Prosessiteollisuuden tutkimus- ja kehitystyö on aina ottanut huomioon myös ympäristönäkökohdat, ainakin silloin kun ne liittyvät prosessin tehokkuuteen.
Toimialan todellinen ympäristötietoisuus on kuitenkin herännyt vasta viiden viime vuoden aikana. Sitä aiemmin se oli lähinnä kaunista puhetta.
Näin sanoo Antti Roine, joka toimii Metsossa teknologiajohtajana mallinnus- ja simulointitiimissä.
Tyypillinen tapa tehdä ympäristövaikutusten elinkaarianalyysiä on ollut ulkoistaa työ vastuullisuuskonsultille, joka käyttää tähän tarkoitukseen tehtyjä työkaluja ja keskimääräisiä lukuarvoja.
”Elinkaarianalyysin työkaluja tekevät usein muut kuin insinöörit, jotka eivät välttämättä täysin ymmärrä toimialaan liittyvää fysiikkaa ja teknisiä yksityiskohtia. Sen vuoksi asioita saatetaan yksinkertaistaa niin pitkälle, että tuotetut indikaattorit eivät perustu fysiikkaan ja todellisuuteen. Tämä olisi kuitenkin välttämätöntä, jotta metallurginen teollisuus voisi innovoida kohti vihreämpää tulevaisuutta. Se on mahdollista HSC Sim -prosessisimulaattorin avulla, kun se integroidaan elinkaarianalyysiin”, sanoo Bergakademi Freibergin teknillisen yliopiston kunniaprofessori Markus A. Reuter.
HSC Sim on prosessisimulaattori, joka on suunniteltu etenkin kaivosteollisuuden mutta myös muiden alojen käyttöön. Sen tavoitteena on ollut luoda yksinkertainen mutta tehokas simulaatiotyökalu tavallisen prosessi-insinöörin käyttöön. Sen avulla voidaan simuloida lähes mitä tahansa prosesseja.
Nykypäivän prosessiteollisuutta kiinnostavat todelliset elinkaarianalyysin luvut. Asiakkaat, yhteiskunta, lainsäädäntö ja sosiaalinen media painostavat ottamaan ympäristöasiat vakavasti.
Teollisuudenalana meidän täytyy olla läpinäkyvämpiä ympäristö-vaikutuksistamme."
”Kun ulkopuolinen pyytää yrityksestä dataa, yritys saattaa olla vastahakoinen antamaan pyydettyä tietoa. Teollisuudenalana meidän täytyy kuitenkin olla läpinäkyvämpiä vaikutuksistamme ympäristöön”, Reuter huomauttaa.
”Käyttämällä työkaluna esimerkiksi HSC Simiä, yritykset voivat yksityiskohtaisen prosessitietonsa avulla saada tietyt jalanjäljet toiminnoistaan sekä johtaa keskustelua ja olla riippumattomampia ulkoisista konsulteista. Lisäksi käyttämällä työkaluja laajempaan systeemianalyysiin kiertotaloudessa realistisempia tehoja pystytään arvioimaan sekä elpymisen, jalanjäljen että eksergian osalta.”
Eksergialla tarkoitetaan sitä osaa energiasta, joka voidaan kokonaan muuttaa työksi.
Roine ja Reuter kouluttavat EIT ALCASIM: Advanced LCA Simulation -ohjelmassa. Ohjelma on suunnattu työelämässä oleville insinööritieteiden, kemian alan ja geologian asiantuntijoille, jotka haluavat kehittää osaamistaan liittyen raakamateriaalien mahdollisimman kestävään prosessointiin. Tavoitteena on edistää kiertotaloutta prosessiteollisuudessa.
Ohjelma on kansainvälisen yhteistyön tulosta. Sitä ovat olleet suunnittelemassa ja kehittämässä Aalto-yliopisto, Metso Outotec, Bergakademi Freibergin teknillinen yliopisto, Bordeaux’n yliopisto, Wroclawin tiede- ja teknologiayliopisto, VTT sekä Aalto University Executive Education and Professional Development. Ohjelman on mahdollistanut EIT RawMaterials -rahoitus.
