Suomalaiset yritykset kiertotalouteen innovatiivisin liiketoimintamallein

Kestävien kiertotalouden liiketoimintamallien perusidea on tuottaa taloudellisen arvon lisäksi sekä ympäristöllistä että sosiaalista arvoa. Kiertotaloudessa keskeistä on pitää materiaalien ja tuotteiden arvo korkeana mahdollisimman pitkään. Tuotteiden suunnittelu entistä älykkäämmin lisäämällä niiden käyttöikää sekä muuttamalla tuotteiden roolia järjestelmässä ovat olennaisia, jotta päästään kiertotalouteen.

Siirtyminen tuotekeskeisestä toiminnasta kohti palvelujen tuotantoa tukee muutosta. Kun tuotteen omistajuus säilyy tuotteen valmistajalla, paranee samalla motivaatio tuotteiden eliniän pidentämiseen ja korjaaminen, uudelleenvalmistus ja resurssien entistä tehokkaampi käyttö ovat entistä tärkeämpiä.

Suomen Akatemian strategisen tutkimuksen CloseLoop-hankkeessa arvioidaan systemaattisesti uusien liiketoimintamallien kehittämiseen liittyviä haasteita sekä ideoidaan uusia kiertotalouden liiketoimintamalleja ja konsepteja suomalaisille yrityksille. Konsepteja kehitetään ja testataan yhdessä yritysten ja sidosryhmien, kuten loppukäyttäjien ja kuluttajien, kanssa.

Yhdessä älykkäästi kohti kiertotaloutta

Digitalisaatio ja esineiden internet eli IoT tarjoavat uusia mahdollisuuksia kiertotalouden liiketoimintamallien kehittämiseen ja toteuttamiseen. Tuotteista voidaan kerätä tietoa uudella tavalla ja valmistaja voi entistä paremmin olla perillä siitä, miten tuotetta käytetään, milloin tuote tarvitsee huoltoa ja milloin tuote on tulossa käyttöikänsä loppuun. Tämä mahdollistaa uusien palvelujen kehittämisen ja tuotteen ja sen materiaalien arvon optimoinnin. Toisaalta tämä lisää tuotteiden monimutkaisuutta ja sitä kautta tuo myös haasteita materiaalien ja komponenttien arvon ylläpitoon.

Yksittäinen yritys ei pysty ratkaisemaan liiketoimintaan liittyviä haasteita. Tarvitaan laajaa ymmärrystä eri osapuolten näkökulmista ja tarpeista. Pitää myös tarkastella, millaista arvoa liiketoiminta luo eri sidosryhmille sekä millaisia mahdollisuuksia löytyy lisäarvon luontiin. Tärkeää on myös tarkastella, mitä arvoa uusi liiketoiminta saattaa vähentää eri sidosryhmiltä. Tämän tarkastelun pohjalta voidaan kehittää malli yhteisen arvonluonnin optimoimiseksi.

Arvoa voidaan myös tarkastella monella tasolla ottamalla huomioon esimerkiksi taloudellinen, sosiaalinen ja ympäristöllinen arvo. Loppuasiakkaan saamaa arvoa pohdittaessa on keskeistä ymmärtää myös arvo uhrausten ja hyötyjen suhteena. Kiertotalous luo kysyntää uusille palveluille ja sitä kautta tarvitaan uusia toimijoita. Tällaisia ovat esimerkiksi tuotteiden kerääminen ja logistiikka, tuotteiden jälkimarkkinat sekä alustat, jotka mahdollistavat tuotteiden pidemmän iän tai korkeamman käyttöasteen.

Konkreettiset esimerkit kiertotalouden liiketoiminnasta

Millaista sitten on kiertotalouden periaatteita noudattava liiketoiminta? Kiertotalouden mukaisia liiketoimintastrategioita voidaan luokitella esimerkiksi näin [i]:

Kiertotalouden mukaisia liiketoimintastrategioita

Mistä vinkkejä kestävään ja kiertotalouden periaatteita noudattavaan liiketoimintaan?

British Standards Insitute on julkaissut toukokuussa 2017 uuden kiertotaloutta koskevan standardin BS 8001:2017 [ii]. Se tarjoaa ohjeita erityyppisille organisaatioille kiertotalouden periaatteiden toteuttamisesta toiminnassa. Standardi koostuu kahdesta osasta:

  1. Tietoa siitä, mistä kiertotaloudessa on kysymys ja miksi kiertotalouteen ja entistä kestävämpään toimintamalliin kannattaa siirtyä.
  2. Ohjeita, miten toteuttaa kiertotalouden periaatteiden mukaista toimintaa. Tämä osa on standardin keskeinen osa ja siinä kuvataan kiertotalouden periaatteet, joustava toteutusmalli sekä toteutusta tukeva ohjeistus.

