Cost-benefit analysis and risk assessment of mining activities in terms of circular economy and its environmental impact

Abstract

The consecutive increase in demand for metals corresponds to the proportional increase in mining activities worldwide. Respecting the principles of the Circular Economy, as expressed through relevant legislation, the 4Rs action plan (reducing the production of mining waste, recovering and recycling the beneficial metals contained in mining tailings, and reusing them in separate industrial applications) should be implemented to transition existing or future mining activities into sustainable mining practices. It is essential to note that secondary mining processes, particularly the recovery of metals from mining tailings, contribute positively to minimizing environmental and supply risks associated with metals while supporting the life cycle of mining companies. The utilization of metals contained in mining tailings, combined with an environmentally friendly action plan, offers additive economic benefits for each mining company that adopts it by selling the recovered metal mix for various industrial applications. Supporting the life cycle of mining activities associated with innovative mining waste management practices in terms of the Circular Economy requires the establishment of a closed system of industrial units enclosing the hazardous mining waste (tailings) to avoid any potential leachate risks, as in the conventional waste management practices of tailings disposal to be reused in backfilling or stonewalling. The precipitation of mining tailings containing metal ions, combined with the acidic character of these hazardous leachates, can occur when tailings disposal sites are overloaded or subjected to heavy rainfalls, and this can have a catastrophic impact on the environment and human health. Additionally, it refers to the loss of beneficial material from adsorption by the ground soil. The proposed alternative technique of tailings management through a closed system of metal recovery minimizes the risks of environmental pollution and loss of metal ions due to precipitation in the downstream soil area, as opposed to conventional mining waste management practices. This PhD dissertation, considering the real industrial needs and risks of the mining sector, examines the level of sustainability for a proposed innovative technique for mining waste management, comparing it with the corresponding grade of sustainability associated with conventional mining waste management practices. Hence, two comparable cases are examined and assessed. Case Scenario A(0) refers to the conventional methods of tailings disposal using geomembranes and geological fractions, accepting the potential risks of environmental pollution and the systematic risks of non-compliance with mandatory legal obligations that align with the policy of the Circular Economy. Case Scenario A(1) refers to the innovative method of tailings utilization to recover metals contained within them, which adopts a high degree of conformance with the mandatory legal obligations of the mining sector and implements the principles of the 4Rs. The current scientific study employs an engineering risk analysis approach structured by the Cost-Benefit Analysis guidance and the Stochastic Risk Assessment methodology of Bayesian Analysis to determine the practical sustainability of each examined case based on the corresponding techno-economic approach. The implementation of the Cost-Benefit Analysis using applicable statistical simulation provides a forecast of the total financial risk related to each case over the next thirty working years. The application of Stochastic Risk Assessment using Bayesian Analysis detects (a) the grade of financial risk escalation calculated through the implementation of Cost-Benefit Analysis for each examined case and (b) the cases that are likely to occur instead of pure theoretical conditions. Thus, the entire engineering risk analysis tool provides a comprehensive financial risk assessment that guides optimal business decision-making for each mining company before the commencement of mining activities.Regarding the practical application of the current research, it is essential to note that combining Cost-Benefit Analysis with Stochastic Risk Assessment provides an objective method for assessing financial risk by converting all technical and legal parameters into monetary terms. Moreover, results show an extremely low deviation between the two methodological approaches for the cases that are likely to occur in actual industrial circumstances. At the same time, it is detected that Case Scenario A(1) is more sustainable than Case Scenario A(0), showing a lower risk grade of approximately 4.8 times.Considering the role of Financial Engineering Risk Analysis, supported by Cost-Benefit Analysis and Stochastic Risk Assessment using Bayesian Analysis tailored to industrial conditions, it is understood that this approach provides a comprehensive tool for evaluating the techno-economic sustainability of similar projects based on cost, risk, and potential benefits. This methodological framework of Financial Engineering risk analysis can be utilized by both financial institutions that fund sustainable mining action plans and practices, as well as mining company administrations aiming to develop their activities in terms of sustainable mining and the Circular Economy.

