Jak se vyrábí dnešní svět Vyšlo také v tištěné verzi
Objednat můžete na www.bizbooks.cz www.albatrosmedia.cz
Václav Smil Jak se vyrábí dnešní svět – e‑kniha Copyright © Albatros Media a. s., 2017
Všechna práva vyhrazena. Žádná část této publikace nesmí být rozšiřována bez písemného souhlasu majitelů práv.
Obsah Předmluva: Proč a jak?
5
1. Co bývá součástí
9
2. Jak jsme se sem dostali 2.1 Materiály, které jsou používány organismy 2.2 Materiály v pravěku 2.3 Materiály ve starověku a ve středověku 2.4 Materiály raného novověku 2.5 Vznik moderní materiálové civilizace 2.6 Materiály ve 20. století 3. Na čem nejvíce záleží 3.1 Materiály biologického původu 3.2 Stavební materiály 3.3 Kovy 3.4 Plasty 3.5 Průmyslové plyny 3.6 Hnojiva 3.7 Materiály v elektronice 4. Jak proudí materiálové toky 4.1 Účty materiálových toků 4.2 Materiálové toky USA 4.3 Evropské účty 4.4 Materiály v modernizaci Číny 4.5 Energetické náklady materiálů 4.6 Hodnocení životního cyklu 4.7 Recyklace
19 20 26 32 43 50 61 77 78 88 97 104 110 117 120 127 129 136 143 148 153 169 182
4
Jak se vyrábí dnešní svět
5. Dematerializujeme? 193 5.1 Zdánlivá dematerializace 5.2 Relativní dematerializace: snížení konkrétní hmotnosti 5.3 Následky dematerializace 5.4 Relativní dematerializace v moderních ekonomikách 5.5 Klesající energetická náročnost 5.6 Dekarbonizace a odsíření 6. Materiálové vyhlídky
195 198 209 222 232 244 253
6.1 Přírodní zdroje 6.2 Méně plýtvání 6.3 Nové materiály a dematerializace 6.4 Šance na zásadní změnu
255 265 271 278
Dodatek A Jednotky a jejich násobky
291
Dodatek B Americká materiálová výroba, HDP a obyvatelstvo, 1900–2005
293
Dodatek C Celosvětová populace, hospodářský produkt, výroba potravin, hlavní materiály a paliva, 1900–2010 295 Dodatek D Celosvětové energetické náklady hlavních materiálů v r. 2010
297
Dodatek E
299
O autorovi 301 Odkazy 303 Rejstřík 349
Předmluva: Proč a jak? Dějiny lidstva – evoluce našeho druhu, prehistorický přechod od lovectví a sběračství ke stálému zemědělství, vzestup a pád antiky, středověkých civilizací i civilizací raného novověku, ekonomické pokroky minulých dvou století, mechanizace zemědělství, diverzifikace a automatizace průmyslové ochrany, obrovský nárůst spotřeby energie, rozšíření nových komunikačních a informačních sítí a impozantní nárůst kvality života – by nebyly možné bez rozmáhajícího se a postupně stále spletitějšího a komplexnějšího využívání materiálů. Lidská vynalézavost přetvořila tyto materiály nejprve v jednoduché oblečení, nástroje, zbraně a přístřešky, později pak do mnohem propracovanějších obydlí, náboženských a pohřebních staveb, vyrobila z nich čisté kovy i slitiny a generace posledních let z nich vyrobily rozsáhlé průmyslové a dopravní infrastruktury, velkoměsta, syntetické a kompozitní sloučeniny, stejně jako substráty a věci umožňující vznik nového elektronického světa. Tento pokrok neprobíhal lineárně, nýbrž se skládal ze dvou nesrovnatelných období. První se vyznačovalo velmi pomalým růstem, který začal v pravěku a pokračoval až do nástupu rychlé ekonomické modernizace, tj. do 18. století ve větší části Evropy, do 19. století v USA, Kanadě a Japonsku a do druhé poloviny 20. století v Latinské Americe, na Středním Východě a v Číně. Převažující většina lidí žila v těchto společnostech pouze s omezeným počtem kusů jednoduchého majetku, který si sami vyrobili nebo který vyrobili řemeslníci jako jedinečné kusy či případně v malých sériích – zatímco výrobky z velkovýroby, ať už šlo o kovové předměty, pálené cihly a dlaždice nebo sklenice na pití, byly příliš drahé, než aby si je většina mohla dovolit. Hlavním důvodem omezeného zpracování materiálů byla energie: po tisíciletí limitovala naši schopnost těžit, zpracovávat a přepravovat materiály biologického původu a nerosty kapacita živého pohonu (lidské a zvířecí svaly), které vypomáhala jednoduchá mechanická zařízení a pouze pomalu se zlepšující kapacita tří mechanických pohonů, které lidé znali již ve starověku: plachty, vodní kola a větrné mlý-
6
Jak se vyrábí dnešní svět
ny. Teprve až přeměna chemické energie ve fosilních palivech na energii (nejprve vnějším spalováním uhlí pro pohon parních motorů, později vnitřním spalováním kapalin a plynů pro pohon benzínových a dieselových motorů a ještě o něco později plynových turbín) přinesla podstatnou změnu a v druhé fázi představovala rychle nastupující začátek materiálové spotřeby, tj. éry dále urychlované výrobou elektřiny a rozmachem komerčních chemických syntéz, jejichž výrobou vznikalo ohromné množství sloučenin od hnojiv po plasty a léky. A tak se svět rozdělil na bohatou menšinu, která ovládá obrovské materiálové toky a začleňuje je do dlouho přetrvávajících struktur a spotřebních produktů trvanlivých, ale i pomíjivých, a na většinu pobírající nízký příjem, jež z materiálů vlastní jen zlomek toho, co se nachází v zásobách a tocích bohatého světa. Seznam věcí, bez kterých si většina Američanů, jak tvrdí, nedokáže svůj život představit, zahrnuje v