Влияние городской добычи полезных ископаемых на устойчивость инфраструктурных материалов

Городская добыча полезных ископаемых меняет подход городов к управлению ресурсами, восстанавливая ценные материалы из существующих потоков отходов, включая электронный лом, снесенные здания и выброшенные потребительские товары. Эта практика напрямую поддерживает устойчивость инфраструктуры за счет снижения зависимости от добычи первичных ресурсов, сокращения выбросов от транспорта и содействия круговой экономике. По мере ускорения глобальной урбанизации и увеличения спроса на материалы городская добыча предлагает ощутимый путь к более устойчивым и экологически ответственным инфраструктурным системам.

Понимание городской добычи полезных ископаемых: всесторонний обзор

Городская добыча — это систематическое извлечение металлов, пластмасс, стекла и других материалов из антропогенных запасов — материалов, накопленных в зданиях, инфраструктуре, транспортных средствах, электронике и других продуктах в городах. В отличие от традиционной добычи, которая извлекает сырье из природных месторождений, городская добыча рассматривает саму построенную среду как добываемый ресурс. Концепция получила тягу, потому что городские запасы содержат более высокие концентрации определенных ценных материалов, чем природные руды. Например, концентрация меди в печатных платах может быть в 30—50 раз выше, чем в медной руде, добываемой из земли.

Практика охватывает несколько различных материальных потоков:

• E-отходы: Выброшенная электроника, такая как смартфоны, ноутбуки, серверы и телевизоры. В них содержатся драгоценные металлы (золото, серебро, палладий), базовые металлы (медь, алюминий) и критическое сырье (кобальт, редкоземельные элементы).
• Строительство и снос (C&D) отходов: Бетон, сталь, дерево, стекло и асфальт от реконструкции и сноса зданий.Это самый большой поток отходов по объему во многих развитых странах.
• Транспортные средства с истекшим сроком службы: Сталь, алюминий, медь, пластмассы и батареи, которые могут быть восстановлены при утилизации автомобилей.
• Лом металла из промышленных и потребительских источников: Стальные балки, трубы, проводка и упаковка, которые циркулируют по экономике.

По оценкам Всемирного экономического форума, в настоящее время на долю перерабатываемых материалов приходится примерно 40% мирового производства стали и 60% мирового производства алюминия. Тем не менее, для многих критически важных материалов, особенно редкоземельных элементов и лития, показатели переработки остаются ниже 5%, что подчеркивает как проблему, так и огромные возможности.

Роль городского горного дела в развитии инфраструктуры

Переработанные материалы на дорогах, мостах и зданиях

Инфраструктурные проекты могут напрямую включать материалы, добываемые в городах. Рециркулируемый бетонный агрегат (RCA), производимый путем дробления снесенного бетона, все чаще используется в качестве базового слоя для дорог и в качестве агрегата в новом бетоне. В то время как RCA обычно снижает прочность на сжатие на 5-15% по сравнению с первичным агрегатом, он все еще может соответствовать спецификациям для многих структурных и неструктурных применений. Например, такие города, как Роттердам и Ванкувер, требуют минимального переработанного контента в проектах общественной инфраструктуры, стимулируя спрос на агрегаты, добываемые в городах.

Сталь является одним из наиболее успешно переработанных материалов. Сталелитейная промышленность США использует около 70% стали в качестве сырья, большая часть которой поступает из городской добычи. Конструкционные стальные балки, арматуры и листовой металл могут быть изготовлены из 100% переработанного лома без потери механических свойств. Этот подход с замкнутым циклом значительно снижает потребление энергии - рециркуляция стали экономит примерно 74% энергии, необходимой для ее производства из железной руды.

Нецветные металлы, такие как медь и алюминий, одинаково важны. Городская добыча меди из старой проводки и электроники обеспечивает примерно треть мирового спроса. В инфраструктуре переработанная медь выполняет то же самое, что первичная медь в электропроводке для зданий, подстанций и транзитных систем. Аналогично, переработанный алюминий из оконных рам, сайдинга и деталей транспортных средств может использоваться в занавесных стенах, кровле и конструктивных компонентах, обеспечивая экономию энергии до 95% по сравнению с первичным производством.