Η συνεχής αύξηση της ζήτησης σε μέταλλα προϋποθέτει την ολοένα και διαρκώς αυξανόμενη δραστηριότητα των εξορυκτικών δραστηριοτήτων παγκοσμίως. Στο πλαίσιο της μετάβασης στη Βιώσιμη Μεταλλευτική, όπως πρεσβεύεται από τις αρχές της Κυκλικής Οικονομίας οι οποίες αποτυπώνονται μέσω της σχετικής νομοθεσίας, η εφαρμογή του σχεδίου δράσης των 4Rs (μείωση όγκου παραγόμενων αποβλήτων, ανάκτηση-ανακύκλωση και επαναχρησιμοποίηση των ωφέλιμων μεταλλικών υλικών) αποτελεί υποχρέωση για το Μεταλλευτικό Τομέα. Ιδιαίτερη σημασία για το περιβαλλοντικό αποτύπωμα έχει η διασφάλιση στεγανότητας και οριοθέτησης των παραγόμενων επικινδύνων αποβλήτων από το στάδιο του εμπλουτισμού (τέλματα) καθώς και η ανάκτηση του ωφέλιμου υλικού (μέταλλα) που περιέχεται σε αυτά. Η ανάκτηση και αξιοποίηση των μετάλλων που περιέχονται στα τέλματα, σε συνδυασμό με ένα περιβαλλοντικά φιλικό σχέδιο δράσης, δύναται να προσφέρει πρόσθετα οικονομικά οφέλη στις μεταλλευτικές εταιρείες, αφενός εξ’αιτίας της μείωσης πιθανότητας μη-συμμόρφωσης έναντι των συμβατικών πρακτικών περιβαλλοντικής διαχείρισης μεταλλευτικών αποβλήτων (διάθεση σε οριοθετημένη περιοχή άνευ ανάκτησης ωφέλιμου υλικού) και αφετέρου εξ’ αιτίας του ενδεχόμενου κέρδους από την οικονομική αξιοποίηση των ανακτώμενων μετάλλων . Για να υποστηριχθεί αυτή η καινοτόμος διαδικασία σύμφωνα με το πλαίσιο της Κυκλικής Οικονομίας, είναι αναγκαία η επένδυση στην κατασκευή και λειτουργία ενός κλειστού συστήματος βιομηχανικών μονάδων που διοχετεύουν τα παραγόμενα επικίνδυνα απόβλητα (τέλματα) ώστε να αποφεύγεται η διάθεσή τους χωρίς προηγουμένως να γίνεται επεξεργασία. Κατά αυτόν τον τρόπο μειώνεται η πιθανότητα επικινδυνότητας λόγω περιβαλλοντικής ρύπανσης καθώς αποφεύγονται σε μεγάλο βαθμό κίνδυνοι διαρροών στον περιβάλλοντα χώρο (έδαφος, υδροφόρο ορίζοντα κλπ). Η καινοτόμος διαδικασία αντιτίθεται στις προγενέστερες/συμβατικές πρακτικές περιβαλλοντικής διαχείρισης κατά τις οποίες τα τέλματα διατίθενται σε ειδικά διαμορφωμένους χώρους διάθεσης έχοντας ως μέτρο προστασίας γεωολογικούς φραγμούς και γεωμεμβράνες και υιοθετώντας υψηλή πιθανότητα μη-συμμόρφωσης ενώ παράλληλα η ό,ποια αστοχία αντιστοιχεί σε μη αναστρέψιμη περιβαλλοντική ζημία. Η αστοχία των χώρων διάθεσης μεταλλευτικών αποβλήτων όξινου χαρακτήρα στα οποία εμπεριέχονται σημαντικές ποσότητες μετάλλων δύναται να συμβεί όταν ο παραγόμενος όγκος των μεταλλευτικών αποβλήτων αυξηθεί σημαντικά ή κατά τη διάρκεια έντονων βροχοπτώσεων. Το γεγονός αυτό ενδέχεται να επιφέρει μη αναστρέψιμες καταστροφικές περιβαλλοντικές συνέπειες και κινδύνους για την ανθρώπινη υγεία. Επιπλέον, το ωφέλιμο υλικό (μέταλλα), σε συνδυασμό με τον όξινο χαρακτήρα των μεταλλευτικών αποβλήτων, δύναται να κατεισδύει με κίνδυνο να ρυπανθεί το έδαφος και ο υδροφόρος ορίζοντας. Η προτεινόμενη εναλλακτική περιβαλλοντική λύση αναφορικά με την περιβαλλοντική διαχείριση των παραγόμενων τελμάτων προϋποθέτει την επεξεργασία αυτών μέσω ενός κλειστού συστήματος ανάκτησης μετάλλων και αποτρέποντας τη διάθεση τους. Στην παρούσα διδακτορική έρευνα, λαμβάνοντας υπόψιν τις πραγματικές βιομηχανικές ανάγκες και τους κινδύνους για τον τομέα της Μεταλλευτικής, εξετάζεται η βιωσιμότητα και επικινδυνότητα της εν λόγω καινοτόμου τεχνικής διαχείρισης αποβλήτων, συγκριτικά με τη βιωσιμότητα και επικινδυνότητα που αντιστοιχεί στις περιπτώσεις των προγενέστερων/συμβατικών πρακτικών διάθεσης τελμάτων. Συνεπώς, εξετάζονται δύο συγκρίσιμα σενάρια: 1.