Ekodesign - kestävät materiaali- javalmistuskonseptit

Lehdistötilaisuus 29.8.2012Professori, tekn.tri Erja TurunenTutkimusjohtaja, sovelletut materiaalitStrateginen tutkimus, VTT

228.8.2012

Kierrätyksen rooli kuparin kulutuksessa

Käyttö kasvaaTuulienergia – isoissaturbiineissa tonni kupariaAurinkoenergia –aurinkokennojenvalmistukseen on kehitettykuparia käyttävääteknologiaaKuparimoottoritsähköhybridi-ajoneuvoissaRaiteilla kulkevienkevyiden kulkuneuvojenmoottoreissa jakaapeleissaTiedonsiirto

328.8.2012

Valmistuksessa käytettävä primäärinikkeli

Building&Infrastructure

Transportation

Industrial machinery

Appliances&Electronic

Metal goods

• 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)

428.8.2012

Muutostekijät tulevaisuudessa yritysten businekselle

Uudentyyppiset lainsäädännön ja regulaatioiden kautta tulevat maksut, rajoitukset ja mahdollisuudet (esim sivuvirtojen jätestatuksen poistaminen)Raaka-aineiden hinnan vaihtelut entistä rajumpia. Raaka-aineiden keskinäisriippuvuudet, perusesimerkkinä nikkeli, joka heiluttaa teräksen hintaa. Kestävä raaka-ainehankinta legitimoi toimintaa. Raaka-aineteollisuuteen kohdistuvat ympäristötoimet nähdään tulevaisuudessa yhä enemmän liiketoimintapotentiaalina kuin kiusallisena haittana tai PR-toimintana.

528.8.2012

Ener

gia,

resu

rssi

t

CO2

Vesi

Tyypillinen materiaalin elinkaari

Raaka-aine

Alku-tuotanto

Puolivalmis-teet

Tuotanto

Käyttö

Kierrätys

Jätteet

628/08/2012

Ener

gia,

res

urss

it

CO2

Water

Keinoja ekotehokkuudenparantamiseksi:

VTT:n ekodesign-konsepti

Raaka-aine

Alkutuotan-to

Puolivalmis-teet

Tuotanto

Käyttö

Kierrätys

Jätteet

Materiaalit ja rakenteetsuunnitellaan

KorvattaviksiKestäviksiKierrätettäviksi

Tuotteiden valmistusValmistusjärjestelmät jaautomaatioUudet valmistus-konseptitDigitaalinen valmistus

Materiaalivirtojen optimointiUudetkierrätysteknologiatTeollinen symbioosiNollajäteyhteisö

728.8.2012En

ergi

a, r

esur

ssit

KOMPONENTTI & JÄRJESTELMÄ & TEOLLINEN

Raaka-aine

Primaryproduction

Puolivalmis-teet

Tuotanto

Käyttö

Kierrätys

Jauheet, tahnat, levitys

Ainetta lis. valmistus

CO2

Vesi

Automaatio

Monitorointi

Operatiivinen ICT

Teolliset palvelut

Teollinen symbioosi

Tuotanto Globaalit verkostot

Bio

Mineral

Ekodesign on laajennettava teolliselle tasolle

828.8.2012

Tarve: Kohti energiatehokasta liikennettäKuparin saatavuus

Sähköautossa kuparia 100-200 kgMaailmalla miljardi yksityisautoa (2010)

Lisäksi neodyymiä, kobolttia, samariumia ja litiumia magneetteihin ja akkuihinRatkaisu

Kuparin korvaaminen, esim.:Hiilikuitu, nanoteknologia (moottori)Langaton tiedonsiirto (kaapelit)

Kevyet materiaaliratkaisut alustassaKompakti, kevyt voimajohtoAkkumateriaalit

Edut:Energiatehokkaampi liikenne [kg/W]Energiaa käytetään liikenteeseen, ei raskaanajoneuvon kuljettamiseenNeodyymin, koboltin, samariumin ja litiumin käyttö vähenee

Case 1: Kupari sähkömoottorissa

VTT:n ekodesign-ratkaisu: Mallinnusavusteinensuunnittelu & uudenmoottorin optimointi sekämuut konseptitSuorituskyvyn, elinkaaren, ylläpitostrategian jasysteemitason linkitys

928.8.2012

Case 2: Nikkeli polttokattilassaTarve:

Vaativammat polttoaineet (jäte, biomassa, jne.) aikaansaavatagressiivisemman käyttöympäristön ja vaativammat olosuhteet käytetyillemateriaaleilleTavoitteena myös korkeammat polttolämpötilat ja tätä kautta korkeammanhyötysuhteen kattila

Tällä hetkellä vaativimpiin paikkoihin sovelletaan päällehitsattua pinnoitetta, jossaon suuret määrät nikkeliä. Myös niobia ja tantaalia löytyy tästä ratkaisusta.

RatkaisuTermisesti 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 materiaali-ja pinnoiterakennesuunnitteluSystemaattinen linkkisuorituskyvyn, eliniän, kunnossapitostrategioiden jaenergiatehokkaansysteemitason suunnittelun jaoperoinnin kanssa

1028.8.2012

Case 3: Painettu älykkyysOrgaaniset 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 optimaalinenLäpinäkyvä 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 talteensuuremmista tuotantoeristä.

1128.8.2012

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.

1228.8.2012

VTT - 70 years oftechnology for business

and society