Uma solução circular para resíduos de plástico

Um processo químico milenar pode ser um grande elo ausente na solução para um de nossos problemas modernos mais persistentes, resíduos plásticos. Hoje, reguladores, indústrias e sociedade reconhecem a necessidade de limitar o desperdício e identificar soluções. Os últimos anos viram um maior interesse no potencial das tecnologias circulares de quebrar, ou pelo menos mitigar, 

Plastics are essential to modern life, though environmentalists and NGOs have also long warned of the impact that plastic waste has on land, water, and air. Today, regulators, industries, and society alike recognize the need to limit waste and identify solutions. Recent years have seen heightened interest in the potential of circular technologies to break, or at least mitigate,  Os efeitos adversos do modelo de despo-de-uso . Mas essas soluções não podem lidar com todos os tipos de resíduos de plástico (especialmente plásticos misturados com outros materiais, como adesivos). E em muitos mercados, a economia favorece plásticos de uso novo ou de uso único em detrimento da reciclagem, enquanto outros não têm os sistemas de coleta e classificação necessários. Como resultado, plásticos flexíveis de uso único (como sacos e embalagens), que representam cerca de 50% de todo o consumo de plásticos e metade da ninhada total do oceano, acaba sendo incinerada, aterrada ou apenas jogada fora.

Chemical recycling of plastics to fuel (PTF), or plastics regeneration—which is similar to the natural process that creates fossil fuels—can fill a big gap on the disposal-reuse spectrum. The ultimate solutions will involve a combination of judicious consumption and disposal measures as well as the development of cost-competitive and environmentally friendly alternatives. Most observers would agree, however, that these changes are years away. In the meantime—over the next decade or two—we can implement circular solutions to reuse or repurpose plastic waste in the most efficient way.

BCG recently completed several comprehensive analyses of global waste markets, collection systems, and recycling regulations, including the business cases for mechanical recycling and conversion technologies. We examined the PTF value chain, including an in-depth analysis of the most common PTF technology, pyrolysis, which uses heat in an oxygen-starved environment to covert plastic waste into synthetic oil and gas (without emitting a lot of greenhouse gases).  We examined the costs of the pyrolysis process and its market potential as well as its environmental impact and shortcomings. We studied how various factors and trends play out in three types of markets common around the world, ranging from those that are largely unregulated and immature with respect to plastics collection to those that are highly regulated with well-developed collection chains. The analysis was reviewed with experts from the chemical industry, waste management companies, circular-economy organizations, and academia. (“Our Thanks to the Experts.”)

Our main conclusion is that while the economics and business challenges vary, conversion technologies such as pyrolysis are economically viable in all the market types described above. In some, pyrolysis can have an immediate and substantial impact—it has the potential to treat up to two-thirds of the plastic waste generated in Jakarta, for example. In others, the business case is feasible only if governments act to make inexpensive and environmentally detrimental means of disposal—principally landfills—less financially attractive.

O relatório completo está disponível disponível Aqui . Este artigo apresenta um resumo de nossas principais descobertas e conclusões. Algumas estimativas dizem que os seres humanos fabricaram mais de 9 bilhões de toneladas de plásticos no século passado, e quase 7 bilhões de toneladas se tornaram desperdiçadas. Nas últimas décadas, a crescente classe média nos mercados emergentes fez a produção aumentou; Metade dos plásticos da história foram produzidos nos últimos 15 anos. A ONU prevê que, sob as taxas atuais de consumo e as práticas de gerenciamento de resíduos, aproximadamente 12 bilhões de toneladas de resíduos plásticos serão despejados em aterros sanitários e vazam para o meio ambiente até 2050.

No Easy Solutions

While plastics have myriad benefits, they also create a vast, global, and complex waste problem. Some estimates say that humans have manufactured more than 9 billion tons of plastics in the past century, and almost 7 billion tons have become waste. In recent decades, the rising middle class in emerging markets has sent production soaring; half of history’s plastics have been produced in the past 15 years. The UN predicts that under current consumption rates and waste management practices, approximately 12 billion tons of plastic waste will be dumped into landfills and leaked into the environment by 2050.

