Uutiset

Arvometallit kiertotalouden piiriin

Miten saada akkujen arvoaineet talteen? Millä korvata vismutti, telluuri ja moni muu harvinaisuus? Näitä selvitetään CloseLoop-hankkeessa.
Dissolution and precipitation of rare earth elements in the CloseLoop project.

”Kiertotalous mielletään usein biotaloudeksi ja jätteiden kierrättämiseksi. CloseLoopissa me tuomme esiin arvometallit tärkeänä osana kiertotaloutta”, sanoo professori Maarit Karppinen kemian ja materiaalitieteen laitokselta.

CloseLoop on Aalto-yliopiston, VTT:n ja Helsingin yliopiston Kuluttajatutkimuskeskuksen yhteinen tutkimushanke. Sen pontimena on maailmalaajuinen huoli arvokkaiden metallien riittävyydestä.

Aalto-yliopistossa keskitytään energiavarastoina käytettävien litiumpohjaisten akkujen kemikaalien ja arvometallien jalostus- sekä kierrätysprosessien tutkimiseen ja kehittämiseen. Toisena tutkimuskohteena ovat lämmöstä sähköä tuottavat termosähköiset laitteet.

Räätälöityjä prosesseja

Litiumakkujen kysyntä kasvaa voimakkaasti, kun liikenne sähköistyy ja akkuja käytetään myös sähköverkoissa energiavarastoina.

”Litiumista vain alle prosentti saadaan kierrätettyä. Vaikka vain kolmannes autokannasta muutettaisiin sähköautoiksi, litiumin tuotanto pitäisi moninkertaistaa”, toteaa asiantuntija Pertti Kauranen kemian ja materiaalitieteen laitokselta.

Akuistakin vain viitisen prosenttia saadaan kiertoon. Samalla hukataan litiumin lisäksi akkujen sisältämiä muita metalleja, kuten nikkeliä ja kobolttia. Koboltti kuuluu niin kutsuttuihin kriittisiin raaka-aineisiin, jotka Euroopan komissio on listannut viimeksi 2017.

Kriittisiksi luokiteltuja materiaaleja käytetään akuissa, televisioissa, sähköautoissa, polttokennoissa, kestomagneeteissa, ledeissä, lasertekniikassa, aurinkopaneeleissa ja monissa muissa teknisissä sovelluksissa.

Kemian tekniikan ja metallurgian laitoksella tutkitaan litiumin ja muiden arvometallien jalostus- ja talteenottoprosesseja sekä kehitetään täysin uusia kierrätysprosesseja. Monivaiheisissa prosesseissa yhdistetään mekaanisia menetelmiä sekä korkealämpötila- ja liuoskemiaa.

”Prosessit räätälöidään eri raaka-aineille. Sitä tehdään jo, kun lähtökohtana ovat erilaiset neitseelliset malmit, rikasteet ja nykyisin kierrätettävät materiaalit. Samanlainen ja entistä parempi räätälöinti pitää tehdä myös uusille kierrätysmetalleille”, sanoo apulaisprofessori Mari Lundström.

Lundströmin mukaan laitoksella tehdään paljon soveltavaa tutkimusta ja tiivistä yhteistyötä teollisuuden kanssa. Se antaa hyvät eväät metallien kiertotalouden kehittämiselle.

Korvaavia materiaaleja

Termosähköisessä ilmiössä materiaalin lämpimämmän ja kylmemmän pään välinen lämpötilaero tuottaa sähköenergiaa. Visiona on muuntaa teollisuudesta, liikenteestä ja vaikkapa ihmisistä syntyvää hukkalämpöä sähköksi. Sähköenergia voitaisiin varastoida akkuihin.

