Ekodesign - kestävät materiaali- ja valmistuskonseptit Lehdistötilaisuus 29.8.2012 Professori, tekn.tri Erja Turunen Tutkimusjohtaja, sovelletut materiaalit Strateginen tutkimus, VTT
2 Kierrätyksen rooli kuparin kulutuksessa Käyttö kasvaa Tuulienergia isoissa turbiineissa tonni kuparia Aurinkoenergia aurinkokennojen valmistukseen on kehitetty kuparia käyttävää teknologiaa Kuparimoottorit sähköhybridi-ajoneuvoissa Raiteilla kulkevien kevyiden kulkuneuvojen moottoreissa ja kaapeleissa Tiedonsiirto
3 Valmistuksessa käytettävä primäärinikkeli Maailman nikkelin kulutusta dominoi Kiinan (40 %) ja Intian ruostumattoman teräksen markkinat 5 % kasvu odotettavissa seuraavien viiden vuoden aikana Nikkelin hinnanvaihtelut suuria jo tällä hetkellä, heijastuu ruostumattoman teräksen hintaan Kasvua akkuteollisuudessa (sähköhybridi-ajoneuvot) Building&Infrastructure Transportation Industrial machinery Appliances&Electronic Metal goods
4 Muutostekijät tulevaisuudessa yritysten businekselle Uudentyyppiset lainsäädännön ja regulaatioiden kautta tulevat maksut, rajoitukset ja mahdollisuudet (esim sivuvirtojen jätestatuksen poistaminen) Raaka-aineiden hinnan vaihtelut entistä rajumpia. Raakaaineiden keskinäisriippuvuudet, perusesimerkkinä nikkeli, joka heiluttaa teräksen hintaa. Kestävä raaka-ainehankinta legitimoi toimintaa. Raakaaineteollisuuteen kohdistuvat ympäristötoimet nähdään tulevaisuudessa yhä enemmän liiketoimintapotentiaalina kuin kiusallisena haittana tai PR-toimintana.
5 Tyypillinen materiaalin elinkaari Energia, resurssit Kierrätys CO 2 Raakaaine Alkutuotanto Puolivalmisteet Tuotanto Jätteet Käyttö Vesi
28/08/2012 6 Energia, resurssit Keinoja ekotehokkuuden parantamiseksi: VTT:n ekodesign-konsepti Materiaalit ja rakenteet suunnitellaan Korvattaviksi Kestäviksi Kierrätettäviksi Raakaaine Alkutuotanto Puolivalmisteet Jätteet Materiaalivirtojen optimointi Uudet kierrätysteknologiat Teollinen symbioosi Nollajäteyhteisö Kierrätys Käyttö Tuotanto CO 2 Tuotteiden valmistus Valmistusjärjestelmät ja automaatio Uudet valmistuskonseptit Water Digitaalinen valmistus
7 Ekodesign on laajennettava teolliselle tasolle Energia, resurssit KOMPONENTTI & JÄRJESTELMÄ & TEOLLINEN Bio Mineral Kierrätys Primary Jauheet, production tahnat, levitys Raakaaine Puolivalmisteet Ainetta lis. valmistus Tuotanto Tuotanto Automaatio Globaalit verkostot Monitorointi Operatiivinen ICT CO 2 Teolliset palvelut Teollinen symbioosi Käyttö Vesi
8 Tarve: Kohti energiatehokasta liikennettä Kuparin saatavuus Sähköautossa kuparia 100-200 kg Maailmalla miljardi yksityisautoa (2010) Lisäksi neodyymiä, kobolttia, samariumia ja litiumia magneetteihin ja akkuihin Ratkaisu Edut: Kuparin korvaaminen, esim.: Hiilikuitu, nanoteknologia (moottori) Langaton tiedonsiirto (kaapelit) Kevyet materiaaliratkaisut alustassa Kompakti, kevyt voimajohto Akkumateriaalit Case 1: Kupari sähkömoottorissa Energiatehokkaampi liikenne [kg/w] Energiaa käytetään liikenteeseen, ei raskaan ajoneuvon kuljettamiseen Neodyymin, koboltin, samariumin ja litiumin käyttö vähenee VTT:n ekodesign-ratkaisu: Mallinnusavusteinen suunnittelu & uuden moottorin optimointi sekä muut konseptit Suorituskyvyn, elinkaaren, ylläpitostrategian ja systeemitason linkitys
