Suomen metallinjalostuksen tutkimusstrategia

Suomen metallinjalostuksen tutkimusstrategia

tutkimus
EU:n ja Suomen kunnianhimoiset tavoitteet hiilineutraaliuden nopeasta etenemisestä asettavat mittavat kehitys- ja innovaatiohaasteet eri toimijoille. Metallinjalostusteollisuuden ja yliopistojen sekä tutkimuslaitosten monikymmenvuotinen tiivis tutkimus- ja kehitysyhteistyö antaa hyvän mahdollisuuden vastata tähän haasteeseen.

Euroopan unioni on sitoutunut vähentämään kasvihuonekaasupäästöjään vähintään 40 prosenttia vuoteen 2030 mennessä vuoden 1990 tasoon verrattuna, mihin myös Suomi on sitoutunut. Tämä liittyy myös Euroopan pitkän aikavälin strategiaan olla johtava globaalissa ilmastotoimessa ja päästä kasvihuonekaasupäästöjen nettoarvossa nollaan vuoteen 2050 mennessä kustannustehokkaasti ja sosiaalisesti oikeudenmukaisesti (ks. kuva 1). [lähde 1]

päästöt
Kuva 1. Kasvihuonekaasupäästöreitti 1,5 asteen skenaariossa [lähde 1]

EU:n tavoitteiden saavuttamisessa ja teollisuuden muuttamisessa hiilineutraaliksi teräs- ja metalliteollisuudella on keskeinen rooli, koska se on vastuussa 20–25 prosentista EU:n päästökauppajärjestelmän (ETS) kattamista teollisuuden hiilidioksidipäästöistä. Euroopan teräs- ja metalliteollisuus on jo tänään maailman vähäpäästöisintä, ja sillä on johtava rooli maailman metalliteollisuuden päästövähennysteknologian kehittämisessä ja soveltamisessa. Suomen hallituksen kunnianhimoinen tavoite olla hiilineutraali jo vuoteen 2035 mennessä ja hiilinegatiivinen pian sen jälkeen edellyttää Suomelta myös merkittävää panostusta metalliteollisuuden vähähiilisyyden kehittämiseen.

Teknologiateollisuuden tiekartta

Teknologiateollisuus on laatinut toimialan tiekartan kohti vähähiilisyyttä [lähde 2]. Tiekartta tukee hallitusohjelman tavoitetta hiilineutraalista Suomesta 2035 mennessä ja EU:n tavoitetta hiilineutraaliudesta ennen vuotta 2050. Teknologiateollisuuden tiekartta muodostaa tärkeän osan historiallista suunnitelmaa, jolla Suomen keskeiset vientialat teknologiateollisuus, metsäteollisuus, kemianteollisuus ja energiateollisuus pyrkivät määrätietoisesti kohti vähähiilisyyttä.

Teknologiateollisuus muodostuu useista eri toimialoista. Alan suorat päästöt ja ostoenergian käytöstä aiheutuvat päästöt ovat noin 6 Mt CO2-ekv. vuodessa. Kaikilla toimialoilla voidaan merkittävästi vähentää kasvihuonekaasupäästöjä. Nopeutetun teknologisen kehityksen mallissa suorat päästöt laskevat 38 % vuoteen 2035 ja 80 % vuoteen 2050 mennessä. Päästövähennyskeinoista useimmat perustuvat prosessien ja koneiden sähköistämiseen, energia- ja materiaalitehokkuuden parantamiseen, kiertotalouteen sekä digitaalisten ratkaisujen käyttöön. [lähde 3] Tämä edellyttää merkittäviä panostuksia metallien vähähiilisten tuotantoteknologioiden tutkimus- ja innovaatiotoiminnan nopeuttamiseksi ja toteuttamiseksi (kuva 2). [lähde 4]

päästöskenaario
Kuva 2 (a). Suomen teknologiateollisuuden kasvihuonekaasupäästöt (vuodet 2015 - 2050). Skenaario 1: Toiminta vain energiasektorilla vähentää päästöjä (ei tavoitteemme). [lähde 3]
päästöskenaario 2
Kuva 2 (b). Suomen teknologiateollisuuden kasvihuonekaasupäästöt (vuodet 2015 - 2050). Investoinnit ja T&K-työhön liittyvä metallintuotanto vähentävät merkittävästi päästöjä (suomalaisten metallintuottajien asettama tavoite). [lähde 3]