Sähköä tuottavassa termoparissa käytetään nykyään materiaaleina vismuttia ja telluuria sisältäviä yhdisteitä. Kummatkin alkuaineet ovat suhteellisen harvinaisia, ja telluuri on luokiteltu kriittiseksi alkuaineeksi. Termopari tuottaa sähköä verrattain huonolla hyötysuhteella, mikä on hidastanut uusien sovellusten kehitystä. Materiaalien huono lämmönkestävyys on ongelma esimerkiksi liikenteen hukkalämpöä käyttävissä sovelluksissa.

”Jos sovellukset lisääntyvät paljon, telluurin harvinaisuus voi muodostua ongelmaksi. CloseLoopissa pyrimme löytämään ratkaisuja, joissa vismutti ja telluuri korvataan paremmin saatavilla olevilla raaka-aineilla. Esimerkiksi sinkkioksidi on yleinen, turvallinen ja hyvin lämpöä kestävä materiaalivaihtoehto”, Maarit Karppinen sanoo.

Suunniteltu kierrätettäväksi

Akustoihin perustuvien sähköauto- ja sähköverkkosovellusten laajamittainen lisääminen on tutkimushankkeen vetäjien mukaan mahdollista vain, mikäli akkujen suunnitteluun, valmistukseen ja käyttöön sovelletaan kiertotalouden periaatteita.

”Kyse on perustavanlaatuisesta systeemitason ja ajattelutavan muutoksesta. Siinä vaaditaan uudenlaista tavoitteen asettelua ja uusia suunnittelumenetelmiä. Yritysten pitää muuttaa liiketoimintansa painopiste tuotteiden myynnistä elinkaaripalveluiden tuottamiseen. Laitteista pitää tehdä kestäviä, helposti huollettavia ja korjattavia ”, Pertti Kauranen sanoo.

CloseLoopissa VTT tutkii muun muassa, miten kiertotalousajattelu muuttaa yhteiskuntaa ja vaikuttaa tuotteiden suunnitteluun. Helsingin yliopisto tutkii kuluttajien suhtautumista kiertotalouteen sekä niitä keinoja, joilla kulutuskäyttäytymiseen voitaisiin vaikuttaa.

Tutkimuksen haasteena on löytää kiertotalouden periaatteiden mukaisia ratkaisuja, jotka ovat teknisesti yhtä toimivia kuin neitseellisistä raaka-aineista tehdyt tuotteet. Lisäksi tuotteiden pitää olla hinnaltaan kilpailukykyisiä ja saada hyväksyntä kuluttajilta.

”Kierrätettävyys tuo uutta näkökulmaa myös materiaalien kehittämiseen ja tutkimukseen. Sen sijaan, että ajateltaisiin vain yksittäisten materiaalien ja tuotteiden parasta mahdollista suorituskykyä, tulee tarkastella myös materiaalien riittävyyttä ja koko elinkaarta”, Maarit Karppinen tähdentää.

Hän nostaa esiin vuorovaikutuksen merkityksen opetuksessa. Kun opiskelijoille esitellään uudenlaisia ajatusmalleja, voidaan varmistaa, että myös kiertotalous kehittyy.

Tiivistä yhteistyötä

CloseLoop-hankkeen kumppanukset julkaisivat tammikuussa 2018 päätöksentekijöille suosituksen Suomi kestävän akkutuotannon ja kiertotalouden mallimaaksi. Sen mukaan Suomeen voitaisiin houkutella akkuteollisuuden investointeja aktiivisella teollisuuspolitiikalla ja alan toimijoiden tiiviillä yhteistyöllä. Suuren akkutehtaan investointi olisi miljardiluokkaa.

Houkuttelevuutta lisää vahva metallurginen osaaminen ja monipuolinen kaivosteollisuus. Suomi on Euroopan suurin litiumakuissa käytettävien nikkelin ja koboltin tuottaja. Hanke litiumin jalostustuotannon käynnistämiseksi on jo vireillä. Suomessa valmistetaan myös akkukemikaaleja.

”Yritysten ja yliopistojen pitäisi tiivistää yhteistyötä entisestään. Suomella on ainutlaatuinen lähtökohta kierrätysteknologiaan perustuvan teollisuuden kehittämiseksi”, Mari Lundström sanoo.