Suomalaisia inspiroivia yritysesimerkkejä kiertotaloudesta on koottu Sitran sivustolle, jonne on tarkoitus koota 100 esimerkkiä suomalaisista kiertotalouden edelläkävijäyrityksistä vuoden 2017 loppuun mennessä. Nämä esimerkit on jaettu viiden kiertotalouden liiketoimintamallin mukaan.

Konkreettisia kansainvälisiä esimerkkejä löytyy nettisivustolta http://www.plan-c.eu/bmix/. Sivustolle on koottu kuvauksia erityyppisistä kestävistä liiketoimintamalleista ja esimerkkejä liiketoimintamallien toteutuksesta käytännössä. Sivusto esittelee kahdeksan kestävän liiketoimintamallin tyyppiä ja niihin liittyvät 100 esimerkkiä.

Liiketoiminnan kehittämiseksi tarvitaan uusia työkaluja

Liiketoiminta kiertotaloudessa on entistä verkottuneempaa sekä systeemisempää. Tästä syystä tarvitaan uusia työkaluja sekä innovointiin että olemassa olevan liiketoiminnan kehittämiseen. Kuvan tarkastelukehikko korostaa näitä aspekteja tarjoten holistisen kehittämisvälineen yrityksille.

Muutos kohti kiertotalouden mukaisia liiketoimintamalleja edellyttää tarkastelua eri tasoilla. Liiketoimintaympäristön muutokset voidaan huomioida arvioimalla kehitystrendejä ja muutoksen ajureita. Sidosryhmien osallistuminen tarkasteluun edistää yhteisen näkemyksen synnyttämistä. Liiketoiminnan tasolla tarkastellaan liiketoimintamallin keskeisiä elementtejä. Toiminnan vaikuttavuutta arvioidaan vaatimusten ja saavutettujen hyötyjen näkökulmasta. Tarkastelukehikko sisältää ajatuksen liiketoiminnan jatkuvasta arvioinnista kestävyyden ja kiertotalouden näkökulmasta. Muutoksia pitää arvioida ja liiketoimintamallia sovittaa muuttuneisiin olosuhteisiin.

Tarkastelukehikko

Liiketoimintamallien kehittämiseen soveltuva systemaattinen tarkastelukehikko [iii].

Teuvo Uusitalo VTT

Teuvo Uusitalo, erikoistutkija
Twitter: @TeuvoU

Maria Antikainen VTT

 

Maria Antikainen, erikoistutkija
Twitter: @MariaAntikainen

[i] Kraaijenhagen, C., van Oppen, C., Bocken, N., 2016. Circular Business. Collaborate and Circulate. Circular Collaboration.

[ii] BS 8001:2017. Framework for implementing the principles of the circular economy in organizations – Guide.

[iii] Antikainen, M., Valkokari, K., 2016. A Framework for Sustainable Circular Business Model Innovation. Technology Innovation Management Review 6.

Finnish companies make a shift to the circular economy with innovative business models

The basic idea of sustainable circular economy business models is to produce not only economic value, but also environmental and social value. In the circular economy, they key objective is to keep the value of materials and products high for as long as possible. To be able to make a shift to the circular economy, it is essential to design the products in a more intelligent way by increasing their service life and changing their role in the system.

A shift from product-focused activities towards production of services supports the transition. When the product manufacturer maintains the ownership of a product, this will, at the same time, increase the motivation to lengthen the service life of products, and make the repair, remanufacturing and increasingly efficient use of resources more important than before.

In the CloseLoop project of the Strategic Research Council of the Academy of Finland, challenges associated with the development of new business models are systematically assessed, and new circular economy business models and concepts are brainstormed for Finnish companies. These concepts are developed and tested in collaboration with companies and stakeholders, including end-users and consumers.

Towards the circular economy with collaborative intelligent approaches

Digitalisation and the Internet of Things (IoT) offer new opportunities for the development and implementation of circular economy business models. They enable the gathering of information on products in a new way. This provides the manufacturer with increased knowledge on how the product is being used, when the product needs maintenance, and when the product is nearing the end of its service life. This makes it possible to develop new services and optimise the value of the product and its materials. On the other hand, this also increases the complexity of products and thus brings challenges to the preservation of the value of materials and components.

An individual company cannot solve the challenges related to such business operations. What is needed is comprehensive understanding of the viewpoints and needs of various parties. One must also examine what kind of value the business operations create for various stakeholders and what kind of opportunities it offers for creating added value. It is also important to consider what kind of value the new business activities may reduce from different stakeholders. On the basis of such examination, the parties involved can develop a model for the optimisation of common value creation.

