現代世界はこれら 4 つの素材なしでは存在できません

Oct 09, 2023

現代社会は、多くの人工物質の大量生産なしには不可能です。 私たちは、マイクロチップやパーソナルコンピューターがなくても、十分な食料、物質的な快適さ、優れた教育や医療へのアクセスを提供する豊かな文明を持つことができました。マイクロチップやパーソナルコンピューターは1970年代まではありましたし、1990年代までは経済を拡大し、経済を発展させることができました。必要なインフラを整備し、スマートフォンやソーシャルメディアを使わずにジェット旅客機で世界をつなぎます。 しかし、無数の発明を具体化するために必要な多くの材料がなければ、私たちは生活の質を楽しむことはできません。

必要性の尺度で最も高いランクにある 4 つの物質は、私が現代文明の 4 本柱と呼ぶものを形成しています。セメント、鉄鋼、プラスチック、アンモニアは、他の必須の投入物よりも大量に必要とされます。 現在、世界では年間約 45 億トンのセメント、18 億トンの鉄鋼、約 4 億トンのプラスチック、そして 1 億 8,000 万トンのアンモニアが生産されています。 しかし、私たちの最も重要な物質として最上位に値するのはアンモニアです。その合成はすべての窒素肥料の基礎であり、その利用がなければ、現在のレベルでは、今日の約80億人のほぼ半数に食料を供給することは不可能です。

世界で最も人口の多い国では依存度はさらに高く、中国人の5人に3人の食事はこの化合物の合成に依存している。 この依存性は、アンモニア合成を歴史上最も重要な技術的進歩と呼ぶことを容易に正当化します。他の発明は私たちに快適さ、利便性、富を提供し、あるいは寿命を延ばします。しかし、アンモニアの合成がなければ、今日生きている何十億もの人々の生存そのものを保証することはできません。まだ生まれていない。

プラスチックは、合成有機材料の大きなグループであり、その共通の特性は、所望の形状に成形できるということであり、現在どこにでもあります。 私がこれを入力しているとき、Dell ラップトップのキーと右手のひらの下にあるワイヤレス マウスはアクリロニトリル ブタジエン スチレンでできており、私はポリエステル生地の布張りの回転椅子に座り、ナイロン製のホイールはポリカーボネートのカーペット保護マットの上に置かれています。ポリエステルカーペットを敷きます。 しかし、プラスチックは現在、医療全般、特に病院において最も不可欠なものとなっています。 現在、生活は（産科病棟で）始まり（集中治療室で）終わりますが、とりわけさまざまな種類の PVC で作られたプラスチック製品に囲まれています。フレキシブル チューブ（患者に栄養を与え、酸素を供給し、血圧を監視するため）、カテーテル、点滴容器、血液バッグ、滅菌包装、トレイと洗面器、便器とベッドレール、保温ブランケット。

鋼の強度、耐久性、多用途性は、現代文明の外観を決定し、その最も基本的な機能を可能にします。 これは最も広く使用されている金属であり、高層ビルからメスに至るまで、現代文明の目に見える、目に見えない無数の重要なコンポーネントを形成しています。 さらに、私たちが使用する他のほぼすべての金属製品と非金属製品は、鋼鉄製の工具や機械を使用して抽出、加工、成形、仕上げ、流通されており、今日の大量輸送手段は鋼鉄なしでは機能しません。 平均的な自動車には約 900 キログラムの鋼材が含まれており、新型コロナウイルス感染症が発生する前は、世界では年間 1 億台近くの自動車が生産されていました。

もちろん、セメントはコンクリートの主要な構成要素であり、砂、砂利、水と組み合わせると、最も大量に使用される材料となります。 現代の都市は、橋、トンネル、道路、ダム、滑走路、港と同様、コンクリートの化身です。 中国は現在、世界のセメントの半分以上を生産しており、近年では米国が20世紀全体で生産した量と同じ量をわずか2年で生産している。 さらにもう 1 つの驚くべき統計は、世界が現在 1 年間で 20 世紀前半全体よりも多くのセメントを消費していることです。

そして、これら 4 つの材料は、その特性や品質において非常に異なっており、3 つの共通の特徴を共有しています。 将来的にはさらに多くのものが必要になるでしょう。 そしてその大量生産は化石燃料の燃焼に大きく依存しており、温室効果ガスの主要な排出源となっている。 有機肥料は合成アンモニアに代わることはできません。有機肥料の窒素含有量は低く、その世界的な質量は、すべての肥料と作物残渣がリサイクルされたとしても十分ではありません。 多くの軽量かつ耐久性のある用途において、プラスチックほどの利点を提供する材料は他にありません。 鋼ほど手頃な強度を持つ金属は他にはありません。 コンクリート（多くの場合鋼鉄で補強）ほど強力なインフラストラクチャーの構築に適した大量生産材料はありません。

将来のニーズとしては、高所得国は肥料の使用を減らす（肉食を減らし、無駄を減らす）ことができ、二大消費国である中国とインドも過剰な肥料の使用を減らすことができるが、最も早い大陸であるアフリカは肥料の使用量を減らすことができるだろう。 -人口が増加しており、すでにかなりの食料輸入国であるにもかかわらず、依然として肥料が不足している。 食糧自給率の向上への期待は、窒素の使用量の増加にかかっています。結局のところ、この大陸における最近のアンモニアの使用量は、ヨーロッパの平均値の 3 分の 1 以下です。 医療（高齢化人口）やインフラ（パイプ）用途、輸送分野（飛行機や高速鉄道の車内を参照）の拡大には、より多くのプラスチックが必要となるだろう。 アンモニアの場合と同様、インフラや交通機関が未発達なすべての低所得国で鉄鋼消費量を増加させる必要がある。 そして、コンクリートを作るにはさらに多くのセメントが必要となるだろう。裕福な国は老朽化したインフラを修復するため（米国では、ダム、道路、航空を含むコンクリートが優勢なすべての分野が全国的な技術評価でDグレードを獲得している）、低所得国では、都市、下水道、交通機関を拡大する。

