欧盟发布《原材料研究和创新路线图2050》

         5月,欧盟发布《原材料研究和创新路线图2050——通往欧洲可持续、有竞争力的未来》[1]。该路线图是地平线2020计划欧洲原材料愿景和路线图项目历时两年的研究成果,其愿景是充分发挥欧洲原材料供应和使用潜力,提高行业创新能力,将其转变为欧洲经济和工业发展强有力、可持续的支柱,并为解决社会和环境挑战、增加社会福祉做出贡献。路线图指出,为了保障欧洲原材料行业的竞争力和可持续发展,需要大力投资研究和创新,列出了四大优先方向和九大研究和创新领域。需要说明的是,本路线图所指的原材料是指用于工业生产的非能源、非农业类原材料,既包括天然原始的初级原材料,也包括从各类废物中回收的次级原材料。原材料分为矿物质、金属类和生物原材料两类。

  一、发展可持续的原材料供应

  1、保障初级原材料供应

  需求分析:欧洲工业所需的矿物质大多数可以自给自足,但仍有进口依赖度在60%-100%不等的金属需要进口。欧洲矿业潜力巨大,但开采不足,特别是在地表150米以下和海洋专属经济区。欧洲虽有一些产量和安全性全球领先的矿区和采石场,但面临开采深度加深、矿产品质下降、环保法规日益严格等多重挑战。欧洲森林储量持续增加,每年增长量高于开采量,但受品种和经济原因影响,森林丰富的国家仍需进口木材。

  2050年目标:大型矿区实现自动化、无人化开采。开采使用无人钻采设备和机器人,地下开采不再需要人工,整个开采过程实时监控。矿石从提取到加工,过程全部自动化并实时管理。开采深度更深,开采过程低排放,对环境的影响可忽略不计。小型矿区也实现一定程度自动化。环境可行的、可持续的提取海洋沉积矿藏成为现实。提出具体的太空采矿技术并进行测试。欧洲矿物质和金属的自给度显著提高。欧洲森林成为市场驱动的循环生物经济的基础,提供高附加值、高效、环境友好的木材供应。森林管理、采伐、运营等符合联合国可持续发展目标、巴黎气候协定、欧盟法规要求,满足市场对生物基产品需求。林业采伐在区域供给层面进一步整合和优化。数字化采伐设备广泛使用。通过使用机械、数字工具和机器人,林业工人的工作条件大幅改善。

  研究和创新建议

  1)改进矿物资源探测方法和分析技术;提高收集和预测矿体和岩体信息的能力;利用大数据技术挖掘欧洲矿产潜力。

  2)改进矿石开采和破碎方法和技术;研究和改进爆破过程,优化炸药的使用,尽量降低对环境的影响。

  3)提高矿区和采石场的自动程度,减少岩石运输过程中的能源消耗;开发环保技术,减少温室气体和废物排放。

  4)开发集成了实时控制、数字化和自动化的系统、技术和流程。

  5)发展用于监测、管理、改进采矿工作环境的新方法;改进深井开采的地面指挥和岩石支撑,以提高安全性和生产力;改进矿井通风。

  6)开发从海床沉积物提取矿物质技术、深海采矿技术等特种采矿技术;改进硬岩切割技术,部署连续切割机器,用于在海床沉积物、深海矿藏等特种条件下自动、高效采矿。

  7)制定新的树木育种策略,评估遗传改良树种的益处和风险,以增加可持续生物质的产量,提高木材质量和抗旱、虫害能力。

  8)通过大数据技术发展实时数据管理,用于森林资源成像、表征以及区域针对性管理,促进精准林业发展;开发高效的信息通信技术系统,用于精准量化识别森林资源,特别是硬木和下一代林木。

  9)发展集成信息通信技术和大数据技术的人机器地形交互技术,以提高伐木和原木向外运输的自动化,改善工作条件、生产力和安全性。

  10)开发可持续森林管理方法,以增加森林生物质供应,保护生物多样性,有效应对气候变化;改进木质生物质的短期轮作生产管理;提高在土壤承载力有限的区域获取木材的能力。

  2、改进原材料开发

  需求分析:矿业是重要的财富和就业来源,需要以可持续的方式与当地其他产业共存发展。采矿需符合环保法规,降低对气候影响。欧洲矿业大部门用车是非电力的,发展和引入电动汽车面临挑战。用于指导林业采伐的更精准的信息系统正在开发中。发展林业及生物基产品的重要性缺乏社会认可度。森林运营对生物多样性和物种的影响需要更多研究。