The question of value can also be examined at many different levels, taking into account such aspects as economic, social and environmental value. When considering the value received by the end customer, it is also essential to understand the value as a ratio between sacrifices and benefits. The circular economy creates demand for new services and, consequently, for new operators. Such services include collection of products and logistics, the secondary markets of products and platforms that enable longer service life or higher utilisation rate for products.

Concrete business cases of the circular economy

What are business activities conducted in line with the principles of the circular economy like then? For example, business strategies in line with the circular economy can be classified as follows [i]:

Circular economy business strategies

Where can one get tips for business activities in line with the principles of the sustainable and circular economy?

In May 2017, the British Standards Institute published the standard BS 8001:2017 [ii], a new standard on the circular economy. It offers guidelines for different types of organizations on how to implement the principles of circular economy in their operations. The standard consists of two parts:

  1. Information on what the circular economy is all about and why it is advisable to transfer to the circular economy and a more sustainable operating model than before.
  2. Guidelines on how to implement operations in accordance with the principles of the circular economy. This is the key part of the standard, describing the principles of the circular economy, a flexible implementation model and guidelines supporting the implementation.

The collection of circular economy business cases that may inspire Finnish operators have been collected on the Sitra website. The aim is to gather 100 examples of Finnish forerunner companies engaged in the circular economy on this site by the end of 2017. The examples have been divided in accordance with the five circular economy business models.

Concrete international business cases can also be found on the website http://www.plan-c.eu/bmix/. It brings together descriptions of sustainable business models of various types and examples on how such business models have been put to practice. The site presents eight ‘archetypes’ of sustainable business models and 100 real life business cases related to them.

New tools needed for the development of business activities

In the circular economy, business activities are more networked and systemic than before. Therefore, new tools are needed for both innovation and the development of existing business operations. The examination framework in the figure below emphasises these aspects, providing a holistic development tool for enterprises.

The transition towards business models in line with the circular economy requires examination at various levels. Changes in the business environment can be taken into account by assessing the ongoing development trends and drivers of change. Stakeholder participation in the examination work promotes generation of a shared view on the matter. At the level of business operations, the examination focuses on the key elements of the business model. The impact of operations is assessed from the viewpoints of requirements and the benefits achieved. The examination framework entails an idea of continuous assessment of business activities from the perspective of sustainability and the circular economy. Any changes need to be assessed, and the business model adjusted to the changed circumstances.

Examination framework

A systematic examination framework suited for
the development of business models [iii].

Teuvo Uusitalo VTT

Teuvo Uusitalo, Senior Scientist
Twitter: @TeuvoU

Maria Antikainen, Senior Scientist
Twitter: @MariaAntikainen

[i] Kraaijenhagen, C., van Oppen, C., Bocken, N., 2016. Circular Business. Collaborate and Circulate. Circular Collaboration.

[ii] BS 8001:2017. Framework for implementing the principles of the circular economy in organizations – Guide.

[iii] Antikainen, M., Valkokari, K., 2016. A Framework for Sustainable Circular Business Model Innovation. Technology Innovation Management Review 6.

Avaruustutkimukseen sijoittaminen hyödyttää koko ihmiskuntaa

Mitä yhteistä on pikaliimalla, post-it-lapuilla ja mikroaaltouunilla? Arvasit oikein: niistä jokainen on keksitty vahingossa. Tutkijat työskentelivät jonkin muun ongelman parissa, mutta päätyivät havainnoimaan ilmiöitä, joiden pohjalta nämä hienot innovaatiot näkivät päivänvalon.

Space research

Kolme tärkeää huomiota: ensinnäkin vaikka kaikki edellä mainitut keksittiin vahingossa, ne silti tarvitsivat sopivat olosuhteet syntyäkseen. Toisin sanoen tutkimukseen oli panostettu työaikaa ja määrärahoja. Jos Harry Coover Jr:lla ei olisi ollut valtuutusta yrittää luoda aiempaa parempaa kiväärin tähtäintä, hän ei olisi ikinä keksinyt pikaliimaa.

Toisekseen nykypäivänä mahdolliset sivutuotteet otetaan huomioon jo tutkimusprojektia suunniteltaessa. Tutkimustulosten soveltamista laajempaan käyttöön kutsutaan teknologiasiirroksi.

Avaruusprojektit ovat valtavia hankkeita, joihin kuluu merkittäviä määriä työtunteja ja teknologista kehitystä. Usein kalleimpia teknologioita sovelletaan ensin satelliittipohjaisiin instrumentteihin, jotta sensoreista saataisiin irti paras suorituskyky. Teknologian saaminen satelliittiin ja taivaalle on pitkä tutkimus- ja laadunvarmistusprosessi.