Many countries—some 60 so far, according to the UN—have responded with steps to constrain plastics consumption and environmentally detrimental means of disposal. Policymakers are increasingly restricting, and in some cases banning, single-use and flexible plastic products, such as shopping bags. They are also limiting plastic waste disposal in landfills. Consumer companies, including restaurants and airlines, are cutting back on, or entirely abandoning, the use of plastic straws, plates, and cutlery. While these actions have yet to materially reduce the volume of waste, they have sent a clear signal that the status quo can shift rapidly.

There are seven different major types of plastic, each with its own chemical composition. The various types and their uses are:

• PET. Garrafas de água, recipientes de alimentos. Garrafas de shamoo, química e detergente.
• HDPE. Milk bottles; shampoo, chemical, and detergent bottles.
• PVC. pratos, sacos de batata-batata. Cosmetic containers, commercial cling wrap.
• LDPE. Squeeze bottles, other cling wrap, rubbish bags.
• PP. Microwave dishes, potato chip bags.
• Eps/ps. (Veja a Figura 1.) Fora de reduzir a quantidade de resíduos gerados, a reutilização é o melhor método que temos. O vazamento de resíduos de plástico para o ambiente é o menos desejável, e o descarte de aterros sanitários é apenas marginalmente melhor. Vários grupos e organizações estão buscando ativamente iniciativas para empurrar as práticas de gerenciamento de resíduos para o topo da pirâmide. Um alvo intermediário é encontrar maneiras de reduzir o uso de aterros e a incineração e avançar em direção a mais reciclagem e reutilização (além de redução). Para empresas e benefícios sociais e ambientais significativos, reduzindo a quantidade de plástico virgem usado e impulsionando maior circularidade. Mas um sistema eficaz de reciclagem mecânica também requer um sistema de coleta eficiente. Os sistemas mais eficazes separam o desperdício na fonte, o que reduz os requisitos para a limpeza e economiza água e energia. Sistemas de classificação de tamanho industrial e instalações de recuperação mecânica estão aumentando em eficiência e capacidade de separação. Mas colocar esse sistema em vigor leva tempo, investimento e muitas vezes uma mudança fundamental no comportamento do consumidor. Plastic cutlery, CD and video cases, hot-drink cups, protective packaging.
• Other. Mixed-use plastics.
  

A hierarchy of plastic waste management describes the options for disposing of all this plastic. (See Exhibit 1.) Outside of actually reducing the amount of waste generated, reuse is the best method we have. Leakage of plastic waste into the environment is the least desirable, and disposal in landfills is only marginally better. Various groups and organizations are actively pursuing initiatives to push waste management practices toward the top of the pyramid. An intermediate target is to find ways to reduce the use of landfills and incineration and move toward more recycling and reuse (as well as reduction).

A pillar of the circular economy, mechanical recycling provides both a viable business case for companies and significant societal and environmental benefits by reducing the amount of virgin plastic used and driving greater circularity. But an effective mechanical-recycling system also requires an efficient collection system. The most effective systems separate waste at the source, which reduces requirements for cleaning and saves water and energy. Industrial-sized sorting systems and mechanical-recovery facilities are increasing in efficiency and separating capability. But putting such a system in place takes time, investment, and often a fundamental change in consumer behavior.

Tecnologias mais recentes, como purificação, que vão além da reciclagem mecânica convencional estão ganhando tração. Eles trabalham dissolvendo plásticos em solventes e separando as misturas para purificar os plásticos, extraindo aditivos e corantes. Essas tecnologias se concentram nos mesmos materiais que os métodos convencionais de reciclagem mecânica, como PET, HD e PP, mas ainda são tecnologias nascentes que ainda precisam ver a implementação em larga escala. Processos de reciclagem mecânica. Esses novos métodos podem ser amplamente chamados de regeneração de plásticos. Nesse processo, os polímeros são convertidos em moléculas menores, incluindo seus monômeros constituintes, hidrocarbonetos de cadeia menor e matérias-primas petroquímicas. A reciclagem de monômero é geralmente vista como um método particularmente circular, porque reverte a composição química dos plásticos em moléculas de monômero estáveis ​​que podem ser combinadas para criar o mesmo grau e tipo de plástico a partir dos resíduos. Às vezes, também é chamado de decomposição. A conversão em combustíveis ou matéria -prima petroquímica é realizada através de uma variedade de tecnologias, a mais comum da qual é a pirólise.

