Kaivosalan ympäristövaikutukset huolettavat, mutta tuotteet ovat välttämättömiä. Vihreä siirtymä lisää kriittisten metallien ja mineraalien kysyntää rajusti tulevina vuosina. Metalleja tarvitaan myös huoltovarmuuden kannalta olennaisissa tuotteissa.
LUT-yliopiston nykyinen dosentti ja entinen teollisuusprofessori Jutta Nuortila-Jokinen on tutkinut pitkällä urallaan sekä metsäteollisuuden että kaivosteollisuuden sivuvirtojen hyötykäyttöä. Metsäteollisuudessa on jo pitkään kehitelty uutta liiketoimintaa sivuvirroista ja kierrätyskuidusta. Kaivannaisalalla tällainen ajattelutapa on vielä harvinainen.
Sivuvirtojen koostumus ja ominaisuudet täytyy tutkia tarkasti
Kaivannaisalalla liiketoiminnan suunnittelu lähtee tyypillisesti valtametallista, esimerkiksi nikkelistä, eikä muun aineksen käyttöä mietitä lainkaan. Pahimmillaan vain kolme prosenttia kiviaineksesta saattaa olla varsinaista arvomateriaalia ja muu on sivukiveä, joka päätyy jätekasoihin.
”Jo koekairausvaiheessa pitäisi lähteä siitä, että selvitetään tarkasti, mitä kaikkea louhittava kiviaines sisältää, miten eri aineksia voi prosessoida ja mitä niistä voidaan tehdä. Jo pelkästään tällä tavoin voidaan lisätä hyötykäyttöä ja vähentää jätettä huomattavasti. Tuotepaletti laajenee, ja kaivannaisalaan liitetyt ympäristöhaitat, kuten jätekasat, pienenevät”, Nuortila-Jokinen sanoo.
Tuotteen ympäristövaikutukset riippuvat sekä reseptistä että työstötavasta. Sivuvirtojen koostumuksen ja fysikaalisten ominaisuuksien tarkka analysointi kertoo, miten raaka-aineet käyttäytyvät jatkojalostuksessa ja ovatko ne turvallisia uudessa käyttökohteessa.
”Tämä on oleellista kaikkien kiertotalousmateriaalien kanssa. Se myös rajoittaa niiden käyttöä. Vaarallisten aineiden pitoisuudet tulee tietää, jotta ne voidaan poistaa raaka-aineesta niin, että ne eivät kulkeudu tuotteeseen. Laajennettu tuottajavastuu asettaa tuottajan vastuuseen tuotteen koko elinkaaren ajaksi”, Nuortila-Jokinen painottaa.
Mitä tarkoittaa ekosuunnittelu?
- Ekosuunnittelu on kokonaisvaltainen ajattelutapa.
- Siinä pyritään minimoimaan tuotteen aiheuttamat ympäristö-, sosiaaliset ja taloudelliset haitat koko elinkaaren ajalta.
- Elinkaarta tarkastellaan alkaen raaka-aineiden valinnasta aina tuotteen valmistukseen, kuljetukseen ja käyttöön, sekä edelleen uusiokäyttöön, korjaukseen ja kierrätykseen.
- Tavoitteena on sulkea materiaalikierrot mahdollisimman hyvin ja luoda kestävä kiertotalous.
Geopolymeerikomposiitti on hyvä esimerkki ekosuunnittelusta yhdessä kumppaneiden kanssa
Nuortila-Jokinen toimi LUTissa 2020-luvun vaihteessa projektipäällikkönä Urban Infra Revolution -tutkimusprojektissa, jossa kehitettiin hyötykäyttöä muun muassa metsäteollisuudessa, voimalaitoksissa ja jätteenpoltossa syntyvälle tuhkalle ja kalkkikivikaivoksen rikastushiekalle. Kemiallisesti näistä aineksista voidaan valmistaa nopeasti kovettuvaa kivimäistä, tiivistä ja lujaa materiaalia, niin sanottua geopolymeerikomposiittia, jota voidaan käyttää sementin kaltaisesti.