  2050年目标:原材料供应技术进步影响全球市场发展。矿物质来源可持续且更加多样化。资源的开采和使用对环境的影响更小。原材料提取方法和管理方式的彻底改变,将提高社会认可度,并使原材料提取加工行业与当地其他行业可持续共生。新的多功能森林管理方案和支付模式满足日益增长的森林基材料需求,平衡提供材料和其他重要森林生态系统服务,增强森林生物多样性。加工过程更加符合社会价值取向以及气候变化和病虫害对林业的要求。通过执行早期资源评估减少在价值和能源上的浪费。林业经营的树种和物种更多,并且与环境、社会、经济利用(旅游)等更好结合。

  研究和创新建议

  1)建设覆盖欧洲初级和次级资源的现代化数据库和经济评估体系;应用信息通信技术和自动化技术生成不同原材料资源的应用信息;评估不同原材料的市场需求、可获得性和价格设定,优化全球变化背景下的欧洲原材料供应管理。

  2)制定长期持续的矿业开采土地利用规划,振兴欧洲关闭的煤矿基地。

  3)研究在矿物浮选及其他过程减少使用或循环使用化学试剂的方法;开发大规模原位生物采矿和深海矿产加工过程,且不带来环境风险。

  4)开发新的森林数据生成技术,包括太空技术、远程技术和现场技术。

  5)应用信息通讯技术发展精准林业,增强下一代林木的种植和难以到达的密林的采伐。

  6)利用机器学习等技术开发大数据解决方案,用于在采伐过程中监测生物多样性并提供保护建议,以弥补遥感和卫星在这方面的不足。

  7)开发先进的、多功能的森林管理办法,满足各种森林生态系统服务需求;发展决策支持工具,用于优化林业满足不同发展目标;提高森林防火能力,保护物种和文化遗产。

  8)制定气候变化应对策略,提高欧洲森林的长期碳汇强度;制定符合地区特点的林业发展方案,减少自然干扰的影响,增强森林对气候变化的减缓作用,保持森林作为长期高效的碳汇。

  9)研究森林管理系统和采矿活动的社会影响和社会接受度。

  二、资源节约型原材料加工

  1、发展资源节约型先进原材料加工

  需求分析:预处理/选矿和冶金加工过程的高成本和高耗能影响了稀缺、关键金属向市场供应。随着初级和次级资源变得越来越复杂和品质降低,以及环保法规更加严格,冶金过程将遭遇更多的技术挑战。当前的原木切割技术限制了木材产量的提高。新的技术可以对原木的内部特征进行数字化重建,从而实时评估最佳切割解决方案。

  2050年目标:制造业成功向客户驱动型转型,生产过程和物料流动全面优化,材料损失更少,资源消耗更加经济合理。碳中性的原材料生产已有解决方案。微生物在矿业开采发挥重要作用,生物采矿全面应用。

  研究和创新建议

  1)开发灵活的、适应性强的初级和次级原材料生产技术,以满足日益严格的加工和制造要求。

  2)发展工业4.0解决方案,改进过程设计和管理,以全面管理物料流动,允许按需定制。

  3)发展基于大数据和信息通信技术的先进生产技术,以提高能量效率,优化能源管理。

  4)开发虚拟现实、增强现实等先进信息通信技术,以满足高过程效率要求,改善物料流动、资源效率、过程稳定性和机器生产力。

  5加强跟踪监测建筑材料在使用期的表现,以优化材料加工工艺。

  6)开发用于净水和循环利用的封闭系统,以减少生产过程中的用水量。

  7)开发先进的二氧化碳增值技术。

  8)开发节能的先进起重技术和矿石粉碎、研磨、分选技术;开发高效、环保的浮选技术;开发用于精细颗粒加工的干式分离技术;开发商业可行的关键原材料精炼;开发用于湿法冶金和火法冶炼的先进纯化工艺;推进生物采矿。

  9)分析森林采伐期间进行初级精制加工的可能性,以充分利用木材性能,避免浪费和品质降级;开发集成3D CT扫描仪和激光切割等先进技术的新生产线,增加木材产量;开发适用于不同木材品种的改性工艺和技术;发明功能表面处理工艺,提高产品性能和耐用性,延长使用周期;优化木材解纤、锯材干燥、纸质生产等环节的能效和能源管理。

