PROSESSI- JA YMPÄRISTÖTEKNIIKAN PERUSTA 1

Transkriptio

1 1 PROSESSI- JA YMPÄRISTÖTEKNIIKAN PERUSTA 1 Teema 7: Teollinen ekologia DI Virpi Väisänen, Ympäristö- ja kemiantekniikan tutkimusryhmä

2 Hallintajärjestelmät ISO EMAS JÄTEVESI JÄTTEET ILMAPÄÄSTÖT VAIKUTUKSET YMPÄRISTÖÖN Päästöoikeuksien kauppa Ympäristöverot RAAKA-AINEET PROSESSI PÄÄSTÖJEN KÄSITTELY TUOTE Ympäristölupa Jätedirektiivi Bref-asiakirjat IPPC-direktiivi Reach-asetus

3 SISÄLTÖ 3 Johdanto Väestöennusteet & maapallon kantokyky Ekologinen jalanjälki, hiilijalanjälki Luonnonvarojen kulutus & jätteet Kestävä kehitys Teollinen ekologia (TE) TE:n tavoitteet ja periaatteet TE-esimerkkejä Kalundborgin ekoteollisuuspuisto Rantasalmen ekoteollisuuspuisto Elinkaariarviointi (LCA) (teollisen ekologian työkalu) Esimerkki: National Geographic Vihreä kemia (teollisen ekologian työkalu)

4 TEHTÄVÄ 7 Ideoi millaisen ekoteollisuuspuiston yhteyteen tarkastelemaasi tuotetta valmistava laitos voisi sijoittua. Aloita tehtävä pohtimalla mitkä raaka-aine-, sivutuote-, jäte- ja energiavirrat prosessissasi ovat sellaisia, että niitä voitaisiin hyödyntää TE-periaatteiden mukaisesti jossakin toisessa prosessissa. Millaisen laitoksen jätteistä voisit saada raaka-ainetta/energiaa oman laitoksesi prosessiin? Rakenna näiden tietojen pohjalta ekoteollisuuspuisto, jossa toimii oman laitoksesi lisäksi vähintään 3 muuta laitosta, jotka ovat jollakin tavalla symbioosissa keskenään. Kuvaile vastauksessasi ekoteollisuuspuistossasi sijaitsevat laitokset ja se kuinka ne hyötyvät toisistaan. Villitkin ideat ovat tervetulleita, kunhan muistat perustella vastauksesi. Merkitse käyttämäsi lähteet! Palauta tehtävä viimeistään to klo pdf-tiedostona osoitteeseen: virpi.vaisanen@oulu.fi Lisävinkkejä: ma klo TF407

5 MAAPALLON VÄESTÖENNUSTEET Univ. Washington Maapallon väestö lisääntynyt räjähdysmäisesti, jos katsotaan kehitystä pitkällä aikajänteellä 1. mrd 1800-luvun alussa Nykyisin n. 7,2 mrd Ennuste vuoteen 2100 mennessä Väestönkasvu kytköksissä suoraan teolliseen kasvuun! United Nations 2013

6 MAAPALLON KANTOKYKY Society which permits perfect freedom of action in activities that adversely influence common properties is eventually domed to failure. The Tragedy of Commons. Hardin Ympäristöatlas Pongracz 2014

7 EKOLOGINEN JALANJÄLKI Luonto tuottaa vain tietyn määrän luonnonvaroja ja sitoo tietyn määrän jätteitä ja päästöjä vuodessa Ekologinen jalanjälki mittaa sitä, kuinka suuri alue tarvitaan tietynlaisen elämäntavan ylläpitämiseen Ihmispopulaation ekologinen jalanjälki kuvaa sen tuottavan maa- ja vesialueen kokoa, josta populaatio saa kuluttamansa luonnonvarat ja johon se voi sijoittaa tuottamansa jätteet ja muut päästöt Ihmiskunnan ekologinen jalanjälki ylitti maapallon kantokyvyn 1980-luvun alussa v jalanjälki jo 25 % kantokykyä suurempi Esim. ekologisista jalanjäljistä: yhdysvaltalainen 9,6 ha suomalainen 7,6 ha

