弹性材料的供应增加decentral城市工厂原材料和辅助

1介绍

全球城市人口正在增加。目前,全球57%的人口居住在城市和城市地区。2050年,联合国预计上升到66%。鉴于预计全球人口增加,人们生活在城市地区的绝对数量将增加从43亿年到64亿年(联合国,2021年)。城市地区占高份额的价值创造,因此全球经济重要的汽车。而城市占很大一部分的消费,他们大多是没有参与初级和二级部门(派克,2022),这是由于有限的空间为主要活动的历史性的转变生产和城市环境之间的关系。因此,供应链中断可以在城市生活有很大影响。对大多数城市地区,对全球供应链的依赖有轻微的负面影响在过去由于经济发展相对稳定的环境。然而,不同的经济、政治和流行病冲击在过去十年全球供应链的脆弱性。

根据弗里曼et al。(2017),城市是特别容易受到极端天气条件,工业事故和环境污染、交通事故、基础设施故障、人类和动物健康危机,工业行动,融资渠道和进口材料的能力。扰动的供应链,进口材料的能力将减少和城市生活受到威胁。最近的例子可以看到供应链扰动的供应链中断由于COVID-19大流行(伊万诺夫Das, 2020集装箱船的)或接地苏伊士(李和黄,2021年),有短期和长期影响的商品供应。在此背景下,城市以及制造业努力朝着增加弹性。Fiksel (2006)将能力定义为能力生存,适应和成长面对动荡变化。根据文献综述由Hohenstein et al。(2015)、供应链弹性可分为四个阶段准备,回应,复苏,增长。在城市的背景下,足够水平的供应链弹性(scr)是一个关键的要求提供和维持稳定,因此理想和战略实现可控硅发达。

一个可能的贡献,加强可控硅可以振兴decentral城市制造业(辛格et al ., 2017;赫曼et al ., 2020)。这些城市生产系统的主要特征是利用他们独特的城市周围和特定的考虑当地的挑战和机遇。高潜力也在于嵌入生产站点在当地材料流动和城市新陈代谢(Kirchherr et al ., 2017;徐et al ., 2021 b)。在这方面,一个场景是城市矿山的利用率,被定义为材料化合物和元素从人为股票(莱德尔et al ., 2014)。材料的另一个原因在于工业的参与(雅各布森et al ., 2006)或城市共生(陈et al ., 2012)网络,理解为工业之间的废物流的交换或更广泛的各种各样的城市演员作为生产过程的输入。这些概念在本地嵌入式生产系统往往与环境效益(Diez-Ladera 2016),可以促进可控硅。企业应对漏洞的能力是建立在一个经济的价格,因此必须适应实际风险经营企业处于盈利状态(佩蒂特et al ., 2010)。本地制造业的情况和材料利用率,降低生产规模可以预期,生产系统必须适应不同的输入flows-especially直接废弃物转换时的意图。为了实现经济可行性,陈et al。(2012)国家必须超过一定的材料量阈值对于一个成功的城市共生系统的实现。

基于这些挑战城市生产的供应,城市之间的概念和一个额外的演员材料来源和生产,介绍了城市二级原材料工厂(USeRMaFa)。的发展策略的实现可控硅在城市USeRMaFas通过嵌入到城市环境中突出显示从一个更大的规模较小的四个章节:第一章为城市和生产之间的关系引入了不同的场景,第二章论述了USeRMaFa原则和细节嵌入到城市的新陈代谢。第三章讨论过程链和技术要求和第四章给出了例子可能技术利用率。这个概念是专门针对塑料和金属材料,目前全球传播(陈et al ., 2012)。尤其是资源有限区域的可用性,如西欧,因此供应链中断。当地需求的概念也由于有限的贸易机会和增加出口成本上升有关。出口德国,例如,大大减少了进口禁令后塑料被宣布在中国(StatistischesBundesamt 20227)。收集垃圾的使用在城市关闭材料循环是应对这些挑战的一种方式,以这种方式和材料的比例是一个很好的指示器的脆弱性。目前,这个机会很难使用,如图所示,布鲁塞尔,欧洲城市的代表,废物利用这种方式的比例小于1% (西et al ., 2019)。开发的策略旨在增加弹性,因此提供方法如何增加这个比例。因为材料流和市中心的材料周期的重点是,城市和生产内部的集成提出了以下材料flow-centred模型。