  2、最小化残余物,提高残余物价值

  需求分析:低价值残余物或副产物增值转化为先进功能材料的潜力巨大。废弃矿井的废物管理将成为一个重大挑战,需考虑其经济和环境影响。大量利用加工残余物(如树皮、锯末)制造木板、纸浆使木质原材料资源利用效率显着提高,未来需进一步提高这些残余物的价值,为低品质木材品种创造新的市场机会。此外,树枝、树桩等也应充分利用。

  2050年目标:通过从残余物中回收有价值的元素等增值技术,使残余物增值,并使真正的废物降至最低。针对有毒残留物,开发出标准的解决方案。

  研发和创新建议

  1)利用残余物开发新材料;从副产品中开发高附加值的产品;开发和验证以工业副产品(例如二氧化碳)作为替代原料;为可用的副产品和残余物建立数据库,保障资源循环利用。

  2)创新利用处理过的水,从加工用水中提取有用组分。

  3)改善能源回收以及矿渣中有价值材料的回收,从而将残余物转化为资源。

  4)继续丰富化合物有用和有害信息,以发展创新的方法去除化学品,油墨和添加剂等。

  5)开发和验证工业和城市废物处理相关行业互利共生方案。

  6)开发创新、智能的冶金工艺路线,最大限度提高资源利用效率,并将环境影响降至最低;开发用于低品位和非常规矿物质的冶金工艺;开发新的提取技术,加强生物冶金过程;改进选矿技术,以提高老矿、旧矿的产量;开发用于矿山关闭和修复的新方法和新技术。

  7)开发利用富含氮和尿素的木板粘合工艺废水制作肥料,以减少化肥使用;利用木材胶黏剂废料开发新的粘结剂。

  8)持续开发以副产品为原料、贴近市场的高价值产品;通过充分利用加工过的生物质,提高从副产品中开发的中高附加值产品的价值。

  三、新产品和新应用

  1、发展材料应用和市场

  需求分析:工业界需要的关键材料会随着时间和工业重点变化而变化。2017年更新的欧盟关键原材料列表包含了20种材料。关键原材料的产生不仅源于政治和供给问题,还因为在一些情况下它们的加工被认为是环境不允许的。替代工作的重点在于获得关键材料的性能,从而克服供应短缺的风险。目前,由于政治对全球市场的干预,替代研究缺乏跨越死亡之谷(研究成果从实验室到市场)的动力。而且,这些项目伴随着风险过时的可能,在获得企业长期资助方面也遇到困难。

  2050年目标:关键原材料替代项目成功实施。消费品的生产和能源的产生、转化、储存、运输发生重要变革。公民的觉悟、培训和教育在保证成功替代方面发挥了重要作用,特别是在替代品不具有最佳性价比的情况。增材制造、生物模拟材料、自愈材料等取代了许多现有解决方案。具有纳米/微米结构和功能的材料被广泛循环使用。材料在改善生存环境、人类福祉、健康方面的功能被全面认识,并用于设计新产品。

  研究和创新建议

  1)开发新的材料以替代关键材料,为新产品和新设计开发新的材料,监测可能产生新产品和新市场的研发进展。

  2)开发适合先进仿生学应用的生物相容性、小型化和纳米技术。

  3)开发经济、耐用的复合材料、合金和多层材料,延长产品的使用寿命;持续监测过程环境、组件和材料,以防止损坏,并最大限度地延长组件和材料的使用寿命。

  4)针对含较高浓度杂质或降解分子的次级材料,开发合适的应用,从而为回收材料提供新的市场机会。

  5)创建与材料变革相应的智能解决方案和新商业模式,使欧盟不依赖于关键原材料。

  6)减少永磁体中关键原材料的用量,并成功用于能量转换;减少光伏材料中关键原材料的用量,并保持性能;研究需要关键原材料用量较低的储能技术,并提高能量密度。

  7)探索新的建筑材料安装和固定系统,重点发展新的工业化建筑方法;开发可拆卸和模块化的建筑产品,从而在维修和报废时无需(或只需少量)化学/物理/机械操作便可回收原材料;增加建筑材料的耐久性。

  8)利用最先进的信息通信技术和自动化技术,对驱动产品和市场发展的经济、政策、市场因素进行社会经济学研究;根据可持续性、新市场和人口增长情况,对驱动消费因素进行社会科学和市场趋势研究。

