The Economic Paradox of Green Chemistry

ويُعترف على نطاق واسع بأن الكيمياء الخضراء والعمليات الكيميائية المستدامة ضرورية للحد من الأثر البيئي، وتقليل النفايات إلى أدنى حد، وتشجيع الممارسات الصناعية الأكثر أماناً، وتوفر مبادئ الكيمياء الخضراء الـ 12 إطاراً قوياً لتصميم عمليات أكثر أماناً وأكثر كفاءة في جوهرها، ومع ذلك، فإن وجود حاجز ثابت أمام الاعتماد الواسع النطاق لا يزال يتمثل في تصور وواقع التكاليف العالية، ويستلزم تنفيذ مسار جديد ثابت بيولوجي، يتحول إلى وسيط بيولوجي، أو يُدمج فيه نظام مذيب.

ويخلق ذلك حاجة حاسمة إلى استراتيجيات متطورة لتقدير التكاليف، إذ أن الاقتصاد الهندسي الموحد، الذي تم تطويره إلى حد كبير من أجل العمليات البتروكيميائية البالغة النضج مع عقود من البيانات التشغيلية، كثيرا ما لا يستوعب عرض قيمة البدائل الخضراء، ويمكن أن يقلل من قيمة عمليات التقييم التجاري المتطورة، ويحسن الوضع التنظيمي، ويعزز المساواة بين الجنسين، ويتجنب التكاليف الناجمة عن فرض الضرائب على الكربون أو التخلص من النفايات.

منهجيات تقدير التكاليف الأساسية

ويتوقف اختيار أسلوب مناسب لتقدير التكاليف اعتمادا كبيرا على مرحلة دورة حياة المشروع، وفي البحث والتطوير المبكرين، تكون البيانات شحيحة ودقيقة، ومع نضج تصميم العملية، تصبح الأساليب الأكثر تفصيلا قابلة للتطبيق، ويعد فهم مواطن القوة والقيود في كل نهج الخطوة الأولى نحو تحليل التكاليف الموثوق به.

أعلى نقطة (Order-of-Magnitude)

ويمكن أن يعتمد تقدير المرحلة الأولى، الذي كثيرا ما يستخدم في المراحل الأولى من مفهوم العمليات، على مقاييس ومقاييس صناعية واسعة النطاق، فعلى سبيل المثال، يمكن للمهندس أن يقدر وجود عملية جديدة للبرمجة البيولوجية تستند إلى التكلفة الرأسمالية للغالون الواحد من القدرات السنوية، مستمدة من مشاريع منشورة مماثلة، وهذه الطريقة سريعة بشكل استثنائي وتتطلب معلومات محدودة عن العمليات، ومن المناسب اتخاذ قرارات بشأن التمويل البحثي أو مقارنة بين مفاهيم العمليات المختلفة.

تقدير القاع (التفاصيل)

ومع تصعيد تصميم العمليات، فإن التقدير من القاعدة إلى القمة يوفر نظرة أكثر تماسكا، وتشمل هذه الطريقة إلغاء العملية برمتها إلى عناصرها التأسيسية، وتُبنى النفقات الرأسمالية من تكاليف فرادى المعدات (المفاعلات والمضخات والأعمدة ومبادلات الحرارة) المقدرة باستخدام عروض البائعين أو برامجيات تقدير التكاليف المعترف بها، ثم تضيف عوامل تتعلق بالتركيب والتشفير والكهرباء وصكوك البناء والتكاليف غير المباشرة.

أما نفقات التشغيل (المكتب التنفيذي) - بما في ذلك المواد الخام، والحفازات، والمذيبات، والمرافق (البخار، والكهرباء، ومياه التبريد)، والعمل، ومعالجة النفايات - فهي محسوبة على أساس أرصدة الكتلة والطاقة التفصيلية، وهذه التفاصيل لا تقدر بثمن، وقد يكشف تقدير من القاعدة إلى القمة أن رد الفعل من دون مذيبات يقلل إلى حد كبير من تكلفة نظام الإبلاغ الموحد عن طريق إزالة أعمدة الاسترداد، أو أن يكون هناك مساراًاًاًاًاًاً حيوياً.

النموذج المتماثل والمشابه

ويمكن أن يوفر التقدير الموازي أرضاً وسطاً بين السرعة القصوى والدقة من القاعدة إلى القمة، وتستخدم هذه الطريقة علاقات إحصائية ووظائف تكلفة، تستند في كثير من الأحيان إلى معايير عملية رئيسية مثل القدرة أو الضغط أو مواد البناء، مثلاً، يمكن تقدير تكلفة مفاعل فولاذي جديد غير قابل للاستمرار باستخدام معادلة مكثفة من حيث التكلفة: تقدير التكلفة (القدرة على التحول)

الأطر الشاملة: تكاليف دورة الحياة والتقييم الكلي للتكاليف

ويركز تقدير التكلفة التقليدي على التدفقات النقدية المباشرة القصيرة الأجل، وفي العمليات المستدامة، كثيرا ما يضع هذا النظر الغامض خيارات خضراء في وضع غير مؤات، وقد يكون المذيب الأخضر أكثر تكلفة لكل كيلوغرام من الكيلوغرام التقليدي، ولكن انخفاض سميته يمكن أن يقلل بشكل كبير من المسؤولية عن معالجة النفايات، ورصد سلامة العمال، ومتطلبات التهوية، ولإدراك هذه الاختلافات، يجب على المحللين أن يعتمدوا أطرا شاملة توسع حدود التحليل الاقتصادي.