2城市生产弹性的推动者

生产融入城市可视化图1- - - - - -3三个场景。城市被描述为一个系统边界的虚线所示。跨越这些边界、流动的材料、能源、人才和信息可以被识别。减少在供应链环境中材料流动和例证与生产系统的情况下,该系统可以模拟输入和输出流。单个输入流是通过供应链实现系统的外部因素有不同等级的可控硅。导致材料的数量和体积流在系统边界表示的数量和规模相应的箭头。系统建模与一个常数质量平衡状态,物质的输入和输出流有相同的体积,既不增加也不减少系统内物质的总量的考虑。这些物质流在系统边界可以被描述为产品流入城市的城市和废物流。在系统内,这些流转换不同的演员。这个模型的系统边界不仅可以扩展,使包含各种分析的水平,但输入和输出流也可以代表材料流动和个人材料组织的总和或材料的光谱。 Thus, the model can be used for different cases of spatial considerations as well as for total mass flow, material or product-related analyses.图1显示了“productionless城”的场景。在这种情况下,变压器产品的用户。因此,系统是绝对依赖产品的输入从外部来源。此外,一个等价的废物流生成,必须回收或存储在系统中。因此显示了一个高度依赖演员和条件外自己的系统。城市中描述这个场景因此依赖外部供应的制成品和附加价值是由生产商品。

图2显示了“生产城市”的场景。在这个场景中,可以观察到另一个转换过程。简化,原料转化为系统边界内的产品和副产品。因此,创建一个新的输入流。原材料没有直接可用的城市必须进口。另一方面,转换后通过生产,产品是可用的,如果不是用于城市和转换成废物流,穿过系统边界作为产品输出流。系统内的流动变得更加复杂的生产生产浪费。在这种情况下,源系统中所需的产品可以部分在系统本身。添加另一个转换过程减少了输入流,因此成品的依赖外部因素。另一方面,一个新的流划过的原材料添加系统边界,代表了一个进一步的依赖。 Increasing the number of dependencies can reduce the risk associated with a single dependency. In addition to the waste flow, a product flow of the products manufactured in the system can also be introduced from the system. This also creates further dependencies, but there is also a diversification of external influencing factors, which can reduce risks.

图3描述了场景“共生生产城市”。共生效率城市最低累积的质量系统边界跨越所有输入流,和由于约束的平衡质量平衡输出流,也象征着最低的系统边界的累积区域穿越箭(PI、RI、PO、地面读数和我)。这意味着大规模流动,否则会意识到作为输出将被转换的方式允许他们保留在系统中。城市的内部生产可以专门生产的产品满足内部需求,从而降低城市的产品流出,也降低了产品流入城市,同时可以减少废物流离开系统。减少可以通过改变副产品和废物流入新原料。这材料效率的增加导致减少原材料质量引入到系统中。二级原料也可以用于出口导致降低成本而浪费材料的出口。在这种情况下,许多可能的输出流输入流的数量分类的数量。这个转向最小输入要求但多样化的输出机会也会导致增加系统弹性的输出和多样化的材料分类可以增加更有价值。供应链的整体影响干扰减少在这个模型的第三阶段。 The inward allocation of value-adding activities can affect the economic resilience of the system under consideration. This addition of another system internal transformation process diversifies external dependencies and at the same time reduces the dependence induced risks to a minimum. To enable the “symbiotic productive city” scenario, a facilitating additional actor can be integrated in different ways. The next chapter gives an overview of different possibilities of integration and introduces the production-related entities in symbiotic urban networks, leading to the introduction of the aforementioned complementary actor.