Suomalaiset metallinjalostusalan yritykset ovat asettaneet kunnianhimoiset tavoitteet itselleen. Esimerkiksi Outokummun tavoitteena on olla hiilineutraali vuoteen 2050 mennessä ja SSAB:n vuoteen 2040 mennessä. Outotec pyrkii vähentämään absoluuttisia scope 1 ja scope 2 -kasvihuonekaasupäästöjä 13 % ja scope 3 -päästöjä 10 % vuoteen 2025 mennessä vuoden 2017 tasosta. Bolidenin tavoitteena on vähentää hiilidioksidi-intensiteettiä, CO2:ta tuotettua metallia kohti, 40 prosenttia vuoteen 2030 mennessä (vertailuvuosi 2012).

Teknologiateollisuuden tiekartan mukaan päästöjen vähentämisen edellytykset ovat:

  • Luotujen skenaarioiden toteuttaminen yhdessä toimintaedellytysten vahvistamisen kanssa (tässä Suomen hallitus on jo ottanut merkittäviä askeleita sähköverojärjestelmän uudistamisella ja sähkön käytön tukemisella).
  • Vähäpäästöisen sähkön riittävä saatavuus. Tekniset ratkaisut ovat osin vielä kehitysvaiheessa ja esim. vetyekosystemin luominen vaatii vielä merkittäviä panostuksia.
  • Kaikkien toiminta; yksittäisilläkin investoinneilla on kokonaisuuden kannalta suuri merkitys, mutta skenaarioiden toteutuksessa tarvitaan kaikkia teknologiateollisuuden yrityksiä toteuttamaan ja kehittämään vähähiiliteknologiota.

Skenaarioiden toteutuksen yhteinen taustaoletus onkin suomalaisen teollisuuden toimintaympäristön suotuisa kehitys (kuva 3).

polku
Kuva 3. Suomalaisen teollisuuden toimintaympäristön suotuisa kehitys [lähde 4]

Teollisuuden vähähiilitiekartoissa on tunnistettu yli 10 Mt CO2-ekv. päästövähennyspotentiaali vuoteen 2035 mennessä. Suomen hiilineutraaliustavoitteen saavuttamiseksi teollisuudelta odotetaan 6–8 Mt CO2-ekv. päästövähennyksiä. Tiekarttojen toteutuminen nostaa vähähiilisen sähkön tarvetta teollisuudessa. Sähkönkulutuksen arvioidaan kasvavan nykyisestä noin 30 TWh:sta vuodessa tasolle 50 TWh/v vuoteen 2035 mennessä ja liki 70 TWh:iin/v vuoteen 2050 mennessä. Tällä hetkellä koko Suomen sähkönkulutus on alle 90 TWh/v. Vähähiilisen tai hiilettömän sähkön tuotantoteknologia on metalli-intensiivistä eri metallien lukumäärinä ja tarvittavina tonneina, mikä lisää metallien kysyntää samoin kuin liikenteen sähköistäminen [lähde 5].

Teknologiateollisuuden erityispiirre on suuri hiilikädenjälki. Nykyisten vientituotteiden kädenjäljen arvioidaan olevan vähintään 20 Mt CO2-ekv./v Se vastaa nelinkertaisesti teknologiateollisuuden omia CO2-päästöjä Suomessa. Kädenjälki on arvioitu myös kehitteillä oleville teknologioille. Uudet ratkaisut voivat kasvattaa kädenjälkeä lisää yli 50 Mt CO2-ekv./v. Vähähiilisyys ja kädenjälki tarjoavat Suomelle merkittävää liiketoimintapotentiaalia. Sen hyödyntäminen vaatii panostuksia TKI-toimintaan. Osa alan tuottamista avainteknologioista toimii verkoston kautta mahdollistajana useille muille vähähiiliratkaisuille, joten niihin panostaminen monistaa syntyviä hyötyjä. Kädenjälkiratkaisujen päästövähennyspotentiaali ylittää moninkertaisesti teollisuuden päästöt (kuva 4).

