Kapittel 21: Produksjonen har aldri vært mer bærekraftig

Bærekraftig produksjon er blitt presentert ved hjelp av mange former og uttrykk gjennom historien. Selve begrepet bærekraft kan tolkes på (minst) hundre forskjellige måter, innenfor en spesifikk bransje eller i en spesiell kontekst.

De første produksjonsoperasjonene tilskrives gjerne landbruksaktiviteter under den neolitiske revolusjonen for rundt 12 000 år siden, da planter ble dyrket og vi fikk husdyr. Når vi hører begrepet «produksjon», tenker vi gjerne på Henry Fords samlebåndslinje for T-modellen fra de glade tjueårene. I de senere årene har en høy automatiseringsgrad blitt forbundet med operasjoner som integrasjon av roboter, autonome emballasjesystemer og kunstig intelligens. Dette gjelder både for produksjonslinjer (med automatisert håndterings- og inspeksjonsutstyr) og forsyningskjeder (med selskaper som Amazon, som er svært avhengig av autonome emballasje- og distribusjonssystemer).

I denne artikkelen vil vi omtale hovedprinsippene og trendene for bærekraftig produksjon de siste 30 årene. Så spenn deg fast, fyll på kaffekruset (ikke kjøp et nytt) og sett deg godt til rette for turen.

Kort historikk for bærekraftig produksjon

En fersk undersøkelse spurte forbrukere i Storbritannia og USA hva bærekraft betydde for dem (First Insight (2022). UK Sustainability Report - The State of Consumer Spending. Statista [Online], #1318301). Nesten halvparten av respondentene var enige i at bærekraft betyr at produkter ble laget av naturlige stoffer, som fibre og fornybare materialer. Den nest hyppigste reaksjonen var bærekraftig produksjon, etterfulgt av miljøansvar. I denne artikkelen tar vi i bruk en inkluderende definisjon av bærekraftig produksjon som kontinuerlig fremskaffe produserte produkter gjennom økonomisk forsvarlige prosesser og teknologier, minimere negative miljøpåvirkninger, spare energi og naturressurser og forbedre sikkerheten til ansatte, fellesskapet og produktet.

Figur 21.1 Undersøkelse av hva bærekraft betyr for forbrukere (First Insight (2022). UK Sustainability Report - The State of Consumer Spending. Statista [Online], #1318301).

Det er fornuftig at bærekraft har sine røtter i sentrum av produksjon. Den industrielle revolusjonen på slutten av 1700-tallet har etterlatt seg et beryktet «kullstigma» som forbindes med høye skorsteiner, etsende atmosfærisk støv og skadelige arbeidsforhold. Her var bærekraft begrenset til selve produksjonsprosessen uten særlig hensyn til økosystemets påvirkning utenfor forsynings- kjeden. Et selskap var bærekraftig hvis det kunne sikre sin grunnleggende funksjon – også kjent som profitt. Derfor vant ofte den billigste, mest effektive og raskeste løsningen. I markedskapitalismen kan den mest lønnsomme bedriften vinne.

Bærekraft for videre produksjon ble et hjelpemiddel under første og andre verdenskrig. Som på mange andre områder ble fremskritt innen bærekraft drevet av behov og knapphet. Samfunn ble avhengige av lokale ressurser, noe som økte behovet for å bevare og gjenbruke tilgjengelige materialer. Effektiv bruk og gjenbruk av verdifull plast, mineraler og spesielle metaller var en nøkkelfaktor for krigføringen i begge krigene.

Flere resirkuleringskampanjer hadde stor suksess i nasjonal skala, selv om det ikke var for miljøformål. Aluminium, stål og tinnlegeringer var etterspurt for gjenbruk i militært utstyr. Husholdningsartikler som gummi, papir og tøy ble også bevart for å forsyne soldater og til personlig sikkerhetsutstyr. Tidens kanskje mest ikoniske kampanje var matrasjonering med begrensninger på sukker, kaffe og smør, noe som gjorde det mulig å frakte flere ressurser til frontlinjene. Eldre generasjoner i dag er fortsatt blant de mest effektive forbrukerne, noe som reduserer sløsing og maksimerer bruk. Denne effekten ble forsterket i USA gjennom opprettelsen av «War Production Board», som hadde til oppgave å optimalisere materialforsyning fra nasjonale kilder. En lignende politikk ble vedtatt av andre nasjoner på 1940-tallet.

