Ера пластику чи металу: економічність і екологічність

Глобальні тенденції циркулярної економіки в поєднанні з декарбонізацією та діджиталізацією призвели до зміни парадигми у багатьох галузях. 

До того ж, впровадження сучасних технологій у різних галузях змінює усталене ставлення до низки матеріалів у виробництві. 

Саме тому у глобальній економіці все активніше проглядається тренд на заміну металів пластиками, причому перші найчастіше виграють як з точки зору довговічності, так і, як би неочікувано це не звучало, з точки зору екологічності.

Декарбонізація і досягнення цілей European Green Deal ставить перед економіками європейських країн низку викликів у багатьох галузях промисловості. Найчастіше напрями, на яких акцентується найбільша увага, – це енергетика та транспорт.

З одного боку це - справедливо, оскільки вуглецевий слід від діяльності, пов'язаної з генерацією електроенергії і тепла, за даними Міжнародного енергетичного агентства (IEA), складає понад 25% усіх викидів, що обумовлено насамперед високим відсотком використання викопного палива. 

Транспортна галузь продукує понад третину викидів парникових газів, що також значною мірою пов'язано з використанням викопного палива.

Однак високий вуглецевий слід мають і інші галузі. Наприклад, будівельна. На неї, за підрахунками IAE, припадає 36% кінцевого споживання енергії та 39% викидів вуглекислого газу, пов’язаних з енергетикою та технологічними процесами. 

Причому 11% цих викидів є результатом виробництва будівельних матеріалів, зокрема, таких як сталь, цемент і скло.

Тобто, коли ми говоримо про декарбонізацію, недостатньо обмежуватися лише енергетикою і транспортом. Зрозуміло, що зниження викидів саме по цих напрямках матиме кумулятивний ефект і для інших галузей. 

Втім, важливу роль має і впровадження "зелених" технологій в інших сферах, зокрема при виробництві матеріалів, що використовуються у будівництві, промисловості, хімічній галузі тощо.

Пластик проти металу

За підрахунками директора Інституту дослідження заліза Макса Планка в Дюссельдорфі Дірка Раабе, на видобуток і виробництво металів припадає не менше 10% усіх викидів парникових газів і близько 40% усіх промислових викидів таких газів.

Саме тому наразі все більше уваги в ЄС приділяється розвитку "зеленої" металургії – виробництва металів без використання викопного палива, або із застосуванням технології зберігання та утилізації вуглецю для зменшення викидів.

Втім, базовою проблемою залишається велика енергоємність багатьох процесів, пов'язаних із виробництвом металів. Тож в багатьох галузях спостерігається стійка тенденція із заміни металевих компонентів альтернативними. Переважно – пластиковими.

З погляду енергоємності виробництва і вуглецевого сліду вони мають суттєві переваги відносно металів: за даними ETH Zurich, станом на 2021 рік вуглецевий слід пластиків у глобальних викидах парникових газів складав 4,5%. При цьому набагато нижча собівартість виробництва, легка оброблюваність, низькі температури плавлення, висока пластичність, що дозволяє виготовляти складніші форми, хімічна стійкість, а також проста можливість модифікації - сприяють їхньому використанню практично в усіх галузях економіки.

Ключові переваги пластику добре демонструє простий приклад. Водопровідні труби. Хімічна стійкість дозволяє не боятися корозії, гнучкість і легкість – робить зручнішим монтаж і демонтаж, менші тепловтрати – дозволяють економити.

Якщо додати до цих характеристик мінімальні реакції з іншими матеріалами, відсутність реакції на електричний заряд та магнітне поле, а також можливість надавати їм різні необхідні властивості: стійкість до механічних навантажень, ультрафіолетового випромінювання тощо, стає очевидним, чому пластик поступово витісняє метали. В окремих сферах, наприклад, медицині, пластики є безальтернативним рішенням.