Plastics Regeneration Fills the Gap

Several new chemical-recycling technologies are emerging that address limitations in materials composition as well as the complexity of mechanical-recycling processes. These new methods can be broadly referred to as plastics regeneration. In this process, polymers are converted into smaller molecules, including their constituent monomers, smaller-chain hydrocarbons, and petrochemical feedstocks. Monomer recycling is generally seen as a particularly circular method because it reverses the chemical composition of the plastics into stable monomer molecules that can then be combined to create the same grade and type of plastic from the waste. It is sometimes also referred to as decomposition. Conversion into fuels or petrochemical feedstock is realized through a variety of technologies, the most common of which is pyrolysis.

A pirólise tem algumas vantagens distintas sobre outras tecnologias de reciclagem e recuperação. É hábil em lidar com uma variedade de tipos de plástico que os centros de reciclagem mecânica normalmente rejeitam. Enquanto a pirólise usa calor, o único dióxido de carbono que emite é da fonte de energia que gera o calor. Como resultado, sua pegada de carbono é muito menor que a da incineração.

Dependendo da mistura de entradas, a saída da pirólise é de 70% a 80% de óleo, que pode ser usada para uma variedade de fins e 10% a 15% de gás, que geralmente é reciclado para fornecer o calor da pirólise. Apenas cerca de 10% a 15% da produção é char, um sólido inerte que pode ser reciclado para estradas ou enviado para aterros sanitários, embora também tenha sido demonstrado algum uso de carvão como combustível. Usando a produção líquida da pirólise como combustível ou entradas para plantas petroquímicas prolonga o ciclo de vida dos plásticos originais para pelo menos uma segunda rodada em caso de primeira e potencialmente vários mais neste último, dependendo do uso e descarte final. Os maiores são a escala e a complexidade operacional. Os reatores de pirólise requerem manutenção regular e o tempo de inatividade é caro. Uma planta normalmente compreende vários reatores, com unidades adicionais adicionadas em paralelo para aumentar a capacidade. Alguns jogadores estão explorando os reatores de processo contínuo de tamanho menor para ganhar escala. Esse é um dos principais desafios do processo, porque os plásticos devem ser classificados e limpos com antecedência para evitar a contaminação (embora os padrões de limpeza e processamento sejam menos rigorosos do que os necessários para a reciclagem mecânica). Essas e outras questões levantam uma questão -chave sobre se a pirólise pode contribuir de maneira significativa para soluções de resíduos plásticos: é economicamente viável? Eles incluem o volume endereçável de resíduos plásticos, custos de aquisição e tratamento de matéria -prima, capacidade e despesas operacionais de plantas de pirólise e receitas potenciais da venda de gás e líquidos de pirólise.

Like any chemical process, pyrolysis has its challenges. The biggest are scale and operational complexity. Pyrolysis reactors require regular maintenance, and the downtime is costly. A plant typically comprises multiple reactors, with additional units added in parallel to increase capacity. Some players are exploring continuous-process reactors of smaller size to gain scale.

Pyrolysis also requires a sustained and consistent amount of good-quality feedstock to function effectively; this is one of the major challenges of the process because the plastics must be sorted and cleaned in advance to avoid contamination (although the cleaning and processing standards are less stringent than those required for mechanical recycling). These and other issues raise a key question with respect to whether pyrolysis can contribute in a meaningful way to plastic waste solutions: Is it economically viable?

