, и она будет уменьшена, если будут введены более эффективные процедуры гашения, поэтому не является целевой областью для дальнейшего исследования. Что касается алюминиевого лома, то особая возможность его перенаправления стала возможной благодаря технологии твердого склеивания, позволяющей переработать стружку путем экструзии без плавления [29].

• — Повторное использование компонентов: обычно, когда владельцы решают заменить продукты, решение принимается только на основании характеристик нескольких компонентов в продукте, поэтому оставшиеся можно использовать повторно.Ярким примером этого являются здания со стальным каркасом, где сталь не ухудшается при использовании, а замена здания обычно обусловлена ​​изменением требований пользователей или политикой планирования: некоторые здания были построены из повторно используемой стали [30], но они остаются редкими. Чтобы изучить возможность повторного использования в качестве стратегии повышения эффективности использования материалов, Cooper & Allwood [31] создает каталог всех текущих продуктов из стали и алюминия и проводит экспертные интервью о возможности повторного использования компонентов для каждого типа продукта. .Их результаты показывают, что около 30 процентов всех компонентов по массе могут быть повторно использованы по окончании срока службы продукта, что открывает новые возможности для строительства, крупногабаритных транспортных средств и промышленного оборудования. Пока что повторное использование является редкостью из-за несовместимости между прошлыми и настоящими конструкциями, а также относительно высокой стоимости разборки продукта и управления использованными компонентами.

• — Продукты с более длительным сроком службы: обеспокоенность общественности по поводу «одноразового общества» вызвала много дискуссий, но пока мало действий.Купер [32] представляет 17 статей, в которых исследуется, почему это так с потребительскими товарами, но большинство материалов используется в строительстве, оборудовании или транспортных средствах, и этой области уделялось мало внимания. Стальные изделия чаще всего заменяются из-за того, что часть критических компонентов вышла из строя. На эти критические компоненты обычно приходится небольшая доля массы стали в продукции, и потенциально продукция могла бы использоваться дольше, если бы эти компоненты были заменены [12].

• — Более интенсивное использование: обширная работа в области «систем обслуживания продуктов» направлена ​​в основном на изучение коммерческих возможностей лизинга, а не продажи товаров, и потенциально это может иметь экологические преимущества в виде сокращения общего числа товаров (и, следовательно, требований к материальному производству), необходимых для предоставления требуемого уровня обслуживания.Однако Туккер [33], размышляя о сетевой активности в Европейском Союзе (ЕС) в этой области, сообщает лишь о незначительных выгодах из-за изменения поведения пользователей с различными договорами собственности. Пока нет данных о том, как более интенсивное использование продукта может снизить потребность в материалах. Однако интересной бизнес-моделью, направленной на обеспечение энергоэффективности, является модель «энергосервисных компаний» (ESCos), которые, например, могут взимать с арендаторов зданий плату за предоставление энергетических услуг (таких как тепло и свет), а не за коммунальные услуги.Таким образом, прибыль ESCo зависит от сокращения закупок энергии при обеспечении требуемого уровня обслуживания — например, за счет интеллектуального переключения света и улучшенной изоляции. (Соррелл [34] описывает эти компании и исследует условия, в которых они будут привлекательны для клиентов.) Таким образом, у этих компаний есть четкая мотивация для получения прибыли, чтобы развивать навыки и внедрять соответствующие технологии для снижения затрат на покупку энергии. Потенциально некоторые материальные услуги могут быть предоставлены аналогичным образом [35].

Каждая из этих стратегий заслуживает дальнейших исследований, чтобы определить объем их потенциала смягчения и найти средства для преодоления современных препятствий на пути их реализации. Особенностью технического стремления к повышению эффективности использования материалов является то, что шесть вышеперечисленных стратегий могут противоречить друг другу, и три таких конфликта требуют дальнейшего изучения:

• — Оптимизация массы компонента за счет облегченной конструкции может препятствовать повторному использованию компонента в будущем, если архитектура, в которой используется компонент, не стандартизирована, и может препятствовать использованию в течение более длительного срока службы, если оптимизация препятствует будущим изменениям использовать.

• — Снижение потерь урожая сокращает доступность лома для перенаправления или переработки. Таким образом, эта стратегия действительно экономит энергию, но менее эффективна, чем стремление к облегченной конструкции или продлению срока службы продукта, поскольку она снижает как предложение, так и спрос на материалы, протекающие через (менее энергоемкие) вторичные производства.

• — Поддержание использования энергопотребляющего продукта в течение более длительного срока может отсрочить возможность внедрения технологических усовершенствований, которые приведут к снижению потребности в энергии при использовании.Этот компромисс был предметом нескольких исследований (в том числе [23,24], упомянутых выше), которые рассматриваются Скелтоном и Оллвудом [36], которые развивают модель совокупных энергетических последствий владения продуктом. Используя ряд предположений относительно характеристик продукта и типичных сроков выхода продукта из строя, они показывают, что ранняя замена может вызвать такое же избыточное потребление энергии, как и отсроченная замена.

4. Экономика и эффективность материалов

Ключевым компонентом экономического обсуждения эффективности energy было рассмотрение «эффекта отскока», также известного как парадокс Джевонса [37]:

Предположение о том, что экономичное использование топлива эквивалентно уменьшенному расходу, является полной путаницей.Совсем наоборот.

Другими словами, если технологические усовершенствования позволяют выполнять некоторые функции с уменьшенным потреблением энергии, стоимость функции снижается, поэтому стимулирование повышенного спроса и, как следствие, общие потребности в энергии не уменьшаются. Джевонс сделал это заявление на основе своего анализа британского использования угля в девятнадцатом веке, а Ригли [38] устанавливает это в контексте, описывая саморегулирование «органической экономики» в Великобритании до ее зависимости от угля: без угля, единственный источник доступной энергии — фотосинтез, поэтому биомасса требовалась для производства продуктов питания, топлива и материалов.Таким образом, производство железа было ограничено по своей природе, так как требовалось большое количество биомассы для производства энергии, и, когда наиболее продуктивные земли находились под управлением, это могло быть обеспечено только за счет сокращения количества продуктов питания и других материалов. Таким образом, рост населения сдерживался (или в конечном итоге будет предотвращен) пределами общей чистой первичной продуктивности земли. Эта точка зрения обеспечивает полезный контекст для обсуждения материальной эффективности — и подобное саморегулирование могло бы произойти, если бы поставки руды и минералов были в равной степени ограничены.Однако, как обсуждалось выше, проблемы материального производства заключаются не в том, что мы сталкиваемся с ограничениями на входе, а в том, что нежелательные результаты производства — в частности, выбросы CO ₂ — создают нагрузку на пропускную способность естественных стоков Земли. Обратная связь об ограничении ресурсов в органической экономике была мгновенной — нехватка продовольствия в любой год немедленно сказывалась бы на всем населении. Однако обратная связь глобального потепления имеет относительно долгую временную задержку, и ключевой проблемой в реализации материальной эффективности является сегодня экономическое обоснование действий, которые принесут пользу населению в будущем.

Слово «эффективность» всегда относится к соотношению, но может иметь несколько различных определений, и это приводит к значительной путанице при изучении экономических последствий стратегий, нацеленных на эффективность. По замыслу авторов этой статьи, «материальная эффективность» — это физическая мера — сколько тонн материала требуется для предоставления определенного уровня конечных услуг, таких как пассажирский транспорт или подходящее пространство для работы и проживания. Однако в экономике знаменателем показателей эффективности обычно являются деньги — сколько материала требуется для получения каждой денежной единицы дохода или валового внутреннего продукта (ВВП).Таким образом, экономисты отождествляют повышенное потребление материалов и энергетических услуг с повышением экономического благосостояния, при этом физическая точка зрения состоит в том, что благосостояние возникает из услуг, предоставляемых энергией и материалами, а не их потребления как такового . Уравнение (4.1) связывает эти две меры с помощью третьего отношения, которое представляет собой цену, которую потребители готовы платить за материальные услуги,

4,1

Цель физического определения эффективности использования материалов состоит в том, чтобы привлечь внимание к физическим ресурсам, необходимым обществу, которые, в свою очередь, определяют промышленные выбросы, возникающие в результате производства.Цель экономического определения — связать материальный спрос с другой экономической деятельностью и мотивациями. Однако уравнение (4.1) демонстрирует, что экономическая эффективность материалов вполне может повыситься (для уменьшения коэффициента), в то время как требования к физическим материалам останутся неизменными или даже увеличатся, если стоимость услуги, предоставляемой материалами, возрастет. Следовательно, стремление к экономической эффективности материалов не может привести к какому-либо снижению экологических последствий промышленного производства, и, в худшем случае, экономическое определение может быть использовано для создания полностью искусственного впечатления « разделения » экономической и физической активности: Если богатые страны, такие как Великобритания, будут проводить политику по сокращению производства и производства материалов на суше, они, очевидно, продемонстрируют переход к экономике, в большей степени ориентированной на услуги, их экономическая эффективность использования материалов, очевидно, улучшится, а выбросы CO ₂ на суше, очевидно, сократятся.Чтобы проиллюстрировать это, Wiedmann et al. [39] демонстрируют быстрое расхождение между выбросами в Великобритании, указанными в Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата (на основе производства), и выбросами в результате потребления с 1990 года: выбросы в Великобритании в настоящее время более чем на 30 процентов превышают сообщила производственные данные. Эта разница полностью связана с морским производством и производством материалов, необходимых для удовлетворения физических потребностей потребления в Великобритании. Таким образом, любое зарегистрированное повышение эффективности использования материалов в Великобритании, измеренное с помощью экономического коэффициента, может скрыть истинное ухудшение физической эффективности использования материалов в Великобритании.Дэвис и др. [40] продемонстрировал, что это явление не ограничивается Соединенным Королевством, и сообщил о торговом балансе CO ₂ для 11 стран, убедительно подтверждая вывод о том, что производственные данные являются плохим индикатором воздействия страны на окружающую среду. .

Еще одно осложнение, связанное с различием между экономическими и физическими показателями эффективности использования материалов, возникает, когда слово «материал» используется для описания промежуточных затрат на производство, а не физических материалов.Баптист и Хепберн [41] сформулировали это различие следующим образом:

Инженеры и ученые, как правило, определяют «материалы» как физические ресурсы, такие как железная руда и сталь, часто измеряемые в единицах массы. Напротив, экономисты часто не делают различий между агрегированными «материалами» и другими промежуточными затратами, отчасти потому, что бывает трудно отличить «сырье» от других обработанных физических компонентов — даже такие материалы, как хлопок и древесина, требуют труда и капитала. произведено.

Баптист и Хепберн приступают к экономическому определению и, подгоняя производственные функции к данным, относящимся к широкому набору производственных секторов в США, демонстрируют, что фирмы с более низкими « материальными » (промежуточными) затратами имеют более высокую совокупную факторную производительность ( ту часть выпуска, которую невозможно объяснить после учета применения определенных затрат, включая капитал и рабочую силу). Этот анализ — первый, который мы обнаружили для изучения эффективности использования материалов в экономической литературе — зависит от экономического определения понятия «материал» и, например, показывает, что консультационные услуги по проектированию с небольшими промежуточными затратами имеют большую общую факторную производительность, чем сборочная линия с многие.В этом содержится интересный политический посыл, подтверждающий логику «разделения», согласно которой более трудоемкие предприятия имеют меньшее материальное воздействие. Однако это сообщение следует интерпретировать осторожно, потому что получатели этих производительных услуг будут продолжать тратить свой доход на материальные товары, которые необходимо где-то производить. Кроме того, промежуточные затраты для отдельных фирм сами по себе являются выпусками других фирм, и, в конечном итоге, все промежуточные расходы конвертируются в заработную плату, налоги и прибыль, как только будет учтено достаточное количество операций.Разрыв связей в этой цепочке транзакций — один из вкладов в материальную эффективность, который возможен благодаря анализу затрат-выпуска. Хэннон [42] резюмирует работу своей группы в Иллинойсе, используя этот подход в 1970-х годах. Анализ проводится путем дезагрегирования национального энергопотребления по секторам, представленным в экономической таблице затрат и выпуска, либо в идеальном случае путем прямого отраслевого анализа закупок и использования энергии, либо, как правило, при допущении, что потребление энергии внутри сектора строго пропорционально денежный поток.(Это явно серьезное предположение, когда цены на энергию могут варьироваться независимо от количества закупаемой энергии, цены могут быть разными для разных секторов и так далее.) Затем используется обратное значение Леонтьева, чтобы возложить ответственность за потребление энергии на конечный спрос. Этот подход можно использовать для оценки энергетических последствий различных средств достижения одной и той же цели — например, противопоставление использования одноразовых или многоразовых контейнеров для напитков.

Упрощенное предположение о линейности — денежные потоки и использование энергии всегда пропорциональны — сильно влияет на выводы, которые можно сделать из этой формы анализа.На агрегированном уровне предположение имеет тенденцию предполагать, что основным способом сокращения национального энергопотребления является сокращение общего национального дохода, потому что меры по повышению эффективности в одном секторе высвободят дополнительные расходы в другом, и аналогично потому, что структурные изменения (увеличение активности в одном секторе , меньше в другом) будет иметь меньший эффект, чем ожидалось, поскольку доход в одном секторе превращается в расходы в другом. На индивидуальном уровне это допущение создает трудности для одного человека, стремящегося уменьшить свой «энергетический след»: выбор покупки менее энергоемких товаров имеет меньший эффект, чем ожидалось, потому что люди должны каким-то образом тратить свои деньги, поэтому они останутся в силе. экономики, и будут «повторно израсходованы» поставщиками этих товаров, которые в среднем будут следовать национальным предпочтениям в отношении энергоемких товаров.Этот аргумент будет точно отражен в эквивалентном анализе материалов. Технические стратегии, изложенные в предыдущем разделе, нацелены на снижение «материалоемкости» производственного и строительного секторов — и можно использовать анализ затрат-выпуска, чтобы продемонстрировать, как это изменит затраты и, следовательно, повлияет на спрос, хотя это должно учитывать трансграничную взаимосвязь — чтобы избежать иллюзий производственного учета, продемонстрированного выше [39]. Есть возможность для ценных исследований в этой области.

