Raw materials a challenge as climate change worsens

Raw materials are needed in every industrial sector and in everyday life. Many of the current technologies and increase of the middle class are having a fundamental effect on the availability of raw materials.

New raw materials, which differ from those used in the traditional energy sector, are needed for new energy technologies – solar power, wind power and energy storage. Our raw material needs are changing by increased use of electronics, mobile phones and electric cars.

These were among the issues discussed at the Minerals Circular Economy Seminar held in the Satakuntatalo in Helsinki on 8 November 2016. The seminar was part of VTT’s Mineral Economy spearhead programme. The R&D work we have done so far felt worthwhile and received positive feedback, however much work has still to be done. A new VTT Research Highlights publication was released at the event: “Added value from responsible use of raw materials”. It is freely downloadable from the internet: http://www.vtt.fi/inf/pdf/researchhighlights/2016/R13.pdf

A product’s environmental impacts are largely determined at the design stage

Resource-efficient product design is not new: its principles were found in design guidelines from the 1930s.

fig2_david_peck

Despite the fact that we know how to take account of reusability and recyclability in theory, products are becoming more and more difficult to recycle in practice, said David Peck (TUDelft, the Netherlands) in his presentation. We are also becoming more dependent on critical raw materials, because almost all functions depend on automatic data transmission and electronics. At the same time, we have become much less able to repair electronic products. This is a situation in which longer-term interruptions in the availability of certain raw materials could lead to serious problems in the basic functions of society.

Many valuable materials are not recycled

Electronics contain many raw materials that are classified as critical or otherwise valuable, some of which are not recycled at all, explained John Bacher in his presentation. The challenge lies in the cost-effective recovery of raw materials that occur in small quantities from heterogeneous and variable material flows. Multiple-stage collection and recycling chains also lead to considerable losses of raw materials, e.g. to dust from material crushing operations.

fig3_john_bacher

Several of the presentations referred to the possibility of more efficient processes for the exploitation of raw materials, more efficient recovery, resource-wiser production, and the utilisation of current waste and side streams throughout the value chain. Side streams and currently landfilled waste could be viewed as by-products; achieving the maximum possible increase in their value would enable their more efficient use.

Renewable energy is increasing the need for critical raw materials

The Minerals in Circular Economy Panel (Ilkka Kojo, Outotec; Raimo Lahtinen, GTK; Olli Salmi, EIT Raw Materials Baltic Sea CLC; Erja Turunen, VTT and Maria Wetterstrand) concluded that metals and mineral raw materials will continue to be important in the future. For example, increasing quantities of critical raw materials will be consumed during the generation and storage of renewable energy.

fig4_paneeli

Because renewable energy devices have long lifespans, the stocks of raw materials in use will grow.  We need to use R&D and seize the opportunities offered by digitalisation to find solutions for the sustainable use of raw materials, to avoid eventually having to seek raw materials beyond our own planet.  But all this will not succeed without the support of political decision-makers and consumers.

Mineral Economy spearhead programme is generating technological innovations  

Technological innovations emerging from VTT’s Mineral Economy programme are creating the basis of the circular economy. This meanssmart product design, reuse and remanufacturing, material recycling, alongside a waste-free approach and the added value use of current side streams and waste.

The programme aims to enhance the national and international visibility of VTT’s raw material and material research. Program also contributes to the activities of EIP Raw materials, PROMETIA (the Mineral Processing and Extractive Metallurgy for Mining and Recycling Innovation Association) and EIT Raw Materials and H2020 projects.

Authors:

paivi_kivikyto-reponen

Päivi Kivikytö-Reponen, DSc (Technology), Senior Scientist, Manager of the Minerals Economy Programme

At VTT, Päivi Kivikytö-Reponen works on lifecycle solutions, materials from secondary sources, design and wear of industrial materials. She has around 20 years of experience of materials-based product development, research and quality assurance within industry, university and research institute.

 

Ulla-Maija_Mroueh

Ulla-Maija Mroueh, Principal Scientist

Ulla-Maija Mroueh is a Principal Scientist at VTT. Her research focuses include recycling and waste utilisation concepts, production and consumption chains for mineral raw materials, raw material cycles and management of the environmental impacts of mines. She has over thirty years of experience of both international and Finnish research projects in this area.