Все це призвело до того, що за останні 10 років виробництво пластиків у світі збільшилося більш ніж у півтора раза, або на понад 100 млн тонн на рік, і, за прогнозами Організації Об'єднаних Націй, до 2060 року щорічні обсяги виробництва пластику можуть потроїтися і сягнути 1,2 млрд тонн.

Втім, яким би привабливим не було використання пластиків, на сьогодні є чітке розуміння головного недоліку – все більше поширення для короткотермінового використання (наприклад, упаковка) та довгий період розкладання з обмеженими можливостями переробки і утилізації призвела до того, що пластикові відходи накопичуються у надзвичайних масштабах, створюючи небезпеку для довкілля.

Згідно з даними ООН, у світі переробляється близько 9% пластику. Хоча, за іншими підрахунками, ця цифра сягає 15%, вона залишається вкрай низькою. Також є усвідомлення, що із збільшенням виробництва пластиків буде зростати і їхній вуглецевий слід. Адже, попри відносно низьку енергоємність виробництва, основною сировиною для синтетичних полімерів залишається викопне паливо - нафта і газ.

Тож, так само, як і в металургії, триває пошук рішень, які могли б зробити пластики "зеленими". Спільно з учасниками галузі на платформі Міненерго приділяємо увагу питанням викидів парникових газів та обрахунку вуглецевого сліду, адже вартість податку на викиди в ЄС є досить сильним фіскальним навантаженням.

Тенденції "зелених" полімерів 

Наразі всі технології біорозкладних пластиків, що виробляються і вивчаються, можна поділити на чотири групи. Перша – це полімери, виділені з біомаси, та природні полімери: крохмаль, целюлоза, білки. 

Друга – полімери, що виробляються мікроорганізмами під час своєї життєдіяльності (полігідроксиалканоати, бактеріальна целюлоза). Третя – полімери, штучно синтезовані із природних мономерів (наприклад, полілактиди). І остання група – традиційні синтетичні пластики із введеними в них біоруйнівними добавками. 

Ці технології активно розвиваються у світі, насамперед, у США та Європі. Новітні розробки з впровадженнями у виробництво з’явились і у Китаї, Японії, Південній Кореї. Коротко зупинимось на кількох конкретних прикладах розвитку цих технологій. 

Природні полімери, зокрема крохмаль, широко застосовуються для виробництва біорозкладних матеріалів побутового призначення (упаковка, плівка для мульчування в агротехніці, пакети для сміття). 

Дослідження промислових способів одержання біополімерів розпочалися наприкінці 1980-х в Італії компанією Novamont S.p.a. Сьогодні вона має в своєму розпорядженні завод продуктів на основі крохмалю потужністю 60 тис. тонн на рік. 

У Німеччині працюють фірми Biotec (20 тис. тонн на рік) та BIOP Biopolymer Technologies (3,5 тис. тонн на рік), причому остання також торгує ліцензіями на власну технологію отримання біопластиків. 

У Нідерландах базується компанія Rodenburg Biopolymers із потужностями 40 тис. тонн. Компанія Limagrain Cereales Ingredients виробляє 10 тис. тонн полімеру на основі крохмалю. У США виробником є Cereplast Inc.

Найпоширенішим біорозкладним полімером із групи, що виробляються мікроорганізмами, є полімолочна кислота (PLA). Виробництво мономеру – власне молочної кислоти – мікробіологічним способом дешевше традиційного, оскільки бактерії синтезують її з доступних цукрів у технологічно нескладному процесі. 

Сам полімер молочної кислоти (точніше суміш двох оптичних ізомерів одного і того ж складу) має досить високу термічну стабільність, а саме температуру плавлення 210-220 °С. Вироби з PLA характеризуються високою жорсткістю, прозорістю та блиском.

Хоча патент на метод промислового отримання PLA був виданий компанії DuPont ще у 1954 році, комерціалізація цього біопластику розпочалася лише у ХХІ столітті. У 2002 році в місті Блер у США фірмою Nature Work було запущено завод потужністю 140 тис. тонн виробництва PLA з глюкози кукурудзяного крохмалю. 