В рамках анализа затрат-выпуска, если бы все обрабатывающая промышленность, строительство и сталелитейная промышленность рассматривались как единый сектор, национальная экономика не пострадала бы от побочного эффекта от перехода к эффективности использования материалов (за вычетом производства стали в данном случае ), если объединенный сектор обеспечил такой же общий объем производства, с тем же вкладом в занятость, налоги и прибыль и с такими же потребностями для прочего промежуточного потребления. Это гипотетическое требование является основой для предварительного изучения перехода к эффективности использования материалов в черной металлургии Великобритании [43].Потребление стали в Великобритании в настоящее время составляет около 530 кг стали на человека в год и должно быть сокращено до 160 кг на человека в год, чтобы соответствовать требованиям Закона Великобритании об изменении климата [6]. Для четырех продуктов из тематических исследований технические стратегии, описанные выше, предоставляют достаточные возможности для предоставления аналогичных услуг в рамках этого требуемого сокращения для стали [43]. То, как сегодня доставляются стальные товары, требует рабочей силы, в основном для создания новых товаров в производстве или строительстве, и потенциально этот труд может быть повторно использован для технического обслуживания, обслуживания, модернизации и передачи существующих товаров, а не для производства заменяющих товаров. .Для изучения экономического потенциала и последствий этого повторного развертывания требуется подробный анализ, но он будет осуществлен быстро, если потребители или производители предпочтут его, и в будущем может быть разработана государственная политика, поддерживающая это предпочтение.

5. Социология и эффективность использования материалов

В условиях кризиса индивидуальное поведение может быстро измениться, чтобы поддержать национальную цель: в Великобритании во время Второй мировой войны домовладельцы отказались от своих железных перил, чтобы поставлять материалы для вооружения, а летом 2011 г., после цунами 11 марта того же года, японские домохозяйства добровольно снизили потребление электроэнергии на 15–20% по сравнению с предыдущим годом [44].Также формируется консенсус в отношении того, что, хотя существует четко установленная линейная корреляция между индивидуальным доходом и общими потребностями в энергии [45], за пределами определенного порога увеличение благосостояния не ведет к повышению благосостояния — например, в исследованиях Кассера [46] или Лейард [47]. Однако, несмотря на этот консенсус, существуют ли механизмы, с помощью которых отдельные лица, сообщества или общества могут предпочесть варианты материальной эффективности, в отсутствие кризиса?

Пока что оказалось трудно найти такие механизмы, без которых надежда на социальные изменения остается бесполезным «принятием желаемого за действительное», а не чем-то, что мы можем активно реализовать.Тем не менее, ценный вклад состоит в том, чтобы признать существование в настоящее время альтернатив «западному потреблению», а затем изучить, есть ли особенности других социальных структур, которые можно было бы адаптировать и принять. Урри [48] утверждает, что «ослабленное» общество должно соответствовать нескольким критериям, чтобы быть социально стабильным и привлекательным: должны быть разумные уровни благосостояния, измеряемые социальными (а не ВВП) показателями общественного здоровья; должно быть разумное социальное равенство — не слишком большой разрыв между «имущими» и «неимущими»; «герои» или «образцы для подражания» такого общества должны быть «местными», а не быть образцами высокой мобильности и потребления, как в настоящее время с западными знаменитостями; такое общество должно быть более локальным и действовать в меньшем масштабе.Урри описывает две демонстрации некоторых из этих характеристик: недавнее развитие на Кубе органического сельского хозяйства, агроэкологии, небольших рынков, рабочих кооперативов и городских садов; переход под руководством сообщества к будущему без окаменелостей в шведском городе Векшё.

В отличие от этого общественного взгляда на потребление, Харрод [49] исследует эмоциональные отношения между людьми и материалами или объектами посредством обширного опроса художников, скульпторов и писателей. Харрод обращает наше внимание на (в значительной степени утраченную) значимость материалов: от опасений Рескина по поводу того, что чугун является эмоционально пустым симулятором кованого железа ручной ковки, через эмоциональные реакции на дерево до использования потребительских отходов в качестве сырья для скульптур. и предметы, сделанные из них.Флетчер [50], стремясь подчеркнуть аналогичное сообщение, отмечает, что одежду из сети «fast-fashion» можно выбросить после одной прогулки так же дешево, как и было куплено, в то время как то, что сделал или улучшил друг во время кризиса. не может быть отброшен вообще, поскольку он стал «эмоционально устойчивым» и стал частью истории жизни человека. Эмоциональное постоянство зданий и предметов было константой многих обществ, и только при массовой доступности, создаваемой промышленным производством, она утрачивалась.Хотя работы Харрода еще не обеспечивают механизма изменений, они являются ценным указателем на материальную ценность и, как следствие, благополучие, которые были скрыты в результате массового производства.

Наследие высоко ценится в нескольких странах с более длительной историей, и в статьях Урри и Харрода есть указатели на возможность того, что общественное благосостояние, которое, по-видимому, больше не увеличивается вместе с ВВП в развитых странах, может быть увеличено с меньшими затратами. голодное общество. Пока эта возможность таит в себе опасность ностальгии — возвращение к воображаемому золотому прошлому, где люди были счастливее, но меньше потребляли.Нам не хватает видения технологически продвинутого будущего с уменьшенным потреблением: «безбумажный офис» еще не появился, несмотря на 40 лет использования персональных компьютеров, и пока у нас нет данных в поддержку (маркетинговой) концепции, согласно которой электронные книги и другие портативные устройства снижают общее воздействие на окружающую среду. Требуются дальнейшие размышления и исследования, чтобы начать разработку и преобразование таких видений в предложения к действию.

6. Политика и материальная эффективность

Цель материальной эффективности потенциально создает две проблемы для традиционных политических целей: уничтожает ли она рабочие места и отрицает ли рост? Таким образом, изучение политической заинтересованности в материальной эффективности должно дать подтверждение этим двум опасениям, а также поиск политических механизмов, которые являются политически приемлемыми.

В широком ответе на Белую книгу авторов по эффективности использования материалов Сёдерхольм и Тилтон [51] заявляют, что

Директивным органам следует выбирать меры политики, направленные на устранение соответствующих сбоев рынка (например, экологического ущерба), насколько это возможно. Обычно это означает отказ от политики, которая напрямую поощряет конкретные варианты повышения эффективности использования материалов…. Это связано с тем, что политикам заранее сложно понять, каким образом и насколько изменить производство и использование материалов.

Наиболее широко обсуждаемая такая мера — это введение «цены на углерод» или «налога на углерод» на том основании, что выбросы углерода являются «внешним эффектом», не учитываемым в ценах, поэтому соответствующее ценообразование изменит структуру затрат, так что свободный рынок находит оптимальное решение для будущего с низким уровнем выбросов углерода. (Есть также много других экологических последствий, таких как загрязнение воздуха в развивающихся странах, которые являются внешними по отношению к текущим ценам.) Это было основой для большинства международных переговоров по изменению климата до настоящего времени, но оказалось в значительной степени безуспешным: без согласия международного цена углерода, можно установить цены на углерод в более региональном масштабе, например, в схеме торговли выбросами ЕС.Однако в таких схемах могут применяться только очень низкие цены на углерод, чтобы избежать создания невозможного невыгодного конкурентного положения для отраслей в этом регионе, которые должны конкурировать на мировых рынках. Действительно, Виктор [52] утверждает, что стремление разработать универсальное, международное, юридически обязательное соглашение, которое национальные правительства затем воплотят во внутренней политике, в корне ошибочно в случае выбросов парниковых газов: такое соглашение всегда должно быть ограничено минимальным общий знаменатель приверженности, поэтому он не будет соответствовать уровню действий, необходимых для значительного изменения.Вместо этого Виктор предполагает, что прогресс более вероятен благодаря «клубам» — небольшим группам стран, возможно, связанных регионально, которые продвигают свои обязательства по снижению выбросов в ответ на действия друг друга и разделяют между собой выгоды от прогресса.

Помимо общей сложности международного соглашения, возникает конкретная проблема при рассмотрении влияния цены углерода на спрос на материалы: материалы являются промежуточным товаром и обычно составляют лишь очень небольшую часть общих затрат на производство конечных материалов. товары — например, из всех затрат на строительство типичного офисного здания со стальным каркасом покупка стали составляет около 4% [12].Доминирующими затратами при строительстве зданий и товаров является труд, поэтому даже очень высокая цена углерода будет иметь лишь относительно небольшое влияние на цену конечных товаров. Сходные структуры затрат в других отраслях означают, что у участников в конце цепочки поставок, таких как автомобильные компании, компании пищевой промышленности и клиенты строительного сектора, слабые стимулы к осуществлению мер по повышению материальной эффективности на начальных этапах производства. Цена на углерод изменила бы относительную стоимость различных материалов и, таким образом, создала бы большие стимулы для повышения эффективности использования материалов в отдельных компаниях, занимающихся разведкой и добычей, но, как обсуждалось выше, существует немного, если вообще есть, заменители сыпучих материалов, которые приводят к большей части промышленных выбросов, и такие меры в области добычи, как облегчение и повышение урожайности требуют сотрудничества в цепочках поставок [26].Следовательно, идея о том, что цена на углерод будет действовать, чтобы вызвать форму материальной эффективности, обсуждаемую в этом документе, является вдвойне маловероятной: с политической точки зрения очень маловероятно, что международная цена на углерод будет согласована; даже если бы это было согласовано, маловероятно, что это приведет к совместным усилиям во всех цепочках поставок, которые необходимы для полного использования возможностей повышения эффективности использования материалов.

Skelton & Allwood [53] используют межрегиональный анализ затрат и выпуска для изучения влияния цены на углерод на стимулы для повышения эффективности материалов в цепочках поставок пяти ключевых сталелитейных секторов.Они показывают, что структура затрат в этих цепочках поставок такова, что больше внимания уделяется снижению затрат на рабочую силу, чем снижению затрат на сталь: средние затраты на рабочую силу в 12 раз превышают затраты на сталь при производстве этих пяти продуктов. Даже высокая цена углерода мало способствует повышению приоритета стали. Что еще более важно, стимулы, предлагаемые ценой на углерод, затмеваются сдерживающими факторами к повышению материальной эффективности, вызванными налогами на рабочую силу (сочетание налогов на доход, прибыль и взносы на социальное страхование), которые сдерживают замену стали рабочей силой.Чистый результат политики, даже при высокой цене на углерод, остается стимулом к ​​замене большего количества материала на меньшее количество рабочей силы. Это противоположный эффект, который требуется для повышения эффективности использования материалов, и он подкрепляет давно высказанное Стахелом [54] предложение о том, что правительства должны переложить бремя налогообложения с возобновляемых ресурсов рабочей силы на невозобновляемые ресурсы населения. материалы и ископаемое топливо. Баптист и Хепберн [41] повторяют это предположение, но пока оно остается в значительной степени гипотетическим и не вошло в политическое мышление или реализацию.На самом деле реализация может быть чрезвычайно сложной: учитывая текущее высокое соотношение налога на рабочую силу и налогов на энергию / материалы, новый налог на материалы должен быть установлен на чрезвычайно высоком уровне для поддержания чистого государственного дохода, а это даст значительный недостаток первопроходца для отраслей в любой стране, начинающей переход.

Таким образом, представляется, что, хотя было бы предпочтительнее разработать простую политику, направленную на сбои рынка как можно точнее, в достижении этого существуют достаточные трудности, чтобы предположить, что во многих случаях другие, менее совершенные средства могут быть проще в реализации. .Правительственная политика во всех странах уже включает широко распространенные общепринятые правила, например, о разрешениях на строительство, строительных стандартах, стандартах для транспортных средств, здоровье и безопасности и так далее. Таким образом, потенциально существует гораздо более быстрое вмешательство, доступное правительствам путем корректировки существующего регулирования, а не мечтать об идеализированном, но недостижимом стимуле. Параллельно с этим правительства оказывают значительное влияние на рынки в качестве покупателей (в Великобритании на государственные закупки приходится ок.30% всего конечного спроса), поэтому изменение существующей политики закупок для стимулирования рынков для материально эффективной доставки товаров является мощным оружием, доступным для политиков. Олвуд [43] предвидит широкий спектр мер, которые могут стимулировать движение к материальной эффективности, определяя две основные особенности возможного вмешательства: там, где нет достаточного опыта реализации материальной эффективности, правительства могут действовать, чтобы стимулировать осведомленность и инновации; там, где отсутствует мотивация к внедрению материальной эффективности, правительства могут стимулировать предпочтения как бизнеса, так и потребителей.

Однако вмешательства, которые не основаны на единственной стимулирующей мере, должны применяться хорошо, чтобы быть эффективными. Уоррелл и др. . [55] приводят подробный пример политики в отношении упаковки в Нидерландах за период 1991–2012 гг., Показывающий, что до 2000 г. объемы упаковки сокращались, но после этого объемы постоянно росли. Они пришли к выводу, что это произошло в первую очередь из-за отсутствия последовательной национальной политики с течением времени, отсутствия четко определенных и контролируемых целей, отсутствия национальной государственной статистики по упаковке и неспособности сообщить о вариантах более материально эффективной упаковки.Более четкие обязательства по отчетности, особенно о массе материалов, используемых по всей стране, помогут стимулировать эффективное сокращение.