Kädenjälkiratkaisujen päästövähennyspotentiaali ja suuruusluokkavertailu
Kuva 4. Kädenjälkiratkaisujen päästövähennyspotentiaali ja suuruusluokkavertailu [lähde 4]

Kehityspanosten kohdentamisessa on tuettava paitsi perustutkimusta myös erityisesti skaalausta ja implemetointia teolliseen mittakaavaan.

Pitkä tutkimusyhteistyön perinne

Vuodesta 1980 lähtien suomalaiset teräs- ja metallituottajat ovat tehneet järjestelmällistä yhteistä tutkimustyötä varmistaakseen suomalaisen teollisuuden kilpailukyvyn pitkällä aikavälillä ja laajentaakseen ammattitaitoisten akateemisten ja teollisuuden tutkijoiden joukkoa ja osaamisprofiilia. Pääosin Business Finlandin (Tekes) ja teollisuuden rahoituksella toteutettuja tutkimusohjelmia on tehty jatkumona, jossa teemat ja aiheet on aina suunnattu ja tarkennettu yhteisiin tavoitteisiin (kuva 5).

Metallinjalostajien yhteishankkeet vuodesta 1984 alkaen
Kuva 5. Metallinjalostajien yhteishankkeet vuodesta 1984 alkaen

Viimeisimmät hankkeet ovat olleet mm. FLEX ja CMEco sekä parhaillaan loppusuoralla olevat SYMMET, ISA ja BATCircle, joista viimeksi mainitussa ekosysteemin on muodostanut laajempi joukko yrityksiä tutkimuksen keskittyessä akkujen ja näissä käytettyjen metallien valmistukseen ja kierrätykseen.

Kuluvan vuoden aikana on valmisteltu seuraavia tutkimushankkeita, joista TOCANEM (Towards Carbon Neutral Metals) -konsortiohakemus on jätetty Business Finlandille syyskuun alussa, ja sen käsittely on parhaillaan käynnissä. BATCircle 2.0:n valmistelua on viety jo pitkälle ja hakemus tullaan jättämään kuluvan vuoden loppuun mennessä. Myös FOSSA-hanketta (Fossil-free Steels and Steel Applications) valmistellaan vuoden loppuun mennessä jätettäväksi.

Lue lisää:

TOCANEM

Suomessa teollisuuden suurin hiilidioksidipäästöjen vähentämismahdollisuus on metallien jalostuksessa. Tästä syystä suomalaiset metallintuottajat ovat asettaneet hiilidioksidipäästöjen vähentämistavoitteita, jotka ovat maailmanlaajuisestikin kunnianhimoisia. Näiden tavoitteiden saavuttaminen vaatii huomattavia innovaatiota tuotantoketjussa sekä suuria pitkäaikaisia ​​investointeja yrityksiltä ja julkisilta rahoittajilta.

TOCANEM-projektin tavoitteena on mahdollistaa siirtyminen hiilineutraalien metallien tuotantoon Suomessa, luoda maailmanlaajuinen johtoasema hiilineutraalien metallien tuotantoon liittyvissä prosessi-innovaatioissa sekä tarjota uutta tutkimuslähtöistä osaamista sähkön ja vedyn hyödyntämiseksi metallien tuotannossa. Yritysprojekteissa panostetaan lisäksi vientipotentiaalin kasvuun. Tehtävät on jaettu viiteen työpakettiin, joista WP1, WP2 ja WP3 sisältävät tutkimustoimintaa, kun taas WP4 ja WP5 keskittyvät kansainväliseen yhteistyöhön, koordinointiin ja tiedon levittämiseen.