Etter krigen ble det raskt behov for å redusere påvirkningen på miljøet. Resirkulering av miljøhensyn nådde den sosiale verden på slutten av 1970-tallet, da forbedring av plast- og metallgjenvinning ble utbredt. Bærekraftig produksjon i sin nåværende form startet på slutten av 1990-tallet. Den ble støttet av flere internasjonale avtaler ettersom verden opplevde et skiftende fokus på bevaring, etikk og livssyklus til materialer.

Figur 21.2 Tidslinje for utvalgte globale hendelser og avtaler for bevaring av miljø og bærekraft.

I 1988 ble det internasjonale panelet for klimaendringer opprettet av FN. Det fikk senere Nobels fredspris for sitt arbeid. Kyoto-protokollen ble undertegnet i 1997 som en internasjonal traktat for å redusere klimagassutslipp Den pekte spesielt på fabrikker og produksjonsindustri som en primær bidragsyter. Selv om avtalen var kontroversiell i en rekke land, hadde 84 nasjoner ratifisert den i 1999. Paris-klimaavtalen fra 2015 er kanskje den nyeste internasjonale avtalen, ratifisert av 195 land som arbeider for felles avkarbonisering, bærekraft og reduksjon av klimapåvirkning.

Aktuelle trender innen bærekraftig produksjon

Den komplette livssyklusen til ethvert materiale som brukes i et produkt, er nå gjenstand for en grundig vurdering i designprosessen. Dessuten har betydelige fremskritt innen designverktøy, beregningssimuleringer og produksjonsutstyr revolusjonert hvordan produkter tilvirkes, noe som fører til økt bærekraft i produksjon. Denne innsatsen, kombinert med et globalt løft mot «reduser, bruk om igjen, resirkuler», har gitt en produksjonsevne ut over tradisjonelle metoder.

Reduser, gjenbruk, resirkuler-kampanjen

Selv om konseptet med resirkulering ikke er nytt, ble ikke omfattende initiativer for miljøformål allment anerkjent før på 1960-tallet. Den ikoniske grønne «chasing arrows»-logoen ble designet av en student i 1970 og vant «Container Corporation of Americas» kunstkonkurranse. Den er nå hyppig brukt for å skille mellom forskjellige plastblandinger i et produkt. Denne kampanjen, sammen med bemerkelsesverdige globale politiske avtaler, utløste en global bevissthet om gjenbruk av materialer.

Det første trinnet er å redusere den totale mengden ressurser som forbrukes. Ressurser kan referere til en rekke forskjellige input i prosessen, inkludert mengde råvarer, energiforbruk i prosessutstyr og sluttkvantum solgt til sluttbruker. For det andre oppfordrer kampanjen forbrukere til å gjenbruke anskaffelsene sine, fra å kjøpe engangsvarer til å finne sekundære formål for vanlige husholdnings- artikler. Til slutt, når produktets levetid er utløpt, tar kampanjen til orde for ansvarlig avfalls- håndtering, der basismaterialer kan gjenvinnes fra produktet og resirkuleres tilbake til produksjons- prosessen.

Design for bærekraft og sirkulær økonomi

Kampanjen har over tid gått fra en reaktiv karakter, der sekundærbruk av et produkt bestemmes etter at det er produsert, til en proaktiv innsats, hvor fremtidig bruk planlegges under første produktdesign. I dag, kjent som den sirkulære økonomien, er alle produserte materialer, produkter og tjenester designet for å brukes syklisk så lenge som mulig ved å fokusere på tre primære initiativer: eliminere avfall og forurensning, resirkulere produkter og materialer (til høyeste verdi) så lenge som mulig, og regenerere naturen (Ellen Macarthur Foundation, (2021). Circular Economy Glossary. Ellen Macarthur Foundation, Online.).

Avansert design, modellering og produksjonsprogramvare har muliggjort fabrikasjon av komponenter som oppfyller mange av kravene til en sirkulær økonomi. Noen programvarepakker, som Autodesks Fusion 360, gir tilgang til generative designmetoder, der produktene kan optimaliseres for styrke samtidig som det totale materialforbruket reduseres. Et eksempel er vist i figur 21.3. Tenk på en standardbrakett som brukes i et tungt maskineri, vist på venstre side av bildet. Denne braketten produseres vanligvis i ett massivt stykke på grunn av tradisjonell design- programvare og tilgjengelige produksjonsteknikker. Komponenten ble revurdert med en generativ designmodell – med andre ord ba vi modellen beholde den samme strukturelle styrken og samtidig minimere materialforbruket. Et eget design ble laget basert på fire produksjonsteknikker, som hver oppnår samme nivå av strukturell integritet, men med minimalt materialforbruk for produksjons- metoden. Som et resultat kan mer enn 70 % av materialet i det originale designet bevares.