Крамер [45] дает политический взгляд на политику материальной эффективности, исследуя переходный процесс реализации, который должен произойти даже после определения согласованного политического подхода. Она подчеркивает ключевые уроки управления переходным процессом — что все участники должны быть вовлечены в процесс изменений, что изменения должны происходить на многих уровнях (например, с инновационными экспериментами, на практике, информированием об изменениях на уровне режима) с долгосрочным видением, направленным на краткосрочные срок действия — и делает вывод, что:

роль правительства не ограничивается формулированием политики с последующим предоставлением ее реализации другим субъектам.Вместо этого [правительство предполагает] постоянное взаимодействие между различными участниками в течение всего процесса реализации.

В отсутствие единой «чистой» меры политики, основанной на единственном стимуле, кажется вероятным, что политика по обеспечению материальной эффективности должна быть процессом типа, описанного Крамером, на основе долгосрочного видения (с четкую метрику, как предлагает Уоррелл) и рассчитывается с помощью обычного широкого комплекса государственных мер.

7. Обсуждение

Потребность в эффективности использования материалов в качестве компонента сокращения промышленных выбросов неизбежна, если мы хотим достичь жестких целей по сокращению выбросов.Существуют достаточные технические возможности для предоставления текущих уровней материальных услуг при значительно меньшем количестве материалов, многие из которых могут быть реализованы немедленно, если того потребуют клиенты, а некоторые из них могут быть удешевлены за счет технических инноваций. Однако структура затрат долгое время способствовала замене большего количества материала меньшим количеством рабочей силы, поэтому у предприятий относительно мало стимулов для перехода к материальной эффективности, если этого не требуют клиенты или политика.Хотя «идеальная» политическая инициатива, основанная на ценообразовании за внешние эффекты выбросов, была бы привлекательна для политиков, она может оказаться неэффективной для продуктов (где в затратах преобладает труд, а не энергия), и пока нет никаких указаний на то, что правительства могут принять такие меры. Несомненно, тем, кто стремится к эффективности использования материалов, есть чему поучиться из истории регулирования энергоэффективности, и повторяющаяся корректировка существующих нормативных требований может создать значительные стимулы для повышения эффективности использования материалов.Например, в краткосрочной перспективе корректировка политики в отношении строительства и планирования имеет значительный потенциал для снижения общих требований к материалам, связанным со зданиями, хотя такое регулирование носит локальный характер, поэтому потребует многих инициатив, чтобы привести к быстрым изменениям.

Интерес к обсуждению материальной эффективности растет, и этот вопрос для дискуссионного собрания направлен на стимулирование более широкого взаимодействия по всему спектру задействованных дисциплин, но для того, чтобы осуществить это на практике, требуется лидерство.Особый приоритет в настоящее время, обозначенный Крамер [45] в ее предложении о том, что инновационные эксперименты должны способствовать смене режима, — это найти «ведущих пользователей», которые благодаря личной мотивации или ценностям бренда, связанным с экологическим лидерством, будут первыми в реализации концепции технические стратегии, описанные ранее. Параллельно с этим, материальная эффективность должна быть включена в обсуждение политики — чтобы повысить осведомленность о ее реальном потенциале и начать процесс перехода, необходимый для разработки политики, чтобы признать последствия потребления материалов.

Путь к достижению значительной физической эффективности материалов — долгий, хотя и срочный, если мы хотим достичь целей по сокращению выбросов. Длительная история торговли сыпучими (энергоемкими) материалами как недорогими товарами привела к созданию материально неэффективной системы, но это можно изменить. Призыв Стахела [54] облагать налогом ресурсы, а не труд, разительно подчеркивает масштаб изменений, необходимых для перенаправления экономической системы в сторону материальной эффективности, но, возможно, более непосредственная коммерческая мотивация возникает по аналогии, указанной Ригли [38]: промышленная революция в Великой Отечественной войне. Великобритания возникла не из-за британской добычи угля, а из-за того, что Великобритания использовала уголь для предоставления новых более ценных продуктов и услуг.Потенциально это могло бы стать источником вдохновения для руководителей предприятий и политиков, чьи решения определяют использование материалов: будущее экономическое благополучие может в гораздо большей степени зависеть от ценности, создаваемой материалами, чем от торговли ими как товарами, и погоня за этой ценностью будет неизбежно совпадают с погоней за материальной эффективностью.

Благодарности

J.M.A. поддерживается стипендией Leadership Fellowship, предоставленной Советом по инженерным и физическим наукам Великобритании (EPSRC), ссылка EP / G007217 / 1, и авторы благодарны команде WellMet2050, задействованной в этом гранте, за многие конструктивные предложения по этой статье.Авторы также чрезвычайно благодарны Королевскому обществу за выбор и проведение этого дискуссионного собрания, в частности Рэйчел Фрэнсис за организацию встречи и Сюзанне Эбботт за управление этим специальным выпуском.

Ссылки

предоставляет материальные услуги с меньшим объемом материального производства

Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 13 марта 2013 г .; 371 (1986): 20120496.

Джулиан М. Олвуд

¹ Технический факультет Кембриджского университета, Трампингтон-стрит, Кембридж CB2 1PZ, Великобритания

Майкл Ф. Эшби

¹ Технический факультет Кембриджского университета, Трампингтон-стрит, Кембридж CB2 1PZ, UK

Тимоти Г. Гутовски

² Департамент машиностроения, Массачусетский технологический институт, 77 Массачусетс-авеню, Кембридж, Массачусетс 02139-4307, США

Эрнст Уоррелл

³ Исследования в области инноваций, Утрехтский университет, Гейдельберглан 2, 3584 CS Утрехт, Нидерланды

¹ Технический факультет, Кембриджский университет, Трампингтон-стрит, Кембридж CB2 1PZ, Великобритания

² Кафедра машиностроения Массачусетского технологического института , 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA 02139-4307, USA

³ Департамент Исследования в области окружающей среды и инноваций, Утрехтский университет, Гейдельберглан 2, 3584 CS Утрехт, Нидерланды

Abstract

Эффективность использования материалов, как обсуждалось в этом вопросе совещания, влечет за собой реализацию технических стратегий, бизнес-моделей, предпочтений потребителей и политических инструментов, которые привели бы к значительному сокращению производства больших объемов энергоемких материалов, необходимых для доставляют человеческое благополучие. Этот документ, который представляет проблему для обсуждения на тему эффективности использования материалов, призван дать обзор современного мышления по этой теме, охватывающего вопросы экологии, инженерии, экономики, социологии и политики.Мотивы эффективности использования материалов включают снижение спроса на энергию, сокращение выбросов и других воздействий промышленности на окружающую среду, а также повышение национальной безопасности ресурсов. Есть много технических стратегий, которые могут привести к этому, и они, в основном, могут быть реализованы сегодня, если заказчики или производители предпочтут. Однако нынешние экономические структуры благоприятствуют замене рабочей силы материалами, а предпочтения потребителей в отношении потребления материалов сохраняются даже после того момента, когда рост потребления обеспечивает любое повышение благосостояния.Следовательно, потребуется политика, стимулирующая материальную эффективность. Теоретически идеальная мера политики, такая как цена на углерод, должна учитывать внешние эффекты выбросов, связанных с материальным производством, и, таким образом, напрямую мотивировать изменения. Однако реализация такой меры оказалась труднодостижимой, и вместо этого корректировка существующей политики государственных закупок или существующих нормативных актов — например, касающихся проектирования зданий, планирования или стандартов транспортных средств — скорее всего, даст более немедленный эффект.

Ключевые слова: материальная эффективность, промышленные выбросы, энергоэффективность, потенциал смягчения

1. Введение

Это дискуссионное собрание, посвященное философским трудам Королевского общества A является результатом собрания, проведенного в Королевском обществе в Лондоне, Великобритания, 30–31 января 2012 года. Предложение о проведении этой встречи возникло в результате подготовки настоящих авторов «Материальной эффективности: Белая книга» [1], которая была написана с целью изучения территории и надежды чтобы стимулировать интерес.Дизайн встречи был явно междисциплинарным и был направлен на то, чтобы сделать выводы из экономики, социологии, дизайна и политики, а также из экологического или технического анализа, в ответ на вопросы, поднятые в Белой книге. Этот обзорный документ структурирован так, чтобы представить краткое изложение Белой книги и показать, как 15 документов, представленных на встрече, и другая работа, появившаяся в академической литературе за последние 2 года, продвинули эту тему вперед.

Аргумент Белой книги состоит в том, что с ростом населения и увеличением благосостояния спрос на добычу и переработку материалов, вероятно, удвоится в следующие 40 лет.Воздействие на окружающую среду требуемой обработки станет критическим. В частности, промышленный сектор обеспечивает почти треть мирового спроса на энергию, причем большая часть этой энергии используется для производства сыпучих материалов. Эта потребность в энергии будет расти с увеличением спроса на материалы и повышением энергоемкости производства по мере снижения концентрации руды. Большая часть энергии производится за счет сжигания ископаемого топлива, поэтому переработка материалов является основным фактором выбросов углерода и, следовательно, изменения климата.Однако будут существенные ограничения для будущих улучшений эффективности процессов, потому что затраты на энергию уже привели ключевые процессы к их техническим пределам [2]. Следовательно, ключевым компонентом реакции человечества на глобальное потепление должно быть производство меньшего количества нового материала. Для некоторых материалов эта цель может быть достигнута за счет увеличения объемов вторичного использования, что является основной целью дискуссий вокруг фразы «экономика замкнутого цикла», хотя это ограничивается доступностью лома или материалов с истекшим сроком службы, а также множеством связанных с этим практических трудностей. со сбором, сортировкой и разделением [3].

Однако, помимо повышения энергоэффективности и вторичного использования, мы могли бы также снизить нашу общую потребность в материалах, следуя идее «эффективности использования материалов», которая заключается в продолжении предоставления услуг, связанных с использованием материалов, с сокращением общего объема производства. нового материала. Этого можно достичь с помощью многих технических стратегий, включая поддержание существующих продуктов в течение более длительного времени, их более интенсивное использование, повторное использование компонентов из нежелательных продуктов или разработку продуктов с меньшим количеством материалов за счет облегченной конструкции или дематериализации.Существуют экономические, коммерческие, нормативные и социальные причины, по которым эти стратегии не были реализованы до настоящего времени, хотя потенциально они могут быть преодолены с помощью политики, новых бизнес-моделей или выбора потребителя.

2. Мотивы для повышения эффективности использования материалов

Снижение требований к производству нового материала приведет к снижению темпов добычи природных ресурсов, снижению спроса на энергию, сокращению выбросов и другого вреда для окружающей среды и потенциально имеет политические преимущества на национальном уровне за счет предложения сокращенных зависимость от импорта и рост самообеспеченности.Тем не менее, основная мотивация для изучения эффективности использования материалов в этом вопросе дискуссионного собрания проистекает из его потенциала в качестве стратегии сокращения выбросов: производство материалов является энергоемким и уже в значительной степени энергоэффективным. Есть еще возможности для повышения эффективности, но их недостаточно для достижения очень амбициозных целей по сокращению выбросов, предложенных учеными-климатологами. Следовательно, если не существует меньше материалов-заменителей CO ₂ с сопоставимыми характеристиками, доступных в сопоставимых количествах, или если новый источник энергии с низким содержанием углерода не заменяет использование ископаемого топлива, или если CO ₂ не может быть безопасно улавливаться и храниться, стремление к сокращению промышленных выбросов может быть преобразовано в цель сократить наши общие потребности в производстве материалов.Обзор опубликованных анализов интенсивности выбросов (выбросы на тонну произведенного материала) пяти материалов с наибольшим выбросом (сталь, цемент, пластик, бумага и алюминий), которые уже были предметом 100-летних усилий по улучшению, мотивированных затратами, предполагает что они могут в дальнейшем улучшить самое большее примерно на 25-40% [2]. Gutowski et al. [4] с использованием оценок будущих технических инноваций как в первичном, так и в вторичном производстве и с учетом увеличения вклада вторичной переработки, прогнозирует немного больший потенциал улучшения до 50 процентов.Это позволило бы удвоить производство материалов в мире без увеличения выбросов, что было бы выдающимся достижением. Однако ученые-климатологи (например, через Межправительственную группу экспертов по изменению климата [5], таблица 3.10, стр. 229) и вытекающие из этого политики [6] предполагают, что мы должны достичь абсолютного сокращения выбросов не менее чем на 50 процентов к 2050 году, несмотря на это ожидается удвоение спроса.

Очевидным первым ответом на этот вызов является изучение вариантов сокращения выбросов при одновременном удовлетворении рыночного спроса на материалы за счет энергоэффективности и эффективности процессов.Эта амбиция уже вызвала большой интерес к поиску четырех основных вариантов:

• — Увеличение объемов вторичного использования: вторичное использование металлов, бумаги и некоторых пластмасс позволяет сэкономить энергию по сравнению с производством новых материалов из руды, биомассы или нефти. Однако, помимо технических проблем, связанных с рециркуляцией [3], потенциал рециркуляции для сокращения промышленных выбросов ограничен объемом материала, доступного для рециркуляции. Даже если бы идеальный сбор был возможен, доступность материала из продуктов с истекшим сроком службы ограничивается временной задержкой между начальным производством и последующим списанием продуктов [7]: в то время как общий спрос растет, замкнутый цикл или «круговой» материальная экономия невозможна.Таким образом, прогнозирование потенциального воздействия переработки зависит от анализа будущих потребностей и существующих запасов. Это привело к появлению литературы по анализу запасов материалов, в том числе запасов стали в различных странах [8], стали в строительном фонде [9] и материалов в жилищном строительстве [10]. Свидетельства того, что потребность в на душу населения и потребности в запасах стали составляет около 10 тонн на человека [8], свидетельствует о том, что развитые экономики, такие как Великобритания, могли бы реально использовать замкнутый цикл производства стали, в то время как развивающиеся страны, такие как Китай и Индия, не могут этого сделать до тех пор, пока их запасы еще больше выросли.

