Wpływ kompozytów poliestrowych na środowisko naturalne w porównaniu do aluminium oraz stali

Rosnąca liczba ludności na świecie, rozwój cywilizacji, a wiec postęp techniczny, rozbudowa przemysłu, rosnąca eksploatacja zasobów surowcowych i energetycznych pociąga za sobą nieuniknione konsekwencje dla środowiska. Na produkt końcowy należy spojrzeć szerzej, szacując wpływ jego produkcji na środowisko czyli uwzględniając pełny cykl życia produktu. Chcemy Państwu przybliżyć technologię SMC ( Sheet Molding Compound), zmienić postrzeganie kompozytów oraz udowodnić ich realny wpływ na środowisko naturalne w odniesieniu do ekologicznej oceny cyklu życia produktu.

Czym są kompozyty SMC/BMC?

Sheet Molding Compound (SMC) oraz Bulk Molding Compound (BMC) są półproduktami, z których powstają różnorodne wyroby uzykane w wyniku wdrożenia odpowiedniej technologi wytwarzania. Tworzywa kompozytowe znajdują szerokie zastosowanie w różnych segmentach rynku, np. w produkcji samochodów, w energetyce, budownictwie. W firmie Emiter wykorzystujemy kompozyty nienasyconej żywicy poliestrowej wzmocnionej włóknem szklanym, występujące w postaci arkuszy (SMC – Sheet Moulding Compound) oraz w postaci bezkształtnej masy (BMC Bulk Moulding Compound).

Life Cycle Assesment – Ekologiczna ocena cyklu życia produktu

Ekologiczna ocena cyklu życia produktu LCA (Life Cycle Assesment) jest metodologią znormalizowaną na arenie międzynarodowej, której jednym z podstawowych założeń jest badanie aspektów środowiskowych i potencjalnych wpływów. Norma ISO 14040:2009 definiuje cykl życia jako „kolejne i powiązane ze sobą etapy systemu wyrobu, od pozyskania lub wytworzenia surowca z zasobów naturalnych do ostatecznej likwidacji”¹. Rys.1 przedstawia graficzną ilustrację pełnego cyklu życia produktów.

Wobec wyzwań przed jakimi państwami członkowskimi UE w związku koniecznością osiągnięcia bardzo wysokiego poziomu recyklingu w ramach transformacji gospodarki europejskiej z modelu liniowego w kierunku modelu gospodarki o obiegu zamkniętym (Circular Economy²) ekologiczna ocena cyklu życia ma ogromne znaczenie. Należy brać pod uwagę dostępność i stopień eksploatacji złóż surowców, wszystkie etapy produkcji, użytkowania, wskaźniki energochłonności, emisji CO2 oraz późniejsze możliwości recyklingu.

W ofercie firmy Emiter znajdują się obudowy wykonane z kompozytu poliestrowego wzmocnionego włóknem szklanym (SMC) oraz z metalu (m.in. stali i aluminium).

O aluminium i stali każdy nas ma przybliżone wyobrażenie procesu w jakim odbywa się wydobycie, przetwarzanie i recykling. Natomiast wiedza na temat stosowania kompozytów jest nadal bardzo mała pomimo tego, że są one doskonałą, wydajną ekologicznie alternatywą.

Badanie LCA

W 2012 roku Europejskie stowarzyszenie: The European SMC/BMC Alliance przeprowadziło badanie LCA kompozytów SMC/BMC oraz stali i aluminium. Aby zapewnić jakość wyników badania LCA przeprowadzono zgodnie z Międzynarodowymi standardami (ISO 14040 oraz ISO 14044).

Obszary badane w LCA:

Globalnie:

• Wyczerpywanie zasobów naturalnych (ADP)4 • Potencjał tworzenia efektu cieplarnianego (GWP) ⁵

Regionalnie:

• Emisje do atmosfery / Potencjał zakwaszania (AP) ⁶

Lokalnie:

• Zdolność do fotochemicznej syntezy ozonu (POCP)⁷
• Nadmierne zasolenie wody i gleby / Potencjał eutrofizacji (EP) ⁸

Jak można ocenić na rys. 3. element wykonany z kompozytu SMC wypadł zdecydowanie lepiej w ocenie całego cyklu życia produktu niż stal czy aluminium. Aluminium wypadło nieco lepiej od stali ale wpływ na środowisko począwszy od wydobycia surowców, produkcji aż do utylizacji jest bardzo wysoki. Rys. 4. obrazuje jeden z czynników oceny analizy LCA – potencjał tworzenia efektu cieplarnianego. Wpływ produkcji elementów wykonanych ze stali i aluminium na tworzenie sie efektu cieplarnianego jest niemal dwukrotnie wyższy niż elementów wykonanych z kompozytu. Zgodnie z opracowaniem The European SMC/BMC Alliance produkt wykonany z SMC okazał się być najbardziej ekologiczną alternatywą w specyficznym uwarunkowaniu. Pod względem kosztów, różnica między tymi trzema alternatywami jest relatywnie mała. Koszt produkcji SMC i stali podobny i niższy niż aluminium, ale wyższy koszt produkcji aluminium jest kompensowany przez niższą energię zużycia paliwa podczas fazy utylizacji. Stal okazała się być najgorszym rozwiązaniem z punktu widzenia efektywności ekologicznej.

