在循环中:工业为循环经济加速

向低碳经济过渡是一项庞大而多样的努力，当试图从整体上构想它时，有时会让人难以置信。能源、交通、食品、制造、建筑——每个独立的领域都有巨大的挑战需要克服，每个领域都有不同的技术和方法，我们希望有朝一日能够共同实现一个净零排放的未来。然而，我们对几乎所有这些部门的处理都有一个基本原则，为了确保我们的持续生存，我们必须从根本上改变这个原则。

在全球范围内，我们绝大多数的经济活动都是线性的，是一种“获取、制造、浪费”的模式，资源被转化为产品或产出，最终成为垃圾填埋场或污染。线性经济不仅会破坏环境，而且从长期来看也是不可持续的，因为经济增长本质上与有限资源的耗尽有关。循环经济寻求通过重复利用和循环利用能源和原材料来完成这些资源的循环。在很多方面，循环经济可以被认为是人类未来的蓝图，是消除浪费、保护环境和发展可持续增长模式的一种方式。

“这是一个很自然的过程，你知道，你开始考虑，你如何能把你的物品或材料保持在一个闭环或更紧密的循环，”约书亚·杨，循环经济经理务实的他告诉《工程师》杂志。这家总部位于剑桥的公司成立于2010年，一直以其新颖的超低成本柔性电子产品轰动一时。PragmatIC的技术——由几个大公司支持，包括英国芯片巨头Arm-几乎可以嵌入任何东西，廉价地将大量物品从“愚蠢”转变为“智能”，并使包装等物品能够被跟踪、收集和再利用。

Young说:“这是一种将包装视为资产而不是废物的思维过程，它有效地创建了一个以数字技术为基础的系统，当然还有PragmatIC技术，能够在整个生命周期和多次使用中跟踪和识别物品。”

“如果把20%的包装改为可重复使用，这将是一个价值100亿美元的机会。所以我认为这是一个起点。”

PragmatIC目前正在参与各种方案，以试验其技术在循环应用中的应用。最重要的是跟踪，技术支持的循环经济可重用资产。使用低成本的PragmatIC NFC(近场通信)芯片，该项目将看到可重复使用的容器被赋予独特的数字身份(uid)，这将允许供应链上的利益相关者跟踪包装的旅程，从主要制造商，零售商，消费者，回收公司，希望一路循环再使用。

由英国创新通过智能可持续塑料包装赠款，TRACE最初将专注于食品和饮料。快速消费品行业的其他部分已经有了更高的再利用水平，尽管还不够高。对于食品和饮料来说，一次性包装的数量是巨大的，这既带来了巨大的挑战，也带来了巨大的机遇。

杨说:“即使你只是以饮料瓶为例。“我认为在英国，我们每年要使用140亿个塑料瓶。因此，实际上，如果你能够将一种产品类别转移到可重复使用的包装上，你可以想象一下，与一次性使用和回收相比，你可以节省一些成本。”

其他容易买到的水果包括，水果，还有蔬菜，大米和意大利面等干货，以及“买了就走”的环节，全国各地每周都有数以百万计的意大利面锅和沙拉盘被购买和处理，尤其是在午餐时间。使用NFC而不是RFID等替代方案的决定是经过深思熟虑的，目的是试图让消费者积极参与该计划。如今，几乎每一部智能手机都有NFC功能，可以用来告诉消费者TRACE的好处，以及突出回收点，甚至促进存款或奖励计划。

他说:“我们认为，消费者是整个系统中至关重要的一部分，我们需要让他们能够获得并向他们提供正确的信息，让他们能够参与进来。”“说到底，如果消费者不参与，把包装退回来，那么实际上它就不会被重复使用，不是吗?”它也可能是一次性的。”

PragmatIC与回收慈善机构合作收回制定“通过设计实现可再利用”的指导方针，帮助制造商、品牌和零售商实现从回收到再利用的飞跃。Young表示，目标是制定一个统一的标准，然后在整个行业推广。“我们认为，这将对行业加速向重用过渡产生真正的影响。”

