2002/zzz

Kémia

IPARI ÖKOLÓGIA:
AZ IPAR ÉS A KÖRNYEZET KAPCSOLATÁNAK ÚJRAGONDOLÁSA

Szépvölgyi János

az MTA doktora, igazgató,
MTA Kémiai Kutatóközpont, Anyag- és Környezetkémiai Kutatólaboratórium
szepvol@chemres.hu

Bevezetés

A legújabb demográfiai előrejelzések szerint 2030-ban a Földön mintegy 8 milliárd ember fog élni. Tételezzük fel, hogy ekkorra a Föld valamennyi lakosának életszínvonala megközelíti a fejlett ipari országok lakosainak mostani életszínvonalát. Milyen következményekkel járna mindez? Egyfelől bizonyos kritikus nyersanyagok, például a réz, a kobalt, a molibdén vagy a kőolaj és a földgáz felhasználása annyira megnőne, hogy - a jelenleg ismert készletek kimerülése miatt - ezt az állapotot legfeljebb egy évtizedig lehetne fenntartani. (Hacsak időközben nem fedezünk fel újabb nyersanyaglelőhelyeket, vagy az említett nyersanyag- és energiaforrásokat nem tudjuk másokkal helyettesíteni.) Másrészről, az adott esetben évenként mintegy 320 milliárd tonna szilárd hulladék keletkezne a Földön. Ennyi hulladékot egy Budapesttel azonos alapterületű, több mint 100 méter mély hulladéktárolóban lehet elhelyezni.

Ilyen és hasonló számítások, továbbá az a tény, hogy az elmúlt másfél évszázad kétségkívül imponáló gazdasági fejlődését a természeti környezet állapotának folyamatos romlása kísérte, vezettek annak felismeréséhez: az ipari tevékenység korábbi lineáris modellje (1. ábra) hosszabb távon nem működőképes. A szokásos gyakorlat szerint ugyanis a természetből származó nyersanyagokat és energiát az ipari termelés során úgy alakítjuk át a társadalom által igényelt termékekké (értékekké), majd ezeket a termékeket úgy használjuk fel, hogy közben folyamatosan, nagy mennyiségben képződnek a természeti környezetbe visszajuttatott, azt terhelő hulladékok.

1. ábra • Az ipari termelés lineáris modellje

Egyre nyilvánvalóbb: a fenntartható fejlődés, azaz annak érdekében, hogy a társadalom mai igényeit az utánunk következő nemzedékek életfeltételeinek ellehetetlenülése nélkül elégítsük ki, a lineáris modellt egy, a természeti környezetbe jobban integrálódó modellel, az ún. ipari ökorendszerrel kell felváltani. Ez utóbbi modell ugyanis a természeti környezetet és az ipari termelést egyazon rendszer részeinek tekinti, az egész rendszerben az anyag- és energiafelhasználás optimalizálására és a hulladékképződés lehető legteljesebb visszaszorítására, továbbá arra törekszik, hogy az egyik részfolyamat kilépő árama, mint egy másik részfolyamat belépő árama, a rendszeren belül hasznosuljon.

A következőkben az ipari ökorendszerek megvalósítását elősegítő, az utóbbi időben látványosan fejlődő, interdiszciplináris tudományterület, az ipari ökológia néhány általános vonását szeretnénk felvázolni.

Az ipar és a természeti környezet kapcsolatáról

A társadalom által igényelt javak előállításakor az ipar a geoszférából, a hidroszférából, az atmoszférából, továbbá a növény- és állatvilágból származó anyagokat és energiát használ fel, és oda anyagokat és energiát juttat vissza, egy lényegét tekintve lineáris, de az 1. ábrán látható, egyszerűsített sémánál jóval bonyolultabb kapcsolatrendszer keretében (2. ábra). Még néhány évtizeddel ezelőtt is ez a kapcsolatrendszer többnyire lokalizáltan működött: az ipari tevékenység környezeti hatásai, akár a bemenő, akár a kimenő oldalon, egy-egy földrajzilag jól körülhatárolható térségben jelentkeztek. A helyi környezeti hatásokat viszonylag könnyen fel lehetett ismerni, okaikat egyértelműen fel lehetett tárni. Így az adott hatásokat kiváltó cégek és az illetékes hatóságok a környezeti problémákat megfelelő szinten tudták kezelni, például közös erőfeszítéssel csökkentették egyes toxikus szennyezők kibocsátását.