CloseLoop 
•    Aalto-yliopiston, VTT:n ja Helsingin yliopiston Kuluttajakeskuksen yhteinen hanke.
•    Tutkii suljettujen materiaalikiertojen teknologioita, kiertotalouden uusia liiketoimintamalleja ja kuluttajien toimintaa kiertotaloudessa.
•    Projekti ajoittuu vuosille 2016–2019. Suomen Akatemian Strategisen tutkimuksen neuvosto rahoittaa hanketta 3,6 miljoonalla eurolla. Rahoituksesta lähes puolet suunnataan Aalto-yliopistolle.
•    Tavoitteena on nostaa korkean jalostusarvon teknologioiden kiertotalousosaaminen yhdeksi Suomen talouden keihäänkärjistä.

Teksti: Timo Hämäläinen. Kuva: Glen Forde.

Artikkeli on julkaistu Aalto University Magazinen numerossa 22 (issuu.com) huhtikuussa 2018.

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

Autonominen A!ex-auto kuvattuna valoisassa autohallissa ympärillään viisi tutkijaa kesäisissä vaatteissa ja kasvoillaan maskit. Valkoisen auton katolla on tekninen laite ja auton tavaratilan kansi on ylhäällä.
Aalto Magazine Julkaistu:

Itseohjautuva auto A!ex yllyttää tutkijoita yhteistyöhön

Valkoinen auto näyttää tavalliselta katumaasturilta. Tarkemmin katsottuna sen katolta havaitsee laserkeilaimen. Ohjaamosta ei löydy edes vaihdekeppiä, sillä A!exin vaihteet vaihtuvat algoritmien avulla.
Laura Sivula valokuvattuna ulkona, kaupunkimaisemassa, taustalla näkyy kerrostaloja, kuvan oikeassa yläkulmassa on männyn oksa, Sivula on pukeutunut mekkoon, jonka helma hulmuaa, hänellä on jalassa valkoiset tennarit.
Aalto Magazine Julkaistu:

Arjen valintoja: Olet elämänlaajuisen oppimisen puolestapuhuja, Laura Sivula, minkä taidon itse opettelit viimeksi?

Aalto-yliopiston kesäkoulun ohjelmajohtaja ja elämänlaajuisen oppimisen asiantuntija kertoo, että kukaan ei ole koskaan täysin valmis.
Olli Ikkala ryhmäkuvassa portaikossa viiden tutkijan kanssa, Ikkala seisoo portaikon edessä ja katsoo tutkijoita, tutkijat seisovat rappusilla peräkkäin.
Aalto Magazine Julkaistu:

Materiaalia voi kouluttaa kuin Pavlovin koiraa – Professori Olli Ikkala tiimeineen kehittelee uusia materiaaleja

Voiko muovia opettaa sulamaan itsestään? Voiko syöpäkasvaimen pitää elävänä kehon ulkopuolella yksilöllisten hoitojen kehittämiseksi? Muun muassa näitä kysymyksiä pohtivat materiaalitutkijat, jotka tekevät yhteistyötä Olli Ikkalan kanssa.
Yhteiskuvassa Juudit Ottelin ja Matti Kuittinen seisovat vierekkäin ja katsovat kohti kameraa. Ottelinin kädessä on pieni musta 3d-tulostettu pääkallo, Kuittinen pitelee käsissään työmaakypärää, jossa on kuulosuojaimet.
Aalto Magazine Julkaistu:

Eristeet farkuista, seinät jätebetonista - rakentamiseen tarvitaan vähemmän synnintuntoa ja enemmän ratkaisuja

Isoin ympäristöteko olisi jättää kokonaan rakentamatta. Mutta myös kiertotaloudella voidaan hillitä rakentamisen ilmastokuormaa, sanovat tutkijatohtori Juudit Ottelin sekä arkkitehti, ympäristöministeriön erityisasiantuntija Matti Kuittinen.