Suunnittelu (ekodesign) kiertotalouden näkökannalta

Transkriptio

1 Suunnittelu (ekodesign) kiertotalouden näkökannalta Alihankintamessut Resurssitehokkuus ja kiertotalous - uutta kasvua ja kilpailukykyä seminaari Tutkija Marjaana Karhu, Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy

2 Sisältö Perinteisen tuotesuunnittelun tavoitteet, ajurit ekosuunnittelulle; ekosuunnittelun integrointi tuotesuunnitteluprosessiin Materiaalilähtöinen ekosuunnittelu Materiaalin valinta Kevyt elinkaariarviointi Sekundäärimateriaalit Projektiesimerkki x 2 Yhteenveto 21/09/2015 2

3 Perinteinen tuotesuunnittelu Design brief Tyypillisiä tuotesuunnittelun tavoitteita: - Toiminnallisuus - Suorituskyky - Hinta - Valmistettavuus Conceptual design Embodiment Design Detailed design Manufacture 80% ympäristövaikutuksista syntyy suunnitteluvaiheessa Use 21/09/2015 3

4 Ekosuunnittelu ajurit Energian, materiaalien ja jätteen määrän vähentäminen = kustannussäästöt, hiilijalanjäljen alentaminen Lainsäädäntö ja direktiivit (esim. REACH, ) Materiaalien/raaka-aineiden niukkuus/kriittisyys (saatavuus ja taloudellisuusriski), terveydelliset riskit 21/09/2015 4

5 Ekosuunnittelun integrointi tuotesuunnitteluun Perinteinen tuotesuunnittelu Kevyt suunnittelu, vaatimusten asetanta Alustava suunnittelukonsepti CAD Ekosuunnittelu: huollon, korjauksen, päivityksen, uudelleenvalmistuksen ja kierrätyksen suunnittelu Yksityiskohtainen suunnittelu Protot ja testaus Lopullinen suunnittelu CAD, CAE LCA Materiaalin valinta, materiaalikehitys Sekundäärilähteiden käyttö Aika, vaivannäkö, kustannukset kasvavat Loppuunkäytettyjen end-of-life tuotteiden kierrätettävyys 21/09/2015 5

6 Materiaalilähtöinen ekosuunnittelu VTTllä Ympäristökriteerit huomioiva materiaalikehitys ja materiaalisuunnittelu, uusien resurssitehokkaiden materiaalikonseptien kehitys Materiaalilähtöinen ekosuunnittelu, materiaalikehitys Suorituskykyyn, kierrätettävyyteen sekä korvattavuuteen perustuvaa materiaalinvalintaa ja materiaalisuunnittelua ympäristökriteerit huomioiden Alhaisen energian prosessointimenetelmien kehitystä Uusien materiaalien suunnittelua-ja pilotointia Kiertotalouteen tähtäävää materiaali-ja raaka-aine tehokkuutta; resurssitehokkaita materiaaleja Myrkyllisten, kriittisten ja ei-kierrätettävien materiaalien korvaaminen Hybridimateriaalien mahdollisuudet Sekundääriraaka-aineiden mahdollisuudet Kierrätettävyyden suunnittelu Mallinnusavusteinen materiaalisuunnittelu 21/09/ D-tulostus Digitaalisuus Kulutustakestävät pinnoitteet Elinikäarviointi

7 Materiaalien valinta (prosessi ja raja-arvot) Kaikki kaupalliset materiaalit Vaatimukset : Toiminto Kriteerit suorituskyky, raja-arvot? Tavoitteet mitä minimoidaan/maksimoidaan? Materiaalien seulonta Hinta Materiaaliominaisuudet - koostumus - fysikaaliset ominaisuudet - mekaaniset ominaisuudet - termiset, optiset ja sähköiset ominaisuudet Prosessoitavuus Läpimenneet materiaalit Materiaalidata Tukeva informaatio, olosuhdetieto Lopullinen materiaalin valinta Kriittisyysstatus Ympäristöominaisuudet - sitoutunut energia (primääri ja sekundääri) - hiilijalanjälki - typpi ja rikkipäästöt - prosessointienergia - kierrätettävyys ja end-of life - ekoindikaattorit (ekoindikaattori 95, ekoindikaattori 99) 21/09/ geo-ekonominen data

8 Materiaalien valinta esimerkki Käytännössä tulokset esitetään materiaalivalintakarttoina haluttujen kriteerien suhteen Ominaisuuksien ennakointi, vertailu perinteisiin materiaaleihin, mahdollisuus optimoida rakennetta/konfiguraatiota, identifioida hyötyjä ja rajoituksia. Perinteisessä materiaalin valinnassa materiaalin tekno-ekomiset kriteerit. Ekosuunnittelussa myös ympäristölliset kriteerit huomioidaan. Tekno-ekonomiset kriteerit (esim. lujuus, hinta) Ympäristöekonomiset kriteerit (esim. valmistuksessa sitoutunut energia, hinta) 21/09/2015 8