• — Замена материалов: Эшби [11] предоставляет доказательную базу для изучения возможности использования материалов, отличных от тех, которые обычно используются сегодня. Помимо свойств материала, замещение зависит от наличия достаточных объемов материала — и, поскольку в настоящее время мы производим 200 кг стали и 400 кг цемента ежегодно на каждого человека, живущего на планете [12], похоже, что этот камень и древесина — единственные жизнеспособные заменители цемента и стали, если судить как по характеристикам собственности, так и по доступности.Однако эти два материала значительно сложнее использовать, поэтому в целом мы можем сделать вывод, что нет никаких существенных возможностей для замены объемных конструкционных материалов, производство которых доминирует в показателях промышленного спроса на энергию.

• — Энергетика с использованием низкоуглеродной электроэнергии: Маккей [13] исследует потенциал низкоуглеродного энергоснабжения из возобновляемых источников и показывает несколько вариантов обеспечения британской промышленности возобновляемой электроэнергией. Ни один из этих вариантов не является легким — из-за большого масштаба внедрения, необходимого для возобновляемых источников энергии (Маккей отражает это, давая оценки общей необходимой площади земли) или из-за большого количества требуемых атомных электростанций.Однако проблема еще хуже, потому что промышленность является лишь одним из трех основных секторов конечного спроса на энергию (два других — использование зданий и использование транспортных средств), и эти сектора также надеются использовать низкоэнергетические ресурсы. поставки углеродной электроэнергии в будущем. Более того, политические и инфраструктурные проблемы, связанные с осуществлением столь крупномасштабных изменений в нашей системе энергоснабжения, являются сложными. Смил [14] описывает относительно медленную трансформацию энергетических систем из-за сложного планирования и нормативно-правового регулирования, необходимого для внесения изменений в инфраструктуру снабжения.Помимо этого аргумента о скорости реализации, Fouquet & Pearson [15], представляя специальный выпуск по теме переходов, признают, что, в отличие от прошлых энергетических переходов, долгожданный переход к низкоуглеродной энергии может не показать частных выгод для производителя. и потребитель, который прошел через переходный период. Литература по трансформациям предполагает, что было бы очень рискованно полагаться на единственное техническое «исправление», не исследуя альтернативы, включая материальную эффективность.

• — Улавливание и хранение углерода: улавливание и хранение углерода промышленных выбросов также технически возможно, но хотя несколько технологий отделения CO ₂ от других газов в настоящее время хорошо отработаны (Meijer et al. [16] описывают варианты отделения CO ₂ от других газовых потоков в сталеплавильном производстве), даже первый крупномасштабный демонстрационный проект комбинации улавливания и хранения еще далеко. Эта технология также, вероятно, будет дорогостоящей: потенциально одна треть мощности традиционной электростанции потребуется для управления процессом. (Сатре и Масанет [17] в обзоре современной литературы по этому вопросу сообщают, что энергетический штраф за улавливание CO ₂ , определяемый как процентное снижение выработки электроэнергии на единицу входящего топлива, колеблется от 12% до 48%). %.) Следовательно, как и в случае стремления к низкоуглеродной электроэнергии, этот подход нельзя рассматривать как единственное безопасное решение для промышленной декарбонизации.

Эти четыре подхода вызвали значительный интерес, но, хотя пределы их реализации в течение следующих четырех десятилетий невозможно предсказать с точностью, кажется крайне маловероятным, что только эти меры позволят вдвое сократить выбросы за этот короткий период, в то время как удваивается объем производства материала. Следовательно, стратегии материальной эффективности — предоставление материальных услуг при меньшем общем материальном производстве — должны стать частью портфеля вариантов снижения промышленных выбросов CO ₂ .

Мотивация к достижению эффективности использования материалов в качестве стратегии снижения выбросов в равной степени применима ко многим другим экологически вредным воздействиям производства, включая выбросы других парниковых газов и выброс твердых частиц, кислот и других токсичных веществ в воздух, почву и воду: многие Эти проблемы возникают на наиболее энергоемких этапах производства, поэтому сокращение общих объемов производства материалов снизит их влияние. Однако в этом выпуске дискуссионного собрания также сообщается о двух других мотивах.Во-первых, Эйрес и Таленс Пейро [18] исследуют потенциальную важность эффективности использования материалов в дискуссиях о редких и критических металлах: скорость, с которой металлы становятся критическими, явно снизилась бы, если бы стратегии эффективности использования материалов применялись для снижения спроса на новую продукцию. Проблема критичности привлекала значительное внимание в последние 5 лет, но остается спорной областью: Erdmann & Graedel [19] рассматривают несколько методологий для определения «критичности», и остаются сомнения в том, существует ли значительный риск абсолютного дефицита или Неважно, заключается ли проблема в том, что по мере исчерпания месторождений высококачественной руды потребуется больше энергии для извлечения критических металлов из менее качественных руд.Айрес и Таленс Пейро [18] обсуждают последствия появления критических металлов в основном как «попутчики» по отношению к обычным металлам-аттракторам, таким как железо или медь, в частности при отключении цены и поставок, а также анализируют текущие приложения и процессы переработки. В настоящее время, помимо драгоценных металлов, таких как золото и платина, уровень переработки критических металлов очень низок: Graedel et al. По оценке [20], в большинстве случаев они составляют менее 1%, в основном потому, что эти металлы используются для легирования (поэтому их трудно разделить) или диспергированы в продуктах, в которых они используются только в очень малых количествах (поэтому их трудно выделить). собирать).Стремление к эффективности использования материалов при разработке продуктов, содержащих эти критические металлы, может способствовать более эффективному использованию в течение более длительных периодов времени, а также новым подходам к проектированию для разделения в конце срока службы продукта.

Во-вторых, Vasara et al. [21] обсуждают более общий феномен, чем сочетание «критических» и «энергетических» проблем, обнаруженных Эйресом и Таленсом Пейро. Развитие биотоплива в качестве альтернативы мазуту явно зависит от (крупномасштабного) наличия плодородных земель и пресной воды для орошения.Точно так же преобразование угля в жидкое топливо требует воды, и большинство средств для преодоления нехватки воды требуют увеличения энергозатрат. Vasara et al. [21], таким образом, описывают то, что они называют «конвергенцией ресурсов», признавая, что многие ресурсные стрессы и реакции на эти стрессы связаны с стрессами и реакциями на другие ключевые ресурсы (включая энергию, воду, землю, металлы, химические вещества и биомассу). . Следовательно, эффективность использования материалов, вероятно, станет приоритетной стратегией в более широкой области реагирования на нехватку ресурсов, помимо энергии и выбросов.

Где Vasara et al. [21] сосредотачиваются на связях между ключевыми материалами, такими как сталь и цемент, с другими системами ресурсов, Lifset и Eckelman [22] обсуждают роль этих ключевых материалов как компонентов в сложных многоматериальных продуктах. Они рассматривают мотивацию исследования материальной эффективности, спрашивая, на каком уровне принятия решений она, скорее всего, будет ценной. Для тех, кто стремится определить политику или общую корпоративную стратегию, идеи материальной эффективности предлагают новый набор стратегий при обсуждении политики промышленных выбросов.Тем не менее, для разработчиков индивидуальных и многоматериальных продуктов эффективность использования материалов, хотя и обеспечивает руководство по разумным стратегиям, не может применяться вслепую, поскольку полное воздействие выбора дизайна на окружающую среду будет зависеть от относительной экологической интенсивности различных материалов и взаимодействия между ударами при производстве и при использовании. Это хорошо известные проблемы мышления «жизненного цикла», которое рассматривает компромиссы при выборе дизайна продукта в течение срока его службы.Например, более широкое использование возобновляемых источников энергии может в краткосрочной перспективе оправданно увеличить спрос на определенные материалы по мере строительства инфраструктуры. Gutowski et al. [23] обсуждают этот вопрос с подробными данными для 25 различных продуктов, спрашивая, покажет ли восстановление старых продуктов чистую выгоду по сравнению с заменой их новыми продуктами — по сути, исследуя компромисс между воплощенной в продуктах энергией и требуемой энергией. во время их использования.Результаты показали, что восстановление производства было выгодной стратегией для продуктов с низким энергопотреблением или низкими темпами усовершенствования технологий, но неэффективным, когда технические улучшения позволяли более эффективно использовать продукт. Интлекофер и др. [24] сообщают об аналогичных результатах исследований бытовой техники и компьютеров. Поэтому для разработчиков продуктов применение стратегий материальной эффективности должно соответствовать конкретному контексту.

3. Технические возможности для повышения эффективности использования материалов

В «Белой книге» определены четыре широкие стратегии для повышения эффективности использования материалов, число которых здесь увеличено до шести [12]:

• — Облегченная конструкция: Carruth et al. [25] разработал набор технических принципов для проектирования легких продуктов, а затем протестировал их на пяти коммерческих примерах с подробной оценкой в ​​рамках текущей цепочки поставок. Их данные свидетельствуют о том, что в среднем одну треть всего использования материалов можно было бы сэкономить, если бы конструкции продуктов были оптимизированы для использования материалов, а не для снижения затрат, потому что в затратах на последующее производство (и проектирование), как правило, преобладают затраты на рабочую силу, а не на материалы. Кроме того, производители мотивированы использовать излишки материала из-за асимметрии затрат на отказ продукта по сравнению с затратами на превышение спецификации, а также из-за того, что многие продукты испытывают более высокие нагрузки перед использованием (при установке или транспортировке), чем при использовании. .

• — Снижение потерь урожая: отдельные производственные компании обычно уверены в том, что их управление потерями урожая (обычно измеряемое как разница между массой закупленного материала и массой материала, который в конечном итоге используется в продукции) находится под контролем. Однако Milford et al. [26] сообщают о серии тематических исследований, в которых изучаются потери урожая по всей цепочке поставок — от жидкого металла до конечной продукции — и демонстрируются чрезвычайно высокие накопленные потери.В частности, для товаров, изготовленных из листового металла, примерно половина всего жидкого металла становится ломом (который затем в большинстве случаев перерабатывается) на пути к конечному продукту. Наихудшие потери произошли при вырубке (10% для листового металла, аналогичные потери наблюдались в полиграфической и упаковочной промышленности) и обрезке после штамповки (15–30%), и, похоже, им не уделялось должного внимания. Новые технологии потенциально могут решить эти проблемы. Например, в швейной промышленности листы ткани перед сшиванием разрезаются лазером на куски, что позволяет улучшить мозаику и снизить потери урожая [27].При правильном развитии технологии легкий дизайн может сочетаться с уменьшенными потерями урожая. Например, новая технология прокатки двутавровых балок переменного сечения для использования в строительстве позволяет создавать балки, используя на треть меньше металла, чем стандартные двутавровые балки, обеспечивая идентичные услуги, но без дополнительных потерь при выходе [28]. Это богатая область для дальнейших инноваций.

• — Отвод производственного брака: следствием высоких потерь выхода продукции при вырубке в настоящее время является то, что остаточный «скелет» листа может — при правильном управлении — использоваться в качестве источника для дальнейших меньших заготовок.Allwood et al. [12] сообщают о тематических исследованиях предприятий, которые выполняют эту задачу и имеют больший спрос, чем можно удовлетворить при наличии имеющегося предложения. Это ограниченная возможность, и она будет уменьшена, если будут введены более эффективные процедуры гашения, поэтому не является целевой областью для дальнейшего исследования. Что касается алюминиевого лома, то особая возможность его перенаправления стала возможной благодаря технологии твердого склеивания, позволяющей переработать стружку путем экструзии без плавления [29].

• — Повторное использование компонентов: обычно, когда владельцы решают заменить продукты, решение принимается только на основании характеристик нескольких компонентов в продукте, поэтому оставшиеся можно использовать повторно.Ярким примером этого являются здания со стальным каркасом, где сталь не ухудшается при использовании, а замена здания обычно обусловлена ​​изменением требований пользователей или политикой планирования: некоторые здания были построены из повторно используемой стали [30], но они остаются редкими. Чтобы изучить возможность повторного использования в качестве стратегии повышения эффективности использования материалов, Cooper & Allwood [31] создает каталог всех текущих продуктов из стали и алюминия и проводит экспертные интервью о возможности повторного использования компонентов для каждого типа продукта. .Их результаты показывают, что около 30 процентов всех компонентов по массе могут быть повторно использованы по окончании срока службы продукта, что открывает новые возможности для строительства, крупногабаритных транспортных средств и промышленного оборудования. Пока что повторное использование является редкостью из-за несовместимости между прошлыми и настоящими конструкциями, а также относительно высокой стоимости разборки продукта и управления использованными компонентами.

• — Продукты с более длительным сроком службы: обеспокоенность общественности по поводу «одноразового общества» вызвала много дискуссий, но пока мало действий.Купер [32] представляет 17 статей, в которых исследуется, почему это так с потребительскими товарами, но большинство материалов используется в строительстве, оборудовании или транспортных средствах, и этой области уделялось мало внимания. Стальные изделия чаще всего заменяются из-за того, что часть критических компонентов вышла из строя. На эти критические компоненты обычно приходится небольшая доля массы стали в продукции, и потенциально продукция могла бы использоваться дольше, если бы эти компоненты были заменены [12].