Satelliiteissa hyödynnettävä huipputeknologia on tyypillisesti liian kallista käytettäväksi kuluttajatuotteissa saman tien. Tästä pääsemmekin kolmanteen ja viimeiseen huomioon: teknologiasiirto vie aikaa. Matka avaruudesta kuluttajille voi kestää 10, 20, jopa 30 vuotta. Vaiheet avaruus- ja kuluttajatuotteiden välillä sisältävät tyypillisesti ammatillisia, teollisia ja infrastruktuurisovelluksia. Ajan kuluessa myös teknologian hinta laskee, mikä tekee siitä paremmin kuluttajamarkkinoille sopivaa.

Esimerkkinä teknologiasiirrosta toimii MilliLab: VTT kehitti yhdessä DA-Designin (aiemmin nimeltään Ylinen Electronics) kanssa 70 gigahertsin millimetriaaltoalueen radiometrejä Euroopan avaruusjärjestön (ESA) Planck-luotainta varten. Alkujaan radiometrit suunniteltiin maailmankaikkeuden ensimmäisten vaiheiden ja myöhemmän evoluution tutkimista varten. Radiometrejä varten tarvittava tutkimus tehtiin vuosina 1997–2006. Tuona aikana kehiteltyjä teknologioita sovelletaan parhaillaan viidennen sukupolven (5G) matkapuhelinteknologioihin, jotka sisältävät myös millimetritaajuusalueita. Eli maailmankaikkeuden alkuvaiheiden tutkimisesta VR-videopuheluun isoäidillesi – ei huono!

Toinen sovellusalue millimetriaalloille löytyy näkövammaisten arjen helpottamisesta. Tutka havaitsee lähestyviä esteitä ja kommunikoi niistä käyttäjälle värähtelemällä tai ääniohjeilla. Maailmassa on n. 300 miljoonaa näkövammaista, joten tällekin sovelluskohteelle on markkinapotentiaalia.

Vaikka sykli alkuperäisestä millimetritutkimuksesta kuluttajatuotteisiin kesti siis ainakin 20 vuotta, oli se ehdottomasti sen arvoista! Lisäksi millimetriaaltoteknologia on vain yksi suomalainen esimerkki, jossa avaruustutkimuksen tärkeät investoinnit ja kehityshankkeet ovat johtaneet muihin sovellusalueisiin. Teknologiasiirto avaruudesta muille alueille on ollut suomalaisten tutkijoiden ja insinöörien ajatuksissa, kun he ovat osallistuneet avaruusohjelmiin. Ohjelmien takaisinmaksuaika on pitkä, mutta investoinnit kannattavat silti. Ilman näitä ohjelmia monet merkittävät keksinnöt jäisivät tekemättä ja siten myös siirtymättä kuluttajamarkkinoille.

Jos olet kiinnostunut kuulemaan lisää avaruusteknologioiden ja satelliittidatan hyödyntämisestä uusissa innovatiivisissa tuotteissa ja sovelluksissa, tutustu Nasa Europa Challengeen.

Tauno Vähä-Heikkilä VTTTauno Vähä-Heikkilä
tutkimusalueen johtaja

Investing in space research benefits the whole mankind

What do superglue, post-it notes, and the microwave oven have in common? You guessed it: they were all invented by accident. The researchers were working on something else, but came up with phenomena leading to these fine innovations, each of which has changed the world in its own way.

Space research

Three important points: first, even though all of these were invented by accident, they needed the proper circumstances in order to emerge. In other words, there had to be investments allocated in the research. If Harry Coover Jr. hadn’t have the mandate to try and invent a new kind of rifle sight during the World War II, he wouldn’t have ended up with discovering superglue.

Secondly, nowadays the potential by-products are taken into account already when planning the research projects. The process of expanding research results into wider usage is called technology transfer.

Space projects are huge efforts in terms of man hours and needed technologies. Often the most expensive technologies are first applied to satellite-based instruments in order to get the best performance out from sensors. It takes a long-term engineering development and qualification process to get new technology into an operating satellite.

High-end technologies are typically too expensive to be used in consumer related products right away after applied to space instruments. This brings us to the third and final point: technology transfer takes time. The road from space to consumer segment can take 10, 20, or even 30 years. Steps between space and consumer products often include professional, industrial and infrastructure applications. During that time technology also becomes cheaper which makes it more suitable for consumer products.