Andre hensyn kan også gi innspill til avanserte designverktøy. For eksempel, mens komponenten som produseres med additiv tilvirkning (blå på bildet), krever minst mengde materiale, kan det hende at det ikke resulterer i minst utslipp når råvareforberedelse og transportestimater er inkludert. Faktorer som det totale karbonavtrykket og maksimalt antall reprosesseringssykluser kan også inkluderes i designalgoritmer og påvirke det endelige designet.

Figur 21.3 Eksempler på anvendelse av generativ design.

Økonomiske hensyn ved bærekraftig produksjon

Selv om utvikling av moderne design- og produksjonsteknologier muliggjør langt mindre miljøpåvirkning, er utbredt bruk dessverre langt fra fullført. Økonomiske hensyn er ofte den viktigste faktoren i en bedrifts beslutning om å ta i bruk en bærekraftig produksjonspraksis. Betydelige verdensfora, lovverk og til og med handelsinsentiver har forsøkt å lokke til bruk av miljøvennlige teknologier. Tradisjonelle økonomiske teorier tar imidlertid ofte ikke hensyn til andre samfunnsmessige faktorer.

Figur 21.4 Varemerking for bærekraft - forbrukere blir overtalt til å handle hos selskaper som de føler støtter deres egne politiske, sosiale eller miljømessige meninger (Deloitte, Y. (2022). Consumers willing to pay more for brands that commit to sustainable and ethical practices in the United Kingdom (UK) in 2022, by practice. Statista [Online], #1325387.).

Når dette skrives, sliter små og mellomstore bedrifter (SMB) med å holde seg flytende. Forstyrrelser i tradisjonelle forsyningskjeder, finansiell ustabilitet og mangel på dyktige arbeidere reduserer mulighetene for å ta i bruk ny teknologi til en enkel kamp for å overleve. Mens større selskaper med høyere fortjenestemarginer har økonomisk frihet til å investere i renere produksjonsprosesser, slik som generativ design og avanserte produksjonsteknikker, må SMB-er leve fra prosjekt-til-prosjekt og håpe å kunne fullføre de løpende arbeidsoppgavene uten ytterligere tap i oppetid eller ansatte.

På den annen side har selskaper som har tatt i bruk bærekraftige produksjonsteknologier (eller til og med lykkes med en markedsføringskampanje for samme utseende) fått drahjelp fra kunder som støtter de samme initiativene. En fersk studie utført i Storbritannia spurte forbrukerne om de var villige til å bruke mer enn basiskostnaden for bærekraftige og etiske merkevarer.6 Av de som ville betale mer, nevnte nesten en fjerdedel respekt for bærekraftig emballasje og produkter som en nøkkelfaktor. Andre hensyn inkluderte respekt for menneskerettigheter, reduksjon av karbon- fotavtrykk og bevaring av naturressurser. Det er tydelig at det finnes betydelig støtte for å ta i bruk (og offentliggjøre) bærekraftige prosesser utover tradisjonelle statlige og regulatoriske subsidier.

En interessant casestudie er Apple, som eier nesten 18 % av mobiltelefonindustrien med deres flaggskip iPhone-produktlinje. Apple har lenge vært avhengig av eksepsjonell design, bruker- vennlighet og bekvemmelighet som det fundamentale grunnlaget for selskapet. Selv i de tidlige dagene av Apple II-datamaskiner ble en heftig prislapp på 1298 dollar oppveid av fargegrafikk og et praktisk grensesnitt. iPhone 3G- og iPhone 4-modellutgivelser fra 2008 – 2010 «rett og slett fungerte», slik at kunder kan overføre tidligere enhetsdata til sin nye modell rett ut av esken. Bruker- vennlighet og bekvemmelighet var nøkkelen, sammenlignet med andre konkurrerende enheter med betydelig oppsett, konfigurasjon og dataoverføringstid.

Men i 2020 bestemte Apple seg for å fjerne øreplugger og ladeblokker fra alle nye kjøp av iPhone 12- modeller. Apple hadde tidligere satt seg og publisert bredt et mål om å bli 100 % karbonnøytrale innen 2030 (som betyr at alt karbon produsert fra selskapets virksomhet vil bli gjenvunnet, konservert eller på annen måte kompensert). Dette var et stort skritt mot å redusere selskapets fotavtrykk (og selvfølgelig redusere produksjonskostnadene), og det er en slående kontrast til grunnlaget for brukervennlighet og bekvemmelighet som ble lagt av den tidligere bedriftsledelsen. Tenk å kjøpe en elektrisk, batteridrevet enhet uten lader? Uhørt.