• — Более интенсивное использование: обширная работа в области «систем обслуживания продуктов» направлена ​​в основном на изучение коммерческих возможностей лизинга, а не продажи товаров, и потенциально это может иметь экологические преимущества в виде сокращения общего числа товаров (и, следовательно, требований к материальному производству), необходимых для предоставления требуемого уровня обслуживания.Однако Туккер [33], размышляя о сетевой активности в Европейском Союзе (ЕС) в этой области, сообщает лишь о незначительных выгодах из-за изменения поведения пользователей с различными договорами собственности. Пока нет данных о том, как более интенсивное использование продукта может снизить потребность в материалах. Однако интересной бизнес-моделью, направленной на обеспечение энергоэффективности, является модель «энергосервисных компаний» (ESCos), которые, например, могут взимать с арендаторов зданий плату за предоставление энергетических услуг (таких как тепло и свет), а не за коммунальные услуги.Таким образом, прибыль ESCo зависит от сокращения закупок энергии при обеспечении требуемого уровня обслуживания — например, за счет интеллектуального переключения света и улучшенной изоляции. (Соррелл [34] описывает эти компании и исследует условия, в которых они будут привлекательны для клиентов.) Таким образом, у этих компаний есть четкая мотивация для получения прибыли, чтобы развивать навыки и внедрять соответствующие технологии для снижения затрат на покупку энергии. Потенциально некоторые материальные услуги могут быть предоставлены аналогичным образом [35].

Каждая из этих стратегий заслуживает дальнейших исследований, чтобы определить объем их потенциала смягчения и найти средства для преодоления современных препятствий на пути их реализации. Особенностью технического стремления к повышению эффективности использования материалов является то, что шесть вышеперечисленных стратегий могут противоречить друг другу, и три таких конфликта требуют дальнейшего изучения:

• — Оптимизация массы компонента за счет облегченной конструкции может препятствовать повторному использованию компонента в будущем, если архитектура, в которой используется компонент, не стандартизирована, и может препятствовать использованию в течение более длительного срока службы, если оптимизация препятствует будущим изменениям использовать.

• — Снижение потерь урожая сокращает доступность лома для перенаправления или переработки. Таким образом, эта стратегия действительно экономит энергию, но менее эффективна, чем стремление к облегченной конструкции или продлению срока службы продукта, поскольку она снижает как предложение, так и спрос на материалы, протекающие через (менее энергоемкие) вторичные производства.

• — Поддержание использования энергопотребляющего продукта в течение более длительного срока может отсрочить возможность внедрения технологических усовершенствований, которые приведут к снижению потребности в энергии при использовании.Этот компромисс был предметом нескольких исследований (в том числе [23,24], упомянутых выше), которые рассматриваются Скелтоном и Оллвудом [36], которые развивают модель совокупных энергетических последствий владения продуктом. Используя ряд предположений относительно характеристик продукта и типичных сроков выхода продукта из строя, они показывают, что ранняя замена может вызвать такое же избыточное потребление энергии, как и отсроченная замена.

4. Экономика и эффективность материалов

Ключевым компонентом экономического обсуждения эффективности energy было рассмотрение «эффекта отскока», также известного как парадокс Джевонса [37]:

Предположение о том, что экономичное использование топлива эквивалентно уменьшенному расходу, является полной путаницей.Совсем наоборот.

Другими словами, если технологические усовершенствования позволяют выполнять некоторые функции с уменьшенным потреблением энергии, стоимость функции снижается, поэтому стимулирование повышенного спроса и, как следствие, общие потребности в энергии не уменьшаются. Джевонс сделал это заявление на основе своего анализа британского использования угля в девятнадцатом веке, а Ригли [38] устанавливает это в контексте, описывая саморегулирование «органической экономики» в Великобритании до ее зависимости от угля: без угля, единственный источник доступной энергии — фотосинтез, поэтому биомасса требовалась для производства продуктов питания, топлива и материалов.Таким образом, производство железа было ограничено по своей природе, так как требовалось большое количество биомассы для производства энергии, и, когда наиболее продуктивные земли находились под управлением, это могло быть обеспечено только за счет сокращения количества продуктов питания и других материалов. Таким образом, рост населения сдерживался (или в конечном итоге будет предотвращен) пределами общей чистой первичной продуктивности земли. Эта точка зрения обеспечивает полезный контекст для обсуждения материальной эффективности — и подобное саморегулирование могло бы произойти, если бы поставки руды и минералов были в равной степени ограничены.Однако, как обсуждалось выше, проблемы материального производства заключаются не в том, что мы сталкиваемся с ограничениями на входе, а в том, что нежелательные результаты производства — в частности, выбросы CO ₂ — создают нагрузку на пропускную способность естественных стоков Земли. Обратная связь об ограничении ресурсов в органической экономике была мгновенной — нехватка продовольствия в любой год немедленно сказывалась бы на всем населении. Однако обратная связь глобального потепления имеет относительно долгую временную задержку, и ключевой проблемой в реализации материальной эффективности является сегодня экономическое обоснование действий, которые принесут пользу населению в будущем.

Слово «эффективность» всегда относится к соотношению, но может иметь несколько различных определений, и это приводит к значительной путанице при изучении экономических последствий стратегий, нацеленных на эффективность. По замыслу авторов этой статьи, «материальная эффективность» — это физическая мера — сколько тонн материала требуется для предоставления определенного уровня конечных услуг, таких как пассажирский транспорт или подходящее пространство для работы и проживания. Однако в экономике знаменателем показателей эффективности обычно являются деньги — сколько материала требуется для получения каждой денежной единицы дохода или валового внутреннего продукта (ВВП).Таким образом, экономисты отождествляют повышенное потребление материалов и энергетических услуг с повышением экономического благосостояния, при этом физическая точка зрения состоит в том, что благосостояние возникает из услуг, предоставляемых энергией и материалами, а не их потребления как такового . Уравнение (4.1) связывает эти две меры с помощью третьего отношения, которое представляет собой цену, которую потребители готовы платить за материальные услуги,

4,1

Цель физического определения эффективности использования материалов состоит в том, чтобы привлечь внимание к физическим ресурсам, необходимым обществу, которые, в свою очередь, определяют промышленные выбросы, возникающие в результате производства.Цель экономического определения — связать материальный спрос с другой экономической деятельностью и мотивациями. Однако уравнение (4.1) демонстрирует, что экономическая эффективность материалов вполне может повыситься (для уменьшения коэффициента), в то время как требования к физическим материалам останутся неизменными или даже увеличатся, если стоимость услуги, предоставляемой материалами, возрастет. Следовательно, стремление к экономической эффективности материалов не может привести к какому-либо снижению экологических последствий промышленного производства, и, в худшем случае, экономическое определение может быть использовано для создания полностью искусственного впечатления « разделения » экономической и физической активности: Если богатые страны, такие как Великобритания, будут проводить политику по сокращению производства и производства материалов на суше, они, очевидно, продемонстрируют переход к экономике, в большей степени ориентированной на услуги, их экономическая эффективность использования материалов, очевидно, улучшится, а выбросы CO ₂ на суше, очевидно, сократятся.Чтобы проиллюстрировать это, Wiedmann et al. [39] демонстрируют быстрое расхождение между выбросами в Великобритании, указанными в Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата (на основе производства), и выбросами в результате потребления с 1990 года: выбросы в Великобритании в настоящее время более чем на 30 процентов превышают сообщила производственные данные. Эта разница полностью связана с морским производством и производством материалов, необходимых для удовлетворения физических потребностей потребления в Великобритании. Таким образом, любое зарегистрированное повышение эффективности использования материалов в Великобритании, измеренное с помощью экономического коэффициента, может скрыть истинное ухудшение физической эффективности использования материалов в Великобритании.Дэвис и др. [40] продемонстрировал, что это явление не ограничивается Соединенным Королевством, и сообщил о торговом балансе CO ₂ для 11 стран, убедительно подтверждая вывод о том, что производственные данные являются плохим индикатором воздействия страны на окружающую среду. .

Еще одно осложнение, связанное с различием между экономическими и физическими показателями эффективности использования материалов, возникает, когда слово «материал» используется для описания промежуточных затрат на производство, а не физических материалов.Баптист и Хепберн [41] сформулировали это различие следующим образом:

Инженеры и ученые, как правило, определяют «материалы» как физические ресурсы, такие как железная руда и сталь, часто измеряемые в единицах массы. Напротив, экономисты часто не делают различий между агрегированными «материалами» и другими промежуточными затратами, отчасти потому, что бывает трудно отличить «сырье» от других обработанных физических компонентов — даже такие материалы, как хлопок и древесина, требуют труда и капитала. произведено.

Баптист и Хепберн приступают к экономическому определению и, подгоняя производственные функции к данным, относящимся к широкому набору производственных секторов в США, демонстрируют, что фирмы с более низкими « материальными » (промежуточными) затратами имеют более высокую совокупную факторную производительность ( ту часть выпуска, которую невозможно объяснить после учета применения определенных затрат, включая капитал и рабочую силу). Этот анализ — первый, который мы обнаружили для изучения эффективности использования материалов в экономической литературе — зависит от экономического определения понятия «материал» и, например, показывает, что консультационные услуги по проектированию с небольшими промежуточными затратами имеют большую общую факторную производительность, чем сборочная линия с многие.В этом содержится интересный политический посыл, подтверждающий логику «разделения», согласно которой более трудоемкие предприятия имеют меньшее материальное воздействие. Однако это сообщение следует интерпретировать осторожно, потому что получатели этих производительных услуг будут продолжать тратить свой доход на материальные товары, которые необходимо где-то производить. Кроме того, промежуточные затраты для отдельных фирм сами по себе являются выпусками других фирм, и, в конечном итоге, все промежуточные расходы конвертируются в заработную плату, налоги и прибыль, как только будет учтено достаточное количество операций.Разрыв связей в этой цепочке транзакций — один из вкладов в материальную эффективность, который возможен благодаря анализу затрат-выпуска. Хэннон [42] резюмирует работу своей группы в Иллинойсе, используя этот подход в 1970-х годах. Анализ проводится путем дезагрегирования национального энергопотребления по секторам, представленным в экономической таблице затрат и выпуска, либо в идеальном случае путем прямого отраслевого анализа закупок и использования энергии, либо, как правило, при допущении, что потребление энергии внутри сектора строго пропорционально денежный поток.(Это явно серьезное предположение, когда цены на энергию могут варьироваться независимо от количества закупаемой энергии, цены могут быть разными для разных секторов и так далее.) Затем используется обратное значение Леонтьева, чтобы возложить ответственность за потребление энергии на конечный спрос. Этот подход можно использовать для оценки энергетических последствий различных средств достижения одной и той же цели — например, противопоставление использования одноразовых или многоразовых контейнеров для напитков.

Упрощенное предположение о линейности — денежные потоки и использование энергии всегда пропорциональны — сильно влияет на выводы, которые можно сделать из этой формы анализа.На агрегированном уровне предположение имеет тенденцию предполагать, что основным способом сокращения национального энергопотребления является сокращение общего национального дохода, потому что меры по повышению эффективности в одном секторе высвободят дополнительные расходы в другом, и аналогично потому, что структурные изменения (увеличение активности в одном секторе , меньше в другом) будет иметь меньший эффект, чем ожидалось, поскольку доход в одном секторе превращается в расходы в другом. На индивидуальном уровне это допущение создает трудности для одного человека, стремящегося уменьшить свой «энергетический след»: выбор покупки менее энергоемких товаров имеет меньший эффект, чем ожидалось, потому что люди должны каким-то образом тратить свои деньги, поэтому они останутся в силе. экономики, и будут «повторно израсходованы» поставщиками этих товаров, которые в среднем будут следовать национальным предпочтениям в отношении энергоемких товаров.Этот аргумент будет точно отражен в эквивалентном анализе материалов. Технические стратегии, изложенные в предыдущем разделе, нацелены на снижение «материалоемкости» производственного и строительного секторов — и можно использовать анализ затрат-выпуска, чтобы продемонстрировать, как это изменит затраты и, следовательно, повлияет на спрос, хотя это должно учитывать трансграничную взаимосвязь — чтобы избежать иллюзий производственного учета, продемонстрированного выше [39]. Есть возможность для ценных исследований в этой области.

В рамках анализа затрат-выпуска, если бы все обрабатывающая промышленность, строительство и сталелитейная промышленность рассматривались как единый сектор, национальная экономика не пострадала бы от побочного эффекта от перехода к эффективности использования материалов (за вычетом производства стали в данном случае ), если объединенный сектор обеспечил такой же общий объем производства, с тем же вкладом в занятость, налоги и прибыль и с такими же потребностями для прочего промежуточного потребления. Это гипотетическое требование является основой для предварительного изучения перехода к эффективности использования материалов в черной металлургии Великобритании [43].Потребление стали в Великобритании в настоящее время составляет около 530 кг стали на человека в год и должно быть сокращено до 160 кг на человека в год, чтобы соответствовать требованиям Закона Великобритании об изменении климата [6]. Для четырех продуктов из тематических исследований технические стратегии, описанные выше, предоставляют достаточные возможности для предоставления аналогичных услуг в рамках этого требуемого сокращения для стали [43]. То, как сегодня доставляются стальные товары, требует рабочей силы, в основном для создания новых товаров в производстве или строительстве, и потенциально этот труд может быть повторно использован для технического обслуживания, обслуживания, модернизации и передачи существующих товаров, а не для производства заменяющих товаров. .Для изучения экономического потенциала и последствий этого повторного развертывания требуется подробный анализ, но он будет осуществлен быстро, если потребители или производители предпочтут его, и в будущем может быть разработана государственная политика, поддерживающая это предпочтение.

5. Социология и эффективность использования материалов

В условиях кризиса индивидуальное поведение может быстро измениться, чтобы поддержать национальную цель: в Великобритании во время Второй мировой войны домовладельцы отказались от своих железных перил, чтобы поставлять материалы для вооружения, а летом 2011 г., после цунами 11 марта того же года, японские домохозяйства добровольно снизили потребление электроэнергии на 15–20% по сравнению с предыдущим годом [44].Также формируется консенсус в отношении того, что, хотя существует четко установленная линейная корреляция между индивидуальным доходом и общими потребностями в энергии [45], за пределами определенного порога увеличение благосостояния не ведет к повышению благосостояния — например, в исследованиях Кассера [46] или Лейард [47]. Однако, несмотря на этот консенсус, существуют ли механизмы, с помощью которых отдельные лица, сообщества или общества могут предпочесть варианты материальной эффективности, в отсутствие кризиса?