As an example of technology transfer, consider MilliLab: VTT together with DA-Design (formerly Ylinen Electronics) were responsible for the developments of European Space Agency’s (ESA) Planck surveyor 70 GHz millimeter wave radiometers for the Planck. They were initially intended to find out the early steps and further evolution of the Universe. This radiometer technology development and space qualification were mainly carried out in 1997–2006. Technologies developed at that time are now being applied to the fifth generation telecommunication systems (5G) which will also include millimeter wave frequency bands and technologies. So, from investigating the origins of the universe to enabling the virtual reality video call to your grandma – not bad!

Another application area for the millimeter waves is a radar sensor for visually impaired persons to help their everyday life. The radar senses approaching obstacles and information is guided to the user by vibrating or voice instructions. There are 300 million visually impaired people globally so there is significant market potential for this.

The cycle from original millimeter research to consumer products was 20 years and definitely worth it! The millimeter wave technology is just one example in Finland where important investments and developments for space technologies have been done in the past and later applied to other application areas. Technology transfer from space to non-space applications has been in minds of Finnish engineers when planning participation to space programs. Space programs are long-term developments and investment payback from consumer products takes time. However, without these investments, we would not have the scientific findings and technical competences ready to apply for new applications and products.

If you are interested in how to apply space technologies and satellite data into new innovative products and applications, check out The Nasa Europa Challenge.

Tauno Vähä-Heikkilä VTTTauno Vähä-Heikkilä
Vice President

Flexible energy consumption must be increased as part of the energy system – while bearing consumer needs in mind

Demand response appears a reasonable concept, from the viewpoint of both consumers and energy companies. It benefits consumers in the form of comfortable homes, lower costs and positive environmental impacts. The necessary technical prerequisites, such as intelligent energy metering and home automation, are already available in Finland. Nevertheless, we are not taking full advantage of the potential provided by demand response. Why is that? VTT is seeking a solution to this problem through its DyRES project (Dynamic platform for demand RESponse), which we discussed from the viewpoint of consumers in our previous blog post.

Introducing demand response in new area planning

Numerous experiments have been performed in the field of demand response. These typically involve demand response related to either electricity or heating, including individual devices such as electric boilers or room-specific temperature controls. A similar stepwise build-up can be seen in urban development, where the creation of residential areas was previously based on factors such as technical capabilities, cost structure, energy trade that was less open than today, legislation and just a minor emphasis on environmental considerations.

But what if a new urban area was planned as a whole from the early planning stages, instead of being built gradually one fragment at a time? This is now the norm in terms of construction technology, but does energy management still have room for improvement? One example of this approach, familiar to the authors of this blog post, is the Hippos project, a sports and wellness cluster currently under planning in Jyväskylä. At the turn of 2016/2017, we assessed the demand response potential for electricity in this area, in collaboration with Jyväskylä Energy Ltd. Our simulation results showed that energy cost savings of around 15 per cent could be achieved in this area, just by leveraging the demand response for electricity.

Hippos

The Hippos area, which is currently under planning in Jyväskylä, combines significant energy consumption, housing and traffic.

Although the assessment only covered electricity consumption, the energy system of the future would include considerably more, and more flexible, elements than today’s systems. As a result, it seems natural to extend our assessment not only to electricity, but also to heating and, as electric vehicles become more common, to traffic. This will also increase the potential benefits. Regional planning enables interaction between various actors, including matching one actor’s surplus with another’s deficit.

Modelling provides new information on demand response

Demand response is affected by changing external parameters and factors, such as the functioning of the energy market, legislation, integrated sources of energy and the opportunity of consumers to adjust their consumption. These parameters are highly dynamic and interactive. Since real-time use of all this information is virtually impossible without an efficient tool, VTT has developed the DyRES simulation platform that enables the optimal design and implementation of area-specific solutions.

Using this simulation platform, the most extensive work is carried out by the Apros process simulation software, whose applications have expanded in recent years from power plant and nuclear power processes to renewable energy and system assessments. In addition to embedded dynamics, Apros enables the accurate modelling of supply and consumption. Apros’s dynamic simulation model is controlled by an optimisation programme, whose role was aptly summarised by Jukka Aho, CEO of Leanheat, at the Fortum Digitalist Energy Forum in May: ”Why should humans compete with computers and decide on the best algorithm?”

 Numerous parameters form a complex entity that requires a simulation platform such as DyRES, which combines dynamic simulation with optimisation.

By combining two calculation methods – dynamic simulation and optimisation – we can respond much more accurately to practical issues than by using current off-the-shelf tools. Research projects also prefer self-built models (Neves et al. 2016), such as agent-based modelling. Based on this principle, the DyRES simulation platform can be used to model groups of households, devices and equipment via individual consumers making independent decisions.