该项目于今年2月启动，还包括废物测绘专家Topolytics,除了谢菲尔德大学,先进制造研究中心而且肯·米尔斯工程．合作的广度令人鼓舞，但值得注意的是，合作伙伴名单中没有大型零售商。杨说，TRACE正在与大多数大型超市进行深入谈判，有几家超市有望参与第一次开环试验，预计将于2022年底开始。

“这是迫在眉睫的，我们显然正在努力证实这些，”他说。“我们当然会与他们所有人交谈，但确认试验并获得承诺，这是我们目前的重点。”

PragmatIC的TRACE程序是一个很好的例子，说明了大多数人在考虑循环经济时的设想——实体商品的再利用和回收，将物品分类到不同颜色的箱子中，智能地管理它们的存在或重新使用。同样，与物理产品相关的废弃物在我们周围随处可见，从冲进河流和海洋的一次性塑料，到我们在地球各地共同制造的堆积如山的垃圾填埋场。

我们的能源系统中固有的浪费，从低效家庭的热量损失到工业向大气中的热量损失，虽然不那么明显，但其破坏性却丝毫不减。至于前者，尽管许多人认为这对环境和消费者的口袋都很容易，但政府在很大程度上忽视了对热泵和更好的绝缘的支持。对于同样受到能源危机影响的工业，一家英国初创公司开发了一种热泵解决方案，该公司认为这可以帮助缓解该行业的困境。

Greensteam是一种高温电动热泵，它将工业过程中的余热升级为可现场重复使用的高品位热量。Futraheat这家总部位于伦敦的公司声称，“绿色蒸汽”技术可以让一些企业减少高达90%的工业能源消耗。该公司已经开发出一款300千瓦的示范产品，能够将低于100摄氏度的废弃蒸汽升级到130摄氏度左右。在此基础上，该公司最近通过BEIS工业燃料转换竞赛获得了14.9万英镑，用于推出两个500千瓦的绿色蒸汽泵，重点用于制药和食品行业。

Futraheat董事总经理汤姆•泰勒(Tom Taylor)解释说:“制药和食品制造等行业的热量占所有工业能源需求的70%。”“这种热量通常以低压蒸汽的形式提供，在许多情况下，它只使用一次，然后作为废物流释放到大气中。

“我们开创性的绿色蒸汽热泵可以回收大部分损失的热量——低至70摄氏度——并提高其成本效益，以满足工业客户的高温要求。这可以减少约80% - 90%的二氧化碳排放，如果使用可再生能源发电，这一数字将升至100%。”

Greensteam的核心——也是其效率的关键——是Futraheat的专利涡爪压缩机。它是专门为工业设计的，在20,000 RPM的转速下运行，而不是在60,000 RPM的离心压缩机中。

Taylor表示，“从物理角度来看，TurboClaw能够发挥离心式压缩机的优势，但在流量方面，我们只能使用容积式压缩机，所以我们可以在这个范围内发挥这些优势。”

“这通常可以归结为这样一个事实，即我们可以在较低的转速下产生类似于同类的压力比，这基本上让工程变得更简单，更容易设计。”

如果即将进行的商业试验取得成功，这项技术开始应用，那么这种可制造性将使产量迅速增加。根据Futraheat的说法，机会是巨大的。高达20%的工业热量需求可以通过高温热泵来满足，仅在欧洲就广泛采用，每年减少8000万吨的二氧化碳排放，这是一个真正的良性循环，结合了更高的效率，更低的费用和减少排放。

他说:“企业界真的在推动这项计划。“当然，有国际、国家的净零目标，但实际上这是由企业自己推动的，因为他们向股东承诺，他们将在2030/2035年实现净零目标，而不是在2050年。当然，如果你要投资和改变你的工厂，你的设施，你的能力，那么你必须现在就开始。”

显然，在工业热管理和食品包装中，一种更循环的方法一直是可能的，气候危机迫在眉睫，只是作为一个强大的催化剂。当原始塑料如此便宜和容易获得的时候，为什么要重复使用PET瓶，或者当天然气价格处于最低点时，为什么要回收热量?但环境和态度可以迅速转变，现在要求我们的快速变化正在迫使我们采用过去几十年可能本应嵌入我们经济中的做法。