3城市二级原材料factory-Symbiotic嵌入到城市环境

当地生产商可以分为不同的类别。徐et al。(2021)区分四类城市制造商:(i)个人制造商是业余爱好者,使产品供个人使用,(ii)制造商共享空间研讨会制造商,(iii) mini-factories中小型工厂员工少于20及(iv)传统城市行业大型制造商,他选择留在城市,还是故意利用城市系统的机会。其他类别,如传统工艺制造商(木匠,鞋制造商等)以及城市制造商(例如“意外”,因为他们周围的城市地区增长(赫曼et al ., 2020)也可以被添加到列表的城市制造商。这异种的质量有不同的生产规模和不同需求的输入材料。因此,城市生产网络挑战适应这些差异。实现适应,我们介绍不同的场景为一体的工厂在以下部分城市环境。

图4显示不同的概念城市工厂的物流集成到周边环境根据前面介绍的场景3。在这里,深化两个子的设想。图像显示city-production系统与不同的内部和外部的物质流。场景3的形式显示了利用工业共生(城市),引入了有理(2004)(“工业共生由实体不同实体之间的交流产生集体利益大于个人利益的总和,可以通过单独行动。”)和扩展到城市的演员喜欢家庭陈et al。(2012)。在这个概念中,材料是流传在城市的内部循环系统。输出从一个演员被视为输入其他演员。/定义,材料接收机旨在改变浪费产物。的输入和输出城市因此减少和更少的材料必须即时通讯——或者出口。直接材料的输入导致几个挑战关于物质连续性以及质量控制的可能性。这将导致减少的可能性的贡献小producers-especially材料接收器和反对的定义有理设想一个集体利益。

引入一个提到的额外的行为方USeRMaFa-can提供这样的集体利益与场景3 b了。这个工厂类型被视为一个额外的演员生产半成品部件。结果部分可以利用灵活的分布式生产过程由城市生产商,从而减少城市生产者经营的负担更高的规模,因为转换进行最大可能的城市规模和输出材料可以使用不同的演员。此外,USeRMaFa能够把材料从所谓的城市我在形式的垃圾填埋场或目前流行的产品。因此,它有助于减少已经存在的污染。这些额外步骤的集成提供了可能创建额外的附加值,减少必要的外部物质输入和整体减少运输路线。这个城市不濒危关于供应链中断,因为源冗余和重复利用存在的结构。与知识转换过程,这种方法也变得更经济可行的,因为可以预期更高的收益率较低的外部供应和剩余的需求。

解锁的描述潜力工厂类型,介绍几个挑战出现的使用材料,融入城市环境以及链和生产系统的过程。这些将在以下部分中讨论。

4技术和过程USeRaMaFa链

USeRMaFa引入城市空间作为一个系统元素可以支持城市制造业,这发生在所谓的城市工厂。有目的的城市工厂的概念和可持续城市制造业近年来已经得到了越来越多的研究兴趣。目前的概念和发展集中在开发积极的潜力而应对城市工厂的具体挑战和要求。

4.1城市工厂生产系统的要求

城市空间可以被定义为一个人口稠密,多功能结算结构,作为城市工厂的位置使特定的潜力,但同时伴随着挑战(Juraschek, 2022)。在人口密集地区,有益的特点为生产站点包括在大多数情况下,低土地成本、可用性的扩张空间和低干扰可能来自其他利益相关者。在一个城市,附近客户以及潜在雇员,城市基础设施和实现本地化的产品服务系统的机会潜在的好处。城市工厂利用本地可用的资源,比如空间、能源和知识(Juraschek et al ., 2018 b),站在竞争与其他利益相关者。因此,工厂在城市环境中经常面临冲突延缓或阻止扩张进程和经济增长或威胁生存。因此,任何技术在城市工厂需要遵守规定的约束它的位置和环境。这些限制包括,例如,噪音或气味排放的严格限制,有限扩张空间或建筑质量提出更高的要求。超越的策略降低负面影响的工厂,整体的概念提出的工厂产生积极的影响赫尔曼et al。(2014)和赫尔曼et al。(2015)。积极整合和利用城市空间的特定的潜力,一个城市工厂也可以提供服务或城市功能,例如教育,价值创造或产品供应,其环境。