The Economics of Pyrolysis

Four factors directly determine the economic viability of pyrolysis, and they can vary considerably by region and market. They include the addressable volume of plastic waste, feedstock acquisition and treatment costs, the capacity and operating expenses of pyrolysis plants, and potential revenues from the sale of pyrolysis gas and liquids. ¹ 1 A lucratividade é afetada pelo preço do petróleo e pela demanda por vários tipos de combustível (como gasolina, querosene e combustível de aviação). Se a Marpol (Convenção Internacional para a Prevenção da Poluição de Navios) mudar para favorecer os combustíveis mais ultra-baixa-solo, isso poderia dar um impulso às vendas de líquidos de pirólise, porque a produção principal é o óleo de baixo teor de sulfuro. Veja “ Quão perturbador será IMO 2020?,” BCG article, May 2019.  Além disso, várias tendências estruturais e ambientais moldam o impacto desses fatores e a viabilidade da pirólise em um mercado. (Veja o Anexo 2.)

para avaliar a viabilidade financeira da pirólise como uma empresa, principalmente para empresas de energia e produtos químicos, pesquisou oito mercados, cada um com seus próprios distinntos características. Os mercados podem ser divididos em três categorias representativas: maduras, moderadamente regulamentadas e nascentes. Para cada mercado, usamos dois critérios para determinar a viabilidade econômica:

• Margem. The revenues from the sale of pyrolysis liquids minus the costs to acquire feedstock, the cash costs of operation, and capital expenditures. ² 2 Durante a análise dos casos de negócios, foi assumida uma ampla variação na qualidade dos líquidos de pirólise resultante, dada a ampla variação da matéria -prima.
• Volume. (Normalmente, para obter uma taxa de transferência mais alta, mais unidades são adicionadas em paralelo.) The estimated number of 30-kt/y plants that can be run given the addressable volume of plastic waste in the market. (Typically, to obtain a higher throughput, more units are added in parallel.)
  

Estabelecemos uma taxa interna nominal de retorno nominal arbitrário (TIR) ​​de 12% como o retorno mínimo de que uma empresa precisaria para justificar o investimento. (Ver Anexo 3.) Nossa análise indica que, dos oito mercados, seis excedem esta TIR e quatro deles o fazem substancialmente, incluindo um mercado nascente: Jacarta. estabeleceram sistemas de coleta estabelecido e maduro, o uso limitado de aterros devido a restrições de regulamentação ou espaço, alvos de reciclagem de curto prazo com monitoramento rigoroso e planos de próximo e médio prazo para reduzir o consumo de plásticos de uso único. Nosso estudo incluiu Cingapura e a província da marítima da França. Ambos têm IRRs atraentes (mais de 20% e 25%, respectivamente), mas são baseados em casos de negócios muito diferentes. Cingapura gera cerca de 2.200 toneladas por dia de resíduos de plástico, cerca de 50% de fontes residenciais. A maior parte disso vai direto para os centros de incineração. Apenas aproximadamente 12% a 20% entram nos centros de classificação de reciclagem, e apenas metade disso é realmente reciclada, com o saldo rejeitado principalmente devido à contaminação. Dado que oferece o potencial de adquirir 120 a 300 toneladas por dia de plástico descartado dos centros de classificação, Cingapura poderia fornecer a escala necessária para uma planta de pirólise de 30 kt/a. (As mudanças regulatórias que favorecem a pirólise podem desviar resíduos plásticos adicionais da incineração, disponibilizando uma oferta ainda maior.) Um operador de pirólise pode esperar obter uma margem de lucro de quase US $ 130 por tonelada, ou quase 30%. Mas a maritime de seine gera apenas cerca de 150 a 190 toneladas de resíduos sólidos municipais (RSU) por dia, a maioria dos quais (110 a 160 toneladas) vai para incineradores ou aterros sanitários. Para garantir uma oferta suficiente para uma planta de 30 kt/a, um operador precisaria olhar além da província da marítima da rede para suprimentos ou usar plásticos extraídos dos aterros, o que exigiria limpeza e classificação. São mercados com sistemas estabelecidos de coleta de resíduos, pouca pressão sobre a redução do uso de aterros devido à economia favorável e a algumas metas de reciclagem de longo prazo (incluindo a coleta de dados para apoiá-los), mas nenhuma regulamentação firme relacionada à redução do consumo de plásticos. Os resíduos de plástico são amplos (cerca de 25.000 toneladas por dia) e baratos (aproximadamente US $ 125 por tonelada). Dos cinco estados da região (Alabama, Flórida, Geórgia, Louisiana e Texas), apenas a Flórida recicla uma porcentagem significativa de seu RSU (37%); Os outros estados estão nos dígitos, com 90% ou mais de seus RSU indo para aterros sanitários. Estimamos que as plantas de pirólise nos estados da Costa do Golfo podem operar com uma margem de lucro de cerca de US $ 135 por tonelada, ou 30%. As consequências contínuas da decisão da China de restringir as importações de recicláveis ​​aumentam o volume endereçável e reduz os custos para possíveis operadores. A eficiência de classificação aprimorada pode reduzir ainda mais os custos. Examinamos especificamente algumas regiões da Indonésia (Jacarta, Ambon e Batam) e nas províncias chinesas de Guangdong e Zhejiang. No geral, a China abrange as categorias nascentes e moderadamente desenvolvidas: muitas cidades desenvolveram sistemas formais de coleta, e a incineração de resíduos para gerar eletricidade é comum.