Тематические исследования в области городского горного дела для инфраструктуры

Несколько городов и стран приняли городскую добычу в больших масштабах:

• Япония с начала 2000-х годов стала инициатором инициатив по «городским шахтам», нацеленных на редкие металлы из электронных отходов. В докладе Японской национальной корпорации нефти, газа и металлов (JOGMEC) за 2022 год говорится, что городские запасы страны содержат до 6800 тонн золота и 60 000 тонн меди, что эквивалентно 20% и 17% мировых запасов соответственно. Эти материалы направляются в высокотехнологичную инфраструктуру, включая сети 5G и зарядные станции электромобилей.
• Европейский союз ввел План действий по круговой экономике, который устанавливает амбициозные цели по переработке содержания в строительных продуктах. План предписывает, чтобы к 2030 году все строительные и сносные отходы должны быть подготовлены для повторного использования, переработки или другого восстановления материалов (не включая заполнение), и чтобы государства-члены достигли минимальной скорости переработки 70% для отходов C&D по весу. Несколько государств-членов, таких как Германия и Нидерланды, уже превышают эту цель.
• Нью-Йорк внедрил политику, требующую, чтобы все финансируемые городом проекты строительства и реконструкции использовали бетон с содержанием переработанного сырья не менее 30% (например, шлак, летучая зола или восстановленный агрегат). Эта инициатива, часть городского плана «OneNYC 2050», направлена на сокращение выбросов углерода в муниципальной инфраструктуре при создании местного рынка для городских материалов.

Экологические и экономические выгоды

Сокращение выбросов парниковых газов

Городская добыча резко снижает углеродный след инфраструктурных материалов. Производство цемента, стали и алюминия — все это необходимо для дорог, мостов и зданий — составляет примерно 25% глобальных промышленных выбросов CO2. Замена первичного производства переработанным содержанием может сократить эти выбросы на 30% до 95% на тонну материала. Исследование, проведенное Международной группой по ресурсам, показало, что увеличение глобальных темпов переработки строительных материалов всего на 10 процентных пунктов приведет к сокращению ежегодных выбросов парниковых газов на 150-200 миллионов тонн эквивалента CO2.

Сохранение природных ресурсов и биоразнообразия

Традиционная добыча полезных ископаемых является интенсивным суша. Один медный рудник может нарушить сотни квадратных километров земли, фрагментируя среду обитания, загрязняя водные системы и вытесняя общины. Городская добыча позволяет избежать этих экологических последствий путем извлечения материалов из уже измененных городских сред. Для каждой тонны стали, произведенной из лома, а не из руды, в земле остается около 1,5 тонн железной руды, 0,5 тонны угля и 1,2 тонны известняка.Кумулятивный эффект масштабирования городской добычи может сохранить обширные участки лесов, водно-болотных угодий и горячих точек биоразнообразия.

Экономические преимущества и создание рабочих мест

Городская добыча полезных ископаемых может снизить материальные затраты на инфраструктурные проекты за счет сокращения потребности в дальней транспортировке сырья. Местные перерабатывающие предприятия сокращают цепочки поставок и изолируют проекты от неустойчивых цен на сырьевые товары. В Соединенных Штатах индустрия переработки уже поддерживает более 500 000 рабочих мест и ежегодно генерирует более 110 миллиардов долларов экономической активности. Расширение городской добычи для инфраструктуры создаст дополнительную занятость в сортировке, переработке, восстановлении материалов и развитии технологий.

Кроме того, многие муниципалитеты тратят значительные суммы на утилизацию отходов — иногда сотни долларов за тонну для захоронения или сжигания. Городская добыча превращает затраты в поток доходов, продавая восстановленные материалы на товарные рынки. Например, программа «Нулевые отходы» в Сан-Франциско, которая подчеркивает городскую добычу строительного мусора, спасла город более чем на 12 миллионов долларов в виде платы за свалку только в 2020 году.

Проблемы и технические барьеры

Сложность разделения материалов

Одним из самых больших препятствий для эффективной городской добычи является трудность разделения композиционных материалов. Современные здания и изделия спроектированы без полного учета восстановления в конце срока службы. Сталь сварена до меди, пластмассы связаны с металлами, а бетон усилен стальными стержнями, которые часто невозможно полностью извлечь без дробления. Это приводит к загрязненным потокам материалов, которые снижают качество и ценность переработанной продукции.

Передовые технологии разделения, включая сортировку на основе датчиков, разделение вихревых токов и разделение плотных носителей, улучшили показатели восстановления, но они дороги и еще не развернуты в масштабе во многих регионах. Роботизированные сортировочные системы на основе ИИ (например, разработанные такими компаниями, как AMP Robotics и Steinert) появляются в качестве решения, но капитальные затраты по-прежнему сдерживают принятие, особенно в небольших муниципалитетах.