DyRES simulation platform

The DyRES simulation platform takes account of the operating environment, including legislation, the energy market and weather conditions, as well as consumers’ behaviour and opportunities for flexible response, the increase in small-scale production,
and buildings’ characteristics and life cycles.

From simulation to practice − the consumer lies at the heart of new solution design

VTT participated in the Energy Efficiency 2.0 in Building seminar at Heureka on 22 May 2017. The seminar presentations included the experiences of Salusfin and S-Voima in implementing demand response. Even more importantly, the seminar brought together a comprehensive set of players needed to take demand response, and smart solutions in general, from paper into practice on an increasing scale. In addition to steering mechanisms, this requires input from researchers, constructors and building technology experts.  The seminar’s varied audience was asked what measures were needed to support the implementation of home automation. The result was probably a surprise to some: instead of technical methods, the audience regarded consumer training and communications as the key tools for this.

DyRES poll

The seminar audience regarded training and communications as the key tools in promoting demand response. Other favoured options included influencing building code and introducing usage-based pricing.

The survey results indicate that it is important to understand the whole: demand response as such and as a technology has no absolute value. Instead, its value stems from its role in the energy system and its ability to create added value for the user. For this reason, the DyRES simulation platform not only focuses on demand response, but combines it with decentralised production and the entire energy market – both at building and area level. To take full advantage of this tool’s potential, we need to bear the needs of consumers in mind. A good example of this is the Human Thermal Model (HTM) method developed earlier by VTT for assessing the individual thermal comfort experienced by different user groups. Data obtained from this method can also be used in the DyRES platform. If the consumer’s living comfort improves while peak power energy production output is reduced, consumers will find it rational to participate in demand response, including in the long term. To avoid burdening residents, demand response must be an automatic feature embedded in apartments. If the technology and its supply to customers is simple, its use can be increased through awareness building.

DyRES sign

Instead of technology, the implementation of demand response and other smart energy solutions starts with consumer needs, such as comfortable living, which in turn creates wellbeing. Communication will play a key role in increasing consumer awareness on the use of, and the added value brought by, demand response. The supply of smart solutions to consumers as an integrated part of home energy systems will enable a change in behaviour.

Demand response includes several elements − building technology and automation, regional planning, the use of technology at consumer level − all of which need to be taken into account in order to take full advantage of demand response’s potential. DyRES provides a platform that enables all the pieces to be put together.

Read more:  www.vttresearch.com/services/low-carbon-energy/ 

Elina Hakkarainen VTTElina Hakkarainen, Research Scientist
Twitter: @e_Hakkarainen

Tomi Thomasson VTT

Tomi Thomasson, Research Scientist

Mikko Jegoroff VTTMikko Jegoroff, Research Scientist

Sekundäärimateriaaleissa piilee hyödyntämätön potentiaali

Kiertotalouden näkökulmasta suuressa osassa tuotteita olisi vielä merkittävästi parannettavaa erityisesti materiaalivalintojen ja suunnittelun osalta. Lisäksi sekundäärimateriaaleissa piilee hyödyntämätön potentiaali.

Trendit vaikuttavat tuotteen kiertoon

European Environment Agency[1] on tuoreessa raportissaan ”Circular by Design”[2] arvioinut tuotetrendien vaikutusta materiaalin kiertoon. Raportti tuo esiin positiivisena trendinä modulaarisen suunnittelun, joka lisää tuotteiden elinikää helpon uudelleenvalmistuksen ja korjattavuuden ansiosta. Muita kiertotaloutta tukevia trendejä ovat tuotteiden ympärille kehitettävät palvelut ja jaettu käyttö.

Kiertotaloutta taas hidastavat tuotteiden monimutkaisuus, kompleksisuus ja toiminnallisuus. Toisaalta toiminnalliset materiaalit saattavat tehostaa materiaalin käyttöä, mutta yleisesti heterogeeniset ja kompleksiset materiaalit ja rakenteet ovat haasteellisia käyttää uudelleen ja kierrättää. Toisin sanoen kompleksisuuden ja funktionaalisuuden lisääntyminen haittaa usein materiaalien kiertoa.

3D-tulostus, esineiden internet ja kierrätysmarkkinoiden kehitys ovat esimerkkejä ”kuumista” trendeistä, joiden kohdalla vaikutukset jäävät EEA:n raportin mukaan vielä epäselviksi. Näistä trendeistä löytyy sekä positiivisia että kiertotalouden kannalta haastavia tekijöitä:

  • 3D-tulostus eli ainetta lisäävä valmistus mahdollistaa paikallisen tuotannon ja lisää materiaalitehokkuutta, mutta toisaalta räätälöidyt tuotteet voivat vaikeuttaa jaettua käyttöä ja monimateriaalituotteet materiaalin kierrätystä.
  • Esineiden internet mahdollistaa esimerkiksi tuotteiden seurantaa ja tuoteinformaation hallinnan, mutta voi johtaa monimutkaisempiin tuotteisiin ja kriittisiin materiaaleihin.
  • Kierrätysmarkkinat tukevat kierrätykseen liittyviä liiketoimintamalleja, mutta voimavarojen kohdistaminen kierrätykseen voi vähentää kannustimia tuotteiden ja materiaalien uudelleenvalmistukseen ja uudelleenkäyttöön.

