Päästöt alas puu-muovi-komposiiteilla

Puujätteen käyttö komposiittien valmistuksessa voi auttaa saavuttamaan materiaalien kierrätystavoitteita ja vähentämään kasvihuonekaasupäästöjä.

Katso ympärillesi. Todennäköisesti luet tätä artikkelia kotona, työpaikalla tai sisällä jossain muussa rakennuksessa. Nykyään rakennukset tarjoavat meille yhä enemmän erilaisia palveluita ja vaatimukset rakennusten ominaisuuksille kasvavat jatkuvasti. Tästä syystä rakennuksia korjataan tai ne puretaan kokonaan ja rakennetaan uudelleen tarpeidemme täyttämiseksi. Vuosina 2000–2012 Suomessa purettiin 50 818 taloa ja uusia rakennuksia valmistui 227 000.

Kun rakennuksia rakennetaan, korjataan tai puretaan, syntyy jätettä. Tätä jätettä kutsutaan yleisesti rakennus- ja purkujätteeksi ja se koostuu laajasta valikoimasta eri materiaaleja. Rakennus- ja purkujätettä syntyy Suomessa vuosittain noin kaksi miljoonaa tonnia (poislukien maamassat) ja se sisältää muun muassa betoni- ja tiilijätteitä sekä puujätteitä.

Ympäristötietoisuuden lisääntyessä myös vaatimukset rakennus- ja purkujätteiden, kuten monien muidenkin jätejakeiden, kierrättämisestä kasvavat. Valtioneuvoston asetus jätteistä (179/2012) asettaa Suomelle tavoitteen kierrättää vuonna 2020 vähintään 70 % rakennus- ja purkujätteistä lukuun ottamatta maa- ja kiviaineksia.

Vuonna 2016 mineraalijätteiden hyödyntämisaste oli 87 % johtuen lähinnä täytöistä, mutta muille rakennus- ja purkujätteen sisältämille jätejakeille tarvitaan uusia sovelluskohteita hyödyntämisasteen nostamiseksi.

Polttopuuvaja ja hevosaitaus

Yksi paljon tutkittu menetelmä muiden kuin mineraalisten rakennus- ja purkujätteiden hyödyntämiseen on puu-muovikomposiittien valmistaminen. Puu-muovikomposiitti on materiaali, joka koostuu pääasiassa murskatusta puusta ja muovista. Muita materiaaleja, kuten mineraalivillaa ja kipsilevyjä, voidaan myös käyttää komposiittien täyteaineina. Komposiittien valmistuksessa käytetään myös lisäaineita antamaan niille haluttuja ominaisuuksia.

HISER-hankkeessa (Holisitic Innovative Solutions for an Efficient Recycling and Recovery of Valuable Raw Materials from Complex Construction and Demolition Waste) kansainvälinen ryhmä tutkijoita tutki puu-muovikomposiittien valmistusta rakennus- ja purkujätteestä. Hankkeessa valmistetuista komposiiteista rakennettiin polttopuuvaja Evon retkeilyalueelle sekä hevosaitaus Rautalammille.

Näiden komposiiteista valmistettujen kohteiden ympäristövaikutukset analysoitiin elinkaariarviointimenetelmällä (Life Cycle Assessment, LCA) ja niitä verrattiin perinteisten rakennusmenetelmien ympäristövaikutuksiin.

Vaja kestää 50 vuotta

Elinkaariarvioinnissa tarkasteltiin kahta vaihtoehtoista skenaariota: vertailuskenaario (tavanomainen menettely eli business-as-usual) sekä HISER-skenaario.

Vertailuskenaariossa puujäte poltettiin jätevoimalassa, jossa energia otetaan talteen. Elinkaariarvioinnissa annettiin hyvitystä siitä, että puujätteellä tuotetulla energialla voidaan korvata biomassalla tuotettua energiaa.

HISER-skenaariossa puujätettä käsiteltiin käytettäväksi komposiittien valmistuksessa, kuten kuvataan myöhemmin tekstissä. Puujätteen massa oli sama molemmissa skenaarioissa ja se muodosti ensimmäisen osan kaksiosaisesta toiminnallisesta yksiköstä, joka oli ”rakennus- ja purkutoiminnasta peräisin olevan puujätteen (809 kg) käsittely”.

Koska komposiitteja käytettiin polttopuuvajan valmistamiseen, toiminnallisen yksikön toinen osa oli ”50 vuotta kestävän demonstraatiorakennuksen rakentaminen”. Vertailuskenaariossa polttopuuvaja rakennettiin neitseellisestä puutavarasta. Tavanomaisen polttopuuvajan rakentamiseen tarvitaan arviolta 3042 kiloa puutavaraa. Vajan katto tehtiin kattohuovasta ja seinät maalattiin. Vajan odotettu elinikä oli 30 vuotta olettaen, että sitä kunnostetaan asianmukaisesti. Tässä tutkimuksessa vajan kunnostaminen sisälsi seinien maalaamisen 10 vuoden välein sekä kattohuovan osittaisen uusimisen 15 vuoden välein.