2. ábra • Az ipar és a természeti környezet kapcsolata

Az utóbbi 30-40 évben az ipari termelés volumene világszerte oly mértékben emelkedett, hogy a környezeti hatások a korábbinál jóval nagyobb területekre terjednek ki, és már nemcsak az egyébként is veszélyes, hanem a nem mérgező emissziók, például az energiatermelésből (és a közlekedésből) származó szén-dioxid is, mind nagyobb veszélyt jelentenek a bennünket körülvevő természetre.

Ezzel párhuzamosan folyamatosan nő az ipari rendszerek viszonylagos súlya a természeti környezethez képest. Már az 1980-as évek végén a világ ipara évente közel azonos tömegű nitrogént és foszfort mozgatott meg, mint amennyi - ugyanezen idő alatt - a természetben mozgott. Egyes fémek, így a kadmium, a cink, az arzén, a higany, a nikkel és a vanádium ipari tömegáramai közel kétszer nagyobbak voltak a természetes áramoknál. Az ólom esetében még kirívóbb a helyzet: 1988-ban az ipar világszerte 3,4 millió tonna ólmot mozgatott meg, ez több mint 18-szorosa (!) volt a természetben áramló ólom mennyiségének (Clarks 1989).

Jóllehet a természeti környezet mint rendszer igen elmésen működik, és nagy az alkalmazkodóképessége, nem kétséges, hogy még a benne ritkán előforduló kémiai anyagokból is csak véges mennyiséget tud befogadni, nem beszélve a nagy tömegben megtalálhatókról. Sajnos, hajlamosak vagyunk erről megfeledkezni. Azt sem mindig tartjuk szem előtt, hogy ipari technológiáink - jelenlegi szerkezetükben - csak egészséges ökorendszer mellett működtethetők megfelelően. Az egészséges természeti környezet nemcsak tiszta levegőt és vizet, megfelelő mennyiségű csapadékot és termékeny talajt biztosít automatikusan az emberiség számára, hanem olyan, eddig nem kellő súllyal értékelt feladatokat is ellát, mint az időjárás szélsőségeinek tompítása vagy éppen a természetes és ipari hulladékok lebontása.

A mai ipari technológiák többsége nem tekinthető környezetbarát jellegűnek. Az ezzel kapcsolatos problémák érzékeltetésére röviden tekintsük át két jól ismert technológiai rendszer működését. A választott két példa a vas- és acélgyártás, illetve a műanyagok előállítása és felhasználása.

A vas- és acélgyártás mint technológiai ciklus a vastartalmú ércek bányászatával indul, ezt az ércek dúsítása követi. Az előkészített ércből nagykohóban, koksz és mészkő adagolása mellett, nyersvasat gyártanak. A nyersvasból viszonylag kevés adalékanyag felhasználásával acélt állítanak elő, amelyet öntéssel, hengerléssel vagy kovácsolással félkész termékekké, majd késztermékekké alakítanak át.

Az elhasználódott vas- és acéltermékek - ferromágneses sajátságaik miatt - könnyen elválaszthatók más hulladékoktól. Begyűjtésük jól szervezett, újrahasznosításuk gazdaságilag is kifizetődő.

Az acélgyártás által igényelt hulladék tömege elsősorban az alkalmazott technológiától függ. Az utóbbi időben kezdenek elterjedni azok a technológiai megoldások (az ún. mini acélművek), amelyek kizárólag ócskavasból és acélhulladékból kiindulva gyártanak kereskedelmi acélt. 2000-ben a világ acéltermelése mintegy 800 millió tonna volt, ennek a mennyiségnek közel felét hulladékból állították elő (Sziklavári, 2002). A vasciklus tehát a viszonylag egyszerű újrahasznosíthatóság ellenére sem zárt körfolyamat. Az elhasznált fogyasztási cikkekből származó vashulladék csak részben kerül vissza a fémelőállításba és feldolgozásba. Nagyobb része a természetben szétszóródva, hosszabb-rövidebb idő alatt oxidálódik (elrozsdásodik), ami egyrészt anyag- és energiaveszteséget jelent, másrészt környezetterhelést okoz.

A műanyagok kémiai összetételüket tekintve széles skálát átfogó anyagrendszert alkotnak. Az összetétel sokféleségének (polietilén, polipropilén, poli(vinil-klorid), polisztirol, hogy csak a leggyakoribb műanyagokat említsük) egyik fontos következménye a tulajdonságok sokszínűsége. Nem véletlen, hogy ezeket az anyagokat az élet minden területén egyre szélesebb körben használjuk fel. Ennek egyik folyománya pedig az, hogy évről-évre nő a műanyaghulladék tömege.