图5显示了一个时间性,在它的直接USeRMaFa城市环境,突出了工厂的核心元素。积极贡献周围系统引入了赫尔曼等人都安装了能源发电机(光伏和风力涡轮机),能量储存和利用的学习环境。

左边显示了可能的输入源。这些是第二节中描述,包括城市生产商,垃圾填埋场/城市我和家庭。生成的输入流从生产过程的副产品,浪费材料,以及公用事业。在这里,一个挑战的混合材料,需要一个高度灵活的制造环境,以适应不同的材料和品质。局部因素,如立法环境也扮演了一定的角色和有一个高的影响:废物分离和收集有严格规定,较低的努力必须USeRMaFa的早期生产阶段。额外的工具包括例如原材料混合、助剂和操作提供冷却剂和润滑剂等。这些额外的工具不能总是来自废料,因此应减少到必要的最低限度。

在图像中心,USeRMaFa被描述的生产系统。过程链包括阶段收集、排序、分离、生产和调试,以及包罗万象的清洁和测试。在收集和整理阶段,不同的输入存储克服经济的门槛声音材料生产。考虑到不一致的输入流,绕过存储容量可以是必要的,这可以是一个成本因素。绕过存储的必要性可以减少连接智能城市网络。知识的工业副产品,城市规划过程可以提高材料的转换(拉伯et al ., 2017)。因为可能的污染,清洗整个转换过程。在这方面,必要的数量是可靠的材料类型,转换过程以及污染。为了弥补不同的输入材料的品质和属性,这个过程必须由质量评估监管链在整个过程链。努力在这方面,高于传统过程链可以预期。

右边显示输出材料形式的辅助原料。这些材料的形状高度取决于使用回收材料和转换过程。钢和铝合金材料制成,输出可以包括酒吧、酒吧或薄金属半成品概要文件。高价值金属如铜、银或金能转化为锭。在高分子材料的情况下,输出材料包括纤维添加剂制造工艺,颗粒成型和挤压过程,或烯烃和aromates。这些输出材料的形状是高度依赖于生产过程。下面的子章节介绍一段可能的城市兼容的过程对不同材料类别。

4.2在USeRMaFas材料加工

材料加工安装USeRMaFas是一个至关重要的元素,利用技术已经可以为小规模和不连续的操作和适应不同的输入材料和品质必须尽量在靠近零浪费应该有针对性。此外,介绍了低干扰的过程必须遵守其他城市的演员,同时提供高质量的材料。这意味着,许多传统的二级原材料生产过程链并不适用。最近的技术发展显示USeRMaFas潜力利用率。作为一个例子,对于塑料材料,几个路线可以是可能的。一般来说,热塑性聚合物之间的分化,热固性聚合物和弹性体。虽然热塑性塑料提供的可能性被改造或形成,后者的选择是有限的。访问重新热塑性塑料辅助原材料、文学提供了多种选择。最简单的解决方案将包括一个直接改造后可用的结构像颗粒或纤维,但延长寿命可能发生降解,降低材料的质量。可以创建必要的机械在较小的规模和相对较低的工作,如图所示的施工过程链pet废料的回收Fused-Deposition-Molding (FDM)丝学习工厂(Juraschek et al ., 2020)。类似的方法也由公司意识到Recyclingfabrik,从3 d打印和收集解放军废物回收他们新丝(Recyclingfabrik, 2022)。为了避免退化和减少污染的影响,塑料材料可以被化学分解。RevolPET技术能够恢复单体材料(乙二醇(EG)和相应的盐对苯二甲酸(TA)]的挤压过程从宠物(比尔曼et al ., 2021)。其他聚合物及其组合,热解聚合物提供了一种可能性降低烯烃和aromates可处理的一代新型塑料材料热解(科斯塔et al ., 2021)。类似的方法已被用于工业用途。WASTX塑料技术是生产系统,可以安装在集装箱和包含辅助流程(清洗和分离)(生物为2022)。因此,这些生产系统提供了一个安装在城市环境下的可能性。而热解提供高二级材料质量的可能性,这也是连接到高能源消耗。尤其是材料混合导致增加必要的能量打破结构(Erkisi-Arici et al ., 2021)。必要的投资和努力因此依赖输入材料的质量和产品的质量要求是高度依赖于地方立法。