Το Σενάριο A(0) που αναφέρεται στις συμβατικές μεθόδους διάθεσης τελμάτων με χρήση γεωμεμβρανών και γεωλογικών φραγμών, υιοθετώντας υψηλή πιθανότητα μη συμμόρφωσης σύμφωνα με τις νομικές απαιτήσεις για τη μεταλλευτική βιομηχανία που εκφράζουν την πολιτική της Κυκλικής Οικονομίας. 2. Το Σενάριο A(1) που αναφέρεται στην καινοτόμο μέθοδο αξιοποίησης των τελμάτων μέσω της διεργασίας ανάκτησης των περιεχόμενων σε αυτά μετάλλων, υιοθετώντας υψηλό βαθμό συμμόρφωσης σύμφωνα με τις νομικές απαιτήσεις για τη μεταλλευτική βιομηχανία που εκφράζουν την πολιτική των 4Rs. Η μεθοδολογία για την Εκτίμηση Επικινδυνότητας και Βιωσιμότητας και των δύο Σεναρίων πραγματοποιείται με αντικειμενικό τρόπο μετατρέποντας όλες τις τεχνικές, νομικές και περιβαλλοντικές παραμέτρους σε χρηματοοικονομικούς όρους. Κατασκευάζεται και εφαρμόζεται ένα εργαλείο Χρηματοοικονομικής Μηχανικής για την Ανάλυση-Εκτίμηση Επικινδυνότητας που δομείται από την Ανάλυση Κόστους – Οφέλους και τη Στοχαστική Εκτίμηση Επικινδυνότητας μέσω της Μπεϋζιανής Ανάλυσης. Μέσω της Ανάλυσης Κόστους – Οφέλους και με χρήση κατάλληλων στατιστικών εργαλείων, αποτιμάται ο εκτιμώμενος Χρηματοοικονομικός κίνδυνος κάθε περίπτωσης/σεναρίου για το προσδόκιμο των τριάντα ετών. Η Στοχαστική Εκτίμηση Επικινδυνότητας μέσω της Μπεϋζιανής Ανάλυσης, συνυπολογίζοντας την παρούσα κατάσταση, προοικονομεύει/εκτιμά τη μελλοντική βιωσιμότητα και επικινδυνότητα για τα εξεταζόμενα σενάρια και πιο συγκεκριμένα εντοπίζει (α) τον βαθμό κλιμάκωσης του Χρηματοοικονομικού κινδύνου για κάθε περίπτωση και (β) τις υπό-περιπτώσεις που έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα να συμβούν έναντι των αμιγώς θεωρητικών υπό-περιπτώσεων. Έτσι, το παραγόμενο εργαλείο Χρηματοοικονομικής Μηχανικής για την Ανάλυση-Εκτίμηση Επικινδυνότητας παρέχει μία ενδελεχή αποτίμηση του χρηματοοικονομικού κινδύνου. Αυτό με τη σειρά του συνεισφέρει στη λήψη της βέλτιστης επιχειρηματικής απόφασης με αντικειμενικό τρόπο και ιδανικά είναι καλό να εφαρμόζεται πριν την έναρξη των μεταλλευτικών δραστηριοτήτων.Από πρακτικής πλευράς, η συνδυασμένη χρήση της Ανάλυσης Κόστους – Οφέλους με τη Στοχαστική Εκτίμηση Επικινδυνότητας αποτελεί μια μεθοδολογία αποτίμησης χρηματοοικονομικού κινδύνου. Τα αποτελέσματα δείχνουν εξαιρετικά χαμηλή απόκλιση μεταξύ των δύο μεθοδολογικών προσεγγίσεων στις περιπτώσεις που δύναται να συμβαίνουν σε πραγματικές βιομηχανικές συνθήκες. Ταυτόχρονα, διαπιστώνεται ότι η Περίπτωση A(1) υπερτερεί της A(0) ως προς τη βιωσιμότητα της, εμφανίζοντας περίπου πέντε φορές χαμηλότερο βαθμό επικινδυνότητας από την τελευταία. Λαμβάνοντας υπόψιν την εφαρμογή της Χρηματοοικονομικής Μηχανικής για την Ανάλυση-Εκτίμηση Επικινδυνότητας, που δομείται από την Ανάλυση Κόστους – Οφέλους και τη Στοχαστική Εκτίμηση Επικινδυνότητας μέσω της Μπεϋζιανής Ανάλυσης, διαφαίνεται ότι ολόκληρη η μεθοδολογική προσέγγιση αποτελεί ένα ισχυρό εργαλείο για την συνολική αξιολόγηση Βιωσιμότητας και Επικινδυνότητας παρόμοιων εγχειρημάτων συνυπολογίζοντας τα κόστη, τους ενδεχόμενους κινδύνους, και δυνητικά οφέλη τους. Το παραχθέν εργαλείο δύναται να αξιοποιηθεί τόσο από χρηματοπιστωτικά ιδρύματα που υποστηρίζουν επενδυτικά σχέδια βιώσιμης ανάπτυξης, όσο και από τις εκάστοτε διοικήσεις των μεταλλευτικών ή και άλλων εταιρειών που επιδιώκουν να αναπτύξουν τις δραστηριότητές τους σύμφωνα με τους όρους της Κυκλικής Οικονομίας και της Πράσινης Ανάπτυξης.