Geopolymeerikomposiitin kehitystyössä noudatettiin ekosuunnittelun periaatteita ja hyödynnettiin elinkaarianalyysia tuotekehityksen ohjaajana. Kun elinkaarilaskelmat osoittivat, että geopolymeerikomposiitin suurin ympäristövaikutus aiheutui prosessissa käytetyistä kemikaaleista, kehitettiin uudenlainen resepti. Materiaalista rakennettiin melueste junanradan varteen yhteistyössä Lappeenrannan kaupungin kanssa.
”Kehitimme tuotteiden reseptejä yhdessä yhteistyökumppaneiden ja LUTin eri tutkimusalojen kesken. Parhaassa reseptissä geopolymeerikomposiitti sisälsi 97 % kierrätysmateriaaleja. Osoitimme myös, että uusi työstötapa, 3D-tulostus, vähensi merkittävästi rakentamisen ympäristövaikutuksia perinteiseen valutekniikkaan verrattuna.”
Tuotanto on tehokasta siellä, missä sivuainevirtoja on saatavilla
3D-tulostuksen eli lisäävän valmistuksen ansiosta geopolymeerikomposiitin hiilijalanjälki jäi jopa 80–90 prosenttia pienemmäksi kuin vastaavalla betonituotteella. 3D-tulostus on vähäpäästöinen menetelmä, ja tekniikka voidaan viedä sinne, missä jäte on.
Rikastushiekasta valmistetun geopolymeerikomposiitin arvioidaan kestävän käytössä vähintään viisikymmentä vuotta, mutta käyttöikä voi olla paljon pitempikin, jopa tuhansia vuosia. Materiaali voidaan hajottaa ja käyttää yhä uudelleen. Sopivassa kohteessa geopolymeerit myös toimivat paremmin kuin perinteiset materiaalit. Esimerkiksi kiitoradan paikkaus betonilla vaatii pitkän kuivumisajan, kun taas geopolymeeri kovettuu tunneissa ja lentoliikenne voi jatkua.
”Sivuvirtojen hyödyntäminen ei ole kaivannaisalan ydinliiketoimintaa eivätkä pääomavaltaiset, konservatiiviset yhtiöt halua investoida siihen. Jätteenkäsittely on kuitenkin yhtiöille iso kuluerä, varsinkin jos kyse on ympäristölle haitallisia aineita sisältävästä jäteaineksesta”, Nuortila-Jokinen sanoo.
”Pitäisi ymmärtää, että digitalisaatio, datan louhinta ja tekoäly voivat luoda uudenlaisia bisnesmahdollisuuksia ja tehostaa koko alaa. Samalla ympäristöhaitat pienevät. Teknologiayritykset ovat avainasemassa kaivannaisalan liiketoiminnan uudistamisessa kestävämmäksi. Yhteistyökumppaneita tähän pitää hakea kansainvälisesti.”
Miten kaivannaisalan kiertotalous saadaan lentoon?
- Kaivannaisalalla täytyy kehittää tehokkaampia tuotantoprosesseja ja arvoketjuja sekä arvokkaampia tuotteita.
- Digitalisaatio, datan louhinta ja tekoäly luovat uudenlaisia bisnesmahdollisuuksia.
- Kiertotalous voi tehdä arvottomasta materiaalista arvokkaan. Termi upcycling tarkoittaa, että alun perin arvottomasta jätteestä tai sivuvirroista valmistetaan arvokkaita ja korkealaatuisia tuotteita.
- Nimenomaan jätteen syntypaikan yhteyteen kannattaa kehittää liiketoimintaa, joka voi hyödyntää jätteen raaka-aineena esimerkiksi vähäpäästöisen 3D-tekniikan avulla.
Kehitystä voidaan vauhdittaa sääntelyn avulla
Yksi kaivannaisalan kiertotaloutta jarruttava pullonkaula on hinta. Tuotteiden valmistaminen vaatii aina jonkinlaista prosessointia, kuten esimerkiksi kuivausta, sihtausta koon mukaan ja ei-toivotun aineksen poistoa. Mitä enemmän käsittelyä raaka-aine vaatii, sitä suuremmat ovat sen kustannukset. Myös markkina on kehittymätön: kysyntä on vielä vähäistä.