Imidlertid har Apples markedsandel bare vokst siden skiftet, og forbrukerne ble ikke skremt av mangelen på ladere eller nøkkelkomponenter. Selv om vi ikke direkte kan henføre markedsvekst til kun bærekraftige beslutninger, finner bedrifter i mange tilfeller en sterk motivasjonsfaktor i sosiale og politiske beslutninger som det globale presset for bærekraftig produksjon. Selv om tradisjonell økonomisk politikk kanskje ikke helt beskriver virkeligheten i moderne tilbuds- og etterspørsels- markeder, finnes det strategiske insentiver. Til sammen kan disse faktorene spille en viktig rolle for å øke bruken av bærekraftige produksjonsteknologier.

Banebrytende teknologier for bærekraftig produksjon

Den siste nøkkelkomponenten til moderne bærekraftig produksjon er nye teknologier som møter forbrukernes behov samtidig som de reduserer miljøpåvirkningen. Det er gjort betydelige fremskritt innen produksjonsteknikk i løpet av de siste fem årene – langt mindre de foregående tiårene.

Selv om resirkulering av plast og glass er en av de mest klisjéaktige formene, har begge vist seg overraskende vanskelig å ta i bruk i masseproduksjonslinjer. Plast er notorisk vanskelig å sortere på grunn av den store variasjonen av sammensetning som tilbys i det kommersielle markedet. En rapport anslo at mer enn 800 forskjellige typer plast kan finnes i den typiske resirkuleringsstrømmen i en storby, hvorav få er kompatible med hverandre for reprosessering. Vanlige forbrukerprodukter som kaffetraktere, underholdningssystemer og elektronikk kan inneholde mer enn 10 typer plast alene. Gitt behovet for å sortere, rense og (riktig) behandle hver enkelt plasttype anslår undersøkelser at mindre enn 5 % av all plast som forbrukes i USA, blir resirkulert med suksess, mens de resterende 95 % havner på søppelfyllinger (Bennington College (2022). The Real Truth About the US Plastics Recycling Rate: Beyond Plastics [Online]).

En grunnleggende bekymring ved gjenbruk av plast har alltid vært nedbrytningshastigheten, eller hvor mange ganger en del av materialet kan reprosesseres før det svikter. Ferske fremskritt innen additiv tilvirkning (hvor komponenter fremstilles ved at materiale avsettes lag-på-lag, og dermed «tilfører» masse til den endelige geometrien er oppnådd), har gitt et interessant uttak av disse vanskelige resirkuleringsmaterialene. Additive teknologier har tradisjonelt blitt brukt for ikke- sikkerhetskritiske komponenter, der feil ikke resulterer i betydelig skade. På denne måten gir additiv produksjon (3D-printing) en interessant anvendelse av resirkulert plast. Det er gjort omfattende forsøk på å flise opp plastkomponenter i strimler, bearbeide dem til lange strenger, kjent som filamenter, og deretter skjære dem inn i pelletråstoff. Andre bruksområder inkluderer utskrift direkte fra strimlede flasker, hvor plasten varmes opp nok til å smelte og så smeltes sammen, men ikke brytes ned.

Figur 21.5 Fyllmasse benyttet ved base-polymerere for nye råmaterialer i additiv tilvirkning.

På grunn av utfordringer med resirkulering av brukte materialer er det lagt ned betydelig innsats i det å utvikle produkter med biobaserte materialer, som tre, bambus og andre plantebaserte materialer. Additiv tilvirkning med fibre fra gjenvunnet trevirke som fyllmateriale gir en interessant løsning for gjenoppretting av kritisk infrastruktur etter nasjonale katastrofer. I 2017 herjet orkanen Maria voldsomt med det elektriske nettet i Puerto Rico og etterlot hele øya, nesten 3,4 millioner mennesker, uten strøm. Reparasjonsarbeidet ble hemmet av manglende evne til å produsere, montere eller transportere tilstrekkelige mengder av komponenter til erstatning av nett- infrastruktur, for eksempel elektriske stolper.

Nyere fremskritt innen additiv tilvirkning har muliggjort bruk av fyllmateriale i standard råmaterialer av plast. For eksempel har forskere utviklet en prosess for å 3D-printe elektriske stolper i modulære seksjoner, med over 30 % av materialet fra strimlede trefibre. Teknologier som utnytter naturressurser, oppfyller et dobbelt formål – å redusere miljøpåvirkningen fra plast og andre skadelige materialer, samtidig som de gjenbruker tre og naturmaterialer som finnes i overflod etter naturkatastrofer. Denne teknologien er videreutviklet til å printe ut fullverdige hus, båter og til og med forbrukervarer som bord og sykler [1] [2].