同样，这条快速发展的道路也带来了新的挑战和新的难题，即如何将循环融入到帮助我们脱碳所需的技术中。由复合材料制成的大型风力涡轮机即将报废。与最新的材料相比，老化的光伏发电效率越来越低。关于生物质及其在我们能源系统中的循环凭证的争论。但也许这个时代对环境和循环的最大挑战是电池。

如今，许多第一代电动汽车电池的寿命已经接近尾声，这对作为气候解决方案重要组成部分的电动汽车行业构成了重大的环境挑战。随着越来越多的电动汽车的推出，这个问题只会越来越严重，而世界各地涌现的电网级电池存储系统进一步加剧了这一问题。我们需要答案，而且要快。值得庆幸的是，斯堪的纳维亚的一个新项目似乎拥有它们。

号称是欧洲最大的电池回收工厂，Hydrovolt每年将回收1.2万吨电池组，或约2.5万个电动电池。该公司是瑞典电池制造商之间的合资企业Northvolt和挪威铝业巨头海德鲁．该工厂于2022年5月投产，位于挪威城市弗雷德里克斯塔德，有足够的产能为挪威处理整个寿命结束的电池市场，挪威是世界上最成熟的电动汽车市场之一。

诺斯沃特公司的首席环境官艾玛·内伦海姆(Emma Nehrenheim)告诉《工程师》杂志(the Engineer):“我们在氢伏特公司所做的是，在电池寿命结束时收集电池，然后把它们带回工厂。”他说:“我们负责卸料和拆解，基本上就是把它拆成稍微小一点的碎片，这样它们就能放进普通的破碎机。

“然后，我们有一个巨大的粉碎/分类过程，我们粉碎电池，我们得到粉碎的箔片、罐子和这个黑色物质的混合物。然后我们进行分类，将铜、铝、塑料和黑色物质放入不同的容器中。”

内伦海姆提到的黑色物质是一种含有镍、锰、钴和锂的化合物，这些元素对锂离子电池的生产至关重要，但在最初的粉碎和分拣阶段后，它们最终会混杂在一起，形成粉末状。将黑色物质分离成其组成部分是电动汽车电池材料可回收95%的过程之一。

“我们所做的基本上就是把所有东西都溶解在酸里，”内伦海姆继续说道。“然后我们会采取一些步骤去除杂质。杂质基本上是镍、钴、锰或锂以外的任何东西。”

大部分回收的材料被反馈给Hydro的母公司——铝给Norsk Hydro，黑色物质给Northvolt——铜在市场上出售，塑料被回收。在瑞典北部建立了欧洲有史以来第一个超级工厂后，诺斯沃特现在的目标是将尽可能多的循环纳入其流程，降低其对日益动荡的全球市场原材料的可靠性。

2021年11月，该公司生产了第一种使用100%回收镍、锰和钴的正极材料。该公司计划，到2020年，所有Northvolt电池的回收材料比例将达到50%，这是对目前电池生产高度线性化方式的重大飞跃。该公司计划到2025年每年回收15万块电池，到2030年每年回收50万块电池。诺斯沃特的第二和第三家超级工厂分别位于瑞典南部和德国北部，靠近大型人口中心和原始设备制造商，电动汽车电池在寿命结束时可能会在这些地方堆积。

Nehrenheim表示:“我们与原始设备制造商进行了非常紧密的合作，以收回这些材料。“重点是获得工业规模，并在规模和分布之间取得良好平衡。因此，物流与规模之间的关系，我们正在制定一个非常好的计划，在这个计划中，我们可以管理有效和成本效益，但也安全，当我们拆除这些需要回收的大量电池时。”

这种长期的战略规划，结合有意义的、即时的行动，正是将我们的经济模式从线性转变为循环所需要的。毫无疑问，技术上存在障碍，但就像能源转型一样，所需的工具都在我们的掌握之中。

也许拥抱循环模式的最大障碍是心理上的，而不是技术上的。我们的整个文明都建立在一次性经济的概念上，这种学会了的浪费行为代代相传。改变这些长期存在的信仰和习惯是一项艰巨的任务，这需要思想的革命，而不是制造和材料的革命。