A műanyagok újrahasznosítását számos tényező gátolja. A különféle műanyaghulladékok nehezen különböztethetők meg és választhatók el egymástól. Igen gyakran még a "tiszta" műanyaghulladékok sem bonthatók le eredeti kémiai alkotóelemeikre, ráadásul a lebontás során a környezetre fokozottan veszélyes termékek (dioxinok, klórozott szénhidrogének stb.) képződhetnek. A műszaki és környezeti problémákon kívül további kérdés, hogy az újrafeldolgozás gazdaságosan megoldható-e?

Mindezen okok miatt a műanyagok újrahasznosítása ma még alacsony szintű. A fogyasztói szektorban nagy tömegben képződő, környezetvédelmi szempontból igen kritikus PVC-hulladékból például az USA-ban is csak alig 1 %-ot hasznosítanak. Valamivel kedvezőbb a helyzet egy másik műanyagból, a polietilén-tereftalátból (PET) készült üdítőitalos palackok esetében, amelyeknél az újrahasznosítás aránya akár 25 %-ot is elérhet. A PET-hulladékból, megfelelő kezelést követően, autóalkatrészeket, elektronikai eszközöket vagy társított anyagokban felhasználható szálakat állítanak elő.

A fentiek is megerősítik, hogy ipari technológiáink döntően nyitott rendszerként, a természeti erőforrások (nyersanyagok és energia) intenzív igénybevétele és a környezet számottevő terhelése mellett működnek.

Mit tanulhat az ipar a természettől?

Természeti környezetünk - szemben az ipari technológiákkal - nem lineáris rendszerként, hanem körfolyamatként funkcionál. Működésének számos olyan sajátsága van, amelyeket az ipari termelésben is érdemes volna alkalmazni. Ezek közül néhány:

• a természetben hulladék, mint olyan, nem létezik; nem képződik ugyanis olyan anyag a természetben, amelyet a rendszer valamely más eleme célirányosan ne hasznosítana (példa: az állatok által kilélegzett szén-dioxidot a növények a fotoszintézis alapanyagaként használják fel);

• az egyes élőlények létezéséhez szükséges táplálékot más élőlények elpusztulása és lebomlása szolgáltatja (példa: a talajban levő baktériumok és gombák lebontják az állati és növényi eredetű hulladékokat, ezáltal tápanyagot szolgáltatnak a növényeknek);

• az anyag és az energia állandóan és folyamatosan áramlik a természetben, és "környezetbarát" módon alakul át egyik állapotból a másikba; a rendszer működéséhez szükséges energiát a napsugárzás biztosítja, és a természet hosszabb távra is megoldotta a napenergia tárolását a fosszilis tüzelőanyagok képződése révén (példa: a nitrogén körforgalma a légkörből a fehérjékbe és vissza a légkörbe a bakteriális, növényi és állati tápanyagláncon keresztül valósul meg);

• a természet dinamikusan, folyamatos információáramlás mellett működik; a rendszer szereplőinek identitását a folyamatokban betöltött szerepük határozza meg (példa: az egyes egyedek ösztönös tevékenységének kódját génjeik tartalmazzák);

• a természetben minden egyed önálló identitásként, ugyanakkor más egyedekkel összhangban létezik; a fajok együttműködése és versengése egymással összekapcsolódik és egyensúlyban van (példa: a fajok viselkedését interaktív módon befolyásolja a táplálék hozzáférhetősége, az időjárási körülmények alakulása, az új fajok megjelenése).

Az ipari ökológia célja, hogy a természeti rendszerek működési elveit részletesen megismerjük, és azokat célszerűen adaptáljuk az ember által létrehozott, mesterséges rendszerekre, adott esetben az ipari technológiákra. Így a biológiai rendszerekkel analóg módon, azokkal összehangoltan működő, zárt ciklusú, műszakilag és gazdaságilag hatékony, a természeti környezet tűrőképességét figyelembe vevő, ezáltal hosszabb távon is fenntartható ipari termelést lehet megvalósítani.