Wskaźnik ekologiczny 99 mPT

Wskaźnik ekologiczny 99 mPT jest ilościową metodą LCA mającą na celu określenie najważniejszych oddziaływań produktu na środowisko lub porównanie istniejącego produktu z innym lub bieżącym produktem z nowymi możliwościami rozwoju. Metoda Eco-Indicator 99 wykorzystuje metodę ważenia, aby przekształcić wyniki LCA w pojedynczą ocenę zwaną wskaźnikiem ekologicznym (mPt).

Dla własnych potrzeb obliczyliśmy eco-indicatory 99 dla obudów z naszej oferty.

Dotyczą one:

• 

  Rys. 5. Obudowa STT 80 – wykonana z SMC

  obudowy STT 80 wykonanej z kompozytu poliestru z włóknem szklanym – SMC – Rys. 5.

• obudowy ST 80 wykonanej z aluminium – Rys. 6.
• Współczynniki mPT (pomniejszone o energię odzyskaną w procesach recyklingu) wynoszą odpowiednio:
• Obudowa STT 80 (SMC) – 14644,60
• Obudowa ST 80 (aluminium)- 17641,17

Recykling tworzyw

Jak widać analiza LCA obudowy stacyjnej wykonanej z kompozytu SMC jest zdecydowanie korzystniejsza. Nie podlega wątpliwości również to, iż SMC podlega procesom recyklingu. Pieczę nad jego właściwym przebiegiem sprawuje m.in. Ogólnoeuropejskie konsorcjum ECRC (European Company of Recycling Composites). Aktywnie rozwija ono inicjatywy i rozwiązania, które spełniają normy recyklingu i Dyrektywy Unii Europejskiej.

Rozwiązania obejmują energię odzyskaną poprzez:

• spalanie (przeciętna wartość opałowa wynosi około 21 MJ/kg – porównując wartość opałowa węgla kamiennego wynosi od 24 do 27 MJ/kg ) i recykling wycofanych z eksploatacji części kompozytowych
• zbieranie, rozdrabnianie i mielenie kompozytu na frakcje. Powstały „Recyklat” może być ponownie użyty jako wypełniacz tworzyw zarówno termoplastycznych jak i termoutwardzalnych.

Wskaźnik ekologiczny 99 mPT dla procesu recyklingu

Wartości współczynników mPT w procesie recyklingu dwóch obudów według naszych obliczeń kształtują się następująco:

• Obudowa STT 80 (SMC)- 4363,69
• Obudowa ST 80 (Aluminium)- 7569,04

Więcej materiału można odzyskać z obudowy aluminiowej ale technologia recyklingu kompozytów ciągle się rozwija.

Do obliczeń współczynnika recyklingu mPT dla tworzywa założyliśmy bardzo niski współczynnik recyklingu (20%), mimo, iż recykling tworzyw SMC może sięgać nawet 100%. Nawet pomimo przyjęcia tak niskiego współczynnika odzysku tworzywa SMC całkowity współczynnik mPT dla obudowy z tworzywa jest dużo niższy niż dla aluminium.

Zakładając, że wskaźnik mPt dla procesu recyklingu dla obudowy ST 80 wynosi 7569,04 a dla STT 80 wynosi 4363,69 to odzysk materiału z obudowy STT 80 stanowi aż 58% odzysku ST 80.

Wnioski

Kompozyt jako materiał ma wiele zastosowań i jest przyjazny dla środowiska. Stosowanie kompozytów może w znaczący sposób przyczynić się do redukcji zapotrzebowania człowieka na zasoby naturalne oraz do zmniejszenia emisji CO2. Materiały kompozytowe są zaprojektowane tak, aby zapewnić wytrzymałość mechaniczną, odporność chemiczną i zwiększyć trwałość. Patrząc z perspektywy naszej firmy nie w każdej sytuacji zastosowanie obudów z tworzywa poliestrowego jest możliwe, dlatego w naszej ofercie znajdują się obudowy z różnych materiałów.