Mature Markets. These markets have established and mature collection systems, limited landfill use because of regulation or space constraints, near-term recycling targets with stringent monitoring, and near- and medium-term plans to reduce single-use plastics consumption. Our study included Singapore and the Seine-Maritime province of France. Both have attractive IRRs (more than 20% and 25%, respectively), but they are based on very different business cases.

In Singapore, the market offers an ample supply of mixed-plastic feedstock, but the high cost of collection and cleaning could have a big impact on profitability. Singapore generates some 2,200 tons a day of plastic waste, about 50% of it from residential sources. Most of this goes straight to incineration centers. Only approximately 12% to 20% enters recycling sorting centers, and just  half of this is actually recycled, with the balance rejected principally because of contamination. Given that it offers the potential to acquire 120 to 300 tons a day of discarded plastic from sorting centers, Singapore could provide the necessary scale for a 30-kT/y pyrolysis plant. (Regulatory changes that favor pyrolysis could divert additional plastic waste from incineration, making an even greater supply available.)

In Seine-Maritime, feedstock costs are substantially lower. A pyrolysis operator could expect to achieve a profit margin of almost $130 a ton, or nearly 30%. But Seine-Maritime generates only about 150 to 190 tons of municipal solid waste (MSW) a day, most of which (110 to 160 tons) goes to incinerators or landfills. To ensure sufficient supply for a 30-kT/y plant, an operator would need to either look beyond the Seine-Maritime province for supply or use plastics extracted from landfills, which would require cleaning and sorting.

Moderately Developed Markets. These are markets with established waste collection systems, little pressure on reducing landfill use because of favorable economics, and some long-term recycling goals in place (including data collection to support them) but no firm regulation related to reducing plastics consumption.

The US Gulf of Mexico coast is representative. Plastic waste is both ample (about 25,000 tons a day) and inexpensive (approximately $125 a ton). Of the five states in the region (Alabama, Florida, Georgia, Louisiana, and Texas), only Florida recycles a significant percentage of its MSW (37%); the other states are in the single digits, with 90% or more of their MSW going to landfills. We estimate that pyrolysis plants in the Gulf Coast states could operate with a profit margin of about $135 a ton, or 30%. Continued fallout from China’s decision to restrict imports of recyclables adds to addressable volume and reduces costs for potential operators. Improved sorting efficiency could cut costs further.

Nascent Markets. These markets are characterized by inadequate plastic waste collection systems, few recycling targets, and no firm regulation related to reducing plastics consumption. We looked specifically at a few regions of Indonesia (Jakarta, Ambon, and Batam) and at the Chinese provinces of Guangdong and Zhejiang. Overall, China spans the nascent and moderately developed categories: many cities have developed formal collection systems, and incineration of waste to generate electricity is common.