Raaka-aineet haasteena ilmastonmuutoksen edetessä

Raaka-aineita tarvitaan jokaisella teollisuuden sektorilla sekä ihmisten arkielämässä. Moni nykyisistä yhteiskunnallisista murroksista vaikuttaa oleellisesti raaka-aineiden saatavuuteen.

Uudet energiateknologiat – aurinkoenergia, tuulivoima, energian varastointi – tarvitsevat uusia raaka-aineita, jotka poikkeavat perinteisen energiasektorin raaka-aineista. Elektroniikka, kännykät ja sähköautot ovat muuttaneet raaka-ainetarpeita, ja keskiluokan kasvaessa varsinkin Aasiassa murroksen raaka-ainekentässä odotetaan vain lisääntyvän.

Muun muassa näistä asioista kuulimme 8.11.2016 Mineraalit kiertotaloudessa -seminaarissa Satakuntatalolla Helsingissä. Kyseessä oli VTT:n mineraalitalouden kärkiohjelman seminaari, ja sen ajankohtaiset esitykset herättivät vilkasta keskustelua. Päivän anti oli positiivinen, mutta paljon lisää työtä tarvitaan. Tähän mennessä tekemämme t&k-työ VTT:llä tuntui arvokkaalta ja sai hyvää palautetta. Tapahtumassa julkaistiin uusi VTT Research Highlights -julkaisu: Added value from responsible use of raw materials. Se on vapaasti ladattavissa verkosta: http://www.vtt.fi/inf/pdf/researchhighlights/2016/R13.pdf

Tuotteen ympäristövaikutukset määräytyvät pitkälti jo suunnitteluvaiheessa

Resurssitehokas tuotesuunnittelu ei ole uusi asia: sen periaatteet löytyvät jo 1930-luvun suunnitteluohjeista.

fig2_david_peck

Huolimatta siitä, että teoriassa tiedetään, miten uudelleenkäytettävyys ja kierrätettävyys tulisi ottaa huomioon, käytännön tasolla päädytään yhä vaikeammin kierrätettäviin tuotteisiin, totesi David Peck (TUDelft, Alankomaat) esityksessään. Käytännössä myös riippuvuutemme kriittisistä raaka-aineista kasvaa, koska lähes kaikki toiminnot ovat riippuvia automaattisesta tiedonsiirrosta ja elektroniikasta. Samanaikaisesti valmiutemme elektroniikkatuotteiden korjaukseen on heikentynyt voimakkaasti, jolloin pidempiaikaiset katkot tiettyjen raaka-aineiden saatavuudessa voivat aiheuttaa vakavia ongelmia yhteiskunnan toiminnoille.

Moni arvoaine jää kierrättämättä

Elektroniikka sisältää paljon kriittiseksi luokiteltuja tai muuten arvokkaita raaka-aineita, joista osa jää nykyisin lähes kokonaan kierrättämättä, kertoi John Bacher esityksessään. Haasteena on pieninä pitoisuuksina esiintyvien raaka-aineiden kustannustehokas talteenotto heterogeenisesta ja muuttuvasta materiaalivirrasta. Raaka-ainehäviöt monista toimintovaiheista koostuvissa keräys- ja kierrätysketjuissa ovat myös huomattavat. Yksi häviölähteistä on materiaalien murskauksessa syntyvä pöly.

fig3_john_bacher

Useassa esityksessä mainittiin mahdollisuus tehokkaampiin raaka-aineiden hyödyntämisprosesseihin, tehokkaampaan talteenottoon, resurssiviisaampaan tuotevalmistukseen sekä koko arvoketjun varrella nykyisin syntyvien jätteiden ja sivuvirtojen hyödyntämiseen. Sivuvirrat voisi nähdä sivutuotteina, joille mahdollisimman suuri arvon nousu mahdollistaa myös tehokkaamman hyödyntämisen.

Uusiutuva energia lisää kriittisten raaka-aineiden tarvetta

Mineraalit kiertotaloudessa -paneeli (Ilkka Kojo, Outotec; Raimo Lahtinen, GTK; Olli Salmi, EIT Raw Materials Baltic Sea CLC; Erja Turunen, VTT ja Maria Wetterstrand) totesi, että metallit ja mineraaliset raaka-aineet tulevat olemaan tärkeitä myös tulevaisuudessa. Esimerkiksi uusiutuvan energian käyttö ja varastointi tulevat kuluttamaan yhä enemmän kriittiseksi luokiteltuja raaka-aineita.

fig4_paneeli

Koska laitteiden elinikä on pitkä, käytössä olevat raaka-ainevarastot tulevat kasvamaan. Tutkimuksen ja kehityksen kautta ja digitalisaation mahdollisuuksia hyödyntäen pitäisi löytää ratkaisuja raaka-aineiden kestävään käyttöön, jotta tulevaisuudessakaan ei tarvitse lähteä etsimään raaka-aineita maapallon ulkopuolelta.  Tämä ei kuitenkaan onnistu ilman poliittisten päättäjien ja kuluttajien myötävaikutusta.

