Анализ материальных потоков
Ана́лиз материа́льных пото́ков (АМП), также известный как ана́лиз веще́ственных пото́ков (АВП) — это аналитический метод, позволяющий количественно оценить потоки и запасы материалов или веществ в чётко определённой системе. АМП является важным инструментом для изучения биофизических аспектов деятельности человека в различных пространственных и временных масштабах. Он считается одним из основных методов промышленной экологии, а также антропогенного, городского, общественного и промышленного метаболизма. АМП используют для изучения потока материалов, веществ или продуктов в отдельных индустриальных секторах или внутри экосистем. Кроме того, его применяют к конкретной промышленной установке, например, для отслеживания потоков биологически значимых элементов через станции очистки сточных вод. В сочетании с оценкой затрат, связанных с материальными потоками, это бизнес-ориентированное применение АМП называется «учётом затрат на материальные потоки». АМП — это важный инструмент для изучения экономики замкнутого цикла и разработки управления материальными потоками. С 1990-х годов количество статей об АМП постоянно растёт. Среди рецензируемых журналов, публикующих работы об АМП, можно найти следующие: «Journal of Industrial Ecology» («Журнал промышленной экологии»), «Ecological Economics» («Экологическая экономика»), «Environmental Science and Technology» («Экологические науки и технологии»), и «Resources, Conservation, and Recycling» («Ресурсы, сохранение и переработка»)[1].
Методология
Мотив
Для удовлетворения таких потребностей человека, как жильё, пища, транспорт или связь, требуются следующие материалы: дерево, крахмал, сахар, железа, сталь, медь или полупроводники. С развитием общества и ростом экономической деятельности производство, использование и утилизация материалов возрастают до такого уровня, когда нежелательное воздействие на окружающую среду и общество уже невозможно игнорировать в локальном и даже глобальном масштабах. Материальные потоки находятся в основе местных экологических проблем, таких как утечка отходов на свалках или разливы нефти. Растущая озабоченность глобальным потеплением с политической и научной сторон выдвигает на первое место такой ранее малозначимый поток отходов, как углекислый газ. Постепенный переход от производства первичных материалов к их переработке в городах и развитых странах требует длительной оценки устаревших запасов материалов, которые используют люди. Исходя из этого, учёным, промышленникам, государственным органам и общественным организациям необходим инструмент, выполняющий экономический анализ и моделирование. Иначе говоря, им нужен систематический метод, применяемый для отслеживания и отображения запасов и потоков материалов, поступающих в антропосферу, и покидающих её в ходе различных процессов. Таким методом как раз и является анализ материальных потоков.
Основные принципы
В основе АМП лежат два основных и устоявшихся научных принципа — системный подход и баланс масс[2][3]. Отправной точкой каждого исследования АМП является определение системы.
Определение системы
Система АМП — это модель промышленного предприятия, сектора или интересующего региона. Уровень её детализации определяется в соответствии с целью исследования. Система АМП состоит из её границ, одного или нескольких процессов, материальных потоков между ними или запасов материалов внутри них. Физический обмен между системой и её окружением осуществляется через потоки, пересекающие границы этой структуры. Вопреки мнению о том, что система является конкретной промышленной установкой, она и её процессы в АМП могут представлять собой более крупные и абстрактные единицы, если они чётко определены. Точное описание системы помогает специалистам найти в ней доступную количественную информацию, в виде либо запасов в рамках определённых процессов, либо потоков между ними. Кроме того, определение системы АМП можно выявить путём разъединения или объединения процессов.
Помимо понимания расположения процессов, запасов и потоков при определении системы, специалисту также необходимо указать масштаб, индикаторный элемент или материал изучаемой системы. Пространственный масштаб описывает географический объект, охватываемый системой, представляющей определённый промышленный сектор, к тому же, её можно применять к США, Китаю, некоторым мировым регионам или к миру в целом. Временной масштаб описывает какой-то момент или временной интервал, для которого система оценивается количественно. Индикаторный элемент или материал — это измеряемая физическая единица, для которой составляется баланс масс. Как следует из названия, индикаторный элемент — это определённый химический элемент, например, кадмий, или вещество, подобное CO2. В общих случаях в качестве индикатора могут использовать материал или продукт, если для него установлен баланс процесса. Примерами данных показателей являются такие товары, как легковые автомобили, материалы, подобные стали, или же другие физические величины, например, энергия.