Ei unohdeta sekundäärimateriaaleja

Olisiko edellä mainittujen trendien lisäksi hyvä tunnistaa sekundäärimateriaalien potentiaali?

Sekundääriraaka-aineilla ei ole yleistä määritelmää, mutta tyypillisesti ryhmään luetaan jätteet (esim. kaivosteollisuuden rikastushiekat), sivuvirrat ja sivutuotteet (esimerkiksi kuonat ja tuhkat) sekä muun valmistuksen ja prosessoinnin jäännösmateriaalit, tuotteiden eliniän aikaiset poistomateriaalit ja elinkaaren lopussa olevat tuotteet ja niiden materiaalit.

Jätteetön tuotanto ei aina ole mahdollista, sillä nykyisillä tuotantoprosesseilla syntyy jätettä tai sivutuotetta. Yllättävää saattaa olla todellisen hukkamateriaalin suuri määrä, varsinkin jos tuotannossa syntyy paljon sivuvirtoja suhteessa päätuotteeseen. Esimerkiksi raportin ”Growth within: a circular economy vision for a competitive Europe”[3] mukaan tavoitamme vain 5 % alkuperäisestä raaka-aineen arvosta ensimmäisen käyttökierron jälkeen. Aiommeko todellakin unohtaa hukkamateriaalit? Kestävyydestä ja ilmastosta puhuttaessa kiinnostus keskittyy usein kaasumaisiin ilmakehän päästöihin. Mutta entä kiinteät ”päästöt”?

Kannattaisiko meidän muuttaa näkemystämme tästä ”hukkamateriaalista” ja kutsua sitä tästä lähtien raaka-aineeksi tai materiaaliksi?

Voimmeko nostaa samalla rimaa? Sen lisäksi, että käytämme sekundäärimateriaalia esimerkiksi maanparannuksessa, tienrakennuksessa ja täyteaineena, voimme tähdätä korkean arvon materiaaleihin ja tuotteisiin tasavertaiseksi primäärimateriaalien rinnalle.

Ajatus hukkamateriaalin käytöstä ja hyödyntämisestä varsinkin toiminnallisena materiaalina on hyvä, mutta toteuttamisessa on edelleen suuria haasteita ja jopa uhkia, kuten mahdolliset myrkylliset ja vaaralliset ainesosat.

Hyötykäyttö vaatii osin muutosta ajattelutapaan, tutkimusta ja kehitystyötä, tieteellistä osaamista sekä pilottilinjoja kehityksen kaupallistamiseksi. Yhtä tärkeää on innostus, sitoutuminen, turvallisuusnäkökohdat, riittävä osaaminen ja kyky nähdä uusien avausten mahdollisuudet markkinoilla.

Ideoinnin ja teknisten haasteiden lisäksi meillä on luottamukseen, lainsäädäntöön tai verotukseen liittyviä haasteita, joiden ratkaiseminen riippuu yhteisestä tahtotilasta.

Materiaalitiedettä CloseLoop-projektissa

Tutkimme VTT:llä ratkaisuja kiertotalouteen ja suunnittelustrategioihin Suomen Akatemian strategisen tutkimuksen neuvoston CloseLoop-projektissa[4]. Tehtävämme on etsiä sekundääriraaka-ainetta korkean lämpötilan kestävään materiaaliin, sähkönjohtavaan materiaaliin sekä huokoiseen keraamiin. Tutkimuksen kohteena näihin sovelluksiin on alumiiniteollisuuden sivuvirta ja sähkö- ja elektroniikkaromun metallien talteenotossa syntyvä liuos sekä jäännösmateriaali. Kaikilta edellä mainituilta sovelluskohteilta ja niissä käytettäviltä materiaaleilta vaaditaan erityisiä teknisiä ominaisuuksia ja toiminnallisuutta. Tutkimme ja myös demonstroimme, miten sekundäärimateriaaleilla päästään primäärimateriaalien ohella korkean arvonsovelluksiin, jotta voimme tulevaisuudessa nähdä nämä materiaalivirrat varallisuutena eikä vain hukkamateriaalina.