Ulik miljøpåvirkning

Metaller og papir er enklere å resirkulere, men har større miljøpåvirkning på grunn av karbonutslipp som ligger i dagens raffineringsteknikker. Produksjon av nye metallkomponenter er imidlertid ofte den største forbrukeren av elektrisitet og andre energiressurser. Sammenbrudd i forsyningskjeden, mangel på arbeidskraft og utarming av naturlige malmressurser bidrar også til behov for gjenbruk av eksisterende metallkomponenter. Nok en gang gir ny teknologi en mulighet til å reparere komponenter av metall i stedet for å produsere nye, noe som øker komponentens levetid og bidrar til bærekraft.

Landbruksutstyr, stanse/støpe-former til bilindustrien og tunge anleggsmaskiner er alle laget, delvis, av vanlige metaller som aluminium og stål. Disse maskinene er notorisk kostbare å fremstille, og feil på én komponent kan ta hele systemet offline. Mange av disse komponentene kan enkelt repareres og returneres til bruk med en kombinasjon av produksjonsprosesser. Når de kombineres, reduserer tradisjonell sveising (tilføye metall tilbake til delen) og maskinering (skjæring av metall for å etterlate en jevn overflate) unødvendig avfall ved å forlenge delens levetid.

Figur 21.6 viser et bruksområde for reparasjon av former som brukes til å produsere vannflasker. På bildet øverst til høyre har det oppstått en liten støtskade (vist i rødt) som etterlater en bulk i formen. Nederst til venstre (vist i blått) brukes additiv sveising for å smelte sammen nytt metall til formen og gjenoppbygge det skadede området. Til slutt, nederst til høyre (vist i grønt), fjernes overflødig materiale ved maskinering slik at formen får en jevn overflate. Den kan da gjeninnsettes i produksjonslinjen for vannflasken.

Figur 21.6 Reparasjon av en form som brukes til å produsere vannflasker.

Kombinerte teknologier som sveising og maskinering er kjent som hybridproduksjon. Flere tradisjonelle teknologier blandes for å bygge eller reparere en komponent. Teknologien er ikke bare begrenset til metaller. Fremskritt innen automatisering gjør at produksjonsteknikker som en gang ble ansett som så vanskelige at de nærmest var en kunstform, kan styres av robotarmer og datamaskiner. I sin tur støtter hybride produksjonsteknikker den globale innsatsen for bærekraftig produksjon.

Figur 21.7 Mycel-design for en lastbærende konstruksjon på en utstilling (Heisel, F., Schlesier, K., Lee, J., Rippmann, M., Saeidi, N., Javadian, A., Hebel, D., Block, P. (2017). Design of a load-bearing mycelium structure through informed structural engineering. Proc. World Congress on Sustainable Technologies 2017.).

Det er også gjort fremskritt innen bærekraftig produksjon ved å erstatte byggematerialer som betong og armeringsjern. Forskere i Tyskland har muliggjort fremstilling av bærende konstruksjoner for bygg fra mycel, en cellulær struktur som dannes i soppvekst (Özdemir, E., Saeidi, N., Javadian, A., Rossi, A., Nolte, N., Ren, S., Dwan, A., Acosta, I., Hebel, D. E., Wurm, J., Eversmann, P. (2022). Wood-Veneer-Reinforced Mycelium Composites for Sustainable Building Components. Biomimetics, 7(2), s. 39.). Mycel kan dyrkes i strukturelle blokker, store belagte plater for isolasjon eller tilpassede former optimalisert på styrke når det sås i en råstoffstruktur.12 Etter å ha oppnådd ønsket størrelse og form tørkes mycelet i en ovn og transporteres til byggeplassen. Det resulterende materialet har et mye høyere styrke-til-vekt-forhold enn andre vanlige bygningsmaterialer. Det er selvfølgelig også biologisk nedbrytbart. Mycel har imidlertid lite forsvar mot miljøelementer som vann. Det er vanligvis beskyttet av tetningsmidler eller andre beskyttende strukturer.

Veien videre

Bærekraft i produksjon har en enorm mulighet til raskt å forbedre miljøet vi lever i. Det har aldri vært en lignende samling av internasjonale avtaler, forbrukerstøtte og revolusjonerende teknologier for å fremme produksjonsindustrien og redusere skadelige virkninger. Arbeidet har bare så vidt begynt. Både produsenter og forbrukere må gå sammen for å fremme bærekraftige prosesser. Noen ganger kan dette innebære en høy pris og en kamp i motbakke. Det er faktisk aldri lett å endre noe. Bærekraft er imidlertid avgjørende for å opprettholde produksjon i fremtiden.