АМП требует от специалистов точное использование терминов «материал», «вещество» или «благо», об этом сказано в главе 2.1 книги «Brunner and Rechberger»[4], одним из основных источников метода АМП.
- Химический элемент — это «чистое химическое вещество, состоящее из одного типа атомов, отличающихся между собой номером»[5].
- Вещество — это «любой (химический) элемент или соединение, состоящее из однородных единиц. Все вещества характеризуются уникальной и идентичной структурой, следовательно, являются однородными». (Глава 2.1.2 книги «Brunner and Rechberger»)[4].
- Благо — это «экономическая единица материи с положительной или отрицательной экономической ценностью. Блага состоят из одного или нескольких веществ». (Глава 2.1.2 книги «Brunner and Rechberger»)[4].
- Материал в АМП «служит общим термином как для веществ, так и для благ». (Глава 2.1.3 книги «Brunner and Rechberger»)[4].
Баланс процессов
Одной из основных целей АМП является количественная оценка метаболизма элементов системы. В отличие от экономического учёта, АМП охватывает также и неэкономические потоки отходов, выбросы в окружающую среду и нерыночные природные ресурсы.
Баланс процессов — это физический принцип первого уровня. который превращает АМП в мощный инструмент учёта и анализа. Характер процессов в системе определяет, какие балансы буду применяться. Например, для «нефтепереработки» подходит баланс масс для каждого химического элемента, в то время как для атомной электростанции это невозможно. На заводе по производству автомобилей соблюдают баланс для стали, а на сталелитейном заводе — другой.
При количественной оценке систем АМП путём измерений или на основе статистических данных необходимо проверять балансы масс и других процессов, чтобы убедиться в правильности данной оценки и выявить возможные несоответствия или же неправильные представления системы, например, отсутствие потока или упущение процесса. Противоречивую информацию можно согласовать с помощью проверки и уточнения данных, поэтому программное обеспечение «STAN» предлагает базовые функции для реализации этого процесса, которые также подходят и многим другим приложениям АМП[6].
Примеры использования АМП в пространственных и временных масштабах
Исследования АМП проводят в пространственно-временных масштабах для различных элементов, веществ и благ. Такие анализы охватывают широкий спектр технологических цепочек и материальных циклов. Вот некоторые примеры:
- АМП в национальном или региональном масштабе (также называемый учётом материальных потоков): В данном типе исследования анализируются материальные потоки между экономикой и окружающей средой, а также рассчитываются показатели для оценки уровня ресурсоёмкости системы[7][8].
- Корпоративный анализ материальных потоков или АМП в рамках промышленной цепочки снабжений включает в себя несколько компаний: Целью анализа материальных потоков в компании является количественная оценка и последующая оптимизация производственных процессов таким образом, чтобы материалы и энергия использовались более эффективно, например, путём переработки и сокращения отходов. Компании могут опираться на результаты, полученные при помощи учёта затрат на материальные потоки, чтобы снизить производственные расходы и улучшить экологические показатели.
- В жизненном цикле продукта: Описание, разработка которого лежит в основе оценки жизненного цикла, соответствует методологии АМП, поскольку оно основано на чётком определении системы и балансе процессов.
Исторический вклад
- Баланс масс или сохранение материи установили ещё в Древней Греции, а в современную химию данные понятия ввёл Антуан Лоран Лавуазье, откуда они потом попали в химическую инженерию и, наконец, в науку об окружающей среде.
- Большой вклад внесли также Санторио и Теодор Вейль.
- Деннис Медоуз привлёк внимание широкой аудитории к физическим основам экономики, когда в 1971 году написал бестселлер «Пределы роста». Медоуз вместе с другими учёными основали свои прогнозы на анализе запасов ресурсов.