Mineraalitalouden kärkiohjelma tuottaa teknologisia innovaatioita  

VTT:n mineraalitalouden ohjelmassa tuotetut tekniset innovaatiot luovat pohjaa kiertotaloudelle. Tämä tarkoittaa raaka-aineiden, materiaalien ja tuotteiden kierron järkevää suunnittelemista, tehostamista, pitkäikäisyyttä sekä kierron sulkemista, jätteettömyyttä, sivuvirtojen ja jätteiden hyödyntämistä.

Ohjelma pyrkii lisäämään VTT:n raaka-aine- ja materiaalitutkimuksen kansallista ja kansainvälistä näkyvyyttä ja on mukana EIP Raw materialsin, PROMETIAn (Mineral Processing and Extractive metallurgy for mining and recycling innovation association) ja EIT Raw Materialsin toiminnassa. Konkreettisina aktiviteetteina ovat muun muassa EIP Commitmentit ja H2020-projektit.

 

Kirjoittajat:

paivi_kivikyto-reponen

Päivi Kivikytö-Reponen, tekniikan tohtori, erikoistutkija, Mineraalitalous-kärkiohjelman päällikkö

Päivi Kivikytö-Reponen työskentelee elinkaariratkaisujen, uusio- ja sekundäärimateriaalien sekä teollisten materiaalien kehityksen, suunnittelun ja kulumisen parissa VTT:llä. Hänellä on noin kahdenkymmen vuoden kokemus materiaaleihin liittyvästä tuotekehityksestä, tutkimuksesta ja laadunvarmistuksesta sekä teollisuudessa, yliopistoissa että tutkimuslaitoksessa. Tällä hetkellä häntä kiinnostaa erityisesti tuotteiden suunnittelu kiertotalouteen, elinkaaren pidentäminen sekä tuotteiden resurssitehokkaat elinkaariratkaisut – erityisesti metalli-, keraami- ja komposiittituotesektoreilla.

 

Ulla-Maija_Mroueh

Ulla-Maija Mroueh, johtava tutkija

Ulla-Maija Mroueh työskentelee VTT:llä johtavana tutkijana. Hänen keskeisiä tutkimusalueitaan ovat kierrätys- ja jätteidenhyödyntämiskonseptit, mineraalisten raaka-aineiden tuotanto- ja käyttöketjut, raaka-ainekierrot ja kaivosten ympäristövaikutusten hallinta. Hänellä on yli kolmenkymmenen kokemus tämän aihealueen kansainvälisistä ja kotimaisista tutkimushankkeista.

Kiertotalous – suunnittelun rooli ja mahdollisuudet Suomen vientiteollisuudelle


EU-komissio julkaisi eilen 2.12.2015 uuden kiertotaloutta koskevan aloitepaketin.  Paketti sisältää komission tiedonannon kiertotalouden toimintaohjelmasta sekä ehdotuksen kuuden jätealan direktiivin muuttamiseksi. Uuden kiertotalouspaketin keskeisenä tavoitteena on suunnitella ja valmistaa materiaalit ja tuotteet siten, että niiden elinikää pidennetään, niitä voidaan uudelleen valmistaa ja käyttää ja lopulta materiaalit sekä tuotteet voidaan kierrättää mahdollisimman kauan niiden arvo säilyttäen. Myös uusiomateriaalien, kierrätysmateriaalien ja sekundäärimateriaalien kysynnän vahvistamista pidetään tärkeänä tavoitteena. Uskon, että Suomella on mahdollisuus kiertotalouden kärkimaaksi omaksumalla uusi ajattelumalli ja tuomalla rohkeasti uusia innovaatioita ja toimintatapoja käytäntöön.