金属可以通过许多不同的方法恢复和高循环率已经成为可能。爆炸等传统方法用炉子加热空间和精力充沛的要求很高,因此通常在城市。混合输入材料和不连续的供应,更灵活的策略将被利用。烟花,水电、solvo和biometallurgical过程可以恢复大量的低级材料,但也连接到更高的能量或过程的努力(Spooren et al ., 2020)——不一定是兼容的,城市环境有害物质。因此,USeRMaFa应该利用较小和较低的全球努力策略避免应用重熔。例如,Temconex^®过程是一个连续挤压过程可以变换芯片和粉末高密度配置文件(Saefkow et al ., 2017)。废铝的基础板材料可以回收通过摩擦整合(Baffari et al ., 2019)。根据前面的材料应变,冰冷的金属板是可能的改革(Takano et al ., 2008),它可以减少必要的能量输入。Paraskevas et al。(2015)介绍一个方法火花等离子烧结铝废金属板。利用灵活的、小规模的烧结过程,可以生成full-dense部分没有完整的重熔。

显示技术显示USeRMaFas摘录可能的过程。的方法提供更高的灵活性和显示有前景的结果小/细观操作的有效利用。根据回收材料,决定是否应用能源密集型的方法必须考虑经济,如加工和物流成本,不连续的风险,一代和目的地之间的差异,研究新的用途,支持新产品、存款和垃圾填埋场的寿命延长,符合立法操作策略(Sellitto et al ., 2021),以及生态因素。然而增加经济可行性与供应链中断和更高的材料短缺。

5讨论:一个城市工厂的潜在贡献弹性因素

作为一般的定义,描述了弹性能力或一个系统的适应能力或转换为了应对重要的内部或外部干扰,冲击和一般变化过程(木匠et al ., 2012;比德尔曼et al ., 2018 b)。弹性系统时更可能经历这种干扰保护其功能和重组和调整自己的反应。这个过程可以归纳为四个属性的准备,回应,复苏和增长(Hohenstein et al ., 2015)。韧性可以形成对预期的事件,这称为特定的弹性,或关于意想不到的和不可预见的干扰,可以被定义为通用弹性(木匠et al ., 2012)。

在这两种情况下,弹性作为一个系统属性可以被看作是相反的脆弱性。由于许多可能出现的潜在干扰的可能性和复杂社会技术系统的互联,它可以是复杂为弹性定义量化措施。分析一个系统的弹性的一个方法是调查贡献或限制因素的特点。这些弹性因素可以包括但不限于冗余、多样性、模块化、储备,反馈,nestedness,信任、灵活性、透明度、敏捷、治理、反应性、适应性、共享、健壮性、响应性,分布,实验,减少风险,开放,和监控(木匠et al ., 2012;Hohenstein et al ., 2015;比德尔曼et al ., 2018 b)。

引入模块化,将大系统划分为更小的子系统,通过边界和分离系统元素定义和实现接口,例如,可以防止冲击和干扰的传播,从而提高能力保持功能,适应和变换。此外,模块化系统元素的因子促进互换性和升级能力。同时,分手的系统元素可以增加努力交换子系统的边界在system-decrease总体效率的情况下生产。在表1城市的潜在贡献弹性因素工厂由当地引入USeRMaFa进城以及潜在挑战进行了总结。