- Методология АМП была разработана в 1980—1990-х годах. Её создание происходило одновременно в разных исследовательских группах. Среди основных публикаций на данную тему можно выделить следующие: «Baccini and Bader» (1996 год),[9] «Brunner and Rechberger» (2004 год),[4] «Baccini and Brunner» (2012 год),[10] и «Van der Voet et al.» (2002 год).[11]
- Фридрих Шмидт-Блик, учёный Вуппертальского института[12], разработал связанную с АМП концепцию материальных затрат на единицу услуги[13].
- Стефан Брингезу конкретизировал концепцию Шмидт-Блика в рамках анализа материальных потоков всей экономики[14], в качестве инструмента для оценки[15] жизненного цикла продукции межмасштабной системы[16]. Он определил такие показатели, как общая потребность в материалах[17] (ранее — общее потребление материалов)[18] и потребление сырья[19], которые используются для количественной оценки материального воздействия продуктов[20][21], инфраструктур[22] и стран[23].
- Группа специалистов по ресурсам была создана в 2007 году Программой ООН по окружающей среде[24]. По аналогии с Межправительственной группой экспертов по изменению климата[25], она также объединяет специалистов из многих направлений и учреждений для анализа текущего состояния исследований в области метаболизма общества и предоставления последних результатов политикам и заинтересованным сторонам.
Современные разработки
- Концепции АМП включены в национальные счета ряда стран и регионов, таких как ЕС[26] и Япония[27]. АМП также используют в Системе комплексного экологического и экономического учётов.
- Некоторые международные конференции обеспечивают площадку для встреч исследователей и политиков, где они обмениваются результатами и идеями, например, на Всемирном форуме ресурсов, — международной конференции по анализу материальных потоков и устойчивому развитию, которая проводится два раза в год[28].
- «Ввод-вывод отходов» АМП — это подход, направленный на создание комплексной системы АМП для всей экономики. Для этого используются таблицы ввода-вывода в денежном измерении, в которые включают физическую информацию, связанную с материальными затратами. Данный метод легко объединяет АМП с моделями ввода-вывода, обеспечивая простой способ преобразования денежных потоков в форме таблицы в отдельные физические, классифицированные по материалам[29][30][31][32]. «Ввод-вывод отходов» является наглядным примером АМП на основе экономического анализа.
- Исследовательский институт по устойчивому развитию Европы в городе Вена, Австрия, разработал базу данных под названием «material flows.net»[33].
- Динамичная система АМП стремится к долгосрочной количественной оценке и использует исторические модели изменения физических запасов и потоков для создания устойчивых прогнозов на годы и десятилетия вперёд[34].
- Модель «MaTrace» — вариант динамического анализа материальных потоков, разработанный для отслеживания траектории движения материалов и различных продуктов в системах переработки с непрерывным циклом[35][36][37][38][39][40][41]. В этой модели чётко учитываются убытки и показатели отходов. Задачей «MaTrace» является контроль перемещения материалов, изначально присутствующих в готовом продукте, таком как легковой автомобиль. Это наблюдение влияет на различные стадии эксплуатации, включая переработку в конце срока службы, которая предполагает сбор, разборку/снос, сортировку/разделение отходов. Затем следуют металлургические процессы, такие как переплавка/выплавка, при этом действии отходы перерабатываются во вторичные материалы, которые позже превращаются в продукцию, уже выходящую за рамки легковых автомобилей. Наконец, модель рассматривает накопление этих материалов в виде запасов, причём потери происходят на каждом этапе преобразования и использования.
- В Японии активировались исследования в области АМП. Страна обладает скудными минеральными ресурсами, поэтому зависит от импорта энергоносителей, руды и других сырьевых материалов. Японское правительство поощряет исследования в области материальных циклов, а также оно открыло «концепцию 3-R»[42].