8

9 HIILIJALANJÄLKI Hiilijalanjälki kertoo kuinka paljon jokin tuote, toiminta tai palvelu aiheuttaa ilmastokuormaa, eli kuinka paljon kasvihuonekaasuja tuotteen tai toiminnan elinkaaren aikana syntyy Ilmoitetaan hiilidioksidiekvivalentteina (kg CO 2 ekv.) Yksikkönä tonni, kg tai g (vrt. ekologinen jalanjälki ha) ISO/TS 14067:2013 Greenhouse gases Carbon footprint of products Requirements and guidelines for quantification and communication Suomalaisen hiilijalanjälki: ~12,6 ton/v Maapallon asukkaan keskimäärin ~4 ton/v Kestävä taso: ~2 ton/v

10 LUONNONVAROJEN KULUTUS Ylikulutuspäivä on aikaistunut vuosi vuodelta; 20 v. sitten se oli marraskuussa. Global Footprint Network 2014

11 LUONNONVAROJEN KULUTUS 11 Pongracz 2014

12 12

13 YHDYSKUNTAJÄTEMÄÄRIÄ EU-ALUEELLA 13

14 KOHTI KESTÄVÄÄ KEHITYSTÄ Jatkuva talouskasvu luo koko ajan paineita maapallon kantokyvylle Kestävän kehityksen periaatteen mukaan kaikkien toimintojen tulisi tapahtua niin ettei maapallon kantokyky ylity Merkittäviä kulmakiviä kestävän kehityksen mukaiselle tuotannolle: Uusiutuvia luonnonvaroja ei käytetä nopeammin kuin ne luontaisesti uusiutuvat Uusiutumattomia luonnonvaroja ei käytetä nopeammin kuin löydetään korvaavia raaka-aineita Jätteitä ei tuoteta nopeammin kuin maapallo voi niitä vastaanottaa Maapallon monimuotoisuutta ei merkittävästi tuhota Yksilöiden käyttäytymisen muutos Kulutustottumukset vähemmän jätettä Tuotantoprosessien kehittäminen Dematerialisaatio: sama lopputulos vähemmällä raakaainemäärällä Haitallisten materiaalien korvaaminen Jätteiden hyötykäyttö TEOLLINEN EKOLOGIA 14 TAVOITE: SUSTAINABILITY!

15 TEOLLINEN EKOLOGIA (TE) Teollinen ekologia-termiä käytetty kirjallisuudessa satunnaisesti 70-luvulta lähtien Japanissa suosittiin jo 70-luvulla teollisen ekologian perusajatuksia Mm. energiatehokkuuden parantaminen ja vaihtoehtoisten energiamuotojen käyttö Nykyisen TE:n perusta: Frosch, R.A. & Gallopoulos, N.E. (1989). Strategies for Manufacturing. Scientific American. Alkuperäinen artikkelin otsikko, jota ei hyväksytty: Manufacturing -- The Industrial Ecosystem View Ajatus biologisille ekosysteemeille analogisista teollisista ekosysteemeistä Systeemeissä materiaalin ja energian käyttö optimoitu Jätteen synty ja ympäristön pilaantuminen minimoitu Tuotanto kuitenkin taloudellisesti kannattavaa 15