dnešní době automobily, mikrovlnné trouby, domov, počítače, myčky, sušičky a domácí klimatizaci (Taylor et al., 2006). A přitom zapomněli, jak je jejich původ krátký, protože před pouhými 50 lety většina z nich buď vůbec neexistovala, nebo jen v malém počtu. V r. 1960 méně než 20 % všech amerických domácností mělo myčku, sušičku nebo klimatizaci. V té době se na scéně objevily první barevné televizory a vůbec ještě neexistovaly mikrovlnné trouby, videopřehrávače, počítače, mobilní telefony ani SUV. Oproti tomu stojí ti, co nic nemají, žijí v zemích s nízkým příjmem a mají tolik štěstí, že mají vlastní místo k bydlení v chabě postavených malých cihlových nebo dřevěných stavbách a něco málo uvnitř, jako je postel, kuchyňské náčiní a pár obnošených kousků oblečení. Čtenáři, kteří si nedokážou konkrétně představit, jak taková situace vypadá, by si měli prohlédnout knihu Petera Menzela Material World: A Global Family Portrait, v níž jsou rodiny 30 národů vyfotografovány před jejich příbytky uprostřed veškerého vybavení jejich domácností (Menzel, 1995). A tyto rozdíly v soukromém vlastnictví se odrážejí i ve veřejné sféře, na níž je vidět, jak velmi se liší rozsáhlá a drahá infrastruktura bohatého světa (dopravní sítě, fungující města, zemědělství dodávající značné potravinové přebytky, z velké části automatizovaná výroba) od nedostatečné a selhávající infrastruktury v chudých zemích.
Obsah
7
Z těchto kontrastů je zřejmé, že bude potřeba mobilizovat a přetvořit enormní množství materiálu, aby se jen zúžila mezera mezi těmito dvěma světy. Současně je materiálová spotřeba hlavní příčinou znečištění a zhoršování životního prostředí a další násobení současné poptávky bude představovat čím dál větší ohrožení biosféry a jejích částí. Tyto dopady také vzbuzují otázky nastavení analytických hranic: jejich správný výběr je nezbytný, protože zahrnout všechny materiálové toky by bylo nepraktické, a také protože neexistuje jednotně přijímaná definice toho, co by nemělo v každém, relativně obsažném hodnocení moderního využití materiálů chybět. Tuto neexistující standardizaci dále komplikuje skutečnost, že některé analýzy zaujímají maximalistický přístup (tj. zahrnují toky všech zdrojů) a zahrnuly všechny myslitelné vstupy i odpadní toky včetně „skrytých“ toků vznikajících při těžbě nerostů a pěstování plodin a včetně kyslíku potřebného ke spalování, a dále vznikající plynné emise a odpady vypouštěné do vody nebo materiály rozptýlené do půdy. Naproti tomu se jiné studie ve svých výčtech omezují na mnohem spolehlivěji vyčíslitelné přímé využití organických a anorganických materiálových vstupů, jež národní ekonomiky potřebují. Budu se opírat o tento přístup a zaměřím se blíže na klíčové materiály (klíčové podle jejich rozsahu nebo nenahraditelných charakteristik), které moderní ekonomiky spotřebovávají. Jejich ohromné materiálové požadavky nás nutí klást celou řadu fundamentálních otázek. Jak daleko by ještě bohatý svět měl tlačit materiálovou spotřebu? Existuje spojení mezi dalším zvyšováním spotřeby a zlepšením kvality života? Do jaké míry je možné odloučit ekonomický růst a zlepšování průměrného životního standardu od zvýšené materiálové spotřeby? Jinými slovy – vede relativní dematerializace (snížení materiálové spotřeby na jednotku výrobku či výkonu) k absolutnímu snižování poptávky po materiálech? Abych dokázal přesvědčivě zodpovědět tyto otázky, musím nastínit evoluci způsobů používání materiálu lidmi, popsat všechny důležité materiály, jejich těžbu, výrobu a hlavní upotřebení a blíže se zaměřit na vzrůstající produktivitu těžby, zpracování, syntézy, finálních úprav a distribuce materiálů a na energetické náklady a ekologické dopady vzrůstající materiálové spotřeby. Nakonec nenabídnu, jako ostatně nikdy ve svých knihách, konkrétní časovou předpověď týkající se globálního a národního využití materiálů v budoucnosti. Místo toho popíšu, jaké činnosti by
8
Jak se vyrábí dnešní svět
mohly umožnit snížení naší závislosti na materiálech a současně bychom si mohli udržet slušnou kvalitu života i snížit mezeru rozevřených nůžek mezi bohatými ekonomikami a ekonomikami s nízkými příjmy. Musíme si uvědomit, že v dlouhodobém výhledu ani ty nejefektivnější výrobní procesy, stavební i výrobní metody, které co nejméně plýtvají materiálem, ani (což se týká materiálů, které lze recyklovat) nejvyšší praktická dosažitelná míra recyklace nemusí dostačovat, aby vedly k dostatečně vysoké míře dematerializace, která by eliminovala rostoucí poptávku po materiálech vycházející z pokračujícího populačního růstu, zvyšujícího se životního standardu a všeobecné preference lidí hromadit majetek. Na základě toho je vysoce pravděpodobné, že abychom uspokojili naše touhy a současně zachovali integritu biosféry, budeme muset dobře zvolit, co pomůže snížit absolutní úroveň materiálové spotřeby, a tím redefinovat samotnou představu moderních společností, jejichž skutečná existence se zakládá na neustálých a značných materiálových tocích.