Az ipari ökológia jellemzői és eszköztára

Az ipari ökológia lényegében a folyamat- és terméktervezés, valamint a fenntartható műszaki fejlesztés egy újfajta megközelítése. Mint minden új tudományterületet, ezt is többféleképpen definiálják. Általánosan elfogadott definíciója még nem alakult ki. A különféle meghatározások többnyire azonos elemeket tartalmaznak, de ezeknek az elemeknek eltérő hangsúlyokat tulajdonítanak. Az ipari ökológia fontosabb attribútumai, amelyek egyúttal az adott tudományterület alapvető feladataira és lehetőségeire is utalnak, a következők:

• az ipari és környezeti rendszerek kölcsönhatásainak rendszerszemléletű vizsgálata;

• az anyag- és energiaáramok, és ezek átalakulásainak együttes figyelembevétele;

• a technológiai és környezeti problémák multidiszciplináris megközelítése;

• a lineáris (nyitott) rendszerek átalakítása ciklikus (zárt) rendszerekké, úgy, hogy az egyik technológiában képződő hulladék egy másik technológiában alapanyagként hasznosuljon;

• törekvés az ipari folyamatok környezeti hatásainak csökkentésére;

• az ipari rendszerek és a környezet működésének összehangolása;

• az ipari és természeti rendszerek hierarchiaszintjeinek meghatározása és azok összehasonlítása a további vizsgálódások és teendők körvonalazása érdekében.

Az ipari és ökológiai rendszerek egy lehetséges hierarchiáját az 1. táblázat mutatja (Garner 1995). Nyilvánvaló, hogy a különböző hierarchiaszinteken más és más problémák jelentkeznek, és azokra más és más megoldások adhatók. Minél feljebb haladunk a hierarchiában, annál bonyolultabbak a feladatok és a megoldások is.

1. táblázat • Ipari és ökológiai hierarchiaszintek

Illusztrációként tekintsünk egy vegyiparból vett példát. A vegyipari termelés környezeti hatásai nagymértékben csökkenthetők a technológiákban képződő veszélyes hulladékok ártalmatlanításával. A legcélszerűbb hulladékkezelési módszereket minden esetben alapos kémiai, műszaki, környezetvédelmi és gazdasági megfontolások alapján lehet és kell kiválasztani. Manapság már egyre több módszer segíti a kiválasztást. Ezek egyike az ún. korlátolt életciklus-elemzés (Limited Life-Cycle Analysis - LLCA), amellyel egyes környezetvédelmi intézkedések hatásait mennyiségileg is becsülni lehet. A becslésre alapozva azután ki lehet választani a környezeti hatások csökkentésének legmegfelelőbb módszerét (Schaltegger 1994, Vignes 2001).

A korlátozott életciklus elemzés során minden lehetséges szennyezőre egy ún. szennyezési tényezőt határoznak meg, külön-külön mindazon környezeti elemre (levegőre, vízre, talajra), ahol az adott komponens előfordulhat. A szennyező komponensek várható környezeti hatásait a szennyezési tényezőkből származtatott dimenziómentes számokkal, a környezeti hatás-hatásegységekkel (Environmental Impact Units - EIU) fejezik ki. Utóbbiak összegezhetők és valamennyi környezeti elemre összehasonlíthatók. Ily módon minden egyes környezetvédelmi megoldás egy EIU-val jellemezhető, ami tükrözi az adott intézkedés közvetlen (helyi) és közvetett (távoli) környezeti hatásait.

Az LLCA módszer az egyes környezetvédelmi intézkedések költségeit ugyan nem veszi figyelembe, de az eddigi tapasztalatok arra utalnak, hogy legtöbbször a legkisebb környezeti hatással járó változatok a legolcsóbbak.

Németországban egy vegyipari üzemet a hatóságok arra köteleztek, hogy az általa alkalmazott technológiában képződő, kevés rovarirtót tartalmazó szennyvizet, a nulla kibocsátás érdekében, égetőműbe kell szállítania, és ott el kell égetnie (Vignes 2001). Mielőtt erre sor került volna, LLCA módszerrel a következő három "kezelési" változatot hasonlították össze: (1) a szennyvizet közvetlenül a közeli folyóba engedik, minden kezelés nélkül, (2) a szennyvizet az előírt módon, égetőműben elégetik, és (3) biológiai, majd aktív szenes kezelésnek vetik alá. Amint a hatáselemzés eredményeit összefoglaló 2. táblázatból kitűnik, a legkisebb környezeti terhelés (legkisebb összesített EIU érték) a kombinált biológiai-aktív szenes kezeléskor várható: ez csak mintegy 10 %-a a szennyvíz közvetlen kibocsátásakor várható környezeti hatásnak. A jogszabályban előírt égetéses változat ugyanakkor közel kétszer akkora környezeti terhelést okoz, mint a kezeletlen szennyvíz kibocsátása. A számítások alapján az illetékes környezetvédelmi hatóság, a jogi előírásokat felülbírálva, az égetés helyett a kombinált biológiai-aktív szenes kezelést írta elő az üzem számára.