Сьогодні це найбільший виробник PLA у світі, його потужність уже 280 тис. тонн. У найближчі 5 - 10 років планується будівництво третього заводу, сировиною для якого стануть практично безкоштовні відходи переробки кукурудзи. Кілька заводів з виробництва PLA є в Європі, низка дрібних виробників – в Азії. 

Головні сфери застосування PLA – упаковка (сумки, тара для харчових продуктів), пляшки для молока, соків, води, але не газованих напоїв, оскільки PLA пропускає вуглекислий газ. З PLA також виготовляють іграшки, корпуси мобільних телефонів, комп'ютерні мишки та тканини. 

За прогнозами європейської асоціації промисловості біопластику European Bioplastics, до 2028 року обсяги виробництва біопластику у світі зростуть майже утричі, порівняно з 2022 роком, до 6,3 млн тонн.

Пластики в Україні

До початку повномасштабного вторгнення Росії обсяги виробництва первинних пластмас в Україні зростали, за підсумками 2021 року сягнули близько 24-26 млрд гривень. Однак 65-67% потреб у первинних пластмасах покривалося за рахунок імпорту.

Втім, враховуючи конкурентні переваги, а саме сировинну базу: видобуток власної нафти і газу, а також можливості для розвитку виробництва біополімерів за рахунок агросектору, активний розвиток цієї галузі вбачається не лише доцільним, а вкрай необхідним.

Адже для України вкрай важливим є перехід від використання і експорту сировини, до переробки і створення продукції з високою доданою вартістю. При цьому саме в хімічній галузі маємо необхідну базу для розвитку переробки, що дозволить створювати додаткові робочі місця, сприятиме заміщенню імпорту і впровадженню новітніх технологій відповідно до світових трендів. 

При повоєнному відновленні полімери можуть застосовуватися в багатьох сферах: від будівництва доріг і будинків до машинобудування і прокладання залізничних шляхів (технології виробництва шпал із переробленого пластику набувають популярності у низці європейських країн, їхня стійкість до руйнувань, мастил і грибків роблять їх набагато довговічнішими, ніж традиційні дерев'яні і бетонні).

Вирішивши питання збору та сортування побутових відходів, реалістичним вбачається впровадження і розвиток технології переробки пластиків, адже це – європейський тренд. 

Хоча, як вже зазначалось, загальні світові показники переробки ще доволі низькі, за даними Єврокомісії, станом на 2020 в країнах ЄС перероблялося близько 38% відходів пластику, що використовувався для пакування. Враховуючи те, що саме на пакувальну продукцію припадає 40,6% всіх пластикових відходів, – це доволі значний показник. 

Європейський тренд до збільшення числа побутових товарів з перероблених відходів для "вторинного використання" не лише сприяє ефективному очищенню довкілля, але і формує замкнуті цикли виробництва. 

Основним рушієм змін є популяризація сортування населенням побутових відходів та безпечності використання продуктів з сировини вторинної переробки. 

Тож розвиток виробництва пластиків з акцентом саме на "зелений" напрям може стати одним із драйверів повоєнного відновлення і економічного зростання. Маємо максимально використовувати свій потенціал.

Висновки

Аби бути конкурентоспроможним на глобальному ринку, важливо бути в тренді. Тому Міністерство енергетики України у співпраці з Департаментом енергетики США та іншими іноземними партнерами системно розвиває напрямок R&D - Research and Development. 

Наша візія - відновлення промисловості, видобувної та переробної галузі повинно базуватись на передових технологічних рішеннях для їх конкурентоздатності в довгостроковій перспективі, що забезпечить місце на глобальних ринках. 

Ми активно вивчаємо світові тенденцій в контексті R&D для їх імплементації при формуванні політики. 

Світова практика передових корпорацій – баланс між реалізацією трендової продукції сьогодні та інвестиції в R&D, що забезпечують конкурентні рішення в майбутньому. Наша мета - синергія "Build Back Better" з інноваційними рішеннями для створення максимальної доданої вартості виробничих процесів.