Загрязнение и велосипедный пробег

Даже когда материалы отделены, загрязнение может ограничить их использование в высокоценных инфраструктурных приложениях. Например, в переработанном бетонном агрегате часто содержится гипс из гипсокартона, дерева или пластикового остатка, что может поставить под угрозу химическую стабильность нового бетона. В переработанной стали могут быть использованы нежелательные легирующие элементы, такие как медь или олово из лома, которые снижают его пластичность и утомляемость. В результате многие переработанные материалы «низкоцикличны» в более дешевые приложения (например, сталь, используемая для арматуры, а не структурных балок), что снижает экономический стимул для городской добычи.

Для борьбы с загрязнением требуется как улучшенная сортировка, так и изменения в дизайне продукции. Принципы проектирования для разборки (DfD) поощряют производителей использовать меньше типов материалов, делать компоненты отделимыми вручную или стандартными инструментами и избегать токсичных клеев и покрытий. Некоторые юрисдикции, такие как Европейский союз, начинают предписывать стандарты DfD для электронных продуктов и строительных материалов, но прогресс остается медленным.

Регулятивные и экономические трудности

Городская добыча конкурирует с хорошо зарекомендовавшими себя отраслями производства первичных материалов, которые получают выгоду от экономии за счет масштаба и во многих странах государственных субсидий. Добыча Virgin часто сталкивается с более низкими затратами на соблюдение экологических норм, чем переработка, особенно когда нормативные акты слабы или исполнение непоследовательно. Высокие капитальные затраты на переработку, колебания цен на сырьевые товары и отсутствие стабильного спроса на переработанное содержимое еще больше препятствуют инвестициям.

Кроме того, отсутствие согласованных стандартов классификации материалов в разных юрисдикциях препятствует развитию рынка. Строительный материал, который считается «переработанным» в одном городе, может не соответствовать руководящим принципам закупок в другом, создавая трения для подрядчиков и поставщиков. Согласование определений, протоколов испытаний и схем сертификации является необходимым условием для масштабирования городской добычи в инфраструктуре.

Политика и инвестиционный ландшафт

Водители регулирующих органов

Правительства стран всего мира проводят политику ускорения добычи полезных ископаемых в городах.

• Расширенная ответственность производителей (EPR): Схемы, которые делают производителей финансово или физически ответственными за управление своей продукцией в конце срока службы. EPR для электроники уже является обязательным в ЕС (Директива WEEE), Японии, Южной Корее и нескольких штатах США. Аналогичные рамки для строительных материалов пилотируются во Франции и Бельгии.
• Требования к переработанному контенту: Требования к инфраструктурным проектам, использующим минимальный процент переработанных материалов. Федеральная инициатива США по покупке экологически чистых материалов, запущенная в 2021 году, стимулирует низкотемпературные углеродные материалы, в том числе с высоким содержанием переработанных материалов. Калифорнийский закон о покупке экологически чистых материалов требует, чтобы конструкционная сталь, бетонная армирующая сталь, плоское стекло и изоляция из минеральной ваты, используемые в государственных проектах, соответствовали определенным потенциальным пределам глобального потепления, эффективно подталкивая подрядчиков к продуктам городского производства.
• Налоговые льготы и субсидии: Инвестиционные налоговые льготы, снижение налогов на свалки и гранты для инфраструктуры переработки. Например, Закон США об инвестициях в инфраструктуру и рабочих местах (IIJA) выделил 350 миллионов долларов на инфраструктуру переработки и развитие рынка, включая выделенные средства для строительства объектов по восстановлению материалов (MRF), которые обрабатывают строительный мусор.
• Запреты на свалку и отвод целей: Многие юрисдикции в настоящее время запрещают захоронение некоторых перерабатываемых материалов. Запрещение удаления бетона, металла и древесины со строительных площадок — как это было сделано в Германии, Южной Корее и некоторых частях Канады — заставляет генераторы искать варианты восстановления.

Инвестиции частного сектора

Частный капитал все больше поступает в городскую добычу. Крупные корпорации, такие как Apple и Dell, взяли на себя обязательства по созданию цепочек поставок для своей продукции с замкнутым циклом, инвестируя непосредственно в технологию переработки. В строительном секторе совместные предприятия между производителями цемента и подрядчиками по сносу создают специализированные сети поставок для переработанного агрегата. Мировой рынок переработки строительных отходов был оценен примерно в 27 миллиардов долларов в 2022 году и, по прогнозам, будет расти со сложным годовым темпом роста (CAGR) 8,2% до 2030 года.