  9)从社会、经济、市场角度研究公共政策对材料科学、原材料和材料设计的影响。

  2、发展新的生物基产品

  需求分析:纤维素纸浆和锯材是森林工业的主要产品,可被进一步加工为一系列产品,许多新应用正在开发中。未来发展方向包括非木纤维原材料、生物复合材料印刷电子产品、新概念包装、新品质纸张、绝缘材料、服装和食品等。橡胶产品对汽车行业和特种产品不可或缺。未来需进一步优化组成,以满足强度、阻力、重量、化学性质等各类应用需求。

  2050年目标:生物基产品成为高附加值产品。可再生和可循环的产品符合消费者的要求。木基建筑材料帮助该行业减少二氧化碳排放80%(在2020年排放基础上)。先进的设计和纳米技术为更小和更大的包装提供先进、智能的解决方案,同时产生更少的废物。在研发和创新方面的投入带来新的生物炼制工艺的全面应用,能够根据个性化市场需求生产纺织品、化学品和新材料。

  研究和创新建议

  1)开发碳纤维、超轻量复合材料等木基高附加值产品;开发适合室外使用的可防风雨、防火的板材、绝缘材料和复合材料;开发基于印刷电子、印刷生物传感器、功能墨水和标签等的智能应用。

  2)以循环利用为设计准则,指导新型生物基产品的开发过程。

  3)研究和开发各种(纳米)结构化的材料表面,并使用新技术以避免微生物和细菌在表面生长,从而提高木质/纤维质包装材料的性能;改进现有的、长期使用的粘合材料;发展增材制造,包括新的业务模式和保修模式。

  4)通过开发更好的数据库系统和施工计算方法,使木材使用更加高效、可持续和有竞争力。

  5)开发室内木质产品系统解决方案,包括家具、配件、日常用品等,以满足居民不断变化的需求(老龄化、孩子长大和家庭结构变化等),促进健康和福祉。

  四、循环利用最大化

  1、增加材料回收

  需求分析:欧盟已成为循环利用方面的全球领先者。欧洲木材加工业和纸浆造纸业有着广为人知的利用回收材料的传统,其产品最高可100%由回收的纤维和木材制成,未来需要提高块材的再利用率。建筑和拆迁废物是欧盟产生的最重和最庞大的废物之一,约占废物总量的25%-30%。各种类型废物的循环利用提升潜力从10%-90%不等,平均值为54%。建筑和拆迁废物二手市场已经成形,但受分离和回收技术限制,主要面向低端应用,增值用于高端产品存在挑战。关键矿物质原材料的循环利用仍旧严重不足,近期研究表明,未来十年循环利用不大可能对全球稀土元素供给做出实质性贡献。提高冶金分离和精炼的效率仍然是面临的主要挑战,提升循环利用的效率需要加大研究和创新投入。

  2050年目标:建筑和拆迁废物的再利用得到优化,关键金属和复合材料的循环利用率大幅提高,欧洲资源的总体可获得性得到提升,为欧盟原材料市场不依赖外部供应奠定重要基础。各国加强合作,促进废物回收循环利用。行业间的协作充满活力。再生纸和纸板材料满足消费者的安全要求,被用作主要包装材料。

  研究和创新建议:

  1)开发灵活的分解、分拣和分离技术,以成本节约的方式处理杂质不断增多的回收材料;开发以产品为中心的分离、分馏、提取技术,提高回收选择性,促进高附加值的应用。

  2)发展工艺和行业合作,以回收和再利用制浆和造纸过程中使用的矿物资源;针对从废水中分离提取的有用成分,开发高附加值的使用技术;开发技术并配套公共采购政策,扩大以残余物和废物为原料生产建筑材料。

  3)开发新的建筑材料认证和追溯方法,以更好地管理建筑和拆迁废物;改进建筑和拆迁废物处理技术。

  4)开发有毒有害物质和材料的回收技术;针对有毒废物中的有用成分,开发有效的回收方案。

  5)开发教育工具,提高公民的废物收集意识。

  6)通过专门的网络和物流平台加强国际合作,促进欧洲材料的运输和回收。

  7)研究方法和技术,促进锗、钨、稀土、锂、碲等关键元素以及汞、砷等有毒元素的回收;从工业残余物(如废气和废灰)中经济可行地回收关键金属。

  8)使用新型传感器和机器人技术,根据纤维、油墨、填料、污染物等不同情况对纸张、木材废料、森林残余物进行分类,从而提高分拣精度和速度。

  9)通过物理化学和工业生物技术改进废水处理和清洁,促进水循环利用,减少排出的废水量。

  10)开发无损木材特性测量技术,以实现个体追踪,进而优化资源利用率。

  11)开发将回收的实木产品转化为纤维和其他高价值产品的技术体系;对回收的木质产品,提高分离、检测和清洁能力,以便将其转化为高价值的产品(特种产品、高纯度化学品、食品添加剂、药品等)。