Päivi Kivikytö-Reponen VTT

Päivi Kivikytö-Reponen
erikoistutkija
Twitter: @PaiviKivikyto

[1] https://www.eea.europa.eu/

[2] https://www.eea.europa.eu/publications/circular-by-design

[3] https://www.ellenmacarthurfoundation.org/assets/downloads/publications/EllenMacArthurFoundation_Growth-Within_July15.pdf

[4] http://www.closeloop.fi/

Discovering the unused potential of secondary materials

From the viewpoint of circular economy, a large share of products would still need improvements, particularly as regards the choice of materials and the case of residues. We also need to change our way of thinking and we need more information in order to leverage the unused potential of secondary materials.

Trends affect the product cycle

In its report “Circular by Design”[1], the European Environment Agency[2] examined the impact of product trends on product cycles. The report highlights a positive trend, modular design, which extends the life cycle of products with the help of easy remanufacturing and repairability. Other trends that support circular economy include the services developed around products and shared use, such as making the use of products more efficient.

The development of circular economy is slowed down by complex product design and increased functionality. On the other hand, functional materials may make the use of materials more efficient, but, generally speaking, heterogeneous and complex materials are difficult to reuse and recycle, especially if actions after end-of-life are not designed properly. In other words, increasing complexity and functionality hamper the cycling of materials.

3-D printing, the Internet of Things and the development of markets for recycling are examples of “hot” developing trends, the impacts of which still remain unclear from the viewpoint of circular economy: each one of the above-mentioned trends contains both positive and challenging factors:

  • 3-D printing, or other additive manufacturing technologies, enable local production and improve material efficiency, but, on the other hand, high level of customisation may make the shared use of the products involved more difficult, and the use of many materials in products can negatively impact their recyclability.
  • The Internet of Things (IoT) enables such functions as product tracking and product information management, but may contribute to increasing product complexity and use of critical product materials.
  • The markets for recycling support business models related to recycling, but focusing all resources on recycling may reduce incentives for remanufacture and reuse of products and materials.

Let us not forget the secondary raw materials

In addition to the trends described above, it is good to recognise the potential of secondary materials.

There is no general definition for secondary raw materials, but they typically include waste materials (e.g. mine tailings), side streams (e.g. slag and ashes), processing residues, material removed during product life cycle, and the products and their materials that have reached the end of their life cycle.

Waste-free production is not always possible, since the current production processes generate waste or side products, and the product life cycle is not necessarily very long. The large volume of waste material generated beside our actual product may come as a surprise to many. An example: according to report “Growth within: a circular economy vision for a competitive Europe”[3], we recapture only 5 percent of the raw material value after the first use cycle. Are we really going to forget these lost materials? When discussing sustainability and climate, the focus is often on gaseous air emissions. But what about the solid “emissions”?

Should we change our conception of such “waste material” and, from this point forward, start calling it raw material or material instead of waste?

Should we raise the bar higher? In addition to using secondary materials for such purposes as soil improvement, road construction and filler material, we could aim for high-added value materials and products given an equal status alongside primary materials.

The idea about using and utilising waste materials for functional purposes in particular is good, but there are still major challenges in making that happen, and also concerns such as potential hazardous substances.

The utilisation of secondary materials requires openness, a change in our way of thinking, research and development, scientific competence and pilot production lines. And even more important, contributing factors include enthusiasm, commitment, securing safety sufficient competence and the ability to see the potential of new initiatives in terms of business development both within industry and research.

In addition to idea generation and technical challenges, we are also facing challenges related to ways of thinking, trust, openness, value chain co-operation, markets, legislation and taxation, and getting them solved depends on our common will to do so.

Material science in CloseLoop project

At VTT, we study and develop solutions for circular economy and design strategies for circular products in the CloseLoop[4] project of the Strategic Research Council of the Academy of Finland. We seek, for example, a high-temperature-resistant material, an electroconductive material and a porous ceramic material processed out of secondary raw materials. We aim at finding such solutions utilizing aluminium industry side streams, waste electrical and electronic equipment residues, and other waste materials. All the applications mentioned above and the materials used for them need to have specific technical properties and be functional. We will demonstrate how customised high-added value applications can be produced using secondary materials alongside primary materials, so that, in the future, we could regard these material flows as assets.

Päivi Kivikytö-Reponen VTT

Päivi Kivikytö-Reponen
Senior Scientist
Twitter: @PaiviKivikyto

[1] https://www.eea.europa.eu/publications/circular-by-design

[2] https://www.eea.europa.eu/

[3] https://www.ellenmacarthurfoundation.org/assets/downloads/publications/EllenMacArthurFoundation_Growth-Within_July15.pdf

[4] http://www.closeloop.fi/