HISER-skenaariossa polttopuuvaja rakennettiin puu-muovikomposiiteista. Rakentamisessa käytettyjen komposiittien massa oli 1412 kg. Tarvittavien komposiittien pienempi määrä tavanomaiseen vajaan tarvittavan puutavaran määrään verrattuna selittyy komposiittien paremmilla teknisillä ominaisuuksilla. Maalia ja kattohuopaa ei tarvittu HISER-skenaariossa. Komposiiteista rakennetun vajan eliniäksi arvioitiin 50 vuotta ilman kunnostustoimenpiteitä.

Kolme komposiittityyppiä

Elinkaariarvioinnissa huomioitiin useita prosesseja. Molemmat skenaariot alkoivat puujätteen keräämisellä ja kuljettamisella esikäsittelylaitokseen 75 kilometrin päähän.

Esikäsittely sisälsi molemmissa skenaarioissa samat vaiheet: suurten epäpuhtauksien kuten kivien sekä betoni- ja metallikappaleiden poistaminen; esimurskaus 0,5 x 0,5 metrin palakokoon; rautametallien poistaminen magneettierottimella sekä hienomurskaus alle 80 mm:n palakokoon.

Esikäsittelyn jälkeen skenaariot eroavat toisistaan merkittävästi. HISER-skenaariossa puujätettä jatkokäsiteltiin vasaramyllyllä 2–4 mm:n palakoon saavuttamiseksi. Käsitelty puu kuljetettiin sitten komposiittien tuotantolaitokselle, jossa se sekoitettiin muiden raaka-aineiden kanssa.

Sovelluskohteesta riippuen komposiitteja valmistettiin kolmea tyyppiä: kiinteitä monikerroslankkuja, onttoja seinälankkuja sekä kiinteitä kattopaneeleja.

Näiden komposiittityyppien erona on eri resepteillä valmistettujen pintaosan ja sisuksen suhteellinen osuus. Esimerkiksi komposiittien pintaosassa käytetään väriaineita, joita ei tarvita sisäosassa.

Keskimäärin 50–60 prosenttia komposiittien koostumuksesta oli puupartikkeleita, 25–30 prosenttia kierrätysmuoveja, 10 prosenttia jätevillaa ja loput kiinnitysaineita, työstönapuaineita sekä väriaineita.

Komposiittien valmistuksessa tarvittiin sähköä raaka-aineiden sekoittamiseen, komposiittien puristamiseen ja niiden koon pienentämiseen, jotta saataisiin tietyn kokoisia tuotteita.

Jätteistä vai neitseellisestä puusta?

HISER-skenaariossa polttopuuvaja rakennettiin kokonaan puu-muovikomposiiteista. Naulojen valmistus jätettiin pois tarkastelusta, sillä niiden vaikutuksen oletettiin olevan sama kuin tavanomaisessa skenaariossa. Vajan käyttövaiheen aikaisia ympäristövaikutuksia ei huomioitu.
Vajan elinkaaren lopussa komposiitit oletettiin purettavan, murskattavan ja kierrätettävän takaisin komposiittien valmistusprosessiin, jolloin vältytään uusien raaka-aineiden kulutukselta ja saavutetaan näin ollen hyötyjä.

Vertailuskenaariossa esikäsitelty puu poltettiin jätevoimalassa. Puujätteen polttamisesta talteen saatu lämpö oli 11 MJ/kg puujätettä. Lämmöntuotannosta annettiin systeemille hyvitystä siitä, että sillä voidaan korvata biomassalla tuotettua lämpöä.

Vertailuskenaariossa polttopuuvaja rakennettiin neitseellisestä puutavarasta. Prosessin mallinnuksessa käytettiin hirsien tuotantoprosessia. Jotta tavanomaisen polttopuuvajan eliniäksi saadaan 50 vuotta, tarvitaan noin 1,6 tavanomaista puurakennusta, joihin tarvitaan yhteensä 5070 kg puutavaraa. Lisäksi vajan rakentamiseen tarvittiin 20 kg maalia ja 105 kg kattohuopaa.

Tavanomaisen polttopuuvajan käyttöiän aikana kunnostustöihin tarvittiin myös 40 kiloa maalia, mikä vastaa koko rakennuksen maalaamista uudelleen kaksi kertaa, sekä 31,5 kiloa kattohuopaa katon osittaiseen korjaamiseen.

Polttopuuvajan elinkaaren lopussa purettu puutavara mallinnettiin poltettavan samanlaisessa energian talteenottavassa jätevoimalassa kuin puujäte. Purettu kattohuopa mallinnettiin sijoitettavan kaatopaikalle.