WP1 – Hiilen suora välttäminen

WP2 – Älykäs hiilen käyttö

WP3 – Kiertotalous

WP4 – Kansainvälinen yhteistyö

WP5 – Koordinointi ja tiedon levittäminen

TOCANEM-projekti on yksi Metallinjalostajat ry:n neljästä strategisesta tutkimushankkeesta. Ekosysteemi koostuu paitsi itse metallintuottajista myös alkupään raaka-ainetoimittajista, kuten kaivos-, energia- ja biopohjaisten materiaalien tuottajista, sekä teräksen ja metallituotteiden jatkokehittäjistä, kuten akkumetallien- ja koneiden valmistajista. Tutkimusosaamisen osalta ekosysteemi on integroitu Suomen tärkeimpiin tutkimuslaitoksiin ja yliopistoihin sekä globaaliin yhteistyöverkostoon perustamisensa alusta lähtien.

BATCircle 2.0

BATCircle 2.0 -ekosysteemi rakentaa vahvasti BATCircle (2019–2020) projektissa aloitetun työn perustuksille. Tavoitteena on kehittää uusia, todennetusti CO2-jalanjäljeltään parempia prosesseja niin primääriraaka-aineiden kuin kierrätettyjen akkujen metallien talteenottoon. Tutkimusaiheiden kirjo on laaja, arvoketjussa aina malmien etsinnästä niiden jalostukseen, akkumateriaalien valmistukseen ja akkujen kierrätykseen ja kierrätettävyyden mittareihin saakka. Yritysprojekteissa panostetaan erityisesti vientipotentiaalin kasvuun ja innovaatioiden ja uuden liiketoiminnan luomiseen Suomeen.

BATCircle 2.0:n julkisen tutkimuksen rakenne koostuu tutkimustyöpaketeista arvoketjun mukaisesti:

WP1 – Akkumineraalien etsintä ja vastuullinen kaivostoiminta

WP2 – Älykäs akkujen kierrätys

WP3 – Akkumineraalien ja -metallien prosessointi

WP4 – Akkumateriaalit

WP5 – Kiertotalous.

Tutkimuksessa keskitytään entistä vahvemmin horisontaalisiin teemoihin, kuten ympäristöystävällisyyteen ja hiilidioksidipäästöjen minimointiin, materiaalien kriittisyyteen ja riittävyyteen, energiatehokkuuteen, taloudelliseen prosessointiin sekä vahvaan kansainväliseen yhteistyöhön erityisesti pohjoismaiden ja Euroopan maiden kanssa. Lisäksi Aalto-yliopisto vastaa BATCircle 2.0:ssa kahdesta projektihallinnollisesta, -viestinnällisestä sekä EU-toiminnallisesta työpaketista:

WP6 – Koordinointi ja tiedon levittäminen

WP7 – EU BATCircle.

Jälkimmäisessä BATCircle 2.0 vahvistaa näkyvää eurooppalaista työtä Batteries Europen Working Group 2:n johdossa. Tässä komission nimittämässä työryhmässä on tunnistettu Euroopan T&K-tarpeita sekä puutteita akkumateriaalien ja -kierrätyksen kentällä. Tämän pohjalta rakennetaan Euroopan keskipitkän aikavälin tutkimuksen T&K-strategiaa akkuraaka-aineiden tutkimukseen sekä akkukierrätykseen. Työssä on mukana jäseniä lähes jokaisesta jäsenmaasta, ja BATCircle on vahva mahdollistaja tässä Outotecin ja Aalto-yliopiston johtamassa työssä.

FOSSA 

SSAB:n tavoitteena on ensimmäisenä teräsyhtiönä maailmassa tuoda markkinoille fossiilivapaa teräs jo vuonna 2026 HYBRIT-teknologian avulla. Teknologia perustuu fossiilivapaalla sähköllä tuotetun vedyn käyttämiseen rautamalmin pelkistyksessä sekä tuotetun rautasienen sulattamiseen sähköuunissa. SSAB:n vuosittaiset CO2-päästöt ovat noin 4 milj. tonnia, mikä vastaa 7 % Suomen kokonaispäästöistä. Siten SSAB:n rooli kansallisessa hiilineutraalisuustavoitteessa on suuri. Terästuotannon CO2-päästöjen lisäksi voidaan päästöihin vaikuttaa kehittämällä entistä lujempia, kevyempiä ja kestävämpiä teräksiä, joiden avulla käytön aikaiset päästöt vähenevät merkittävästi; tämä vaikutus on jopa suurempi kuin valmistuksen aikaisilla päästöillä.

