«Сырьевое пари»
Один из крупнейших в мире специалистов по металлам Харальд Свердруп, отмечает, что кроме энергетического дефицита мир в XXI веке ожидает достижение пика производства многих металлов, что вызовет значительное снижение их производства. Совокупность причин растущего дефицита и критической важности металлов для новых технологий делает ресайклинг металлов (повторное использование материалов вместо переработки сырьевых ресурсов; от английского recycle — переработка, повторный цикл) одним из важнейших требуемых прорывов в XXI веке.
Основными тенденциями XX века в сфере металлов были: экспоненциальный рост потребления металлов;<1>
падение содержания металла в породе (график 2); вовлечение в процесс потребления всей таблицы Менделеева. <2>
По данным итальянского ученого Уго Барди (Ugo Bardi, «Peak Mineral»), пик добычи некоторых металлов пройден в XX веке (в скобках указан год прохождения пика добычи): ртуть (1962), теллур (1984), свинец (1986), кадмий (1989), таллий (1995), цирконий (1994), селен (1994), рений (1998), галлий (2002). Достижение пика производства разных металлов имеет разную природу. В случае индия пик только ожидается. Значительный рост объемов использования металла истощает запасы, индий в основном используется при изготовлении LCD-мониторов и телевизоров.
Краткосрочные колебания в поставках индия становятся крайне критичными для промышленности, а переход на новые технологии мониторов в ближайшее время не предвидится.
Иначе говоря, причиной пика производства индия будет рост потребления, который будет превосходить доступные запасы и вызовет физический дефицит ресурса. В случае ртути пик производства также был вызван истощением ресурсной базы, но от использования ртути во многих промышленных процессах довольно быстро и легко отказались из-за высокой токсичности металла.
Прохождение пика производства металла в результате истощения ресурсной базы означает две вещи. Первая — что человек никогда не сможет больше добывать такое количество металла. Вторая — металл будет ускоренно исчерпываться из-за растущего дефицита, человек будет использовать все более бедные и более удаленные запасы вплоть до добычи со дна океанов, что, соответственно, вызовет экспоненциальный рост цены.
Одна примечательная история с прогнозом исчерпания и значительного удорожания металлов уже случилась в XX веке — это знаменитое «сырьевое пари», заключенное в 1980 году между профессором экологии Стэнфордского университета Полом Эрлихом и профессором экономики Мэрилендского университета Джулианом Саймоном.
Эрлих утверждал, что с ростом населения ресурсы будут исчерпываться и цена на ресурсы будет постоянно расти. В частности, за 10 лет цены на металлы вырастут в пять раз. Саймон утверждал, что по мере исчерпания ресурса его цена растет, задолго до этого исчерпания наука найдет способ заменить его более доступным и дешевым ресурсом. Саймон предложил пари — цена выбранного Эрлихом сырья в ближайшие десять лет упадет. Эрлих становился победителем, если за десять лет подорожает хотя бы один из пяти выбранных им металлов. Он выбрал редкие металлы — вольфрам, медь, никель, хром, олово. Через десять лет Эрлих вынужден был публично заплатить Саймону 10 тысяч долларов за проигранное пари. В момент заключения пари цены всех выбранных Эрлихом металлов росли, поэтому инженеры в конце концов нашли способы обойтись без дорогого сырья. Не помогла даже инфляция, так как выбранные им металлы подешевели намного заметнее денег.
Ретроспективно основания для многих прогнозов кажутся довольно странными. Эрлих, недооценил динамику ситуации и дал прогноз катастрофического характера, прогноз резкого изменения событий, который не учитывал инерционность мировой системы, географическое распространение месторождений металлов, критическую важность свойств металлов для технологий, возможность замены металлов.
Но в 2000-х годах произошла ситуация, которая могла бы позволить выиграть Эрлиху подобное пари.