16 TEOLLINEN EKOLOGIA (TE) Pyritään aine- ja energiavirtojen järjestämiseen niin, että jäljitellään biologista ekosysteemiä, jonka tavoitteena jätevirtojen eliminointi / minimointi Luonnon ekosysteemissä ei ole jätettä! Dynaaminen tasapaino Teollisen ekosysteemin ja biologisen ekosysteemin yhtäläisyyksiä Molemmat materiaa käsitteleviä systeemejä Molempia voi kuvata materia- ja energiavirtojen ja varantojen avulla Teollinen systeemi on riippuvainen biosfäärin resursseista ja on erottamaton osa biosfääriä Teollisen ekosysteemin ja biologisen ekosysteemin eroavaisuuksia: Ero muutokseen sopeutumiskyvyssä Vaste-aika lisääntyneeseen raaka-ainekysyntään Biologiset organismit kykenevät tuottamaan jälkeläisiä Yritykset eivät tuota uusia yrityksiä Yritysten ei tarvitse olla erikoistuneita organismit 16

17 Esimerkki biologisesta ekosysteemistä: hiilen kierto 17

18 TE: TAVOITTEET JA PERIAATTEET Jokaisen tuotantoprosessiin päätyvän molekyylin tulee poistua prosessista osana myytävää tuotetta Kaikki tuotannossa käytetty energia tulee päätyä haluttuun materiaalin muodonmuutokseen (ei hukkaenergiaa) Teollisuuden tulee minimoida materiaalin ja energian käyttö tuotteissa, prosesseissa ja palveluissa Teollisuuden tulee jo tuotteita suunnitellessaan valita helposti saatavilla olevia, ei-myrkyllisiä raaka-aineita Teollisuuden tulee mieluummin hankkia suurin osa tarvitsemistaan raaka-aineista omista ja muiden laitosten kierrätysvirroista kuin käyttää uutta raaka-ainetta, koskien myös helposti saatavilla olevia perusraaka-aineita 18

19 TE: TAVOITTEET JA PERIAATTEET 19 Jokainen tuote ja prosessi tulee suunnitella siten, että käytettyjen materiaalien toissijaiset ominaisuudet säilyvät ja ovat hyödynnettävissä myöhemmin. Jokainen tuote tulee suunnitella niin, että sitä voidaan hyödyntää muiden tuotteiden valmistuksessa elinkaarensa loppupäässä. Jokainen teollisuuslaitos tulee suunnitella siten, että huomioidaan paikallisten elinpiirien ja lajien monimuotoisuus sekä minimoidaan vaikutukset paikallisiin ja alueellisiin luonnonvaroihin. Tuotteiden valmistajien, kuluttajien ja muiden teollisuusalojen edustajien välisiä suhteita tulee kehittää niin, että yhteistyö pakkausten vähentämisessä ja materiaalin kierrätyksessä ja uudelleen käytössä kehittyy.

20 EKOTEOLLISUUSPUISTOT Teollinen ekosysteemi on valmistus- ja palveluyritysten yhteisö, joka pyrkii parantamaan sekä ekologista että taloudellista tulosta verkottumalla energian, veden ja kiintoaineiden keskinäisellä käytöllä. Työskentelemällä yhdessä yhteisön edut ovat suuremmat kuin yksittäisten yritysten etujen summa. Lowe et al Oikean ekoteollisuuspuiston toiminta ei siis ole pelkästään: Sivutuotteiden vaihtoa, Kierrätykseen perustuvaa liiketoimintaa, Ympäristöteknologiaa harjoittava yhteisö, Vihreitä tuotteita valmistavien yritysten keskittymä, Teollisuuspuisto, joka keskittyy tiettyyn ympäristöteemaa (esim. aurinkovoimalla toimiva puisto) Ympäristömyönteistä infrastruktuuria käyttävä puisto (Lowe 2001).