FOSSA-hankkeessa sekä selvitetään tarvittavia prosessimuutoksia siirryttäessä fossiilivapaaseen tuotantoon että kehitetään uusia AHSS-teräksiä ja niiden sovelluksia. Fossiilisten CO2-päästöjen poistamisen lisäksi luodaan fossiilivapaita terästuotteita, jotka tuovat uutta arvoa liiketoiminnalle ja vahvistavat kotimaisen konepajatuotannon kilpailukykyä.

FOSSA-hanke on jaettu kolmeen teemaan:

Teema I – Kohti fossiilivapaata terästä: Hiilipohjaisen terästuotannon konversio DRI/EAF-pohjaiseksi kestävän kehityksen mukaiseksi tuotannoksi. Teeman työpaketeissa selvitetään mm. DRI:n ja fossiilivapaan hiilen käytön erityispiirteitä valokaariuunissa, koksin ja maakaasun korvaamista sähköllä ja biokaasulla aihioiden kuumennuksessa, vedyn varastointiin ja käyttöön liittyviä kysymyksiä sekä sekundaaristen materiaalien uusia kierrätystapoja.

Teema II – Fossiilivapaat premium- ja erikoisteräkset: uusien innovatiivisten korkealujuuksisten terästen (UHSS ja AHSS) kehittäminen. Teeman työpaketeissa sekä selvitetään nykyisten tuotteiden valmistusta uusilla raaka-aineilla ja prosesseilla että tutkitaan mahdollisuuksia entistä vaativampien teräslajien kehittämiseen.

Teema III – Fossiilivapaat terässovellukset: uusien terässovellusten kehittäminen tukemaan hiilineutraali Suomi -tavoitetta ja konepajateollisuuden kilpailukykyä. Tämä teema kytkee koko fossiilivapaan valmistusketjun raaka-aineista asiakastuotteisiin saakka. Kestävän kehityksen mukaiset terästuotteet ovat merkittävä kilpailuetu Suomelle.

FOSSA-hanke toimii kiinteässä yhteistyössä TOCANEM-hankkeen kanssa, jossa esiintyy yhteneväisiä teemoja muiden metallien valmistuksen osalta. Projektin aikana tullaan kotimaisten T&K-yhteistyökumppaneiden lisäksi hyödyntämään kestävän kehityksen teemoille rakennettuja ja perusteilla olevia EU-rahoitusmahdollisuuksia.

Lisätietoja:
Kimmo Järvinen, toimitusjohtaja, Metallinjalostajat ry
Ari Jokilaakso, professori (Associate), Aalto-yliopisto, Kemian tekniikan korkeakoulu, metallurgia
Timo Fabritius, professori, Oulun yliopisto, Prosessimetallurgian tutkimusyksikkö, prosessimetallurgia
Mari Lundström, professori (Assistant), Aalto-yliopisto, Kemian tekniikan korkeakoulu, hydrometallurgia
Esa Peuraniemi, Development Manager, Boliden Harjavalta Oy

Lähteet:
[1] Puhdas maapallo kaikille Eurooppalainen visio kukoistavasta, nykyaikaisesta, kilpailukykyisestä ja ilmastoneutraalista taloudesta. KOMISSION TIEDONANTO, COM(2018) 773 final, Bryssel 28.11.2018.
[2] Teknologiateollisuuden tiekartta
[3] Afry 2020
[4] Helena Soimakallio: Teknologiateollisuuden vähähiilitiekartta 2035 – Tulokset. 9.6.2020, Teknologiateollisuus ry
[5] Materia lehden erikoisnumero