تكاليف دورة الحياة

(أ) منهجية حساب جميع التكاليف المرتبطة بالمنتج أو العملية طوال عمرها، من استخراج المواد الخام () ) من خلال التصنيع والاستخدام وإدارة النفايات النهائية (]]] [تقوم عملية إعادة تدوير النفايات القائمة على التكلفة، وتشمل عملية إنتاج المواد الكيميائية المستدامة.

The power of LCC for green chemistry is that it systematically reveals cost trade-offs across different life cycle stages. A process that uses a more expensive incentive might generate significantly less waste, drastically lowering end-of-life costs. A product designed for biodegradability might avoid the long-term liability associated with persistent pollutants. By providing a complete cost profile, LCC helps decision-optimization area where

مجموع الأنصبة المقررة للتكاليف

ويوسع تقييم التكاليف الإجمالي نطاق مبادئ اتفاقية الأراضي الرطبة بتأويل التكاليف والفوائد الخارجية تمويلاً صريحاً، وهي التكاليف والفوائد التي يتحملها المجتمع عادة، أو البيئة، أو الأجيال المقبلة، بدلاً من أن تنعكس مباشرة في عملية Pamp;L.() وهذا ما يدلل فيه الكيمياء الخضراء على أقوى مبرر اقتصادي له.() ويصف تقدير قيمة انبعاثات الكربون (باستعمال سعر الكربون الداخلي أو التكلفة الاجتماعية للكربون)، وتكلفة الملوث الجوي.

على سبيل المثال، عملية مذيبات متجانسة تقليدية قد تكون لها تكاليف مباشرة منخفضة ولكن تكاليف عالية من الأنيسول الخماسي الكلور بسبب انبعاثات الأوقيانيوم، وخصوم السمية، والتحلل الكثيف للطاقة، عملية بديلة تستخدم مذيباً مستمداً من مصادر حيوية أو ماء قد تكون لها تكاليف مادية مباشرة أعلى، ولكن تكاليف من هذا النوع الخارجي يمكن أن تظهر صورة أعلى من مجموع التكاليف في عملية التقييم

ويُعترف على نطاق واسع بالتحول من اكتشاف المختبرات إلى الإنتاج التجاري باعتباره أكثر المراحل خطراً من الناحية المالية في تطوير العمليات الكيميائية، ويشار إليه غالباً باسم " الكيمياء التدفقية " () و " التكنولوجيات الخضراء التي تستخدم مواد وسيطة جديدة، أو محلليات حيوية، أو تكثيف العمليات " (مثلاً، مفاعلات الكيمبرلين الميكانيكية)، وهذه الوعية.

مستويات القدرة على الارتقاء بالتكنولوجيا وتقدير التكاليف

(ب) أن تكون دقة تقدير التكاليف مرتبطة ارتباطاً وثيقاً بمستوى القدرة على الارتقاء بالتكنولوجيا (TRL) من العملية، وفي إطار البند 3-4 (الدليل العملي على المفاهيم)، فإن التقديرات عادة ما تكون نظاماً للقابلية للاشتعال، مع وجود نطاقات دقيقة من 50 في المائة أو أكثر، وفي هذه المرحلة، ينبغي التركيز على تحديد العوامل الرئيسية لدقة التكاليف ومقارنة طرق العمليات، وليس على أساس دقة دقيقة(15).

وبالنسبة لمشاريع الكيمياء الخضراء، هناك شعور قوي بأن تولد تقديرات للتكاليف متفائلة للغاية عند مستويات منخفضة من الموارد الأساسية لتأمين التمويل، والنهج الأدق هو التحديد الكمي للغموض وإدراج عوامل طوارئ مناسبة، وقد تتطلب عملية انزيمية جديدة في إطار البند 3 من هدف تخصيص الموارد من الموارد الأساسية طارئاً من حيث التكلفة بنسبة 40 إلى 50 في المائة، مما يعكس مخاطر حدوث إبطال إنزيمات إنزيمية، وعدم استقرار أسعار الصرف، وتحديات استرداد المنتجات.

إقامة شراكات مع الوحدات النموذجية وشركاء البائعين باعتبارهما استراتيجيات لخفض التكاليف

وتتمثل إحدى الاستراتيجيات الفعالة لتقليل المخاطرة في اعتماد وحدات تصنيع نموذجية أو مزودة بمزلاجات، بدلا من إنشاء مصنع ضخم ومبني خصيصا، يتيح النهج النموذجي تركيب وحدات أصغر حجما وموحدة يمكن تكرارها وتوسيع نطاقها الأفقي، ويقلل هذا النهج كثيرا من تكاليف الهندسة والتشييد، ويقلل الجدول الزمني للمشروع، ويقلل من المخاطر المالية المترتبة على وجود عمليات خضراء واحدة ذات نطاق واسع.

