Yhden jäte on toisen raaka-aine: kuonasta kelpo hiilinielu
23.2.2011
Kun teollisuustuotanto suunnitellaan kestäväksi ja tarkastellaan suurina kokonaisuuksina, yhden teollisuuden alan jäte voi muuttua toisen alan raaka-aineeksi. Näin ajatellen esimerkiksi terästeollisuuden masuunikuonaa voisi käyttää hiilidioksidipäästöjen sitomiseen. Parhaimmassa tapauksessa sitomisreaktion tuotteesta voisi jalostaa paperiteollisuuden käyttämää päällysteainetta.
Luonnon ekosysteemiä matkiva ajattelutapa vaatii kuitenkin erittäin monimutkaisten kokonaisuuksien hahmottamista. Siihen ei perinteinen lineaarinen ongelmaratkaisu riitä – ainoastaan systeemiajattelulla päästään eteenpäin
Juuri päättynyt Suomen Akatemian tutkimusohjelma Kestävä tuotanto ja tuotteet (KETJU) on keskittynyt prosessiteollisuuden ja tuotantotekniikan suunnittelun perustutkimukseen. Neljä vuotta sitten alkanut ohjelma otti jo alussa yhdeksi tavoitteekseen "teollisen ekologian".
Teollisen ekologian järjestelmä on teollisten ja muiden toimijoiden muodostama kokonaisuus, jossa pyritään minimoimaan järjestelmän ulkopuolelta tarvittavia raaka-aineita ja energiaa. Samalla minimoidaan kokonaisuudesta syntyviä päästöjä ja jätteitä. Järjestelmän sisällä tarkastellaan elinkaarianalyysin avulla jokaista tuotetta, sen raaka-ainelähteistä ja valmistuksesta aina tuotteen käytön jälkeen tapahtuvaan hyödyntämiseen tai loppusijoitukseen kaatopaikalle.
Tutkimusohjelmaan kuuluu parikymmentä projektia, joista suurin on ProDOE, eli viralliselta nimeltään Ympäristömyönteinen tuotesuunnittelu dynaamisessa toimintaympäristössä nyt ja tulevaisuudessa – menetelmät ja työvälineet.
"ProDOE poikkeaa KETJU-ohjelman muista hankkeista siinä, että se on täysin poikkitieteellinen ja suurelta osin viety läpi ilman laboratoriotyötä", sanoo projektia johtanut Aalto-yliopiston Teknillisen korkeakoulun mekaanisen prosessi- ja kierrätystekniikan professori Kari Heiskanen.
Milloin jäte muuttuu takaisin välituotteeksi?
"Halusimme selvittää teollisuuden poisteita, siis sitä mitä tavallisesti kutsutaan jätteeksi. Mitä teknisiä mahdollisuuksia on hyödyntää poisteita, mitä investointeja hyödyntäminen vaatisi ja mitä ohjauskeinoja löytyisi hyödyntämisen lisäämiseksi? Olemme myös pohtineet sitä, milloin poiste lainsäädännöllisesti muuttuu jätteeksi ja millä edellytyksillä se voi muuttua takaisin teollisuuden välituotteeksi."
Selvitystyön kohteena oli Perämeren kaari, eli Porista alkava prosessiteollisuuden vyöhyke, joka jatkuu linjalla Kokkola – Raahe – Oulu – Kemi – Tornio ja vielä Ruotsin rannikkoa pitkin aina Sundsvalliin asti. Alueelta löytyy suuria metallurgisen teollisuuden laitoksia ja paljon paperiteollisuutta. Lisäksi Kokkolassa ja Harjavallassa on usean eri prosessiteollisuuden laitoksen klusteri.
"Lähtöhypoteesina oli, että metallurginen teollisuus on puristanut tehtaansa mahdollisimman tehokkaiksi. Syntyvän masuunikuonan määrää ei oikeastaan enää voi vähentää, koska prosesseissa liikutaan jo lähellä teoreettista rajaa", Heiskanen sanoo. "Mutta löytyisikö kuonalle käyttöä, jos ajatellaan poikittain rajojen yli?"
Hiilidioksidipäästöjä voi sitoa kuonaan
Tästä aihepiiristä löytyi jo meneillään oleva mielenkiintoinen tutkimus. Kuonan reaktiot hiilidioksidin kanssa ja sen käyttöä hiilidioksidin sitomiseen on jo pitkään tutkittu Teknillisen korkeakoulun energiatekniikan ja ympäristönsuojelun laboratoriossa professori Ron Zevenhovenin johdolla. Alkuun teollisuuden rahoittama tutkimus sopi hyvin yhdeksi osaksi ProDOE-projektia.