9 Kevyt elinkaariarviointi (eco audit ) Nopea arvio tuotteen ympäristövaikutuksista tuotesuunnitteluvaiheessa. Voidaan arvioida merkittävimmän elinkaaren vaiheen kahden avainindikaattorin suhteen (sitoutunut energia, hiilijalanjälki) sekä kokonaisympäristövaikukseen elinkaaren aikana. LCA periaatteita noudattaen kevyt LCA. Minimoidaan materiaalin määrä, neitseellisen materiaalin osuus (%) materiaalin sitoutuneen energian määrä Minimoidaan prosessointienergia CO2/kg 21/09/2015 9

10 Materiaalivalikoima Kaupalliset puhtaat materiaalit Hybridimateriaalit Kenno- ja solurakenteita (avo-ja umpisoluiset vaahdot, hunajakennot), komposiitteja (kuitu-ja partikkelilujitteisia), monikerrosmateriaaleja sekä sandwich-rakenteet) Sekundäärimateriaalit Materiaaleja jätteistä ja sivuvirroista Materiaaleja loppuunkäytetyistä tuotteista /09/

11 Sekundäärimateriaalit Jätteen määrän vähentäminen ympäristökuormituksen vähentäminen. Sitoutuneen energian/hiilijalanjäljen vähentäminen Sitoutuneen energian määrä vähenee toisella kierroksella (materiaaliryhmästä riippuen 20%-400%). 21/09/

12 Huokoisia keraameja kaivosteollisuuden sivuvirroista TARVE Huokoisia keraameja käytetään laajasti eri sovelluksissa: mm. suodattimet, katalyyttien tukirakenteet, eristeet ja absorbentit. Mineraalien louhinta on kaksinkertaistanut Suomessa välillä ; kaivosjätettä 54,85 Mt vuosittain, mikä on 53% Suomen kaikesta teollisuusjätteestä (Eurostat 2010). LÄHESTYMISTAPA Kehitetään kaivosteollisuuden sivuvirroista (mm.sivukivi, rikastuhiekka) huokoisia keraameja tehokkailla alhaisen energian prosesseilla. Laaja tutkimuskonsortio: Oulun yliopisto, GTK, Tampereen teknillinen yliopisto ja VTT. Suomen akatemian rahoittama tutkimus. HYÖDYT Mahdollisuus kehittää uusia sekundäärimateriaaleja korkean lisäarvon sovelluksiin. Neitseellisten raaka-aineiden tarpeen väheneminen ja nykyisten jätteiden hyötykäyttö. Porous Ceramics based on secondary raw materials 21/09/

13 Terästeollisuuden kuonasta innovatiivisia tulenkestäviä keraameja (RESLAG H2020 projekti) TARVE Euroopan terästeollisuus tuottaa kuonaa teräksenvalmistuksen sivutuotteena (21,8 Mt vuonna 2010). 76% kuonasta saadaan kierrätettyä, loppu kuona on iso ympäristöllinen ongelma (ilman, veden ja määperän saastuminen). Tulenkestävät refractory materiaalit ovat epäorgaanisia ei-metallisia materiaaleja korkeisiin käyttölämpötiloihin. Euroopan refractory teollisuus 5,5 Mt keraameja vuosittain; valmistuksessa terminen prosessointi (poltto) kuluttaa eniten energiaa. Piloting LÄHESTYMISTAPA Pilotoidaan prosessointimentelmiä, jotka mahdollistavat ulkoisen energian tarpeen vähentämisen refraktorien valmistuksessa. Maksimoidaan sekundääriraaka-aineen määrää sekä vähennetään energiaintesiteettia In-situ sintrauksella. Kokeet tehdään teollisessa pilotointimittakaavassa. HYÖDYT Ympäristökuormituksen vähentäminen. of Refractories based on secondary raw materials 21/09/

14 Yhteenveto mihin ekosuunnittelua tarvitaan 80% tuotteen ympäristövaikutuksista syntyy tuotesuunnitteluvaiheessa. Ekosuunnittelun integrointiin tuotesuunnitteluun ajaa lainsäädäntö ja direktiivit, paine kustannussäästöihin (energian, materiaalien ja jätteen määrän vähentäminen), raaka-aineiden saatavuus ja taloudellisuusriskit. Perinteisesti ekosuunnittelun tarpeiksi luokitellaan sekundäärilähteiden käyttö sekä loppukäytettyjen (end-of-life) tuotteiden kierrätettävyys. Materiaalin valinnalla, prosessoinnilla, materiaalisuunnittelulla ja materiaalikehityksellä merkittävä rooli ekosuunnittelun toteutuksessa. Uudet resurssitehokkaat materiaaliratkaisut Hybridimateriaalien mahdollisuudet Sekundääriraaka-aineiden mahdollisuudet Myrkyllisten, kriittisten ja ei-kierrätettävien materiaalien korvaaminen Alhaisen energian prosessointimenetelmien kehitys. 21/09/

15 TECHNOLOGY FOR BUSINESS