Пока что оказалось трудно найти такие механизмы, без которых надежда на социальные изменения остается бесполезным «принятием желаемого за действительное», а не чем-то, что мы можем активно реализовать.Тем не менее, ценный вклад состоит в том, чтобы признать существование в настоящее время альтернатив «западному потреблению», а затем изучить, есть ли особенности других социальных структур, которые можно было бы адаптировать и принять. Урри [48] утверждает, что «ослабленное» общество должно соответствовать нескольким критериям, чтобы быть социально стабильным и привлекательным: должны быть разумные уровни благосостояния, измеряемые социальными (а не ВВП) показателями общественного здоровья; должно быть разумное социальное равенство — не слишком большой разрыв между «имущими» и «неимущими»; «герои» или «образцы для подражания» такого общества должны быть «местными», а не быть образцами высокой мобильности и потребления, как в настоящее время с западными знаменитостями; такое общество должно быть более локальным и действовать в меньшем масштабе.Урри описывает две демонстрации некоторых из этих характеристик: недавнее развитие на Кубе органического сельского хозяйства, агроэкологии, небольших рынков, рабочих кооперативов и городских садов; переход под руководством сообщества к будущему без окаменелостей в шведском городе Векшё.

В отличие от этого общественного взгляда на потребление, Харрод [49] исследует эмоциональные отношения между людьми и материалами или объектами посредством обширного опроса художников, скульпторов и писателей. Харрод обращает наше внимание на (в значительной степени утраченную) значимость материалов: от опасений Рескина по поводу того, что чугун является эмоционально пустым симулятором кованого железа ручной ковки, через эмоциональные реакции на дерево до использования потребительских отходов в качестве сырья для скульптур. и предметы, сделанные из них.Флетчер [50], стремясь подчеркнуть аналогичное сообщение, отмечает, что одежду из сети «fast-fashion» можно выбросить после одной прогулки так же дешево, как и было куплено, в то время как то, что сделал или улучшил друг во время кризиса. не может быть отброшен вообще, поскольку он стал «эмоционально устойчивым» и стал частью истории жизни человека. Эмоциональное постоянство зданий и предметов было константой многих обществ, и только при массовой доступности, создаваемой промышленным производством, она утрачивалась.Хотя работы Харрода еще не обеспечивают механизма изменений, они являются ценным указателем на материальную ценность и, как следствие, благополучие, которые были скрыты в результате массового производства.

Наследие высоко ценится в нескольких странах с более длительной историей, и в статьях Урри и Харрода есть указатели на возможность того, что общественное благосостояние, которое, по-видимому, больше не увеличивается вместе с ВВП в развитых странах, может быть увеличено с меньшими затратами. голодное общество. Пока эта возможность таит в себе опасность ностальгии — возвращение к воображаемому золотому прошлому, где люди были счастливее, но меньше потребляли.Нам не хватает видения технологически продвинутого будущего с уменьшенным потреблением: «безбумажный офис» еще не появился, несмотря на 40 лет использования персональных компьютеров, и пока у нас нет данных в поддержку (маркетинговой) концепции, согласно которой электронные книги и другие портативные устройства снижают общее воздействие на окружающую среду. Требуются дальнейшие размышления и исследования, чтобы начать разработку и преобразование таких видений в предложения к действию.

6. Политика и материальная эффективность

Цель материальной эффективности потенциально создает две проблемы для традиционных политических целей: уничтожает ли она рабочие места и отрицает ли рост? Таким образом, изучение политической заинтересованности в материальной эффективности должно дать подтверждение этим двум опасениям, а также поиск политических механизмов, которые являются политически приемлемыми.

В широком ответе на Белую книгу авторов по эффективности использования материалов Сёдерхольм и Тилтон [51] заявляют, что

Директивным органам следует выбирать меры политики, направленные на устранение соответствующих сбоев рынка (например, экологического ущерба), насколько это возможно. Обычно это означает отказ от политики, которая напрямую поощряет конкретные варианты повышения эффективности использования материалов…. Это связано с тем, что политикам заранее сложно понять, каким образом и насколько изменить производство и использование материалов.

Наиболее широко обсуждаемая такая мера — это введение «цены на углерод» или «налога на углерод» на том основании, что выбросы углерода являются «внешним эффектом», не учитываемым в ценах, поэтому соответствующее ценообразование изменит структуру затрат, так что свободный рынок находит оптимальное решение для будущего с низким уровнем выбросов углерода. (Есть также много других экологических последствий, таких как загрязнение воздуха в развивающихся странах, которые являются внешними по отношению к текущим ценам.) Это было основой для большинства международных переговоров по изменению климата до настоящего времени, но оказалось в значительной степени безуспешным: без согласия международного цена углерода, можно установить цены на углерод в более региональном масштабе, например, в схеме торговли выбросами ЕС.Однако в таких схемах могут применяться только очень низкие цены на углерод, чтобы избежать создания невозможного невыгодного конкурентного положения для отраслей в этом регионе, которые должны конкурировать на мировых рынках. Действительно, Виктор [52] утверждает, что стремление разработать универсальное, международное, юридически обязательное соглашение, которое национальные правительства затем воплотят во внутренней политике, в корне ошибочно в случае выбросов парниковых газов: такое соглашение всегда должно быть ограничено минимальным общий знаменатель приверженности, поэтому он не будет соответствовать уровню действий, необходимых для значительного изменения.Вместо этого Виктор предполагает, что прогресс более вероятен благодаря «клубам» — небольшим группам стран, возможно, связанных регионально, которые продвигают свои обязательства по снижению выбросов в ответ на действия друг друга и разделяют между собой выгоды от прогресса.

Помимо общей сложности международного соглашения, возникает конкретная проблема при рассмотрении влияния цены углерода на спрос на материалы: материалы являются промежуточным товаром и обычно составляют лишь очень небольшую часть общих затрат на производство конечных материалов. товары — например, из всех затрат на строительство типичного офисного здания со стальным каркасом покупка стали составляет около 4% [12].Доминирующими затратами при строительстве зданий и товаров является труд, поэтому даже очень высокая цена углерода будет иметь лишь относительно небольшое влияние на цену конечных товаров. Сходные структуры затрат в других отраслях означают, что у участников в конце цепочки поставок, таких как автомобильные компании, компании пищевой промышленности и клиенты строительного сектора, слабые стимулы к осуществлению мер по повышению материальной эффективности на начальных этапах производства. Цена на углерод изменила бы относительную стоимость различных материалов и, таким образом, создала бы большие стимулы для повышения эффективности использования материалов в отдельных компаниях, занимающихся разведкой и добычей, но, как обсуждалось выше, существует немного, если вообще есть, заменители сыпучих материалов, которые приводят к большей части промышленных выбросов, и такие меры в области добычи, как облегчение и повышение урожайности требуют сотрудничества в цепочках поставок [26].Следовательно, идея о том, что цена на углерод будет действовать, чтобы вызвать форму материальной эффективности, обсуждаемую в этом документе, является вдвойне маловероятной: с политической точки зрения очень маловероятно, что международная цена на углерод будет согласована; даже если бы это было согласовано, маловероятно, что это приведет к совместным усилиям во всех цепочках поставок, которые необходимы для полного использования возможностей повышения эффективности использования материалов.

Skelton & Allwood [53] используют межрегиональный анализ затрат и выпуска для изучения влияния цены на углерод на стимулы для повышения эффективности материалов в цепочках поставок пяти ключевых сталелитейных секторов.Они показывают, что структура затрат в этих цепочках поставок такова, что больше внимания уделяется снижению затрат на рабочую силу, чем снижению затрат на сталь: средние затраты на рабочую силу в 12 раз превышают затраты на сталь при производстве этих пяти продуктов. Даже высокая цена углерода мало способствует повышению приоритета стали. Что еще более важно, стимулы, предлагаемые ценой на углерод, затмеваются сдерживающими факторами к повышению материальной эффективности, вызванными налогами на рабочую силу (сочетание налогов на доход, прибыль и взносы на социальное страхование), которые сдерживают замену стали рабочей силой.Чистый результат политики, даже при высокой цене на углерод, остается стимулом к ​​замене большего количества материала на меньшее количество рабочей силы. Это противоположный эффект, который требуется для повышения эффективности использования материалов, и он подкрепляет давно высказанное Стахелом [54] предложение о том, что правительства должны переложить бремя налогообложения с возобновляемых ресурсов рабочей силы на невозобновляемые ресурсы населения. материалы и ископаемое топливо. Баптист и Хепберн [41] повторяют это предположение, но пока оно остается в значительной степени гипотетическим и не вошло в политическое мышление или реализацию.На самом деле реализация может быть чрезвычайно сложной: учитывая текущее высокое соотношение налога на рабочую силу и налогов на энергию / материалы, новый налог на материалы должен быть установлен на чрезвычайно высоком уровне для поддержания чистого государственного дохода, а это даст значительный недостаток первопроходца для отраслей в любой стране, начинающей переход.

Таким образом, представляется, что, хотя было бы предпочтительнее разработать простую политику, направленную на сбои рынка как можно точнее, в достижении этого существуют достаточные трудности, чтобы предположить, что во многих случаях другие, менее совершенные средства могут быть проще в реализации. .Правительственная политика во всех странах уже включает широко распространенные общепринятые правила, например, о разрешениях на строительство, строительных стандартах, стандартах для транспортных средств, здоровье и безопасности и так далее. Таким образом, потенциально существует гораздо более быстрое вмешательство, доступное правительствам путем корректировки существующего регулирования, а не мечтать об идеализированном, но недостижимом стимуле. Параллельно с этим правительства оказывают значительное влияние на рынки в качестве покупателей (в Великобритании на государственные закупки приходится ок.30% всего конечного спроса), поэтому изменение существующей политики закупок для стимулирования рынков для материально эффективной доставки товаров является мощным оружием, доступным для политиков. Олвуд [43] предвидит широкий спектр мер, которые могут стимулировать движение к материальной эффективности, определяя две основные особенности возможного вмешательства: там, где нет достаточного опыта реализации материальной эффективности, правительства могут действовать, чтобы стимулировать осведомленность и инновации; там, где отсутствует мотивация к внедрению материальной эффективности, правительства могут стимулировать предпочтения как бизнеса, так и потребителей.

Однако вмешательства, которые не основаны на единственной стимулирующей мере, должны применяться хорошо, чтобы быть эффективными. Уоррелл и др. . [55] приводят подробный пример политики в отношении упаковки в Нидерландах за период 1991–2012 гг., Показывающий, что до 2000 г. объемы упаковки сокращались, но после этого объемы постоянно росли. Они пришли к выводу, что это произошло в первую очередь из-за отсутствия последовательной национальной политики с течением времени, отсутствия четко определенных и контролируемых целей, отсутствия национальной государственной статистики по упаковке и неспособности сообщить о вариантах более материально эффективной упаковки.Более четкие обязательства по отчетности, особенно о массе материалов, используемых по всей стране, помогут стимулировать эффективное сокращение.

Крамер [45] дает политический взгляд на политику материальной эффективности, исследуя переходный процесс реализации, который должен произойти даже после определения согласованного политического подхода. Она подчеркивает ключевые уроки управления переходным процессом — что все участники должны быть вовлечены в процесс изменений, что изменения должны происходить на многих уровнях (например, с инновационными экспериментами, на практике, информированием об изменениях на уровне режима) с долгосрочным видением, направленным на краткосрочные срок действия — и делает вывод, что:

роль правительства не ограничивается формулированием политики с последующим предоставлением ее реализации другим субъектам.Вместо этого [правительство предполагает] постоянное взаимодействие между различными участниками в течение всего процесса реализации.

В отсутствие единой «чистой» меры политики, основанной на единственном стимуле, кажется вероятным, что политика по обеспечению материальной эффективности должна быть процессом типа, описанного Крамером, на основе долгосрочного видения (с четкую метрику, как предлагает Уоррелл) и рассчитывается с помощью обычного широкого комплекса государственных мер.

7. Обсуждение

Потребность в эффективности использования материалов в качестве компонента сокращения промышленных выбросов неизбежна, если мы хотим достичь жестких целей по сокращению выбросов.Существуют достаточные технические возможности для предоставления текущих уровней материальных услуг при значительно меньшем количестве материалов, многие из которых могут быть реализованы немедленно, если того потребуют клиенты, а некоторые из них могут быть удешевлены за счет технических инноваций. Однако структура затрат долгое время способствовала замене большего количества материала меньшим количеством рабочей силы, поэтому у предприятий относительно мало стимулов для перехода к материальной эффективности, если этого не требуют клиенты или политика.Хотя «идеальная» политическая инициатива, основанная на ценообразовании за внешние эффекты выбросов, была бы привлекательна для политиков, она может оказаться неэффективной для продуктов (где в затратах преобладает труд, а не энергия), и пока нет никаких указаний на то, что правительства могут принять такие меры. Несомненно, тем, кто стремится к эффективности использования материалов, есть чему поучиться из истории регулирования энергоэффективности, и повторяющаяся корректировка существующих нормативных требований может создать значительные стимулы для повышения эффективности использования материалов.Например, в краткосрочной перспективе корректировка политики в отношении строительства и планирования имеет значительный потенциал для снижения общих требований к материалам, связанным со зданиями, хотя такое регулирование носит локальный характер, поэтому потребует многих инициатив, чтобы привести к быстрым изменениям.

Интерес к обсуждению материальной эффективности растет, и этот вопрос для дискуссионного собрания направлен на стимулирование более широкого взаимодействия по всему спектру задействованных дисциплин, но для того, чтобы осуществить это на практике, требуется лидерство.Особый приоритет в настоящее время, обозначенный Крамер [45] в ее предложении о том, что инновационные эксперименты должны способствовать смене режима, — это найти «ведущих пользователей», которые благодаря личной мотивации или ценностям бренда, связанным с экологическим лидерством, будут первыми в реализации концепции технические стратегии, описанные ранее. Параллельно с этим, материальная эффективность должна быть включена в обсуждение политики — чтобы повысить осведомленность о ее реальном потенциале и начать процесс перехода, необходимый для разработки политики, чтобы признать последствия потребления материалов.