Взмыли цены на редкоземельные металлы и металлы, являющиеся критически важными для новых технологий, которые сегодня используются в новых отраслях промышленности.
Критически важные металлы и «пик технологий»
Важным трендом начала XXI века является старт технологического перехода в сторону новых источников энергии, увеличения энергоэффективности, снижения нагрузки на природу и в конечном счете достижения энергонезависимости от ископаемых источников энергии. Для развития таких технологий критически важными являются: тантал, германий, галлий, кобальт, литий, рутений, теллур и 17 редкоземельных металлов. Название «редкоземельные» не должно вводить в заблуждение: по запасам редкоземельные элементы не являются редкими, по суммарной распространенности они превосходят свинец в 10 раз, молибден — в 50 раз, вольфрам — в 165 раз.
Но содержание редкоземельных элементов в руде составляет зачастую не более 100 граммов на тонну, поэтому часто редкоземельный металл является побочным продуктом добычи более распространенного металла.
В руде крупнейшего в мире месторождения редкоземельных металлов Баян-Обо (Внутренняя Монголия, Китай) 45% составляет железо, содержание редкоземельных металлов — около 5%.
Исследования показывают, что, хотя общий объем резервов критически важных металлов и значителен, по отдельным металлам ситуация может стать в ближайшем будущем очень напряженной.
Говоря об обеспеченности критически важными металлами на XXI век, не стоит твердо доверять данным по резервам и ресурсной базе, так как оценки могут стремительно меняться, причем практически без объяснения причин. Например, по запасам фосфатов Американское геологическое агентство (United States Geological Survey) в отчете 2011 года повысило объем резервов фосфатов в 4 раза по сравнению с 2010 годом. До этого изменения оценки пик добычи фосфатов, которые являются сегодня единственным источником фосфора для сельского хозяйства в промышленном масштабе, прогнозировался уже на текущее десятилетие.
Использование металлов и возможность замены
Типичные примеры использования критически важных для новых технологий металлов — это ветровые турбины, фотоэлементы, мониторы, электромоторы для автомобилей, катализаторы для промышленности, керамика для электроники. Анализ возможностей замены критически важных металлов в промышленной продукции показывает, что для такой замены необходим полностью новый промышленный и технологический дизайн.
Редкоземельные металлы уже используются примерно в 14% ветровых турбин. Благодаря использованию магнитов, содержащих редкоземельные металлы, значительно снижается трение, а конструкции становятся гораздо более надежными в использовании.
Удорожание и дефицит редкоземельных металлов заставят компании пересмотреть дизайн технологии в поиске заменителей или же вернуться к старым технологиям.
Редкоземельные металлы используются в двигателях гибридных автомобилей и электромобилей. Потенциально замена возможна, но придется затратить значительное время и усилия на исследования и разработки. Наиболее эффективные осветительные системы также содержат редкоземельные металлы (компактные флюоресцентные лампы, LED-экраны, плазменные дисплеи, LCD-дисплеи). На сегодня замена технически невозможна, необходимы исследования для поиска эффективных и высококачественных заменителей для обеспечения люминесценции. Автомобильные катализаторы содержат церий, катализаторы для крекинга нефти содержат лантан, редкоземельные металлы часто используются как катализаторы для химической промышленности. Замена практически невозможна.
Как утверждает Oeko-Institut (Германия), поиск потенциальной замены осложняется тем, что если в высокотехнологичной промышленности определенный металл или сплав удовлетворяет в решении определенных задач, то в будущем от него будет трудно отказаться, а сфера использования будет только расширяться.
Соответственно, энергетический переход на новые источники энергии, которые предполагаются как замена ископаемому топливу, без наличия достаточного количества определенных металлов будет невозможен.