كما يمكن أن يؤدي التشارك مع شركات بائعي المعدات والهندسة والمشتريات والتشييد في وقت مبكر من عملية التنمية إلى تحسين دقة تقدير التكاليف، بينما توفر عروض البائعين، في حين لا تكون ملزمة في مراحل مبكرة، التحقق من واقع قائم على أساس التكاليف المقدرة للمعدات، ومواد متطلبات البناء، والجداول الزمنية للإنجاز.

تحليل المخاطر واختبارات الحساسية

وتستند كل تقدير للتكاليف إلى أساس افتراضات، وبالنسبة للكيمياء الخضراء، فإن هذه الافتراضات - تقلب أسعار المواد الوسيطة، والتغييرات التنظيمية، وعملية الغلة - تزيد من عدم اليقين، ولذلك يجب أن تقترن استراتيجية قوية لتقدير التكاليف بتحليل دقيق للمخاطر من أجل تقييم مدى النتائج المالية المحتملة وتحديد المتغيرات التي هي الأكثر أهمية.

تحديد العوامل الرئيسية لسائقي التكاليف مع تحليل الحساسية

ويتفاوت تحليل الحساسية بصورة منهجية بين معيار واحد للمدخلات في وقت واحد لمراقبة الأثر على القيمة الحالية الصافية للمشروع أو معدل العائد الداخلي. وبالنسبة لعملية كيميائية قائمة على بيولوجيا، تشمل متغيرات الحساسية النموذجية سعر المواد الوسيطة للكتلة الأحيائية، وتكاليف الطاقة، وفوائد العملية العامة، وأسعار بيع المنتج، وكثيرا ما يستخدم مخطط إعصار لتحقيق النتائج التي لها أكبر تأثير اقتصادي.

وبالنسبة للكيمياء الخضراء، كثيرا ما يكشف تحليل الحساسية عن نظرة فاجعة: فكلفة المواد الوسيطة أو غلة التفاعل الرئيسي هي في كثير من الأحيان أقل أهمية من تكاليف التخلص من النفايات أو تكاليف الامتثال التنظيمي، وقد تكون عملية توليد تدفق النفايات الخطرة التي تتطلب الحرق أكثر حساسية من تكاليف معالجة النفايات من زيادة صغيرة في أسعار المواد الخام، وهذا التحليل يسترشد بجهود البحث والتطوير نحو جوانب العملية التي تتيح أكبر قدر من التحسين الاقتصادي.

Probabilistic Modeling and Monte Carlo Simulation

وفي حين أن تحليل الحساسية هو تحليل محدد، فإنه لا يستوعب الأثر المشترك للمتغيرات المتعددة التي تتغير في آن واحد، وهذا هو المكان الذي يوفر فيه محاكاة مونت كارلو ميزة كبيرة، ويخصص المحللون توزيعاً محتملاً (مثلاً، عادياً، ثلاثياً، غير عادي) لمدخلات غير مؤكدة رئيسية تستند إلى بيانات تاريخية أو إلى حكم من الخبراء، ثم يُجري البرنامج الحاسوبي آلافاً من عمليات التوزيع النهائية.

بالنسبة لمشروع الكيمياء الخضراء، قد يكشف ناتج محاكاة مونت كارلو أنه لا يوجد سوى 40 في المائة من احتمال تحقيق العائد المستهدف للاستثمار، نظراً لتقلب أسعار الكربون والمخاطر التقنية لحياة دورة الحفازات، وهذا التحليل الكمي للمخاطر يعطي صناع القرار فهماً أكثر ثراءً لملامح المخاطر في المشروع من تقدير محدد واحد.

الاستنتاج: بناء قضية تجارية من أجل مستقبل مستدام

ويوفر تقدير التكاليف الفعال الأساس المالي للنهوض بالكيمياء الخضراء من مثالي بيئي إلى واقع صناعي، والانتقال من نماذج التكلفة التقليدية والخطية إلى أطر شاملة ومكيفة حسب المخاطر أمر أساسي، ومن خلال استخدام مجموعة من التقنيات - من الفحص السريع من القمة إلى القاعدة والتحليل التفصيلي من القاعدة إلى القمة إلى التكلفة الكلية لسلسلة الحياة، ومن محركات تقييم التكاليف الإجمالية ومن صانعي القرار يمكن أن يقيموا بدقة القيمة الحقيقية للعمليات المستدامة.

(د) الاعتراف بأوجه عدم اليقين الكامنة في التكنولوجيات الجديدة وتحديدها كمياً من خلال تحليل الحساسية، ويتيح محاكاة مونت كارلو تخصيص موارد أذكى وتخطيط أكثر مرونة للمشاريع، وفي نهاية المطاف، فإن اتباع استراتيجيات تقدير التكاليف هذه يمكِّن المنظمات من اتخاذ قرارات استثمارية لا تكون سليمة اقتصادياً فحسب، بل تتواءم أيضاً مع ضرورة بناء صناعة كيميائية أكثر خضراء وأكثر أماناً وأكثر استدامة.