1
Co bývá součástí Každá studie, jejímž cílem je osvětlit, jak komplexní jsou materiálové toky v moderní společnosti a jaké jsou jejich výchozí podmínky i následky, by se měla pokusit obsáhnout vše, co je pro ni skutečně podstatné a co pokrývá všechny nezbytné aspekty. Ovšem jednoduché vyjádření cíle takového úsilí okamžitě narazí na klíčový kategorický problém: co všechno má patřit k používání moderních materiálů? Neexistuje žádný jasný přehled, žádný obecně přijímaný seznam, jen více či méně liberálně (a také více či méně defenzivně) stanovené hranice zvoleného výběru. Tuto skutečnost nejlépe odráží přehled toho, co si starší komplexní studie zvolily jako svůj předmět zájmu a co převzaly nejdůležitější mezinárodní a národní databáze materiálových toků. První srovnávací studie toků národních zdrojů (Adriaanse et al., 1997) s podtitulem The Material Basis of Industrial Economies nezmiňuje ani vodu ani vzduch, ale zato nejen veškerou zemědělskou sklizeň (nejen suroviny, ale také veškeré potraviny a krmivo), lesnické produkty, rybářské úlovky, výsledky těžby nerostů a fosilních paliv, ale také skryté toky související s těžbou, přesunem či ztrátou materiálů, které mají nějaký dopad na životní prostředí, přičemž se jim současně nepřiznává žádná ekonomická hodnota. Většinu těchto skrytých toků představují přesuny skrývky, kterou je třeba v průběhu čerpáním nerostných zásob odstranit (a to především při povrchové těžbě uhlí nebo rud). Dále pak se jedná o zpracování odpadu (obzvláště ohromné toky související s oddělováním poměrně vzácných kovů z hornin), o půdu, písek a kamení, které je potřeba odstranit a přesunout při velkých stavebních projektech, nebo o půdní erozi z polí a z trvale obhospodařovávané půdy. Skryté toky nejsou sledovány a určit jejich objemy lze přinejmenším pouze pomocí přibližných odhadů, častěji však odhadů založených na nepřímých informacích. A to platí dokonce ještě více v případě celkových ročních objemů skrytých toků souvisejících s dovozem surovin: je zřejmé, že tyto odhady budou nepřesné přede-
10
Jak se vyrábí dnešní svět
vším u velkých bohatých ekonomik (USA, Japonsko, Německo), které dováží širokou řadu materiálů ze značného počtu zemí. Není překvapením, že se studie v případě těchto výpočtů rozhodla použít celosvětové průměry: např. na tunu bauxitu počítá průměrně 0,48 t skrývky a na tunu železné rudy vychází 2 t skrývky – jde o celkové zobecnění, které nutně vede ke značným chybám, použije-li se jako národní průměr. Míra eroze je ještě o něco různorodější. Národních studií, které by ji detailně popisovaly, není mnoho a roční úbytky půdy se mohou lišit i v řádech dokonce v rámci relativně malých oblastí. Tato studie však použila pouze poměr odvozený z amerických záznamů. Další nanejvýš nejistou položkou zahrnutou do objemu toků je množství trávy spasené dobytkem (krmivo pro ostatní zvířata se projevilo v položce sklizně). Tři roky po této první komparativní studii se objevil další projekt pod záštitou Institutu pro výzkum světových zdrojů, World Resources Institute (WRI) pod názvem The Weight of Nations (Matthews et al., 2000). Tato studie popisovala materiálové toky čtyř národů, jichž se týkala i původní studie (USA, Japonsko, Německo a Nizozemsko), a navíc Rakouska, a oproti původní studii (která uváděla poslední data z r. 1993) se vztahovala na období od r. 1975 do r. 1996. Svým podtitulkem Material Outflows from Industrial Economies naznačovala, že jejím zájmem jsou výstupy ve formě výsledků metabolizmu současných společností. Stejně jako předchozí zpráva zahrnovala i tato studie veškerá fosilní paliva, skryté materiálové toky (s převahou skrývky z povrchové těžby uhlí) a rovněž zpracovávané odpady ropného a uhelného průmyslu. Podobně byly vypracovány i odhady procesních ztrát a objemu skrývky u všech nepalivových nerostů a kovů, a zpráva rovněž určila objem zeminy přesunuté v rámci veškerých stavebních aktivit (stavby dálnic, veřejných i soukromých staveb, výkopových prací), ztráty z eroze půdy v zemědělství a odpad ze syntetických organických chemikálií a z farmaceutického průmyslu. Na rozdíl od první studie však tato zpráva z r. 2000 obsahovala rovněž údaje o dodatečných vstupech (kyslík pro spalování a dýchání) a výstupech včetně celkového objemu CO2 jakožto produktu
dýchání, a vodních par ze spalování, a odpadní toky rozlišovala podle toho, do jakého prostředí směřují: do vzduchu, půdy či vody. Ze vzdušných odpadů určila objemy pro plynné emise (CO2, CO, SOx a NOx, těkavé organické uhlovodíky) včetně kyslí-