Путь к достижению значительной физической эффективности материалов — долгий, хотя и срочный, если мы хотим достичь целей по сокращению выбросов. Длительная история торговли сыпучими (энергоемкими) материалами как недорогими товарами привела к созданию материально неэффективной системы, но это можно изменить. Призыв Стахела [54] облагать налогом ресурсы, а не труд, разительно подчеркивает масштаб изменений, необходимых для перенаправления экономической системы в сторону материальной эффективности, но, возможно, более непосредственная коммерческая мотивация возникает по аналогии, указанной Ригли [38]: промышленная революция в Великой Отечественной войне. Великобритания возникла не из-за британской добычи угля, а из-за того, что Великобритания использовала уголь для предоставления новых более ценных продуктов и услуг.Потенциально это могло бы стать источником вдохновения для руководителей предприятий и политиков, чьи решения определяют использование материалов: будущее экономическое благополучие может в гораздо большей степени зависеть от ценности, создаваемой материалами, чем от торговли ими как товарами, и погоня за этой ценностью будет неизбежно совпадают с погоней за материальной эффективностью.

Благодарности

J.M.A. поддерживается стипендией Leadership Fellowship, предоставленной Советом по инженерным и физическим наукам Великобритании (EPSRC), ссылка EP / G007217 / 1, и авторы благодарны команде WellMet2050, задействованной в этом гранте, за многие конструктивные предложения по этой статье.Авторы также чрезвычайно благодарны Королевскому обществу за выбор и проведение этого дискуссионного собрания, в частности Рэйчел Фрэнсис за организацию встречи и Сюзанне Эбботт за управление этим специальным выпуском.

Ссылки

Эффективность использования материалов при переходе на чистую энергию — Анализ

Исторически сложилось так, что экономическое развитие основывалось на увеличении спроса на материалы, , что привело к росту потребления энергии и выбросов углекислого газа (CO ₂ ) при производстве материалов.Применение стратегий материальной эффективности во всех цепочках создания стоимости может помочь разделить эти тенденции.

Переход на чистую энергию повлияет на установившиеся тенденции спроса на материалы. В сценарии чистых технологий эффективность использования материалов и технологические сдвиги приводят к снижению спроса на материалы по сравнению со сценарием эталонной технологии, в котором тенденции спроса на материалы в целом следуют историческим тенденциям. К 2060 году в сценарии чистой технологии спрос на материалы будет ниже, чем в сценарии базовой технологии: на 24% меньше для стали, на 15% для цемента и на 17% для алюминия.Эффективность использования материалов составляет примерно 30% от совокупного сокращения выбросов CO ₂ для этих трех материалов между двумя сценариями в этом году.

Существует значительный потенциал для повышения эффективности использования материалов даже дальше, чем в сценарии чистой технологии. Стремление к достижению очень амбициозных, но достижимых пределов эффективности использования материалов в варианте «Эффективность материалов» ведет к дополнительному сокращению спроса на сталь (16%) и цемент (9%) в 2060 году. Спрос на алюминий незначительно увеличивается по сравнению со сценарием чистой технологии (на 5%) в 2060 г.), но выгоды от выбросов CO ₂ на других этапах производственно-сбытовой цепочки перевешивают это увеличение.

Стратегии эффективности использования материалов приводят к более умеренным потребностям в развертывании низкоуглеродистых промышленных технологических процессов для достижения того же результата декарбонизации. В варианте «Эффективность использования материалов» совокупные промышленные выбросы CO ₂ такие же, как и в сценарии «Чистые технологии», хотя интенсивность выбросов выше для стали (на 4% в 2060 году) и цемента (на 7% в 2060 году). Интенсивность выбросов алюминия несколько ниже (на 9% в 2060 году). Совокупные совокупные капитальные вложения в низкоуглеродные промышленные технологии производства стали, цемента и алюминия к 2060 году будут на 4% ниже в варианте «Эффективность материалов», чем в Сценарии чистых технологий.

Требуются усилия правительств, промышленности и исследовательского сообщества для повышения эффективности использования материалов. Ключевые действия включают: увеличение сбора данных об использовании материалов и сравнительного анализа; улучшение учета воздействия жизненного цикла в климатических нормативах и на стадии проектирования; и содействие перепрофилированию, повторному использованию и переработке по окончании срока службы продукции и зданий.

Эффективность использования материалов, долговечность и повторное использование

Отрасли, ответственные за большинство промышленных выбросов парниковых газов (ПГ), производят материалы, используемые в других продуктах, такие как цемент, сталь, пластик, алюминий и керамика (кирпич и плитка) .Таким образом, одним из наиболее эффективных способов сокращения выбросов в промышленном секторе является снижение спроса на эти материалы, при этом предоставляя предприятиям и потребителям эквивалентные или более качественные конечные услуги. Есть множество подходов, которые могут достичь этого результата.

Эффективность использования материалов предполагает использование более продуманной конструкции для уменьшения необходимого количества материала. Многие продукты спроектированы так, чтобы использовать больше материала, чем им нужно, иногда для упрощения производства или строительства.Например, для здания могут потребоваться стальные опорные балки различной прочности, но сборка здания с использованием двух десятков различных типов стальных балок увеличивает сложность конструкции. Следовательно, могут использоваться балки только двух или трех типов, что приводит к использованию более крупных и массивных балок, чем потребовалось бы в различных местах внутри здания. Более совершенные системы управления сложностью могут привести к экономии материалов. Программное обеспечение для компьютерного проектирования и моделирования может аналогичным образом помочь определить места, где материалу можно изменить форму, чтобы обеспечить эквивалентную прочность при меньшем использовании материала.

Аддитивное производство (3D-печать) — это относительно недавний метод, который обеспечивает эффективность использования материалов за счет размещения материала только там, где он необходим, и устранения потерь материала, возникающих в результате субтрактивных методов производства (например, вырезание материала вдали от большего блока).

Долговечность продукта означает, что продукты и здания спроектированы и построены так, чтобы служить дольше, прежде чем они потребуют замены. Чем дольше цикл замены, тем больше экономия материала.Большая долговечность также может означать, что продукт спроектирован и изготовлен с лучшим качеством, что может улучшить работу конечного пользователя.

Повторное использование продуктов, компонентов или материалов — это еще один метод снижения потребления новых материалов. Когда потребитель больше не пользуется продуктом, если этот продукт может быть передан другому потребителю, который этого хочет, новый продукт (пока) не нужно производить, что приводит к экономии материалов. Если товар сломан, может быть невозможно передать товар целиком другому потребителю, но он может быть разобран на части (например,грамм. двигатели, трубы, провода и т. д.), которые можно использовать для ремонта аналогичных изделий. Если даже детали не имеют ценности (например, устаревшие электронные устройства), материалы могут быть удалены из устройства путем вторичной переработки.

Производители могут упростить ремонт, разборку и переработку материалов в изделиях с помощью соответствующих методов проектирования и сборки. Например, электроника может быть изготовлена ​​с открывающимися корпусами и внутренними компонентами, которые не спаяны вместе и могут быть заменены по отдельности.Здания могут быть построены для облегчения перепрофилирования здания для нового использования (например, преобразование производственных помещений или складских помещений в жилые дома), поэтому здание не нужно сносить.

(PDF) Эффективность использования материалов в производстве

собственного цикла и снижение потребности в первичном материале. Большинство производственных компаний, у которых в качестве основного материала продукта используется металл

, хорошо разбираются в разделении металла для вторичной переработки, тогда как степень сегрегации

и скорость вторичного использования технологического материала / остаточного материала, такого как формовочный песок, технологические жидкости,

текстильные изделия и упаковочные материалы, включая твердые и мягкие пластмассы, картон, бумагу и т. Д.намного ниже.

Целью данной статьи является представление показателя эффективности сортировки для различных сегментов фракций отходов

вместе с методом измерения потенциала улучшения сортировки, что поможет повысить общую эффективность

материалов и управление промышленными отходами. Это исследование соответствует законодательным нормам и требованиям системы экологического менеджмента

для мониторинга общих объемов опасных и неопасных отходов, а также

общих (внешних) затрат на обращение.Кроме того, разные сегменты отходов по-разному влияют на окружающую среду,

, поэтому эффективность сегментов следует контролировать отдельно.



2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Эффективность материалов была определена различными учеными, такими как (Peck and Chipman, 2007) и (Worrell et al.,

1997), и она имеет близкие семантические характеристики к другим концепциям устойчивости, таким как дематериализация, эко-

эффективность и ресурсоэффективность.Однако простое и практичное определение дает Абдул Рашид и др. «Отношение выпуска

продуктов к затратам сырья». (2008). Кроме того, эффективность использования материалов

также рассматривается как дополнительная концепция к энергоэффективности с целью продвижения к устойчивости производства

. Как заявила Lilja (2009), использование подхода жизненного цикла с учетом эффективности использования материалов является предпочтительным подходом

по сравнению с предотвращением образования отходов, и его следует заменить в ближайшем будущем, поскольку, во-первых,

кажется, что предотвращение отходов не является подходом. является достаточной движущей силой для перехода к моделям потребления и производства

, и, во-вторых, для достижения цели предотвращения образования отходов требуются действия, которые не являются альтернативами

для инвестиций в рециркуляцию отходов, рекуперацию отходов или окончательное удаление.

В литературе приводятся аргументы относительно того, есть ли недостаток материалов, и будем ли мы использовать

без материала в будущем? Это в основном зависит от будущего открытия и добычи ресурсов в сравнении с будущим спросом и технологиями

(Allwood et al., 2011). Хотя неясно, является ли поступление первичного материала ограничением

, бесспорно, образование отходов и обращение с ними рассматриваются как одна из основных экологических проблем

на будущее, даже если годовые уровни образования отходов останутся на нынешнем уровне.Согласно (IEA, 2008), спрос на материалы

будет значительно увеличен, и ожидается, что к 2050 году будет потреблено 140 миллиардов тонн ключевых ресурсов в год,

потребляемых в год. увеличится на

на 10-20% в 2020 году по сравнению с 2005 годом. Материальная эффективность не зависит от определения и классификации отходов

, поскольку она применима на всех стадиях жизненного цикла продукта. Однако трудно определить правильный уровень потребления на каждой стадии

(количество).При этом одним из важных критических замечаний по поводу концепции эффективности использования материалов

является тот факт, что она не включает предотвращение негативного воздействия отходов (качество). Следовательно, эффективность материала

приводит к меньшему расходу материала и образованию отходов, но уменьшение количества потребляемого материала

не обязательно влияет на качество отходов. Следовательно, он не принимает во внимание степень опасности / неопасности отходов

и разделение чистых фракций отходов.

Различные материалы по-разному влияют на окружающую среду, поэтому материалы должны быть приоритетными, исходя из их экологических и экономических преимуществ

. Основное опасение, лежащее в основе зрелости сегрегации металлов и переработки

в обрабатывающих отраслях, — это рост спроса и связанный с ним количественный дефицит и дефицит

металлов, рост цен, высокое загрязнение окружающей среды и углеродный след при добыче и поставке металлов,

доминирование Китая критического сырья, трудности замещения и роль некоторых металлов в качестве побочных продуктов

во время добычи относятся к металлу и переработке (Norgate and Rankin, 2002).Эти факты привели к тому, что деятельность по обращению с отходами металла

оказалась на более высоких ступенях иерархии отходов, то есть сокращении и переработке. С другой стороны,

, степень сегрегации и скорость рециркуляции технологического материала / остаточного материала все еще остаются незрелыми даже в такой экологически сознательной стране

, как Швеция. Согласно (Allwood et al., 2011, Öko-Institut eV, 2009)

, некоторые текущие препятствия в этом отношении могут быть следующими: 1. Технические проблемы вторичной переработки, связанные с более смешанным материалом

(сложность) в дальнейшем процессе и производстве. цепь, а также новое диссипативное приложение, 2.

Экономические проблемы переработки, которые включают в себя отсутствие инфраструктуры сбора отходов из-за затрат на сбор и сортировку

из-за недостаточности ценовых стимулов, 3. Операционные проблемы переработки включают

сложность разделения, отставание между производством и удалением.

В соответствии с определением эффективности использования материалов — отношением выпуска к затратам — можно заключить первое уравнение.

Однако цифры, касающиеся затрат материалов, не всегда ясны в отраслях, что приводит ко второму уравнению.

Эффективность использования материалов = выход продукта / вход материала или

= вес продукта / вес входящего материала (1)

Повышение эффективности использования материалов в жизненном цикле продуктов: обзор критериев экомаркировки ЕС

Раздел 2, требования к эффективности материалов, которым должна соответствовать продукция, чтобы получить экологическую маркировку ЕС, были разделены на категории, как показано в Таблице 2. Более подробную информацию можно найти в Решениях Комиссии, упомянутых в таблице.Обзор того, как стратегии эффективности использования материалов могут быть систематически реализованы в экологической маркировке ЕС, показан в таблице 3.

Сокращение

Варианты эффективности использования материалов, которые в настоящее время реализованы в требованиях экологической маркировки ЕС для эта стратегия обычно включает облегчение, эффективность использования и минимизацию производственных отходов.