建立USerMaFas当地利用可用物料流动并将这些转换为可用的原材料生产系统作为输入,可以强化城市工厂特别是韧性的分散和分布潜在的原料来源。提供冗余和多样性,这可以支持避免干扰在长途和单一来源的供应链。当地nestedness USerMaFa和短距离的废物流以及城市工厂为客户提供优势由于反应时间短,适应当地环境和透明度。这些主要潜力同时实施挑战关于弹性因素,例如与依赖当地的废物流的质量和体积,接触当地的风险因素和规模较小的生产系统中,这可能导致经济挑战。

6最后的言论和观点

介绍一个城市物质转换工厂的概念,利用城市(浪费)物质流创建二级的原材料。这些可以利用打算支持供应链的弹性,为当地创造效益价值创造由城市制造业。介绍可能影响当地的物流,特别是二次原料,不同的城市物流情况进行了讨论。在这里,介绍介绍了工业和城市共生的sr的贡献者。基于研究一般城市工厂和他们融入城市环境,一般特征为USeRMaFas派生和选定的生产流程。的潜在材料转换接近材料的使用,也存在风险,这是一般的供应链弹性因素的关系进行了讨论。

未来的研究应该解决的复杂构造上的多个影响概念的“城市”。在这方面,当地的生态影响材料转换应该解决,缺乏规模效应可以增加必要的能量输入但也可以减少运输和资源开采相关的排放。在经济层面上,如上所述佩蒂特et al。(2010),必要的能力来克服干扰的供应链WEEE-materials以经济的价格,这一方面与规模效应表现在规模较小的损失以及另一方面与低收入地区可能产生的损失。提高效率的城市共生供应链,管理涉及参与者之间的共生关系应该进一步分析。这可能是由建模方法利用获得的数据生产者和城市环境。在这方面,定量方法,介绍了工业共生网络(Demartini et al ., 2022)可以进一步发展。关于当前干扰供应链,增加的功能似乎是一个强有力的solution-especially以来目前大量的材料存储在城市。关于增加资源稀缺和地缘政治障碍,因此转向本地供应链是一种有前途的方法。

社会和人类集中水平,生产(重新)的位置在城市地区,接受当地居民建立这种生产起着重要的作用。这可以从不同的角度检查和验收在周围人口可以考虑接受理论模型(戴维斯,1989;马纳尔和徐,2012)。弹性增加USeRMaFas在这种情况下可能导致一个增强的性能期望。一般行为模型中,社会规范相关的意图采取行动,(Ajzen 1985;2007年伯爵),可用于调查公司的验收管理向结算在市区。从各自的影响因素,接受,可以推导出影响生产系统可以对建立或延续城市生产。除了在城市生产和韧性行为以人为本的观点,社交方面还可以进一步研究的主题。一个方面,可以检查在这种情况下减少通勤(Novaco冈萨雷斯,2009)。

可能的多学科研究方法的发展可以示威者在参与不同的演员。这些方法目标可能涉及不同的观点;随着城市制造过程关注不同的演员。可能的贡献包括生产工程、城市规划、建筑、法律科学和社会学家,以确保一个多维的视角。进一步的研究还应该包括公共经济管理机构等演员,技术供应商、废弃物服务供应商和公民。

数据可用性声明

最初的贡献提出了研究中都包含在本文/辅料,可以针对相应的作者进一步询问。

作者的贡献

可,JM, GS构想提出的想法。可和JM发达工厂概念和嵌入的因素。可编辑过程。HC鼓励可,JM, GS,进一步研究不同嵌入场景和监督这项工作的结果。所有作者讨论了结果,导致最后的手稿。

资金

初级研究集团城市流动的资金和生产提供了DFG Universitatspauschale。额外的资金也从你提供的布伦瑞克出版基金。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

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