21 EKOTEOLLISUUSPUISTOTYYPIT 21 Tyyppi 1: Jätteiden vaihto Myydään tai annetaan pois uudelleen kierrätettäviä tai korjattuja tuotteita kolmannelle osapuolelle tai muihin yrityksiin Tyyppi 2: Yrityksen tai organisaation sisäisesti Yleensä yhdensuuntaista. Sisältää materiaalin tai tuotteen kierrätyksen saman organisaation eri osastojen välillä Tyyppi 3:Toistensa välittömässä läheisyydessä sijaitsevien yritysten kesken Materiaalien, jätteiden ja energian vaihto eri organisaatioiden välillä. Yritykset sijaitsevat lähekkäin, tavallisimmin tietyn teollisuusalueen sisällä. Tätä tyyppiä voi jo kutsua varsinaiseksi ekoteollisuuspuistoksi Tyyppi 4: Lähekkäin sijaitsevien yritysten välillä Olemassa olevien yritysten välillä, mahdollisuus myös ottaa uusia yrityksiä mukaan Tyyppi 5: Laajalla maantieteellisellä alueella sijaitsevien yritysten välillä Yritykset sijaitsevat laajalla alueella ja vaihtoihin osallistuu suuri määrä yrityksiä. Näitä ekoteollisuuspuistoja ei ole vielä juurikaan olemassa. Chertow 2000

22 KALUNDBORGIN EKOTEOLLISUUSPUISTO 22 Yhteistyöverkosto, joka kehittynyt taloudellisin perustein vuosikymmenten aikana 8 toimijaa: 6 teollisuusyritystä, 1 jätehuoltoyritys, Kalundborgin kunta

23 KALUNDBORGIN EKOTEOLLISUUSPUISTO Asnæs Energy E2 voimalaitos 1500 MW Tanskan suurin voimala Tuottaa lämpöä kunnalle, Novo Nordiskin lääketehtaalle, entsyymintuottaja Novozymesille sekä prosessihöyryä öljynjalostamo Statoilille Jäähdytysveden hukkalämpö käytetään hyödyksi kalankasvatuslaitoksessa Kalanviljelylaitoksen sekä Novozymesin lietettä käytetään hyödyksi lannoitteena maatiloilla Novo Nordiskin insuliinintuotannosta hiivalietettä, joka steriloidaan voimalaitoksen höyryllä ja käytetään sikojen ruokinnassa Statoilin rikinpuhdistusprosesseista sivutuotteena ammoniumtiosulfaattia lannoitteeksi Kunnallisen jätevedenpuhdistuslaitoksen lietettä ravinteeksi saastuneen maan puhdistusprosesseissa Suurin osa Aesnaesin voimalaitoksen tuhkasta käytetään sementin tuotannossa Asnæsin rikinpoistolaitos poistaa rikkidioksidia savukaasuista ja muodostaa sivutuotteena kipsiä, jota Gyproc käyttää kipsilevyjen valmistukseen 23

24 KALUNDBORGIN EKOTEOLLISUUSPUISTO 24

25 RANTASALMEN EKOTEOLLISUUSPUISTO 25 Suomessa ekoteollisuuspistot kehittyneet usein itsestään metsäteollisuuden ympärille Rantasalmen ekoteollisuuspuisto ensimmäinen suunniteltu projekti (v.2006-) Projektin tavoitteita: Parantaa alueen yritysten kilpailukykyä, vetovoimaa ja ympäristöimagoa Vähentää toimintojen ympäristövaikutuksia Materiaalin käytön tehostaminen Loppusijoitettavan jätteen määrän vähentäminen Energian käytön tehostaminen sekä ympäristöpäästöjen vähentäminen Lisätä yritysten välistä yhteistyötä ja yhteisten hyötyjen saavuttamista

26 26 ENERGIA! Saikku 2006

27 ELINKAARIARVIOINTI (LCA) 27 Painopaperin elinkaari LCA (Life Cycle Assessment): lasketaan rajatulla elinkaaren osalla määrälliset ympäristövaikutukset VTT 2010 LCA yksi työkalu teollisen ekologian toteuttamiseksi!