9 Tarve: Case 2: Nikkeli polttokattilassa Vaativammat polttoaineet (jäte, biomassa, jne.) aikaansaavat agressiivisemman käyttöympäristön ja vaativammat olosuhteet käytetyille materiaaleille Tavoitteena myös korkeammat polttolämpötilat ja tätä kautta korkeamman hyötysuhteen kattila Tällä hetkellä vaativimpiin paikkoihin sovelletaan päällehitsattua pinnoitetta, jossa on suuret määrät nikkeliä. Myös niobia ja tantaalia löytyy tästä ratkaisusta. Ratkaisu Termisesti ruiskutettu toiminnallinen klooria kaappaava pinnoite Hyödyt: Vähemmät ei-toivottuja raaka-aineita Ni xx%, Nb 100%, Ta 100% Alhaisemmat kustannukset (raaka-aineet, valmistus, kunnossapito) VTT:n ekodesign-ratkaisu : Mallinnusavusteinen materiaalija pinnoiterakennesuunnittelu Systemaattinen linkki suorituskyvyn, eliniän, kunnossapitostrategioiden ja energiatehokkaan systeemitason suunnittelun ja operoinnin kanssa
10 Case 3: Painettu älykkyys Orgaaniset aurinkokennot monikerrosrakenne, jossa orgaaniset ja epäorgaaniset kerrokset vuorottelevat eri paksuisina ohut/paksukalvoina. Valmistettu rullalta-rullalle-painotekniikoilla. Haasteet: Sähköinen kontakti yleensä käytetään hopeaseosteista pastaa, joka on hinnaltaan korkea ja ympäristön kannalta ei optimaalinen Läpinäkyvä sähköinen kontakti tyypillisesti käytetään ITOa (IndiumTinOxide), missä indium on harvinainen ja kallis raaka-aine VTT on kehittänyt alumiinipohjaisen johdekerroksen, joka mahdollistaa hinnaltaan edullisemmat ja ympäristön kannalta suotuisamman rakenteen. VTT on kehittänyt kemiallisen kuviointiprosessin, joka mahdollistaa materiaalin kierrätyksen normaalin jätteen mukana. Lisäksi on mahdollista kerätä indium talteen suuremmista tuotantoeristä.
11 Yhteenveto Uudet suunnittelu- ja valmistuskonseptit ovat tulevaisuudessa merkittävässä roolissa teollisuuden kilpailukyvyssä ja tarjoavat uusia mahdollisuuksia pk-sektorille. Ainetta lisäävä valmistus avaa mahdollisuuksia luoda uudentyyppisiä tuotteita, liiketoimintaa, liiketoimintamalleja sekä työpaikkoja. Materiaalit ja niiden prosessointi sekä valmistusteknologiat ovat yksi ketjun kriittisistä osista ja niiden tuominen osaksi digitaalista valmistusketjua on ehdoton edellytys syklin toimimiseksi teollisessa mielessä. Uusien suunnittelutyökalujen avulla pystytään ketterästi vastaamaan raaka-aineiden määrän, sijainnin ja hinnan tuomiin globaaleihin haasteisiin. Tulevaisuuden yhteiskunta perustuu kestävään kehitykseen, jossa uudelleenkäyttö on keskeisessä asemassa. Materiaalien uudelleenkäyttö, jälkivirtojen tehokas hyödyntäminen sekä tehokkaammat talteenottoteknologiat ovat luonnonvarojen kestävän käytön perusta.
12 VTT - 70 years of technology for business and society