Если замена критически важных металлов в новых технологиях невозможна, то, исчерпав запасы этих металлов, мы никогда не сможем создавать новые технологии. Многие возражают, что металлов, необходимых для человеческой промышленности на Земле, предостаточно, закончатся богатые руды — будем добывать металлы со дна океанов, из морской воды, астероидов. Но энергетические и экономические затраты на добычу из столь нестандартных источников нынешними методами будут невероятными, и цена на металлы вырастет в сотни раз. Экстраполируя ситуацию, если дефицит по многим базовым ресурсам станет существенным, а цены вырастут значительно, то будущим поколениям придется несладко: доступных ресурсов нет, капитала для поиска замен или новых технологий будет не хватать, так как капитал будет инвестироваться в поддержание все дорожающего образа жизни.
Итог — постепенное падение уровня жизни, но уже навсегда, так как доступные энергетические запасы исчерпаны, а материалы, необходимые для создания новых технологий, которые используют либо труднодоступную ископаемую энергию, либо возобновляемые источники энергии, диссипировали.
Таким образом, если всерьез не отнестись к использованию невозобновляемых ресурсов, то исчерпание или высокая цена ресурса могут остановить двухсотлетний научно-технический прогресс, который был основан на дешевом и потенциально бесконечном ресурсе. При этом мы достигнем «пика технологий» и либо навсегда останемся на существующем уровне технологического развития, либо скатимся вниз по технологической цепочке, так как технологии предыдущих этапов основаны на ресурсе, который также будет становиться дефицитным.
Ресайклинг — возможный путь к спасению
В отличие от энергетических ресурсов (нефть, природный газ, уголь), которые при использовании сжигаются, а полученная энергия диссипирует, в случае с металлами есть шанс значительно увеличить их наличие и, возможно, избежать угрозы потенциального дефицита, так как металлы можно использовать вторично.
Ресайклинг металлов и замыкание промышленных циклов могут явиться теми ключевыми технологиями (или даже идеологией), которые дадут шанс существованию новых технологий и новой энергетики. Кроме того, среди дополнительных преимуществ ресайклинга металлов можно отметить значительное снижение энергетических и водных затрат на тонну продукта по сравнению с первичным производством, значительное снижение вреда окружающей среде в результате снижения объема отходов.
Также процесс ресайклинга позволяет в случае редкоземельных металлов получать металл без выброса радиоактивных отходов.
Многие металлы уже сейчас имеют относительно высокую (больше 25%) долю переработки после использования. В основном это металлы, которые после использования довольно легко собирать для вторичной переработки (алюминий, сталь) или которые используются чистыми в ограниченном количестве продуктов промышленного производства (свинец, золото, серебро, платина). <3>
По статистике, примерно половина объема производства индия, рутения, 40 процентов галлия, 30 процентов теллура и германия уже сейчас производится в результате ресайклинга, но весь этот объем вторичного металла получается в результате использования отходов первичного производства (ресайклинг «до использования»). Так как критически важные металлы используются в промышленных товарах в очень малых количествах, это не позволяет эффективно и экономически рентабельно организовать их сбор. Поэтому ситуация с вторичной переработкой (ресайклинг «после использования») критически важных металлов куда сложнее и металлы в результате использования практически полностью исчезают. <4>
Сегодня низкие цены большинства металлов не позволяют экономически рентабельно организовать вторичную переработку «после использования», но рано или поздно цена достигнет уровня, который сделает ресайклинг экономически рентабельным.
Важно, чтобы к этому времени возникли технологии использования отходов современного производства и потребления, иначе человечество навсегда потеряет исключительно ценные ресурсы.
В начале 2000-х начали происходить изменения. В первой половине 2000-х годов в результате распространения новых технологий энергетики (ветроэнергетика, фотовольтаика) и расширения производства электроники (мобильные телефоны, мониторы, освещение) начался рост цен на критически важные металлы, в первую очередь редкоземельные.
Основные запасы редкоземельных металлов сосредоточены в Китае (50% мировых запасов).