"Kuonat sisältävät poltettua kalkkia ja ovat ihan käyttökelpoisia hiilinieluja", Heiskanen selittää. "Sitoessaan hiilidioksidia eräät kuonalajit stabiloituvat, mikä helpottaa niiden kaatopaikkakäsittelyä. Toisia voi puhdistaa niin hyvin, että niistä saadaan poltetun kalkin tuotteita, mutta toistaiseksi näiden tuotteiden laatu ei ole ollut kohdallaan." Poltetun kalkin sitoessa hiilidioksidia syntyy saostettua kalsiumkarbonaattia (PCC), jota paperinvalmistuksessa käytetään sekä täyte- että päällysteaineena.
"Masuunikuona sisältää myös raskasmetalleja ja on siksi kaatopaikalle vietävää jätettä. Ryhmässämme pyrimme hapoilla liuottamaan kuonasta raskasmetallit, jotta saisimme kemiallisesti tarpeeksi puhtaan tuotteen", sanoo Aalto-yliopiston Teknillisen korkeakoulun energiatekniikan ja ympäristönsuojelun professori Carl-Johan Fogelholm.
Fogelholmin mukaan raskasmetallien liuotus on onnistunut laboratoriomittakaavassa ja useat teollisuusyritykset ovat kiinnostuneet tuloksista. ProDOE:n jälkeen tutkimustyö jatkuu Zevenhovenin johdolla Åbo Akademissa, missä seuraavaksi pitäisi rakentaa pieni laboratoriomittakaavan koelaitos.
"Jos kaikkea Suomessa syntyvää masuunikuonaa käsiteltäisiin näin, kuonamäärällä voisi sitoa viidestä kymmeneen prosenttia Suomen kaikista hiilidioksidipäästöistä", Fogelholm sanoo. "Toistaiseksi prosessimme vapauttaa enemmän hiilidioksidia kuin mitä se sitoo. Kehitystyöllä prosessista tulee kuitenkin hiilidioksidin nettositoja kymmenen vuoden sisällä."
Vain systeemiajattelulla pääsee eteenpäin
Heiskasen mukaan teollisuuden on vaikea toteuttaa tarvittavia investointeja tämäntyyppisille hankkeille. Tarvitaan ohjauskeinoja kannustimiksi.
"Hyöty naapurin jätteiden käytöstä on usein niin pieni, että pelkät taloudelliset syyt eivät välttämättä riitä investointipäätökseen. Kaikki parantavat ensisijaisesti vain omaa tuotantoaan, eikä ole tietoa siitä, miten naapurin jätteitä kenties voisi hyödyntää", Heiskanen sanoo. "Eikä mikään yritys ole valmis investoimaan tutkimukseen, missä tunnistettaisiin tällaisia hyödynnettäviä poisteita.".
"Tämän tutkimushankkeen haasteena oli materiaalitehokkuuden parantaminen teollisuudessa", Heiskanen toteaa. "Käytännössä olemme tässä on oppineet kompleksisuuden hallintaa. Mitä enemmän otetaan mukaan tarkasteltavaan taseeseen, sitä monimutkaisempi kokonaisuus, mutta sitä paremmin myös taloudellinen hyöty näkyy."
Kierrätyksen suunnittelussa luonnontiede asettaa reunaehdot. Täydellisen reversiibeliä reaktiota ei ole olemassakaan, joten mikään reaktio tai prosessi ei ikinä ole täysin palautuva – aina syntyy jossain määrin hävikkiä. Lisäksi kierrätettävän materiaalin laatu vaikuttaa sen määrään: kun materiaalin laatua yritetään parantaa, kierrätyksen saanto vähenee.
"Kompleksisuuden hallintaan halusimme tuoda mukaan systeemiajattelua ja siinä saimme apua matemaatikoilta. Tavallisella lineaarisella ajattelulla ongelmat siirretään vain eteenpäin jonnekin muualle. Tällaisten kokonaisuuksien hallintaan lineaarinen ajattelu ei riitä – vain systeemiajattelulla pääsee eteenpäin", Heiskanen toteaa.
"Yliopistoilla on tapana opettaa vain lineaarista ajattelua ja yksinkertaisia ratkaisuja. Itsekin olen oppinut tästä paljon", Heiskanen sanoo. "Oma ajatteluni on nyt hyvin erilainen kuin projektin alussa, tämän olisi vain pitänyt tulla kymmenen vuotta sitten."
ProDOE-projektin johtoon ovat Heiskasen ja Fogelholmin lisäksi kuuluneet Teknillisen korkeakoulun prosessiteollisuuden ympäristötekniikan professori Olli Dahl, Oulun yliopiston prosessimetallurgian professori Jouko Härkki, Helsingin yliopiston ympäristöoikeuden professori Ari Ekroos ja Helsingin yliopiston ympäristöpolitiikan professori Janne Hukkinen.
Teksti ja henkilökuvat: Harriet Öster
Kuvituskuvat: Pixmac.fi