さらに、再生可能エネルギーへの移行が進むと、大量の鉄鋼、コンクリート、プラスチックが必要になります。 大型風力タービンほど「グリーン」発電の明白な象徴となる構造物はありません。しかし、その基礎は鉄筋コンクリート、タワー、ナセル、ローターは鋼鉄、巨大なブレードはエネルギーを大量に消費し、リサイクルが難しいプラスチック樹脂です。そして、これらの巨大な部品はすべて、大型のトラック (または船) で設置場所に運び込まれ、大型のスチール製クレーンで組み立てる必要があり、タービン ギアボックスは繰り返しオイルで潤滑されなければなりません。 これらのタービンは、これらすべての材料が化石燃料を使用せずに作られた場合にのみ、真のグリーン電力を生成します。

これらすべての物質を生産するには、化石燃料が依然として不可欠です。

アンモニア合成では、水素源として、また高温高圧を提供するために必要なエネルギー源として天然ガスを使用します。 全プラスチックの約 85% は天然ガスや原油に由来する単純な分子をベースにしており、炭化水素も合成のためのエネルギーを供給します。 一次鋼の製造は、石炭から作られたコークスの存在下で天然ガスを添加して高炉で鉄鉱石を製錬することから始まり、得られた鋳鉄は大型の塩基性酸素炉で鋼に加工されます。 そしてセメントは、粉砕した石灰岩や粘土、頁岩を大きな窯で加熱し、長い傾斜した金属シリンダーを石炭粉塵、石油コークス、重油などの低品質の化石燃料で加熱して製造されます。

その結果、これら 4 つの不可欠な物質の世界的な生産は、世界の年間総エネルギー供給量の約 17 パーセントを占め、化石燃料の燃焼に起因する全 CO2 排出量の約 25 パーセントを生成しています。 この依存の蔓延とその規模の大きさにより、現代文明の 4 つの物質的柱の脱炭素化は並外れて困難なものとなっています。生産において化石燃料を代替することは、再生可能エネルギー (主に風力と太陽光) の変換によってより多くの電力を生成するよりもはるかに困難でコストがかかります。 最終的には新しいプロセスが引き継ぐことになりますが、現時点では、既存の世界的な生産能力の大部分を置き換えるためにすぐに導入できる代替プロセスはありません。その開発には時間がかかります。

アンモニアの合成と鉄鋼の精錬は、どちらも天然ガスやコークスではなく水素に基づいて行われる可能性があります。 私たちはその方法を知っていますが、風力や太陽光発電を使って水の電気分解から得られるグリーン水素を何億トンも生産できるようになるまでには、しばらく時間がかかるでしょう（今日の水素は事実上すべてが天然ガスと石炭に由来しています）。 。 最良の予測は、グリーン水素が 2030 年までに世界のエネルギー消費量の 2% を供給するであろうというもので、これはアンモニアと鉄鋼生産の脱炭素化に最終的に必要となる数億トンをはるかに下回るものです。 対照的に、セメント生産の脱炭素化は廃棄物とバイオマスを利用することでしか達成できず、セメントを CO2 フリーにするためには新しいプロセスを開発して商業化する必要があります。 同様に、プラスチック生産を脱炭素化する簡単な方法はなく、その対策は植物原料からリサイクルの拡大、他の材料への代替に至るまで多岐にわたります。

そして、これら 4 つの材料柱を超えて、新たな非常にエネルギー集約的な材料への依存が出現しており、電気自動車はその最良の例です。重量約 450 キログラムの典型的な自動車用リチウム電池には、約 11 キログラムのリチウム、約 14 キログラムのコバルト、約 27 キログラムのニッケル、 40キログラム以上の銅、50キログラムの黒鉛、さらに約181キログラムの鉄鋼、アルミニウム、プラスチック。 これらの原料を1台の車両に供給するには、約40トンの鉱石を処理する必要があり、鉱石中の多くの元素の濃度が低いため、約225トンの原料を抽出して処理する必要があります。 そして、道路交通の積極的な電化には、すぐにこれらのニーズを年間数千万台に増やす必要があるでしょう。

現代経済は、増え続ける世界人口を養うためのアンモニアベースの肥料など、常に大量の物質の流れと結びついています。 新しい工具、機械、構造物、インフラに必要なプラスチック、鉄鋼、セメント。 または、太陽電池、風力タービン、電気自動車、蓄電池を生産するために必要な新たな投入物です。 そして、これらの物質の抽出と加工に使用されるすべてのエネルギーが再生可能エネルギー変換によるものになるまで、現代文明は基本的にこれらの不可欠な物質の生産に使用される化石燃料に依存し続けるでしょう。 人工知能の設計も、アプリも、今後の「非物質化」の主張も、それを変えることはできません。

Penguin Random House, LLC の一部門である Penguin Publishing Group の出版社、Viking 発行の Vaclav Smil 著「HOW THE WORLD REALLY WORKS」をもとに翻案。 著作権 © 2022 by Vaclav Smil.

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