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

Lisää tästä aiheesta

Kuva osoittaa, miten valmistetaan biosynteettistä hämähäkinseittiä suurjännitteen avulla
Aalto Magazine, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Hämähäkkisilkki syntyy, kun mikrobeihin lisätään hämähäkin DNA:ta

Hämähäkki on opettanut tutkijoita tuottamaan synteettistä biomateriaalia, josta voi tulevaisuudessa valmistaa hyvin monenlaisia tuotteita vaatteista autonosiin.
Mika Jalava – The water we eat
Aalto Magazine, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Vesi, jonka syömme

Peräti 70 prosenttia elämälle arvokkaasta makeasta vedestä kuluu ruuantuotantoon. Ruokavalioihin tarvitaan muutoksia, jotta maapallon vesi riittää sen vauhdilla kasvavalle väestölle.
Olli Ikkala
Aalto Magazine, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Luonnosta oppija

Akatemiaprofessori Olli Ikkala kirii laboratoriossaan kiinni evoluution etumatkaa materiaalien valmistamisessa. Energiapihille yhteiskunnalle urakan tulokset voivat olla ratkaisevia.
Gerfried Stocker. Photo: Pinja Väljä
Aalto Magazine Julkaistu:

Muutoksentekoon tarvitaan luovuutta

Gerfried Stocker luotsaa maailman johtavaa taide- ja teknologiajärjestö Ars Electronicaa Itävallan Linzissä. Hänet vihittiin Aalto-yliopiston taiteen kunniatohtoriksi kesäkuun 13. päivän promootiojuhlassa.