Co bývá součástí
11
ku z veškerého spalování, odpady končící v půdě zahrnovaly pevný obecní odpad, průmyslový odpad a odpad v rozptýlené podobě (hnůj, hnojiva, posypovou sůl ze silnic, odpad z pneumatik, odpařená rozpouštědla) a dále odpady plynoucí do vody, a kvantifikovala objem organické zátěže a dusíkatých i fosfátových látek. Eurostat zveřejňuje od r. 2000 roční souhrny národní materiálové spotřeby všech zemí EU, přičemž je celkový tok uváděn jako souhrn objemů fosilních paliv, biomasy (zemědělské a lesnické produkce), kovových rud a nekovových nerostů (Evropská Komise, 2001; Eurostat 2013). Metodologické pokyny Eurostatu, které se týkají analýzy účtů materiálových toků na národní úrovni, poskytují informace o konkrétních postupech při začleňování biomasy (potravin, krmiv, pícnin, spásané fytomasy, dřeva, ryb, lovené zvěře a výsledků sběru), kovových rud a nekovových nerostných surovin i veškerých forem fosilních paliv a všech disipativních využití produktů včetně organických a minerálních hnojiv, splaškových kalů, kompostu, pesticidů, semen, posypové soli a rozpouštědel (Eurostat, 2009; Schoer et al., 2012). Soubory navržené Eurostatem rovněž počítají s nevyužitými surovinami (těžební skrývkou, ztrátami doprovázejícími produkci rostlinné biomasy, výkopovou zeminou, vybagrovaným materiálem a vedlejšími mořskými úlovky) a patří k nim stanovení objemu odpadních látek (CO2, odpadních vod a odpadů na skládkách), ovšem nezahrnují kyslík ani vodu.
V r. 1882 požádal americký Kongres o roční souhrn statistik, které se týkají nerostných komodit produkovaných ve Spojených státech nebo do nich dovážených. Za zpracování těchto údajů byl nejprve zodpovědný Národní úřad pro geologický průzkum (US Geological Survey, USGS), následně Národní báňský úřad (US Bureau of Mines) a od r. 1995 opět Národní úřad pro geologický průzkum. Tyto statistiky představovaly základ prvního připravovaného přehledu materiálových toků v USA v letech 1900 až 1995 rozdělených do základních kategorií (Matos a Wagner, 1998). Jeho aktualizace, která obsahovala celkové údaje pro jednotlivé kategorie až do roku 2006, proběhla v r. 2009 (Matos, 2009). Údaje o jednotlivých prvcích, sloučeninách a materiálech jsou aktualizovány v roční frekvenci (USGS, 2013). USGS se rozhodl zahrnout do svého národního přehledu materiálových toků pouze třetí ze tří materiálových tříd, vynechal tedy potraviny a palivo a zahrnul
12
Jak se vyrábí dnešní svět
pouze materiály, které jsou využívány na domácím trhu ve všech odvětvích hospodářství. Soubor poskytuje přehled celkových ročních údajů domácí výroby, vývozů, dovozů i domácí spotřeby. Nejsou obsaženy údaje o vodě, kyslíku, skrytých materiálových tocích ani fosilních palivech, naopak zahrnuty jsou veškeré suroviny, které jsou výsledkem zemědělských aktivit (bavlna, výnosy semen, průmyslové oleje, vlna, kožešina, zvířecí kožešiny, hedvábí a tabák), produkty lesnického průmyslu (různé druhy dřeva, překližka, papír a lepenka), kovy (např. hliník, zinek), značně rozsáhlý výčet nekovových nerostů (ať již těžených v jejich původní formě – jako např. sádrovec, grafit, rašelina – či upravovaných před dalším využitím – jako např. kámen z kamenolomů nebo cement – či synteticky vyrobených, jako je např. čpavek) a neobnovitelných organických látek získávaných z fosilních paliv (asfalt, vosky, oleje a maziva a další pevná, kapalná či plynná fosilní paliva používaná k výrobě při chemických syntézách). Velmi málo těchto vstupů se používá ve své surové, přirozené podobě, prakticky všechny jsou zpracovávány (bavlna předením, dřevo mělněním, rudy tavením, kámen lámáním či řezáním a leštěním) a naopak většina těchto zpracovávaných materiálů se stává vstupy pro výrobu polotovarů a hotových výrobků (z bavlny se stává oblečení, z rozmělněné dřevoviny papír, z tavených kovů strojírenské díly, z drceného kamene se po smíchání s pískem a cementem dělá beton). Tento soubor produktů zemědělského a lesnického původu, průmyslových nerostů a neobnovitelných organických zdrojů poskytuje poměrně přesný přehled ročních úhrnů a dlouhodobých změn v materiálových tocích země. Zatímco se započítávají veškeré importy a exporty surovin, v potaz se neberou materiály, které obsahuje hotové obchodované zboží: vzhledem k jejich objemu a rozmanitosti by bylo velmi složité je vysledovat. Kam se tak dostáváme? Ty studie materiálových toků, které pojímají předmět svého zkoumání vskutku sensu lato (tzn. prakticky jako všechny látky, které člověk využívá), započítávají vše kromě pozoruhodné výjimky – kromě vody. Jejich součástí tedy není jenom materiál biologického původu pro výrobu zboží, veškeré kovy, nekovové nerosty a organické suroviny, ale také veškerá zemědělská fytomasa (sklizené potraviny a krmivo, jejich odpady, pícniny a pastva), a veškerá paliva (biopaliva a fosilní paliva) a kyslík ke spalování. O něco méně restriktivní studie nezahrnují ani