Китай производит сегодня 97% редкоземельных металлов и является единственной страной, которая имеет полную технологическую цепочку от добычи руды до производства содержащих редкоземельные металлы товаров (батареи, магниты, солнечные панели). С 2009 года цены на редкоземельные металлы выросли в 5—20 раз в связи с решением Китая о снижении объемов экспорта. Китай закрыл экспорт первичных ресурсов и предложил закупать готовую продукцию китайского производства, содержащую редкоземельные металлы, с целью оставить добавленную стоимость внутри страны. После этого страны, зависящие от китайского экспорта, — Япония, Корея, Европейский союз, США — начали искать новые ресурсы, расконсервировали старые шахты и обратились к ресайклингу металлов на этапе «после использования», в основном из отработанной электроники, магнитов, батарей. Так, в июле прошлого года японские ученые объявили об обнаружении богатых залежей редкоземельных элементов на дне Тихого океана, однако успеха в его разработке пока не добились.
Месяц назад компания «Хонда» заявила о намерении вторичного использования 80% из объема редкоземельных металлов, содержащихся в батареях. Но пока такие объемы всего лишь капля в море. Существующие сегодня технологии позволяют отправлять на вторичную переработку только металл, используемый в магнитах, моторах и изделиях, то есть в продукции, имеющей высокое содержание металла. Ни стекло, ни катализаторы, ни керамика, ни экраны смартфонов сегодня не перерабатываются вторично.
Причины этому — низкое содержание, сложность сбора продуктов, отсутствие технологий извлечения и переработки и слишком высокая цена на весь процесс ресайклинга.
Тем не менее с 2010 года Европа активно организует сеть European REE Network, а многие компании развивают технологии ресайклинга, например бельгийский сырьевой гигант Umicore.
Снижение экспорта из Китая стало очень сильным драйвером для развития ресайклинга, и в ближайшие 5—10 лет можно ожидать значительных прорывов в этом направлении. Но в целом ситуация ещё долго останется без изменения, если единственным стимулом будет оставаться текущая рыночная цена металлов, отражающая только краткосрочные ожидания, но никак не долгосрочные перспективы.
Ожидается, что другим важным направлением развития станет создание новых дизайнов продуктов промышленности и нового дизайна зданий, ориентированное на свойства конструкций, которые облегчат сбор материалов для ресайклинга, одновременно отвечая новым ограничениям, таким как снижение выбросов СО2, использование возобновляемых источников энергии, снижение заборов пресной воды. Хорошим примером является разработка жилых домов и офисных зданий, которые спроектированы таким образом, что по истечении срока службы (около 50 лет) будут легко разбираться для облегчения переработки использованных материалов.
Чем же отличается ситуация с редкоземельными металлами сегодня от ситуации во время пари Саймона и Эрлиха? Сегодня ситуация с критически важными металлами больше похожа на войну за исчезающие ресурсы.
Нарастающий дефицит металлов в связи с их абсолютной ограниченностью (при современных технологиях извлечения и ресайклинга) усиливается совпадением факторов китайской монополии и критической важности металлов для новой промышленности. Исходя из сложившегося положения, получается, что на данный момент нет другой альтернативы, кроме обеспечения в следующее десятилетие значительных прорывов в ресайклинге, особенно редкоземельных металлов и металлов, используемых в малых количествах, что даст возможность совершить энергетический переход и не остановить дальнейшее развитие технологий.
Развитие ресайклинга критически важных металлов станет примером изменения подхода к инновациям в XXI веке. В XIX—XX веках инновации были нацелены на покорение природы, расстояний, космического пространства. В конце XX — начале XXI века инновации были нацелены на развитие медицины, связи, индустрии развлечений. При этом практически не ощущались физические и ресурсные ограничения для жизни людей на планете, что касается в первую очередь развитых стран. В XXI веке цивилизация, достигая пределов линейного развития, будет развивать инновации, которые будут направлены на развитие эффективности и сохранение возможности жить на чистой и зеленой планете.