As regiões de Guangdong e Zhejiang compartilham características muito semelhantes. Um pequeno grupo de cidades em cada um gera 80% dos resíduos plásticos (nove cidades, 25.000 toneladas por dia em Guangdong; seis cidades, quase 20.000 toneladas por dia em Zhejiang). As empresas privadas gerenciam a coleta e o processamento de resíduos, mas a reciclagem mecânica depende de uma rede informal de coletores, colecionadores e comerciantes. Essas províncias têm o potencial de fornecer amplo suprimento para instalações de pirólise, mas o custo de aquisição de matérias -primas é alto: mais de US $ 200 por tonelada nas duas regiões. Isso resulta em custos operacionais totais de plantas de mais de US $ 400 por tonelada. As margens estimadas seriam cerca de US $ 40 por tonelada, ou 8% a 9%. Algumas limitações e riscos importantes devem ser abordados. As limitações mais imediatas são a pequena escala atual (uma planta típica lida com 25 quilotons a 30 quilotons por ano) e operações técnicas desafiadoras. As possíveis consequências não intencionais também precisam ser consideradas. Várias empresas químicas estão colocando grandes esforços na pesquisa e desenvolvimento de produtos plásticos que têm uma maior capacidade de serem reciclados mecanicamente. A promoção da pirólise, um meio de regeneração de plásticos, poderia eliminar os incentivos para esses esforços de P&D.

Achieving Pyrolysis at Scale

In all markets, the biggest single challenge for pyrolysis is achieving the scale necessary to have a significant impact on the plastic waste problem and generate sufficient revenues and profits to justify investment. Some important limitations and risks have to be addressed. The most immediate limitations are the current small scale (a typical plant handles 25 kilotons to 30 kilotons per year) and challenging technical operations. Potential unintended consequences also need to be considered. Several chemical companies are putting major effort into research and development of plastic products that have a greater ability to be mechanically recycled. Promoting pyrolysis, a means of plastics regeneration, could eliminate the incentives for these R&D efforts.

Dito isto, a pirólise oferece às empresas de energia e produtos químicos a oportunidade de explorar novos modelos de negócios lucrativos enquanto elas melhoram seu desempenho ambiental, social e de governança. A pirólise pode ter um impacto imediato e significativo em mercados imaturos, como Jacarta (onde a pirólise pode lidar com mais da metade e potencialmente até dois terços de todos os resíduos plásticos), Guangdong (um quarto de todos os resíduos plásticos) e Zhejiang (um quinto de todos os resíduos plásticos). A pirólise também é economicamente viável em muitos mercados maduros, mas em regiões como a Costa do Golfo dos EUA, onde compete com o custo com ampla capacidade de aterro, os governos precisam decidir se desejam usar sua autoridade legislativa e regulatória para desencorajar os governos. A Europa tem sido líder nessa área através de sua promoção e investimento em novos processos e tecnologias, bem como através da regulamentação do uso e descarte de plásticos em geral. Todos os governos precisam moldar as políticas para criar estruturas orientadoras que ajudem a definir uma hierarquia clara de gerenciamento de resíduos e incentivar a reciclagem para abordar todos os tipos de plástico. Tais estruturas podem ajudar o desenvolvimento e a implementação bem -sucedida de design inovador de produtos, infraestrutura de gerenciamento de resíduos e reciclagem mecânica, bem como tecnologias de regeneração de plásticos. Todos os níveis de governo podem contribuir, desde órgãos legislativos locais ou regionais até as assembléias, executivos e agências nacionais. Quanto mais empresas, governos e instituições investem ou apoiam tecnologias de conversão, maior a capacidade de contribuir para resolver esse problema ambiental global. Holger Rubel

Governments have an important part to play in incentivizing the development of plastic waste solutions. Europe has been a leader in this area through its promotion of and investment in new processes and technologies as well as through its regulation of plastics usage and disposal in general. All governments need to shape policies to create guiding frameworks that help define a clear waste management hierarchy and incentivize recycling to address all plastic types. Such frameworks can aid the development and successful implementation of innovative product design, waste management infrastructure, and mechanical recycling, as well as plastics regeneration technologies. All levels of government can contribute, from local or regional legislative bodies to national assemblies, executives, and agencies.

Within the current hierarchy of solutions, plastics conversion—specifically pyrolysis—can play an important role in mitigating the environmental impact of plastics in the near to medium term. The more companies, governments, and institutions invest in or support conversion technologies, the greater their ability to contribute to solving this global environmental problem.