Венчурный капитал также активно участвует в городских горнодобывающих инновациях. Стартапы, разрабатывающие усовершенствованные сортировочные роботы, химическую переработку пластмасс и биотехнологическую добычу металлов (с использованием микроорганизмов для выщелачивания металлов из электронных отходов), в последние годы собрали сотни миллионов долларов. Хотя некоторые из этих технологий все еще находятся на ранних стадиях, их созревание может резко изменить экономику городской добычи.

Будущие перспективы и инновации

Городская добыча полезных ископаемых как основной компонент умных городов

По мере того, как города оцифровывают свою инфраструктуру с помощью датчиков IoT и цифровых двойников, городская добыча полезных ископаемых выигрывает от улучшенного отслеживания материалов. Информационная модель здания (BIM), которая записывает тип, количество и местоположение материалов, используемых в строительстве, может служить «материальным паспортом», что позволяет эффективно восстанавливать в конце жизни здания. Несколько европейских инициатив, включая проект «Здания как материальные банки» (BAMB), разработали прототипы таких паспортов, и ЕС изучает законодательство, чтобы санкционировать материальные паспорта для общественных зданий к 2027 году.

Технология блокчейн предлагает еще один перспективный инструмент для городского майнинга. Создавая неизменяемый реестр материалов от добычи через использование до восстановления, блокчейн может обеспечить проверяемое доказательство переработанного контента, поддерживать учет углерода и облегчать транзакции на вторичных рынках материалов. Платформы Circularise и Circular Chain уже пилотируют основанные на блокчейне паспорта материалов для пластмасс и металлов.

Достижения в технологии рециркуляции

Новые технологии готовы разблокировать новые потоки материалов для инфраструктуры. Например, химическая переработка может разбивать пластмассы на составляющие их мономеры, которые затем могут быть полимеризованы в пластмассы девственного качества. В то время как большинство химических рециркуляции сегодня сосредоточено на упаковке, приложения для строительных пластмасс — такие как трубы из ПВХ и изоляционные пены — изучаются. Аналогичным образом, гидрометаллургические процессы , которые используют водные химические вещества для избирательного растворения металлов из электронных отходов, становятся более эффективными и менее токсичными, чем традиционная плавка, что позволяет восстанавливать редкоземельные элементы и другие критически важные материалы, которые необходимы для передовых инфраструктурных технологий (например, ветряные турбины, зарядные станции EV).

В бетонном секторе исследователи из ETH Zurich и MIT разработали методы извлечения высококачественных агрегатов и цементной пасты из снесенного бетона с использованием нагрева и механического разделения. Этот «рециркуляционный цемент» может быть реактивирован и использован в новых бетонных смесях, достигая свойств, сопоставимых с цементом-деревом. Пилотные заводы в Швейцарии и США масштабируют эти процессы, при этом коммерческая жизнеспособность ожидается в течение следующих пяти-десяти лет.

Масштабирование городской добычи полезных ископаемых для глобального воздействия

Полный потенциал городской добычи будет реализован только путем скоординированных усилий по всей цепочке создания стоимости инфраструктуры.

• Инвестиции в инфраструктуру сбора и сортировки в быстро урбанизирующихся регионах, особенно в Азии и Африке, где рост городов является самым быстрым, но инфраструктура переработки часто отстает.
• Международные стандарты качества и прослеживаемости материалов , позволяющие осуществлять трансграничную торговлю переработанными материалами.
• Интеграция городской добычи в национальные стратегии ресурсов Такие страны, как Япония, Южная Корея и Германия, уже создали национальные карты городских шахт, которые количественно оценивают материалы, доступные в их построенных средах. Такие карты направляют политические решения и частные инвестиции, помогая определить приоритеты, на какие материальные потоки ориентироваться.
• Государственно-частное партнерство для снижения риска проектов на ранней стадии и демонстрации осуществимости. Например, Городской центр горных инноваций в Хельсинки, сотрудничество между городом Хельсинки, Университетом Аалто и отраслевыми партнерами, тестирует методы извлечения ценных материалов из отходов сноса и обеспечивает обучение строителей и инженеров.

В конечном счете, городская добыча полезных ископаемых не является серебряной пулей — она не может полностью заменить всю добычу первичных материалов, особенно для материалов, где спрос превышает доступный лом. Но поскольку инфраструктурные системы поворачиваются к чистым нулевым выбросам и принципам круговой экономики, городская добыча полезных ископаемых предлагает практическую, проверенную и масштабируемую стратегию. Рассматривая сам город как шахту, мы можем одновременно сократить отходы, снизить выбросы углерода, сохранить экосистемы и построить более устойчивые сообщества.