28 ELINKAARIARVIOINTI ISO elinkaariarvioinnille v LCA tehty hyvin eri tyyppisille tuotteille ja palveluille (eri tuotteiden vertailu) Oleellista arvioinnissa tarkasteltavan kohteen rajaus Elinkaariarvioinnissa joudutaan tekemään rajauksia ja oletuksia tuloksissa poikkeavuutta Dokumentointi tärkeää, jotta tuloksia voidaan vertailla 28 ISO 14040, 1997

29 ELINKAARIARVIOINNIN RAJOITTEET 29 Elinkaariarvioinnin laatiminen vaatii paljon aikaa ja resursseja Tiedon keruussa voi esiintyä ongelmia Saatavilla olevan tiedon määrä ja laatu vaikuttaa merkittävästi lopputuloksiin *TIEDON SAATAVUUS *VAADITUT TALOUDELLISET PANOKSET *TUTKIMUKSEN VAATIMA AIKA ELINKAARIARVIOINNIN HYÖDYT Elinkaariarviointi ei anna suoraan vastausta mikä tuote tai prosessi on ympäristön kannalta paras Elinkaariarviointia tulisi käyttää yhtenä työkaluna tukemaan päätöksentekoa

30 ESIMERKKI: NATIONAL GEOGRAPHIC 30 Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää lehden hiilijalanjälki Tutkimus tehtiin noudattaen ISO-standardia elinkaariarvioinnille Uusi standardi hiilijalanjäljen määrittämiseksi: ISO/TS 14067:2013 Greenhouse gases- Carbon footprint of products- Requirements and guidelines for quantification and communication Verrannollisena virtauksena käytettiin 1000 kg tuotettuja ja asiakkaille toimitettuja lehtiä Helppo laskea tulokset eri määrille, eri painoisia lehtiä Toiminnallinen yksikkö oli yksi aikakausilehti (349 g) Lähde: International Journal of Life Cycle Assessment (2010) 15:

31 NG: TUTKIMUKSEN RAJAUS 31

32 NG: TIEDONKERUU 32 Tutkimuksessa käytettiin niin pitkälle kuin mahdollista mitattua tietoa lehden eri elinkaaren vaiheista Tietoa kerättiin eri lähteistä: Lehtien keskipainot, kuljetusetäisyydet ja kuljetusmuodot Energian käyttö eri kohteissa Sellu- ja paperitehtaan sekä painotalon tiedot Lehden toimituksen matkat yms. Tutkimuksessa tehtiin eri oletuksia paperin valmistuksessa käytetyn kierrätyskuidun osuudesta: 0 %, 10 % and 10 % Lukijatutkimuksen perusteella arvioitiin, että 60 % lehdistä arkistoidaan pysyvästi oletus: loput hävitetään yhdyskuntajätteen mukana (paperinkeräys?)

33 NG: TULOKSET 33 Energiankäyttö (MJ/t)

34 NG: TULOKSET 34 GWP (kg CO 2 -equiv/t) ~64% ~1% ~90% ~9%

35 NG: TULOKSET Tulosten perusteella todettiin mm., että lehden painaminen aiheuttaa 26 % kasvihuonekaasupäästöistä Sisältää mm. musteiden sisältämien liuottimien valmistuksen, lehden sivujen painamisen Osuus on korkeampi kuin muiden painotuotteiden tutkimuksissa on lopputuloksena todettu Johtuu ilmeisesti sitä, että kyseinen paperitehdas hankkii mieluummin vesivoimalla tuotettua energiaa Yhden lehden aiheuttamat kasvihuonekaasupäästöt ovat verrannolliset päästömäärään, joka syntyy kun henkilöautolla ajetaan 3 km Hiilijalanjälkeä voidaan parantaa kehittämällä paperin valmistusta ja painotekniikkaa 35

36 VIHREÄ KEMIA 36 Yleisesti voidaan sanoa, että vihreä kemia on kemian hyödyntämistä ympäristön pilaantumisen ehkäisyyn Vihreällä kemialla tarkoitetaan kemikaalien SUUNNITTELUA VALMISTUSTA KÄYTTÖÄ KÄYTÖSTÄ POISTOA siten, että haitallisia kemikaaleja ei käytetä tai tuoteta Vihreää kemiaa on kuvattu eräänlaiseksi kemistien Hippokrateen valaksi: First, do no harm. Vihreän kemian keskeinen periaate on, että kemiallisesta toiminnasta ei aiheudu haittaa ympäristölle tai ihmisten terveydelle. VIHREÄN KEMIAN 12 PERIAATETTA Vihreä kemia yksi työkalu teollisen ekologian toteuttamiseksi!