Jotta kiertotalous lähtisi lentoon kaivannaisalalla, pitää tasoittaa hintaeroa perinteisten tuotteiden ja uusien tuotteiden välillä. Keinoja siihen ovat verotus, vähäpäästöisten ja kierrätysmateriaalia sisältävien tuotteiden suosiminen julkisissa hankinnoissa sekä ympäristövaatimusten kiristäminen. Vaatimus voi tulla asiakkailta, mutta lainsäädännöllä voidaan vauhdittaa kehitystä oleellisesti.
”Metsäalaan verrattuna kaivosteollisuus on jäljessä, mutta joutuu menemään samaan. Tekemistä on paljon, mutta niin on myös saavutettavaa: päästöjen vähentämisellä on kiire ja kaivannaisten kysyntä kasvaa. Kaivosteollisuudessakin pitää ekosuunnittelun periaatteiden mukaisesti katsoa kokonaisuutta ylhäältä päin eikä vain jotakin osaa siitä. Nyt pitää tarttua toimeen ja ajatella uudella tavalla.”
Kestävä kehitys tarvitsee kaivannaisia
Elektroniikka- ja älylaitteissa tarvittavien kriittisten metallien ja mineraalien kysyntä moninkertaistuu tulevina vuosina. Energiasektorin vihreä siirtymä ei ole mahdollinen ilman metalleja, eikä niiden saatavuutta voida turvata pelkästään kierrätyksen avulla.
Paitsi että mineraalit ja metallit ovat osa jokapäiväistä elämäämme, niitä tarvitaan myös huoltovarmuuden kannalta olennaisissa tuotteissa, jotka ovat välttämättömiä väestön toimeentulon, talouselämän, infrastruktuurin ja maanpuolustuksen kannalta.
Tähän paneudutaan kaivosteollisuuden kansainvälisessä Xplorer-tiedekonferenssissa LUT-yliopistolla Lappeenrannassa 11.–12. kesäkuuta 2024. Konferenssi on tarkoitettu tutkijoille, päätöksentekijöille ja muille, jotka työssään tarvitsevat lisää tietoa kaivannaisalasta. Konferenssin aiheena ovat turvallisuus ja huoltovarmuus: miten muuttunut geopoliittinen tilanne ja energiamurros vaikuttavat kaivannaisalaan?
Mikä on Xplorer
- Xplorer on yliopistojen ja ammattikorkeakoulujen muodostama verkosto, joka vie kaivosalaa kohti kiertotaloutta.
- Edistää kestävää kaivannaisalaa tekemällä tutkimusta, kehittämällä alan koulutusta ja auttamalla yrityksiä toimimaan kestävästi.
- Yhdistää kaivannaisalan osaajat ja kasvattaa kiinnostusta alan opintoihin.
Erotustekniikan koulutus ja tutkimus LUTissa
Erotustekniikka perustuu fysikaalisten ja kemiallisten ilmiöiden ymmärtämiseen ja mallinnukseen. Se kuuluu kemiantekniikan alaan, joka on yksi LUT School of Engineering Sciences -tiedekunnan tutkimus- ja koulutusaloista.
Erotustekniikan tutkimus palvelee kaivosteollisuuden ja metallinjalostuksen lisäksi sellu- ja paperiteollisuuden, kemiateollisuuden, elintarviketeollisuuden, lääketeollisuuden ja tulevaisuuden biojalostamoiden sekä monien muiden alojen tarpeita.
LUTissa kaivannaisalan tutkimus muodostaa SCI-MAT-tutkimusalustan (Sustainable circularity of inorganic materials), jonka tavoitteena on vastata teollisuuden epäorgaanisten materiaalien tarpeisiin ottaen huomioon sosiaalisen ja taloudellisen kestävyyden ja ympäristökestävyyden.