Takana vuosikymmenten kokemus
Reuter ja Roine ovat elinkaarianalyysin pioneereja, jotka ovat tehneet yhteistyötä jo kauan.
Roine on vuosikymmeniä ollut kehittämässä HSC Chemistry -ohjelmistoa, joka alun perin syntyi alan tutkimus- ja kehitystoiminnan tarpeisiin. Tästä se on siirtynyt käyttöön myös prosessien suunnittelussa ja prosessien operoinnin optimoinnissa.
Reuter taas on pitkään tutkinut ja toteuttanut ympäristöjalanjäljen laskentaa: ensimmäinen käsin laskettu mutta tieteellisesti pätevä jalanjälkiarvio tehtiin saksalaiselle kuparintuottajayritykselle vuonna 1993. Vuonna 2007 Reuter ehdotti silloin Outotecissä työskennelleelle Roineelle, että HSC Chemistryyn yhdistettäisiin ympäristövaikutusten elinkaarianalyysi ja eksergia.
”Markus puhui asiasta sitkeästi. Vuonna 2011 saimme Outotecissä rahoitusta projektiin ja vuodesta 2020 meillä on ollut ohjelmisto, jota voi käyttää prosessin suunnitteluun, digitaalisen kaksosen moottorina ja ympäristöjalanjäljen laskentaan”, Roine kuvaa.
Roine ja Reuter listaavat edelläkävijäyrityksiä, joiden kanssa he ovat tehneet yhteistyötä: esimerkiksi kuparintuottajat Aurubis ja KGHM, kaivos-, sulatto- ja metallin uusiokäyttöyritys Boliden sekä Roineen työnantaja, metallin prosessointiteknologioiden osaaja Metso.
Prosessin tehokas operointi säästää sekä energiaa että raaka-aineita."
Kun elinkaarianalyysi liitetään prosessien suunnitteluun ja operointiin, on helppoa yhdistää myönteiset ympäristövaikutukset ja entistä tehokkaampi liiketoiminta etenkin sen laskemiseen, mikä on hiilineutraalia. Lisäksi elinkaarianalyysi ja eksergia-analyysi, jotka Roine ja Reuter ovat sisällyttäneet HSC:hen, tekee tästä tehokkaan yhdistelmän, joka auttaa ymmärtää järjestelmän rajoitteita sekä metallurgista prosessiteknologiaa ja laskentataulukoita.
”Prosessin tehokas operointi säästää sekä energiaa että raaka-aineita. Näin se parantaa sekä yrityksen kestävyyttä että kannattavuutta. Aika usein, jos parannat prosessin tehokkuutta, saat enemmän metalleja talteen ja kulutat vähemmän energiaa ja vettä”, Roine sanoo.
Yksilöllinen prosessi, samat yksikköoperaatiot
Prosessiteollisuudessa, etenkin metallien valmistus- ja jalostusmenetelmiin keskittyvässä metallurgiassa, lähes jokainen prosessi on yksilöllinen. Käytetyillä raaka-aineilla on erilaisia ominaisuuksia sen mukaan, mistä ne ovat lähtöisin.
Prosessit kuitenkin koostuvat samoista yksikköoperaatioista. Mallintaminen onnistuu, kun ohjelmisto tuntee nämä palikat ja osaa laskea alkuaine-, energia- ja eksergiataseet.
”Prosessin tehokkuus riippuu raaka-aineiden laadusta, siksi jokaisesta prosessista pitää tehdä erikseen prosessimalli”, Roine sanoo.
Yleisillä elinkaarianalyysin työkaluilla on vaikea mitata sellaisia prosesseja, joita ei ole olemassa. HSC-ohjelmistolla taas voidaan Roineen mukaan optimoida ympäristöjalanjäljen perusteella sekä olemassa oleva prosessi että rakennettavan uuden tehtaan prosessi.
Parhaimmillaan ohjelmiston avulla voi vähentää jatkuvasti ajettavan prosessin ympäristövaikutuksia noin 30 prosenttia ja kokonaan uuden tehtaan jopa 90 prosenttia."