Suunnitteluinsinööri määrittelee jopa 80% tuotteen elinkaaren aikaisista ympäristövaikutuksista ja kustannuksista  – sitä pienemmästä summasta 80 % lasketaan, mitä enemmän suunnittelija pystyy tuotteen kokonaiselinkaaren suunnitteluun. Miettimättä jättäminen on pelottava skenaario. Energian, materiaalien ja jätteen määrän vähentäminen lisää kaivattuja kustannussäästöjä ja bonuksena alentaa myös kasvihuonekaasupäästöjä.

Osin lainsäädäntö ja direktiivit ohjaavat pakotetusti toimintaa, osin markkinatalous liittyen materiaalienja raaka-aineiden niukkuuteen tai kriittisyyteen, joka on suoraan verrannollinen hintaan. Rohkealla etunojalla kiertotalouden liiketoiminnassa saavutetaan positiivista liiketulosta esimerkiksi tuotteiden jätevirtojen vähentämisellä, halvempia (sekundääriset, sivuvirrat) raaka-aineita hyödyntämällä, ennakoivalla tai ennustavalla huollon, korjausten ja päivitysten oikea-aikaisella suorittamisella, uudelleen valmistuksen ja uudelleen käytön ja kierrätyksensuosimisella sekä kestävän kehityksen brändin vahvistamisella. Moni firma kertoo olevansa clean tech -osaaja, eikö juuri tässä juuri nyt ole näytön paikka?

Suomelle luvattuna insinöörien maana mahdollisuudet avautuvat nimenomaan kiertotalouden suunnittelun ja valmistuksen kautta. Tuon alla esille hyviä käytännön esimerkkejä kiertotalouden hyödyntämisestä:

  1. Teräksestä valmistetut tuotteet soveltuvat hyvin kiertotalouden periaatteisiin: korkean lujuuden omaavan ja kestävän materiaalin keventäminen, uudelleen valmistus ja uudelleen käyttö onnistuu sekä kierrätys toimii.
  1. Metallurgisen teollisuuden sivuvirroille on kehitetty teollisia symbiooseja ja uusia käyttömahdollisuuksia. Niin sanottujen sekundäärimateriaalien arvonnousu toisessa käyttökohteessa on oleellinen osa kiertotaloutta.
  1. Raskaisiin työkoneisiin liittyvänä kiertotalousesimerkkinä löytyy Caterpillar uudelleen valmistuksen ja komponenttien uudelleenkäytön saralla.

Mitä kaikkea sitten voisivat olla kiertotalouden suunnittelun innovaatiot? Kiertotalouden suunnittelu edellyttää moniulotteisen maailman hallitsemista ja vaihtoehtoisten skenaarioiden luomista, tuotteen riittävän suorituskyvyn takaamista luotettavasti, mutta kustannustehokkaasti. Liian hyvästä suorituskyvystä kukaan ei ole valmis maksamaan yhtään ylimääräistä.  On mentävä pintaa syvemmälle ja tuotava uusia kompetensseja tuotesuunnittelun keskiöön, haastettava syvällinen materiaaliosaaminen ja -kehitys yhteistyöhön tuotesuunnittelun ja valmistustekniikan kanssa. Entäpä jos esimerkiksi kulutusta kestävä, tiivis pinnoite olisi käyttöolosuhteista merkittävästi poikkeavalla kuormituksella helposti irrotettavissa alustakomponentistaan, kun pinnoitteen uusiminen tulee ajankohtaiseksi? Näin helpotettaisiin sekä uudelleen pinnoittamista, että vanhan pinnoitteen arvoaineiden uudelleen käyttöä.

VTT:n innovaatio-ohjelma, Mineraaliekonomia, tuottaa kiertotalouden teknologisia innovaatioita. Tulevana vuonna ohjelma keskittyy kokonaisvaltaiseen kiertotalouden ratkaisujen tuottamiseen yhdistäen kiertotalouden suunnittelun, liiketoimintamallit ja ennakoinnin. Ohjelma on keskittynyt raaka-aineiden ja materiaalien koko arvoketjun innovointiin. Teknologista osaamista on kartutettu muun muassa arvoaineiden talteenotosta köyhistä ja kompleksisista lähteistä, kierrätyksestä, sekundääripohjaisten materiaalien suunnittelusta ja valmistuksesta, kestävästä materiaalisuunnittelusta ja elinkaaren arvioinnista.

Päivi Kivikytö-Reponen

Erikoistutkija ja VTT:n Mineraaliekonomia innovaatio-ohjelman johtaja