  2、再利用和循环利用技术

  需求分析:矿物、金属和生物原材料可能以复杂的形式混合在最终产品中,不能被分开。回收技术研发的速度往往跟不上新产品投放市场的脚步。还没有取得期待的投资回报,循环利用技术与设施可能就已经过时。私营行业在回收技术方面的投资仍然非常低。

  2050年目标:欧盟内部市场的零售商、工业界、原材料供应商和研究机构紧密联系,共同掌握行业互利共存所需的技术诀窍和专业知识。成员国调整法律和社会框架,使其适于采用创新的循环利用技术。

  研究和创新建议

  1)针对复杂产品,开发能够高产量、高纯度提取有价值组分的处理技术;针对消费品体积变小及所含关键和有价值材料含量降低的趋势,开发小尺度分析和移动分析技术;针对可能的颠覆性技术和高级创新产品,提前开发循环利用技术。

  2)优化原材料的循环利用设计和可循环利用性,提高产品中循环利用材料比例;开发工具和系统,促进产业链上下游在产品设计、结构和组成方面的信息交流,提高循环利用效率;部署追踪物料流动(例如手机、电路板、电池)的技术手段(例如射频识别芯片)。

  3)开发技术和分析过程,以检查循环利用质量,促进循环利用,减少污染。

  4)部署资源循环利用示范项目,评估在不同规模和不同地域尺度(区域、城市、乡村)下资源的可循环利用性。

  5)开发适合循环再利用/回收产品的新商业模式和市场;建立激励机制,鼓励发展可以扩大回收原材料使用的高附加值技术和商业模式。

  6)开发符合循环经济的先进建筑产品设计方案,以尽量减少建筑和拆迁废物;开发含有建筑废物的新材料原型。

  7)针对复杂报废产品,开发不损失关键金属的机械和化学处理过程;针对液晶显示器、光伏产品等含多种金属的复杂报废产品,开发高效的分选、预处理和冶金处理方法,通过系统工程方法解决步骤间的相互依赖关系。

  8)建立包装材料设计标准,使其可全部循环利用,包括阻隔层和嵌入式电子器件;开发产品设计方法,使包装材料可重复使用/建筑组件易于拆卸,促进最优的分类和循环利用。

  9)开发模型和模拟工具,服务于新的木质产品设计方法和生产技术,使其可以用较少的材料和能源产生更多的功能。

  10)针对回收的木质纤维,开发长度和强度性能恢复技术和工艺。

  3、评估和优化回收成本和效益

  需求分析:当前的循环利用过程还不够安全和环保,也欠缺经济可行性。在一些地区,废弃物回收还伴随着温室气体排放和运输成本增加。这都使得回收决策非常复杂,需要综合考虑成本和收益。由于含有高价值成分,来自消费品(特别是电子产品或含有电子部件的产品)的报废材料是当前回收利用的热点。城市采矿概念的提出为材料回收和商业模式带来了新的发展机遇。

  2050年目标:人工智能决策系统帮助行业在当地或全球范围内优化循环利用过程。欧盟循环利用系统是全球高效循环利用体系的一部分。

  研究和创新建议

  1)开发数字解决方案,以改进当前的监测和计算,进而优化矿物、金属和生物材料的修复、再利用、循环利用和能源利用。

  2)在产品报废前,为其开发新的应用。

  3)研究颠覆性技术带来的结果及其对产品报废阶段的影响。

  4)评估财政激励的作用,以进一步促进循环利用。

  5)推进服务化商业模式,以产品服务体系为基础,以循环经济为导向,以终端用户为中心。

  6)开发节约成本的新监管链技术,例如区块链技术。

  7)开发、测试和实施评估方法和指标集,指标集包括材料的关键性和可循环性等参数。

  8)通过知识转移与合作,增强欧洲区域集群的能力,进而改善次级原材料的流动。

  9)继续开发原材料信息系统。

  10)开发方法整合各种可持续方法学。               (边文越)

 

  


 

[1] RESEARCH AND INNOVATION ROADMAP 2050 A Sustainable and Competitive Future for European Raw Materials. http://veram2050.eu/just-released-research-and-innovation-roadmap-2050/

原文始发于:欧盟发布《原材料研究和创新路线图2050》

 

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