Puujäte päihittää uuden puutavaran

Kun tarkastellaan skenaarioiden vaikutusta ilmastonmuutokseen, elinkaariarvioinnin mukaan puu-muovikomposiittien valmistaminen puujätteestä polttopuuvajan rakentamista varten on hyödyllistä verrattuna siihen, että valmistettaisiin tavanomainen polttopuuvaja uudesta puutavarasta.
Skenaarioiden yhteenlasketut kasvihuonekaasupäästöt (GWP) olivat HISER-skenaariossa 241 kg CO2-ekvivalenttia (CO2-ekv.) ja vertailuskenaariossa 1410 kg CO2-ekv.

Vertailuskenaariossa suurimmat kasvihuonekaasupäästöt, yhteensä 692 kg CO2-ekv. tai 0.13 kg CO2-ekv./ kg puutavaraa, syntyivät neitseellisen puutavaran hankkimisesta muodostaen 49 prosenttia skenaarion kasvihuonekaasupäästöjen kokonaismäärästä.

Vertailuskenaariossa vajan maalaamisen ja kattohuovan käytön päästöt ovat 247 kg CO2-ekv. rakentamisvaiheessa ja 222 kg CO2-ekv. kunnossapitovaiheessa, mitkä vältetään HISER-skenaariossa, jossa käytetään komposiitteja.

Käsittelystä pienet päästöt

HISER-skenaarion tulokset osoittavat, että puujätteen esikäsittely ja käsittely muodostavat vain 2 prosenttia (12 kg CO2-ekv.) skenaarion kasvihuonekaasupäästöjen kokonaismäärästä.

Toisaalta komposiittien valmistusprosessin sähkönkulutus muodostaa suurimman vaikutuksen 205 kg CO2-ekv., ja lisäaineiden valmistus 143 kg CO2-ekv. Nämä päästöt kuitenkin osittain kuittaantuvat komposiittien kierrättämisestä saatavalla hyvityksellä vältetyistä päästöistä, joka on suuruudeltaan -171 kg CO2-ekv.

Jos komposiitteja ei kierrätettäisi vaan ne poltettaisiin jätteenpolttolaitoksessa, HISER-skenaarion kasvihuonekaasupäästöjen kokonaismäärä olisi 270 kg CO2-ekv. Jos taas komposiitit sijoitettaisiin kaatopaikalle, skenaarion kasvihuonekaasupäästöjen kokonaismäärä olisi 1730 kg CO2-ekv., mikä on selvästi suurempi kuin vertailuskenaariossa. Siispä komposiittien kierrättäminen tai hyödyntäminen energiana niiden elinkaaren lopussa on pakollinen vaihe, jotta komposiiteista olisi etua ilmastonmuutoksen hillinnän kannalta.

Ympäristövaikutukset vertailussa

Ilmastonmuutoksen lisäksi elinkaariarvioinnissa tarkasteltiin muitakin ympäristövaikutusluokkia, mm. vaikutuksia happamoitumiseen, rehevöitymiseen ja maankäyttöön sekä myrkyllisyysvaikutuksia. Kaikkien vaikutusluokkien tulokset normalisoitiin ja painotettiin. HISER-skenaarion ympäristövaikutukset ovat selkeästi vertailuskenaarion ympäristövaikutuksia pienemmät.

Elinkaariarvioinnin tulosten perusteella komposiittien valmistaminen puujätteestä, muovijätteestä sekä mineraalivillasta ja näiden komposiittien käyttäminen polttopuuvajan rakennusmateriaalina aiheutti pienemmän ympäristövaikutuksen kuin puujätteen polttaminen jätevoimalassa ja vajan rakentaminen neitseellisestä puutavarasta.

On tärkeää huomata, että komposiittien hyvät tekniset ominaisuudet mahdollistavat samaan tehtävään tarkoitetun rakennuksen rakentamisen huomattavasti vähäisemmällä materiaalimäärällä tavanomaisiin rakennusmateriaaleihin verrattuna. Näihin ominaisuuksiin kuuluu mahdollisuus valmistaa onttoja ja ohuita komposiittimateriaaleja, joilla on suuret lujuusominaisuudet, sekä maalaustarpeen ja kattohuovan käytön välttäminen.
Komposiittien tultua käyttöikänsä päähän ne tulee kierrättää tai ainakin hyödyntää energiana, jotta komposiitit toimisivat tehokkaana ratkaisuna ilmastonmuutoksen hillinnässä ja haitallisten ympäristövaikutusten vähentämisessä.

Ivan Deviatkin, suom. Tuuli Teittinen

http://www.hiserproject.eu/

The project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program under grant agreement No 642085.

Kuva: HISER-hanke.