Co bývá součástí
13
kyslík ani potraviny či krmné plodiny a v potaz berou pouze zemědělské suroviny, které podléhají dalšímu zpracování ve zboží, nicméně zahrnují veškerou fytomasu a fosilní paliva. Na rozdíl od toho představuje přehled zpracovávaný USGS přístup sensu stricto, jelikož začleňuje pouze biologické suroviny používané pro další zpracovávání a nezahrnuje ani kyslík, ani vodu, ani žádná paliva (ať již biopaliva nebo fosilní paliva) a ani žádné skryté materiálové toky (které je vždy obtížné vyčíslit). Můj názor na nastavení hranic analýzy se téměř perfektně shoduje s výběrem USGS, ovšem aniž bych prostě jen odkazoval na tuto autoritu, vysvětlím krátce své vlastní důvody pro tento výběr. Proč nepočítat s kyslíkem nutným ke spalování paliv, se dá poměrně snadno obhájit na základě volně dostupné nabídky doslova nevyčerpatelné složky naší atmosféry. Tvrzení, že existuje vážné nebezpečí vyčerpání O2 kvůli spalování, bylo vyvrá-
ceno již dávno (Broecker, 1970). Úplné spálení 1 kg uhlíku ve formě uhlí znamená spotřebu 2,67 kg kyslíku a spálení 1 kg uhlovodíku vyžaduje 4 kg O2. Celosvětové spalování objemu cca 8 Gt fosilního uhlíku v r. 2010 tedy znamenalo požadavek
na 21 Gt O2 neboli 0,0014 % objemu atmosféry z celkových 1,5 Pt O2 – a dokonce
i naprosté spálení (což je zhola nemožné) více než nadhodnocených celosvětových zdrojů fosilních paliv by znamenalo pokles obsahu O2 v atmosféře o maximálně 2 %. Neexistuje tedy nebezpečí, že by došlo k závažnému ztenčení zásoby (a to ani ne-
mluvě o vyčerpání) tohoto prvku, a přesto ovládne domácí a mezinárodní statistické soubory, pokud je na základě konkrétního rozhodnutí zařazen do výčtu materiálových toků. Např. jak vychází z výpočtů komparativní studie WRI, kyslík představoval 61 % přímých zpracovaných materiálových výstupů v USA v r. 1996 a v Japonsku podíl téže látky v tomtéž roce činil 65 % (Matthews et al., 2000). Z čehož vyplývá, že objem domácích materiálových toků, do nichž zahrneme i spotřebu kyslíku, by představoval pouhý hrubý odhad závisející na rozsahu spalování fosilních paliv v konkrétním hospodářství. Argument pro to nezahrnout skryté toky do výčtu domácích materiálových toků není o nic méně pádný: pokud z přehledu vynecháme kyslík, ovládly by tyto toky celou statistiku domácích materiálových výstupů ve všech zemích, které mají buďto vysoký podíl těžebního průmyslu (obzvláště pak povrchové těžby uhlí a rud) nebo
14
Jak se vyrábí dnešní svět
rozsáhlé plochy zemědělské půdy podléhající závažné erozi. Není překvapením, že (pokud vynecháme kyslík) představují tyto skryté toky ve WRI analýze 86 % celkových domácích materiálových výstupů v USA nebo Německu, ale např. v Japonsku, jehož rozsah těžebního průmyslu i pěstování plodin je mnohem menší, byla tato míra nižší – 71 % (Matthews et al., 2000). Nežádoucí dopady těchto přidružených toků na životní prostředí by neměly být při analýze konkrétních těžebních či zemědělských aktivit přehlíženy, ale není možné tyto toky určit s velkou přesností. V nich převažuje nevyužitá vytěžená zemina a kamení, těžební hlušina, odpad ze zpracovávání a půda narušená erozí, zatímco zemina a kamení přesouvané jako součást stavebních činností budou tvořit poměrně malý podíl. Ale pokud se berou v potaz skryté toky, není hlavním problémem to, že tvoří hlavní část objemu domácích výstupů materiálů ve všech velkých, diverzifikovaných ekonomikách, což nepřekvapí, ale že nevybíravě přidávají na důležitosti některým kvalitativně nesrovnatelným tokům. Nepoužitelná hromada kamení, která zůstane v kamenolomu po jeho uzavření, nemusí být nutně zátěží pro životní prostředí, nemusí ani nijak překážet a navíc, pokud se kamenolom zatopí a vytvoří se umělé jezero, stane se tento skrytý materiál doslova a do písmene skrytým jako součást nového, utěšeného, vzhledu krajiny. Na druhou stranu (abych uvedl jen jeden z mnoha možných běžných příkladů) po zpracování bauxitu na hliník zůstává toxický odpad (který obsahuje těžké kovy), který často bývá lehce radioaktivní a je velmi leptavý (má vysoké pH). A neméně důležitým bodem je rozdíl mezi