Организация современного АМП
Современный АМП состоит из следующих этапов:[4]
- Установление чёткого определения системы: Сначала следует указать границы системы с географическим и временным масштабом, процессы (могут включать в себя запасы) и потоки. Затем необходимо выбрать материал, для которого система должна быть количественно измерена (продукт, вещество или индикаторный элемент). Проверьте, что каждый запас связан с процессом, и все потоки соединяют их между собой. Кроме того, потоки также могут начинаться или заканчиваться за границами системы.
- Определите и обозначьте системные переменные. К ним могут относиться: все запасы внутри процессов, все потоки между ними и каждый, поступающий извне или направляющийся за пределы границ системы. Иногда запасы не учитываются, поэтому интерес представляют только чистые их изменения. Для каждой переменной должно быть понятно, является ли она запасом или же потоком, это различие отображается в названиях и в выбранных математических символах.
- Количественно выделите переменные системы, связав их с письменными, измерительными или смоделированными данными.
- Выполните проверку баланса масс для всех процессов и системы в целом.
- Дополнительно: Продемонстрируйте систему, используя схему с ящиками и стрелками или диаграммы Санки.
- Зафиксируйте АМП, предоставив точное определение системы вместе со списком количественных переменных и проверкой баланса масс.
Разница между анализом вещественных и материальных потоков
Если термин «вещество» в «анализе вещественных потоков» всегда соотносится с химическими веществами, то определение «материал» в «анализе материальных потоков» обладает более широкой сферой применения. Согласно Бруннеру и Рехбергеру[4], термин «материал» включает в себя вещества и блага, а причиной такого широкого спектра применения является желание использовать АМП не только к химическим элементам или веществам, но и к таким материалам, как сталь или древесина, или к материальным продуктам (автомобили и здания). Таким образом, можно провести АМП относительно парка легковых автомобилей, фиксируя транспортные средства, входящие и выходящие из этапа использования.
Связь с другими методами
АМП дополняет основные методы промышленной экологии: оценку жизненного цикла и межотраслевой баланс[43]. Наблюдаются некоторые совпадения между различными методами, так как все они используют системный подход и, в какой-то степени, баланс масс. В основном, методы зависят от цели, сферы применения и требований к данным.
Исследования АМП часто охватывают весь цикл (добыча, производство, изготовление, использование и обращение с отходами). Запасы материалов в АМП очень точные, поэтому данный метод подходит для исследований, связанных с нехваткой ресурсов и переработкой старого утиля. Общее применение временных потоков (динамическое моделирование) и моделей срока службы делают АМП подходящим инструментом для оценки долгосрочных тенденций в использовании материалов.
- По сравнению с «IO анализом», процессов, учитываемых в системах АМП, обычно гораздо меньше. С другой стороны, балан масс позволяет наблюдать за потоками побочных продуктов или отходов в исследованиях АМП, в то время как в таблицах «IO анализа» их часто не учитывают из-за недостаточной экономической ценности. Физические модели «IO анализа» не так известны, как экономические таблицы. Однако «Ввод-вывод отходов» АМП позволяет преобразовать денежные потоки в таблице «IO анализа» в отдельные физические процессы, классифицированные по материалам, включая потоки побочных продуктов и отходов. «IO анализ» не охватывает материальные запасы, поэтому в форму накопления капитала включается только их прирост.
- Данные о жизненном цикле фиксируют спрос на множество различных материалов, связанных с отдельными продуктами, в то время как исследования АМП обычно фокусируется на одном материале, используемом во многих продуктах.
См. также
Примечания
Литература
- Baccini, P. Regionaler Stoffhaushalt / P. Baccini, H.-P. Bader. — Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg (Germany), 1996. — ISBN 978-3-86025-235-2.
Ссылки
- materialflows.net: online portal for material flow data, providing access to material flow data sets on the national level
- MFA is described in great detail and published on 166 pages in the first of four paper volumes co-edited with assistance from UNEP and in online form by the OECD
- STAN Material Flow Analysis Freeware
- Economy-wide Material Flow Analysis and Indicators
- Material flow analysis in the context of environmental accounting
- Online Material Flow Analysis Tool (OMAT): online software to administer a Material Flow Analysis