Tilanteet vaihtelevat tapauskohtaisesti, mutta Roine arvioi, että parhaimmillaan ohjelmiston avulla voi vähentää jatkuvasti ajettavan prosessin ympäristövaikutuksia noin 30 prosenttia ja kokonaan uuden tehtaan jopa 90 prosenttia. Samalla säästetään esimerkiksi raaka-aineita, energiaa tai veden kulutusta.
”Uudessa tehtaassa päästövähennykset onnistuvat, jos tehdas suunnitellaan järkevästi ja suljetaan kierrot. On esimerkiksi sekä tehokkaampaa että ympäristöystävällisempää, kun prosessivesi on suljetussa kierrossa sen sijaan, että otettaisiin aina uutta vettä joesta ja käytetty vesi palautuisi luontoon.”
Kun puhutaan prosessiteollisuuden tuotteiden koko elinkaaren ympäristövaikutuksista, kuvaan tulevat mukaan myös tuotteiden käyttäjät eli kappaletavaraa valmistava teollisuus ja näiden tuotteiden kierrätys. Tälläkin saralla on vielä paljon tehtävää sekä siinä, miten tarkkaan ympäristövaikutukset lasketaan, että siinä, miten kierrätys toteutetaan tehokkaimmalla mahdollisella tavalla.
Tehokasta kierrätystä alkuainetasolla
”Kappaletavaratuotteita kuten autoja tai kännyköitä ei voi sellaisenaan kierrättää, mutta prosessiteollisuudessa on valmiit paikat, missä näiden materiaaleja voi käyttää. Kierrätysmetalleja on mahdollista hyödyntää alkuainetasolle asti, esimerkiksi kulta syntyy usein kupariteollisuuden sivutuotteena”, Roine kertoo.
Reuter on kehittänyt ”Metal Wheel” -ympyrädiagrammin, josta voidaan nopeasti nähdä, mitä eri metalleille tapahtuu perusmetallien valmistusprosesseissa. Diagrammin sektoreista nähdään miten harvinaisemmat metallit käyttäytyvät kussakin pääprosessissa.
Suurin osa romuissa ja jätteissä olevista arvokkaista metalleista voidaan saada talteen lajittelemalla kierrätettävä materiaali oikein.
Esimerkiksi jalometallit sopivat hyvin kierrätettäviksi kupari-, sinkki- tai nikkelitehtailla, mutta terästeollisuudessa niistä ei ole hyötyä.
”Kierrätyksen suunnittelu ei ole lähelläkään sitä, mitä se voisi parhaimmillaan olla”, huomauttaa Reuter.
Hän käyttää esimerkkinä auton kolmiotukivartta, jonka päämateriaalina käytetään eri terästyyppejä. Osan keventämiseksi siihen on kuitenkin liimattu muita materiaaleja.
”Kun nämä osat kierrätetään, materiaalit pitää irrottaa toisistaan esimerkiksi murskaamalla. Siinä jää pieniä metallihiukkasia väärään paikkaan ja kaikki ne menevät hukkaan. Tätä hukkaa ei yleensä mitata, koska se on vaativaa, mutta HSC-ohjelmisto pystyy kertomaan näistä todellisista menetyksistä.”
Epätäydellinen vapautuminen aiheuttaa aineellisia häviöitä, jos ne ohjataan vääränlaiseen jatkokäsittelyyn. Tätä jätettä tai jäännöstä ei yleensä lasketa normaalissa suunnittelussa kierrätykseen, koska se on liian vaativa näille yksinkertaisemmille lähestymistavoille, mutta HSC-ohjelmisto voi antaa tietoa tällaisen hävikin todellisesta määrästä.”
Niin kuluttajat, ympäristö kuin ilmasto hyötyvät kestävistä, uusiokäytettävistä, korjattavista, kierrätettävistä ja energiatehokkaista tuotteista. Insinööritieteiden, kemian alan ja geologian asiantuntijoille suunniteltu EIT ALCASIM: Advanced LCA Simulation -ohjelma myötävaikuttaa kiertotalouden suunnitteluun kehittämällä muun muassa uusia malleja ja menetelmiä ja parantamalla resurssitehokkuutta. Lue lisää ohjelmasta »