Аспекты облегчения в основном связаны с группами продуктов, которые являются смесями.Более пристальный взгляд на моющие средства и косметические средства для смывания показывает, что все эти группы продуктов имеют требования к эффективности упаковки (например, максимальный предел веса упаковки на единицу объема продукта). Несмотря на то, что результаты LCA не выявили, что упаковка является существенным фактором общего воздействия на окружающую среду, упаковка все же считалась важной из-за большого общего количества отходов пластиковой упаковки, образующихся в результате этих продуктов. Вместо этого к лакокрасочным материалам применяется другой подход к экономии ресурсов, где установлена ​​минимальная укрывистость (л / м ² ).Требования к облегчению до сих пор не разрабатывались для более сложных продуктов. Это потребует сравнения различных материалов и вариантов дизайна и оценки соответствующих компромиссов. Установить справедливые пороги, которые не ограничивают и не наказывают будущие технические решения, непросто.

Требования, связанные с минимизацией отходов, сосредоточены на уровне образования отходов на заводе. Пределы производства отходов устанавливаются в зависимости от объема производства по весу и зависят от типа продукта (например,грамм. 20% для конвертов из конвертированной бумаги) или для типа процесса (например, 23% для листовой офсетной печати, 10% для самой холодной печати газет и 15% для глубокой печати).

К конкретным материалам обычно не применяются какие-либо ограничения, хотя в будущем это может быть изучено для критически важного сырья (CRM) и минералов из затронутых конфликтом и подверженных риску территорий (EC 2017j, 2017k). Только сокращение источников природных опасных веществ — это аспект, который в настоящее время систематически рассматривается в соответствии с требованиями экомаркировки ЕС (EC 2010).

Повторное использование

Варианты эффективности использования материалов, которые в настоящее время реализованы в требованиях экологической маркировки ЕС для этой стратегии, как правило, касаются долговечности, ремонтопригодности, возможности повторного использования и возможности модернизации продуктов.

Аспекты долговечности в основном связаны с продуктами многоразового использования и с длительным сроком службы, которые могут включать сложные изделия (чем сложнее изделие, тем больше деталей может сломаться и сделать весь продукт устаревшим). Требования к долговечности в основном касаются устойчивости к нагрузкам, например, устойчивости к истиранию текстильных тканей и обивки мебели, устойчивости к вдавливанию деревянных напольных покрытий, устойчивости к царапинам для предметов мебели с покрытием, устойчивости к высоте и прочности матрасов для кроватей и устойчивости к ударам для хранения данных. приводы компьютеров.

Установка минимальных пороговых значений выносливости и надежности в течение срока службы продуктов является более сложной задачей из-за трудностей, связанных с тестированием и проверкой такой информации. Фактическая эффективность таких требований должна также охватывать функциональные аспекты, чтобы учитывать потерю производительности с течением времени (Alfieri et al. 2018b), и подкрепляться соответствующими процедурами тестирования. Пока более высокие требования в этой области предъявлялись только к компьютерам.

Адекватные гарантии на продукцию могут быть еще одним способом косвенного снижения долговечности. В соответствии с экологической маркировкой ЕС это требуется для аккумуляторов ноутбуков (2 года), компьютеров (3 года), мебели (5 лет), деревянных напольных покрытий (5 лет) и матрасов (10 лет).

Другие требования, связанные с повторным использованием продуктов, включают включение конструктивных особенностей для облегчения разборки продуктов, а также обязательство предоставлять запасные части и предоставлять информацию о том, как проводить техническое обслуживание и ремонт.Все три фактора следует использовать вместе и систематически, чтобы можно было повторно использовать или отремонтировать потенциальный вариант в реальном мире. Хотя эти требования важны для продуктов, связанных с энергетикой, и сложных изделий из множества материалов и / или частей, они принципиально неактуальны для других групп продуктов, таких как папиросная бумага и смеси.

Что касается запчастей, важными вопросами являются их доступность, стоимость и время доставки в течение достаточно длительного периода.Например, наличие запасных частей после покупки продукта должно составлять 10 лет для водонагревателей, 7 лет для телевизоров, 5 лет для компьютеров, мониторов и новой мебели. Тем не менее, стоимость и сроки доставки подробно не уточняются.

Энергетическая продукция, регулируемая Ecolabel, является примером электрического и электронного оборудования (EEE), которое в какой-то момент может устареть. Специально для этих продуктов охват аспектов, связанных с возможностью повторного использования и обновления (например,грамм. обновление программного обеспечения и прошивки, удаление и передача личных данных) необходимы для предотвращения преждевременного устаревания, поддержки продвижения на вторичных рынках и продления срока службы продукта.

Вторичная переработка / восстановление

Варианты эффективности использования материалов, которые в настоящее время реализованы в требованиях экологической маркировки ЕС для этой стратегии, обычно охватывают аспекты проектирования, направленные на максимальное увеличение потенциала вторичной переработки продукта, так называемый «дизайн для вторичной переработки».

Для продуктов, которые представляют собой сложные изделия, это неизбежно связано с возможностью легко разделить продукт на разные материалы (например,грамм. металл, пластик, текстиль и дерево), которые могут потребовать ограничений по веществам, выполнения проектных характеристик и предоставления информации. Подходы к проектированию, облегчающие разборку продуктов EEE на различные части (например, части, которые богаты ценными материалами и / или опасными веществами, и части, которые являются относительно дешевыми пластиками), также могут значительно способствовать потенциальному восстановлению ценности из этого потока отходов. . Этому также может способствовать маркировка деталей и материалов, как это делается для пластмасс в компьютерах.

Для простых изделий, таких как бумажные изделия, это нецелесообразно, за исключением случаев, когда бумажное изделие печатается или переделывается, потому что только в этом случае можно сделать выбор, который повлияет на возможность повторного использования продукта (например, степень нанесенного лака или ламинирования и тип используемых чернил). В случае групп продуктов, которые представляют собой смеси, конструкция возможности вторичной переработки в основном сосредоточена на выборе и сочетании полимеров в пластиковой упаковке, этикетках и рукавах.

Кроме того, иногда требуются минимальные пороговые значения для вторичного содержимого для конкретных материалов, исходя из технических и рыночных условий.Примерами являются минимум 10% среднего количества пластика после потребителя, необходимого для компьютеров (за исключением печатных плат и оптических пластиков для дисплеев), минимальное среднее содержание переработанного пластика в мебели 30% (если пластик составляет не менее 20% веса мебельной продукции), минимум 70% переработанного картона в упаковке для твердых покрытий. Однако в некоторых случаях применяется необязательный подход, например, когда речь идет о требованиях к древесине (относящихся к бумажным изделиям, мебели и обуви), когда установлено требование не менее 70% устойчивого содержания древесины / волокна и в случае вторичной переработки. для этой цели древесина или бумага считаются эквивалентными девственной древесине или волокнам из устойчиво управляемых лесов.

Можно утверждать, что включение вторичного материала также представляет собой сокращение материала (на потребление первичного материала). Однако требования к вторичному содержанию определенного материала работают, когда имеется достаточное количество вторичного материала. Например, минимальное количество вторичного сырья для бумаги не требуется в экологической маркировке ЕС для графической и папиросной бумаги на основании аргумента о том, что спрос на макулатуру уже превышает рыночное предложение. Аналогичные соображения применимы к металлам (например,грамм. в мебели).

Когда необходимо стимулировать рынок определенного вторичного материала, было бы более целесообразно количественно оценить целевые показатели возможности вторичной переработки для такого материала. Однако требования в этом направлении пока не установлены в критериях экомаркировки ЕС (в настоящее время они обсуждаются для некоторых продуктов). Более того, с точки зрения жизненного цикла, расстояние между перерабатывающими заводами и производителями также имеет значение, поскольку воздействие на окружающую среду из-за транспортировки на большие расстояния может уравновесить потенциальные выгоды от переработки.Бленгини и Гарбарино (2010) подсчитали, что использование переработанных заполнителей (по сравнению с природными заполнителями) может оставаться экологически выгодным до тех пор, пока расстояние транспортировки переработанных заполнителей не станет в 2–3 раза больше, чем для природных заполнителей.

Другой важный аспект касается потенциального присутствия опасных веществ, которые могут препятствовать переработке материалов. Статьи 6 (6) и 6 (7) Регламента ЕС об экологической маркировке (EC 2010) специально исключают присвоение экологической маркировки ЕС товарам, которые содержат определенные опасные вещества, включая вещества, вызывающие очень серьезную озабоченность (SVHC).Статьи 7 и 33 Регламента REACH (EC 2006b) обязывают поставщиков и производителей информировать своих последующих потребителей по запросу, если содержание какого-либо отдельного SVHC превышает 0,10% по весу в любом продукте, который они поставляют. Несмотря на то, что на рынке ЕС законно продавать продукты, содержащие SVHC в концентрациях, превышающих 0,10%, такие продукты не подпадают под действие экологической маркировки ЕС. Для производителей, которые покупают первичные материалы и химические вещества, является серьезной задачей обеспечить постоянное соблюдение запросов клиентов на информацию о SVHC для своей продукции.Однако, когда речь идет о переработанных исходных материалах, возникают некоторые серьезные сомнения относительно устаревших веществ, которые могут присутствовать (например, креозот в переработанной древесине и кадмий или свинец в переработанном ПВХ). Протоколы испытаний могут существовать для нескольких отдельных веществ в конкретных материалах, но они не могут быть распространены на все SVHC и не могут применяться к каждой поставленной партии (например, переработанного пластика). Две крайности возможных подходов:

1. 1.

   Обращаться с переработанными материалами так же, как с первичными материалами, и эффективно предотвращать переработку материалов из-за чрезмерных затрат на испытания.Это ограничительный подход, который в краткосрочной и среднесрочной перспективе нанесет ущерб переработанным материалам. Однако все устаревшие соединения с ограниченным доступом скоро будут полностью удалены из контуров материалов.

2. 2.

   Не накладывать особых ограничений на переработанные материалы, способствовать их использованию. Устаревшие соединения со временем могут постепенно уменьшаться на отраслевом уровне.

Каждая из этих двух крайностей имеет свои преимущества и недостатки и служит для выявления потенциального источника расхождений в инициативах ЕС (т.е. План действий по экономике замкнутого цикла и экологическая маркировка ЕС). Наиболее подходящий вариант, хотя и неизбежно находится где-то посередине, будет зависеть от природы вещества, типа использования соответствующих предметов и риска воздействия, который существует для пользователей или окружающей среды в целом.

Наконец, за заметным исключением водонагревателей, продвигаемые системы возврата ориентированы на деловые отношения (т.е. возврат упаковки промышленных / институциональных чистящих средств или сбор питательной среды из профессиональных садоводческих приложений).Возврат водонагревателей может представлять значительный интерес для производителей в любом случае из-за возможности разобрать старые продукты на запасные части и облегчить ремонтные работы в других местах.

Возможные компромиссы и ограничения в определении требований к эффективности использования материалов

Разработка требований к эффективности использования материалов должна подкрепляться прочной доказательной базой. LCA — это ключевой инструмент для понимания того, какие варианты дизайна могут быть более выгодными с экологической точки зрения и существуют ли соответствующие компромиссы.

Теоретически наличие информации для статистически репрезентативной выборки продуктов может позволить определить экологические пороги на основе показателей жизненного цикла. Тем не менее, современное состояние заключается в том, что этот подход имеет ограничения, такие как большое разнообразие дизайна, качества и функциональности продуктов на рынке, которые лежат в пределах одной и той же группы продуктов; отсутствие доступных первичных или даже вторичных данных; развитие методов и инструментов ОЖЦ и связанная с ними неопределенность; низкая доступность надежных и справедливых процедур оценки и проверки, а также продолжительность процесса разработки критериев.Кроме того, другие соображения также важны для понимания экономических, социальных и рыночных последствий для конкретных продуктов, материалов или секторов. Выгоды и любые компромиссы, связанные с различными вариантами эффективности использования материалов, можно оценить, применив подход практического жизненного цикла (LCT), основанный на LCA и дополненный другой информацией, связанной с продуктом (Cordella and Wolf 2015).

Все продукты на основе материалов имеют физический предел легкости.Хотя облегчение может принести прямые и поддающиеся количественной оценке экологические выгоды с точки зрения ОЖЦ, это следует рассматривать в контексте общего воздействия функционально эквивалентных продуктов. Например, замена 10-килограммового набора стальных ножек стола на 6-килограммовый набор алюминиевых ножек стола с соблюдением тех же технических характеристик может фактически увеличить общее воздействие стола на окружающую среду, если вместо чистого алюминия используется чистый алюминий. чистая сталь (Norgate et al.2007). Дальнейшие изменения могут зависеть от содержания вторичного сырья, относящегося к используемой стали или алюминию. Более того, дополнительные ограничения для облегчения могут быть связаны с необходимостью выполнения минимальных технических требований по безопасности, характеристикам и долговечности продукта.

Также возможен компромисс между переработанным содержимым и безопасностью или техническими характеристиками. Например, при подходе, ориентированном на безопасность, существует тенденция к тому, что пакеты, компоненты или продукты, изготовленные преимущественно из переработанного пластика (EC 2015d), будут толще или крупнее, чтобы компенсировать сомнения относительно однородности партии, которые могут повлиять на физические свойства продукта. .Это было одной из основных причин, по которым требования к эффективности упаковки, установленные для чистящих средств с экологической маркировкой ЕС, не применялись, если содержание вторичного сырья превышало 80%.

Кроме того, следует оценивать влияние альтернативных вариантов с учетом развития рынка. В зависимости от относительной величины воздействий, связанных с производством, этапом использования и окончанием срока службы, может быть удобнее либо продлить использование продуктов, связанных с энергией, либо заменить их более эффективными продуктами (Alfieri et al.2018a; Cordella et al. 2018; Iraldo et al. 2017; Tecchio et al. 2016).

Наконец, в некоторых обстоятельствах действия, повышающие долговечность продукта (например, склеивание), могут иметь последствия на уровне материала и / или снижать ремонтопригодность. Эко-этикетка ЕС имеет тенденцию фокусироваться на той степени, в которой конструктивные особенности были включены в продукты, что сделало бы такие вмешательства, как повторное использование, ремонт и восстановление, максимально возможными в будущем.