skrytými toky in situ, které vznikají při těžbě nerostů (opuštěné kamenolomy, štěrkovny a pískovny a uhelné či rudné doly s hromadami, kupami, slojemi nebo hlubokými jámami a příkopy zaplněnými nepotřebnými nerosty či odpadem po zpracování vytěženého materiálu), a půdní erozí způsobenou deštěm či větrem, která způsobuje přesun cenné ornice ne desítky či stovky, ale tisíce kilometrů po proudu či po větru. První typ skrytých toků nemusí lahodit oku a může i nemusí být toxický a jejich celkový dopad na životní prostředí mimo bezprostřední okolí může být zanedbatelný nebo se nemusí vůbec projevit, ale eroze je globálně důležitým, často regionálně nanejvýš znepokojivým a pro konkrétní místa devastujícím procesem, který snižuje (či ničí) produktivitu ploch určených
Co bývá součástí
15
k pěstování zemědělských plodin, způsobuje naplaveniny ve vodních tocích, přispívá k eutrofizaci sladkých i pobřežních vod, vytváří trvalou degradaci ekosystému a přináší značné ekonomické ztráty. Mé argumenty pro to nezapočítávat vodu vycházejí z několika důvodů, na jejichž základě je vhodnější s tímto nepostradatelným vstupem zacházet spíše odděleně než jej začleňovat do celkových materiálových požadavků moderních ekonomik. Prvním zřejmým, znovu opakovaným důvodem je kvantitativní stránka věci: začleněním vody by tato látka ovládla všechny domácí účty materiálových toků a zavádějícím způsobem by to vedlo ke snížení významu mnoha vstupů, jejichž roční toky představují malý podíl spotřeby vody, ale současně je jejich kvalitativní příspěvek nepostradatelný. Např. v r. 2005 byla celková spotřeba vody v USA něco přes 5 Gt (Kenny et al., 2009), zatímco ostatní materiály využité přímo hospodářstvím země (s převahou písku, štěrku a kamení ve stavebnictví) obnášely méně než 3,8 Gt (USGS, 2013). Navíc jsou zde podstatné kvalitativní rozdíly mezi těmito dvěma údaji. Největší část spotřeby vody (odpovídající téměř 60 % celkové spotřeby) představuje chladicí voda použitá pro provoz tepelných elektráren, kdy se nejedná o její skutečnou spotřebu, protože téměř všechna, až na malou (vypařenou) část, se téměř okamžitě dá využít k dalším účelům níže po proudu řeky. Na rozdíl od toho buď není vůbec možné znovu využít materiály, které se stanou součástí dlouhodobých struktur a produktů, nebo je recyklovatelná jen jejich část, a to až po poměrně dlouhé době, kdy se nacházejí mimo oběh toků. A ani druhou největší část spotřeby vody, přibližně 30 % celkové spotřeby USA v r. 2005, která se používá na zavlažování, nelze považovat za skutečnou spotřebu, jelikož se téměř všechna, až na drobný podíl, přes pěstované rostliny dostává zpět do atmosféry, projde kondenzací a stane se srážkami. A pokud by se o tom, zda začlenit vodu či ne, rozhodovalo na základě míry nedostatku, pak by bylo potřeba přísně rozlišovat mezi vodou pocházející z nadbytku srážek a vodou získávanou za vysokých nákladů z hlubokých a mizících zásob vody, jež nelze v rámci jedné civilizace nahradit. Na tomto místě by mohlo být užitečné upozornit na jiný problém (ve srovnání s předešlými problémy menší) ve vztahu k souhrnným údajům o materiálových tocích, o němž se, alespoň pokud vím, doposud nezmínil žádný ze sestavovate-
16
Jak se vyrábí dnešní svět
lů těchto národních či celosvětových přehledů: tj. problém obsahu vody v písku a ve sklizené biomase. I když se zaměříme pouze na ty materiály biologického původu, které se používají jako průmyslové vstupy, pohybuje se jejich obsah vody mezi méně než 15 % v případě surové vlny až po více než 50 % u čerstvě pořezaných kmenů stromů (a rozsah je ještě širší, pokud uvažujeme potravinové plodiny, kdy se obsah vody pohybuje mezi 5 % u suchých semen po více než 90 % u čerstvé zeleniny). Právě vytěžený písek může obsahovat více než 30 % vody, očištěný písek obsahuje 15–25 %, díky uskladnění v odvodňovacích kontejnerech se tato hladina sníží na 6 % a použitím rotační bubnové sušárny nebo fluidní sušárny se odstraní veškerá vlhkost až na přibližně 0,5 % u písku používaného při takových procesech, jako je odlévání oceli nebo hydraulické štěpení probíhající pod tlakem. Je zřejmé, že nejlepším řešením by bylo započítávat objemy veškerých materiálů vykazujících jakoukoliv úroveň vlhkosti v jejich naprosto suchém stavu, aby bylo možné srovnat jejich toky s těmi materiály, které žádnou vlhkost neobsahují. To však není v praxi možné, a proto všechny celkové údaje o domácích materiálech vykazují zdaleka ne zanedbatelný podíl vody. Potraviny a paliva jsou zjevně nezbytné