 

 

 

 

 

Przypisy

1. PN-EN ISO 14040: Zarządzanie środowiskowe. Ocena cyklu życia. Zasady i struktura, Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa 2009
2. Gospodarka okrężna (ang. Circular economy) – to koncepcja zakładająca minimalizację wpływu na środowisko tworzonych produktów poprzez taki wybór składników i projektowanie, który umożliwi powtórne ich wykorzystanie. Z gospodarką okrężną wiąże się także pojęcie cradle-to-cradle czyli sposób projektowania i produkcji przedmiotów zgodnie z koncepcją zrównoważonego rozwoju tak, by po zakończeniu ich użytkowania, można je było włączyć do ponownego obiegu.
3. https://smcbmc-europe.org/publications_img/ATT.2.LCA%20presentation%20SMC%20BMC%20February%202013.pdf
4. Wyczerpywanie zasobów naturalnych (Abiotic Depletion Potential, ADP zasoby nieodnawialne i ADP zasoby kopalne), czyli ilość zasobów naturalnych, jakie zużywa wyrób w trakcie całego cyklu swojego życia. Kategoria wpływu ADP zasoby nieodnawialne obejmuje wszystkie nieodnawialne zasoby naturalne, natomiast kategoria ADP zasoby kopalne obejmuje wszystkie kopalne bogactwa naturalne m.in. surowce.
5. Potencjał tworzenia efektu cieplarnianego (GWP, z ang. global warming potential) – wskaźnik służący do ilościowej oceny wpływu danej substancji na efekt cieplarniany. Potencjał globalnego ocieplenia (Global Warming Potential GWP), czyli pomiar potencjalnego wkładu wyrobu w zmianę klimatu na podstawie np. emisji gazów cieplarnianych, takich jak ditlenek węgla (CO2), które zwiększają absorpcję promieniowania ciepła do atmosfery i powodują wzrost temperatury na powierzchni Ziemi.. GWP jest przeliczany dla określonego przedziału czasu, zwykle 20, 100 lub 500 lat. GWP dla dwutlenku węgla wynosi z definicji 1.
6. Potencjał zakwaszania (Acidification Potential AP), który opisuje przekształcanie zanieczyszczeń powietrza, takich jak dwutlenek siarki (SO2), w kwasy, które migą mieć negatywny wpływ na glebę, wodę czy organizmy (np. kwaśne deszcze).
7. Zdolność do fotochemicznej syntezy ozonu (Photochemical Ozone Creation Potential POCP) jest to powstawanie reaktywnych związków chemicznych, na przykład ozonu, w wyniku działania promieniowania słonecznego na lotne związki organiczne (LZO) i tlenki azotu (NOx). Znaczące ilości LZO i NOx są uwalniane w okresie letnim w dużych miastach (np. emisje przemysłowe i samochodowe). Letni smog może być szkodliwy dla zdrowia ludzi i ekosystemów.
8. Potencjał eutrofizacji (Eutrophication Potential EP) – eutrofizacja jest to nadmierne wzbogacanie ekosystemów wodnych lub lądowych w składniki odżywcze, wynikające ze wzrastającej ilości azotu i fosforu. Eutrofizacja powoduje negatywne zmiany w składzie gatunkowym i produkcji biomasy.

Źródła:

• „Recykling duroplastów – tworzyw chemoutwardzalnych”- wydanie PlastNews 5/2017 „Recykling tworzyw” 
• http://www.baltazarkompozyty.pl/index.php?option=com_content&view=article&id=230:kompozyt-jako-alternatywa-stali-i-aluminium&catid=15&Itemid=46
• http://odpowiedzialnybiznes.pl/hasla-encyklopedii/gospodarka-okrezna-circular-economy/
• https://smcbmc-europe.org/publications_img/ATT.2.LCA%20presentation%20SMC%20BMC%20February%202013.pdf
• https://issuu.com/smcbmceuropeanalliance/docs/rapport_smc_bmc__chapitre_6__d3630446101af4
• http://ec.europa.eu/transparency/regdoc/rep/1/2003/EN/1-2003-302-EN-F1-1.Pdf
• Adamus, Ł. (2010). Etykiety i deklaracje środowiskowe według norm ISO. Informator Zrównoważone Budownictwo w UE, (XX). Pozyskano z: http://www.zb.itb.pl
• https://pl.wikipedia.org/wiki/Eco-indicator_99, źrodło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Recykling
• http://e-czytelnia.abrys.pl/recykling/2006-10-246/recykling-odpadow-1437/odpady-laminatow-poliestrowo-szklanych-ze zlomowanych-tralowcow-6600
• EcolizerEN_1180, example for mPT eco indicator calculation.pdf pozyskane z: www.ecodesignlink.be/images/filelib

inż. Tomasz Dutka, inż. Marzena Bugańska, Emiter