2. táblázat • Rovarirtó szert tartalmazó szennyvíz kezelési módszereinek összevetése, LLCA módszerrel számolt környezeti hatásegység (EIU) értékek alapján

Az ipari ökológia eszköztára igen széles. Ez részben az általa tanulmányozott rendszerek jellegéből, részben a kérdésekre adható válaszok sokféleségéből adódik. Az eszköztár fontosabb elemei közül néhány:

ipari ökorendszerek kialakítása: a különböző iparágak közötti együttműködés elősegítése, amikor is az egyik termelési folyamat hulladékát egy másik folyamatban kiindulási anyagként hasznosítják;

összhang teremtése az ipar környezeti hatásai és a természeti környezet befogadóképessége között: azon lehetőségek felderítése, melyek révén az ipar biztonságosan illeszkedik a természeti környezet adottságaihoz;

az ipari termelés anyag- és energiafelhasználásának csökkentése: az ipari termékek minőségének javítása, az elhasználódott termékek megjavítása és újrahasznosítása; integrált anyag- és energiahálózatok megvalósítása;

az ipari folyamatok hatékonyságának növelése: az erőforrásokkal takarékosan bánó termelési folyamatok bevezetése;

megújuló energiaforrások felhasználása az ipari termelésben: olyan globális energiarendszer kialakítása, amely az ipari ökorendszerek integráns részeként működik;

új gazdaságfejlesztési elvek bevezetése, nemzeti és nemzetközi szinten egyaránt: a gazdasági és környezeti tényezők együttes figyelembevétele a politikai döntések meghozatalánál, zöld adók bevezetése, a környezetvédelmi törvénykezés korszerű elveinek megfogalmazása és gyakorlatának kialakítása.

Hogyan tovább?

Az ipari ökológia koncepciója első közelítésben talán túl idealisztikusnak, a mindennapi gyakorlatban nehezen vagy egyáltalán nem megvalósíthatónak tűnik. Ugyanakkor csaknem bizonyos, hogy a jövőben az ipar-környezet kapcsolatrendszernek ez lesz a legvalószínűbb modellje.

A jövőben várhatóan nemcsak egyféle ipari ökorendszer fog létezni, hanem több, a lehetséges megoldások széles spektrumát átfogó rendszer működik egymás mellett. A megoldások az egyszerű zárt ipari technológiától (például az alumíniumból készített üdítőitalos dobozok újrahasznosítása), a különféle bonyolult ipari ökorendszereken át a hibrid, bio-ipari ökorendszerekig terjednek.

Az ipari ökológia szemléletmódjának elterjedéséhez természetesen még kedvező esetben is évtizedekre van szükség (Tibbs, 1993). A folyamat eredményeként a jelenlegi nyitott termelési rendszerektől eljutunk a teljeskörű öko-ipari infrastruktúrához (3. ábra). A régi, lineáris anyagáramláson alapuló ipari rendszerek el fognak tűnni, és a technológiák új generációja válik uralkodóvá. Nem szükségszerű, hogy ez a generáció teljesen újszerű műszaki elveken alapuljon, de kapcsolódnia kell az ipari ökorendszer többi eleméhez.

3. ábra • Az ipari ökorendszerek fejlődésének várható útja

Zárásképpen

Terjedelmi korlátok miatt ez az írás csak az ipari ökológia néhány általános sajátságának bemutatására vállalkozhatott. Célszerűnek tűnik ugyanakkor, hogy egy későbbi tanulmányban külön áttekintsük az ipari ökológia hazai helyzetét és lehetőségeit, különös tekintettel az EU-csatlakozás kapcsán a közeljövőben, illetve hosszabb távon jelentkező ipari környezetvédelmi feladatokra.

Kulcsszavak: ipar, természeti környezet, környezeti hatások, ipari ökológia.

IRODALOM

Clarks, W. C. (1989 September). Managing Planet Earth. Scientific American, 51-56.

Garner, A. and Keoleian, G. A. (1995). Industrial Ecology: An Introduction. National Pollution Prevention Center for Higher Education, University of Michigan, Ann Arbor. pp. 1-27.

Schaltegger, S. and Sturm, A. (1994). Ökologieorientierte Entscheidungen in Unternehmen. 2nd Ed. University of Basel, Switzerland

Sziklavári, J. (2002). Vaskohászat és környezetgazdálkodás. Magyar Tudomány. CVIII. 903-917.

Tibbs, H (1993). Industrial Ecology. An Environmental Agenda for Industry. GBN, Emeryville. pp. 1-28.

Vignes, R. P. (2001). Use of Limited Life-Cycle Analysis for Environmental Decision-Making. Chemical Engineering Progress. 40-54.


<-- Vissza az 2002/zzz szám tartalomjegyzékére