pro přežití každé civilizace. Jejich toky jsou v moderních společnostech, pro které je typická vysoká spotřeba energie i bohatá a rozmanitá strava, obzvláště objemné. V mnoha zemích s nízkými příjmy pak přetrvává důležitost tradičních biopaliv. Navíc na rozdíl od vody a kyslíku se jejich začleněním výrazně nezmenší podíl všech ostatních materiálových toků: např. dokonce i v USA bohatých na paliva se celková roční spotřeba uhlí, ropy a zemního plynu rovná přibližně 50 % všech neenergetických nerostů. Tak proč je opomíjet? Nezohlednit potraviny a paliva je možné pouze proto, že se tyto dvě velké spotřební kategorie tradičně zkoumají odděleně (výsledkem je bohatá literatura o výsledcích a perspektivách), ale i protože nejsou striktně vzato (sensu stricto) materiálem, látkou opakovaně používanou v jejím surovém stavu nebo přetvořenou do více či méně trvalého konečného produktu. Na rozdíl od surového biologického materiálu (dřevo, vlna, bavlna, kůže, hedvábí), kovů, nekovových nerostů a neobnovitelných organických látek (asfalt, maziva,
Co bývá součástí
17
vosky, uhlovodíkové vstupní suroviny) se potraviny a paliva nepoužívají při vytváření dlouhodobých struktur a nejsou transformovány ani včleňovány do stále širšího souboru pomíjivých, ale i přetrvávajících průmyslových, dopravních či spotřebních položek. Potraviny jsou rychle využívány k získání energie a živin, které umožňují růst a aktivitu lidských jedinců, zatímco paliva podléhají rychlé oxidační reakci (hoření), jejímž výsledkem jsou, ať už přímo nebo nepřímo, různé formy užitečné energie (teplo, pohyb, světlo): ani v jednom případě tedy nezvyšují materiální zásoby současných společností. Na konec musím obhájit konceptuální změnu, která se týká zacházení s materiály, které podle materiálové klasifikace EU patří do kategorie disipativních toků. Podle evropské definice představuje osm kategorií disipativních ztrát soubor různorodých zbytkových materiálů: některé z nich se sčítají s celkovými objemy malých toků (řeč je zde o rozpouštědlech unikajících při čištění zasucha nebo zbytky z pneumatik po provozu na silnicích), jiné jsou podstatnější (hnůj, kaly z čistíren a kompost na hnojení zemědělské půdy), ale disipativní ztráty z obou těchto materiálových kategorií se nehlídají a je velmi těžké je určit. USGS přistupuje k větším tokům v této kategorii (sůl a další rozmrazovací materiály – včetně písku a drti – používané při posypu silnic v zimě, dusíkatá a fosfátová hnojiva a potaš jako hnojivo pro rostliny a trávníky) jako k průmyslovým nerostům. Zatímco zásoby soli a písku jsou hojné a jejich výroba není energeticky náročná, anorganická hnojiva představují kritické materiálové vstupy ve všech současných společnostech a není možné je přehlížet. Blíže se na ně podíváme, až budu mluvit o pokroku ve výrobě syntetických materiálů. Ale domnívám se, že většina zbývajících disipativních toků tvoří dohromady relativně malé objemy a jelikož již z jejich podstaty vyplývá nemožnost přesně je vyčíslit, převáží tyto negativní stránky veškerá pozitiva, která by plynula z jejich začlenění do konečného součtu spotřebovaného materiálu. A zatímco hnůj a kaly představují poměrně rozsáhlý objem odpadního materiálu, jde mnohem více o recyklaci vody než biomasy: kaly obsahují minimálně 80 % vody, čerstvý hnůj 70–85 %. Navíc v mnoha (možná i ve většině) případech by neměly být kaly z čistíren recyklovány, protože obsahují těžké kovy, patogeny, pesticidy a zbytky léků, steroidů a hormonů.
18
Jak se vyrábí dnešní svět
Zbývá mi tedy již jen jedna položka, kterou bych přidal k seznamu USGS, a to jsou průmyslové plyny. Ačkoliv vzduch (kyslík) je potřeba pro spalování fosilních paliv, hlavní zdroj energie moderní civilizace, jeho přidáním k položce celkového materiálového vstupu by byl vyvolán (jak jsem již vysvětlil) zkreslující a matoucí dopad podobný jako při zahrnutí veškerého využití vody. Ovšem určení množství využití plynů oddělených od vzduchu, které umožňují uskutečnění mnoha průmyslových procesů, je jiná věc. Co se týče jednoduchého množstevního vyčíslení celosvětového využití kyslíku, vodíku, dusíku a vzácných plynů, jako jsou argon či xenon, tvoří tyto prvky dohromady spíše malou položku, ale v kvalitativním ohledu je jejich využití nepostradatelné v nejrůznějších průmyslových odvětvích od výroby oceli (nejdůležitějším způsobem výroby kovu je výroba v kyslíkových konvertorech) až po syntézu amoniaku (s využitím dusíku separovaného ze vzduchu a vodíku z methanu) a efektivní osvětlení.