37 VIHREÄ KEMIA:12 PERIAATETTA 1. On parempi estää jätteiden muodostuminen kuin käsitellä syntyneet jätteet. 2. Valmistusmenetelmiä tulee kehittää niin, että ne mahdollistavat sen, että kaikki prosessissa käytettävät aineet tulevat tehokkaasti käytettyä lopputuotteeseen. 3. Valmistusmenetelmiä tulee kehittää niin, että ne ovat myrkyttömämpiä tai täysin myrkyttömiä ihmisen terveydelle ja ympäristölle. 4. Kemialliset tuotteet tulee suunnitella siten, että aineen myrkyllisyyttä vähennettäessä tuotteen haluttu ominaisuus säilyy mahdollisimman pitkään. 5. Apuaineiden käyttö (esim. liuottimet, uuttoaineet) tulee tehdä mahdollisuuksien mukaan tarpeettomaksi valmistusprosessissa. Mikäli apuaineita tarvitaan, tulee ne tehdä käytössä vaarattomiksi. 6. Energian käytön ympäristölliset ja taloudelliset vaikutukset tulee minimoida. Semba Biosciences

38 VIHREÄ KEMIA:12 PERIAATETTA 7. Syötettävän raaka-aineen tulee olla kierrätettävissä aina, kun se on taloudellisesti ja teknisesti mahdollista. 8. Tarpeettomia olosuhdemuutoksia (väliaikaiset muutokset fyysiseen / kemialliseen prosessiin) tulee välttää aina kun se on mahdollista. 9. Katalyyttiset reagentit (niin selektiiviset kuin mahdollista) ovat parempia kuin stoikiometriset reagentit. 10. Kemialliset tuotteet tulee suunnitella niin, että käytön jälkeen ne eivät jää pysyvästi ympäristöön, vaan hajoavat vaarattomiksi tuotteiksi. 11. Tulevaisuudessa analyysimenetelmiä tulee kehittää niin, että päästään reaaliaikaiseen prosessien sisäiseen tarkkailun ja pystytään estämään haitallisten aineiden muodostuminen valmistusprosessin aikana. 12. Kemiallisissa prosesseissa käytettävät aineet ja niiden olomuoto tulee valita siten, että kemikaalionnettomuuksien (prosessista karkaavat aineet, räjähdykset, tulipalot tms.) riski minimoituu.

39 TEHTÄVÄ 7 Ideoi millaisen ekoteollisuuspuiston yhteyteen tarkastelemaasi tuotetta valmistava laitos voisi sijoittua. Aloita tehtävä pohtimalla mitkä raaka-aine-, sivutuote-, jäte- ja energiavirrat prosessissasi ovat sellaisia, että niitä voitaisiin hyödyntää TE-periaatteiden mukaisesti jossakin toisessa prosessissa. Millaisen laitoksen jätteistä voisit saada raaka-ainetta/energiaa oman laitoksesi prosessiin? Rakenna näiden tietojen pohjalta ekoteollisuuspuisto, jossa toimii oman laitoksesi lisäksi vähintään 3 muuta laitosta, jotka ovat jollakin tavalla symbioosissa keskenään. Kuvaile vastauksessasi ekoteollisuuspuistossasi sijaitsevat laitokset ja se kuinka ne hyötyvät toisistaan. Villitkin ideat ovat tervetulleita, kunhan muistat perustella vastauksesi. Merkitse käyttämäsi lähteet! Palauta tehtävä viimeistään to klo pdf-tiedostona osoitteeseen: virpi.vaisanen@oulu.fi Lisävinkkejä: ma klo TF407