2
Jak jsme se sem dostali Biosféra země je plná organizmů, které využívají materiály na více než jen na svůj metabolismus. Kromě toho, co se agregátní hmoty materiálových toků ovládaných lidstvem týče, nejsou nijak zvlášť velké ve srovnání s produkcí anorganických látek mořskými organismy. Ale jedinečným lidským rysem je schopnost kombinovat celkový rozsah, specifické charakteristiky a stále rostoucí komplexnost využívání materiálů (těžba, zpracování a přeměna na konkrétní vstupy vhodné pro infrastrukturu a milióny výrobků). Pro lepší pochopení z evolučního hlediska se nejprve zmíním o nejpozoruhodnějších způsobech používání materiálů organismy mořským fytoplanktonem počínaje a primáty konče, způsobech, které se liší buď svým rozsahem toků, nebo jedinečnými charakteristikami. Poté budu pokračovat stručným chronologickým přehledem využívání materiálů lidmi, přičemž se zaměřím nejprve na milníky naší prehistorie, především na ony stále jen nedokonale osvětlené výkony při megalitických stavbách, které vyžadovaly lámání kamene, jeho přepravu a často pozoruhodně přesné umístění masivních kvádrů. Dále shrnu a určím množství některých důležitých tradičních materiálů (kámen a dřevo) v antice, středověku a raném novověku (1500–1800), a zaměřím se na pokroky při budování silnic, akvaduktů, obřadních a náboženských staveb a lodí, dále na počátky metalurgie a její rozvoj a na materiály využívané v domácnostech. Celou kapitolu uzavřu dvěma úzce souvisejícími kapitolami popisujícími vznik moderní materiální civilizace v průběhu 19. století a její prostorové rozpínání a zvyšování komplexnosti po r. 1900. Budu se soustředit na klíčové kvantitativní i kvalitativní body pokroku při používání materiálů, které položily základ společnosti 20. století, neboť umožnily těžbu fosilních paliv, industrializaci, urbanizaci a evoluci současných způsobů pozemní, vodní i vzdušné dopravy. Tyto vývojové procesy se zakládaly na materiálech, jejichž výroba vyžaduje vysoce energeticky náročné vstupy a jejichž zavedení a využívání je dynamicky provázáno s ohromným pokrokem
20
Jak se vyrábí dnešní svět
vědeckých a technických možností lidstva. Naopak nové materiály jsou hlavním motorem zvýšené produkce potravin a zlepšení hygienických podmínek, což vedlo k bezprecedentnímu zlepšení kvality života. Díky nim se rovněž rozšířily možnosti mechanické a automatické výroby i cestování do velkých vzdáleností, sdílení informací a telekomunikace.
2.1 Materiály, které jsou používány organismy Je nevyhnutelné, aby organismy využívaly materiály: ty představují základ metabolizmu. Základ života na naší planetě, fotosyntéza, probíhá všude na světě a vytváří novou biomasu tím, že umožňuje vstřebání více než 60 Gt uhlíku ročně prostřednictvím listů rostlin ve formě CO2 z atmosféry (Smil, 2013), a miliónů tun tří klíčových
makrobiogenních prvků (dusík, fosfor a draslík pronikajících do rostlin jejich kořeny), které pak společně vytvářejí tkáně a orgány rostlin. Ale všechny tyto nezbytné látky – které se odrážejí v nutričních požadavcích heterotrofních jedinců, ať už jsou to býložravci, masožravci nebo všežravci – nejsou obvykle zahrnovány mezi způsoby užití materiálu. Ty jsou vyhrazeny aktivním, mimotělním procesům. Co se způsobu získávání materiálu týče, můžeme jej rozdělit do pěti hlavních kategorií. Tou nejméně frekventovanou a v celkovém souhrnu poměrně nevýznačnou kategorií je využití nasbíraného přírodního materiálu jako nástrojů. Druhou kategorií s omezeným celkovým dopadem je využívání vylučovaného materiálu pro stavbu ochranných konstrukcí či útvarů sloužících k chytání kořisti (což je případ pavoučích, často velmi uměleckých výtvorů). Další kategorii představuje odstraňování biomasy (a v dnešní době též materiálů vytvořených člověkem) a jejich účelové začlenění do často pozoruhodně navržených konstrukcí (počínaje bobřími přehradami po složitá hnízda). Další v řadě je odstraňování a přemisťování půdy a hlíny (nadzemní hnízda termitů, komplikované nory hlodavců) a nakonec nejvydatnější aktivita v podobě získávání minerálů z vody, většinou s cílem vytvořit vnější skeleton. Tento proces převažuje u mořských organismů vytvářejících minerální schránky, jako jsou fytoplankton, koráli a měkkýši. Činnosti využívající nástrojů jsou důkladně zdokumentovány u nejrůznějších druhů, např. u vyder, mořských racků, slonů i pěnkav (Shumaker et al., 2011), ale