Maria Knutson-Wedel Institutionen för materialteknik

En presentation över ämnet: "Maria Knutson-Wedel Institutionen för materialteknik"— Presentationens avskrift:

1 Maria Knutson-Wedel Institutionen för materialteknik
Metaller och Miljö Maria Knutson-Wedel Institutionen för materialteknik Jag skall idag främst prata om de miljöproblem som vi får ta hänsyn till när vi som ingenjörer vill använda metaller i samhället.

2 Metallflödet i samhället är stort och ÖKAR pga
Utvecklingsländer bygger infrastruktur I-länder får större och mer varierad användning av metaller Vi måste till att börja med inse att metallflödet i samhället är stort och ökande.

3 Materialanvändning USA, 1900-talet
Plast Al Papper Trä Cu Stål Bly 10 Trä Cu Bly Stål Papper Al Produktion/BNP [kg/$] 1 Vi börjar och tar en titt på materialanvändningen under 1900 talet i ett i-land; USA. Enhet; kg material per BNP (som krävs för en industrialiseringsgrad), normerat 1940 års användning = 1. Notera Även om vi behöver mindre stål, koppar och bly för samma grad av industrialisering idag, så ökar istället nya material som tex plast och aluminium. 0.1

4 Dagens innehåll 1) Utvinning av metaller; 3 miljöproblem
Räcker metallerna? Utvinning belastar naturen Energikrav belastar naturen 2) Metallflödet i samhället; 1 miljöproblem Metallutsläpp belastar naturen 3) Vad kan ingenjörer göra? Dagens innehåll är indelat i en pessimistisk och en optimistisk del. Vi skall först tala om knapphet. Är det brist på metaller och eller är det brist i naturens möjligheter att ta hand omutsläpp vid utvinning och användning av metaller i samhället Vi ska sen se på möjligheter! Det är ni som har chansen att ändra strategin från avfallshanteringsstrategi till materialhanteringsstrategi

5 Miljöproblem 1 vid utvinning - Kan metallerna ta slut?
Notera nu först vilka som är vanliga; Järn plus de lätta metallerna Al, Mg och Ti Vi ser sedan att utvinningen är väldigt olika och hänger inte ihop med hur ovanlig metallen är. Man kan med fog fråga sig om ovanliga metaller kommer att räcka i all evighet om man fortsätter så här!

6 Metallreserver i världen
Reserv / produktion Nu skall vi titta närmare på utvinningen: Notera Reserverna ser ut att vara lika hela tiden Vad kan det bero på?

7 Resurser istället för reserver
Resurs = Vad som går att bryta oavsett pris eller koncentration i malmen Vi får använda begreppet resurser istället för reserver. Blir det ont om en metall blir det helt enkelt ekonomiskt att bryta malm med lägre halt.

8 Mineralogisk barriär Energikostnad /utvunnen massa Koncentration [%]
Metall bundet i form av atomär substitution Energikostnad /utvunnen massa Anrikad metall i malmmineral Vissa metaller har en mineralogisk barriär: Det finns ett stort språng i den mängd energi som måste tillföras för att framställa ett ton metall. Skall vi bryta dessa, måste vi bryta ner strukturen kemiskt för att separera ut metallatomerna. Alltså; för ovanligare metaller kan vi faktiskt anse att det finns ett läge där resurserna är slut. Geokemiskt vanliga metaller (Fe, Al) Koncentration [%]

9 Hur ser resurserna ut nu?
När det gäller järn och aluminium är resurserna oändliga. Sällsynta metaller har en gräns - MEN om vi har metallen i koncentrerad form i samhället och återanvänder den så är det en investering att ha koppar i en kabel. MEN vi får inte tillåta att det läcker ut i utsläpp eller sopor. Vi kan inte lita på primär produktion av sällsynta metaller i all evighet. Exempel bly - sedan 1880 har vi i Sverige ackumulerat använt 300 kg per capita. Max kvar beräknas globalt vara 250 kg/capita med 10 miljarder invånare. Alltså om u-länder ska kunna utvecklas måste de bygga på annan modern teknik.

10 Strategiska metaller Vagt definierat
Vitala för ett lands industri och försvar Svåra att ersätta Måste importeras från tex Centrala och södra Afrika, fd Sovjet Tex krom, platina, kobolt och mangan Ett annat knapphetsproblem avslöjas i begreppet strategiska metaller. De är :…….. Även om vi har resurser av dessa metaller är dessa i många fall lokaliserade i instabila områden i världen och kan ändras snabbt beroende på politik, krig eller industriutveckling Vi kan inte heller kallt räkna med att u-länderna säljer billiga råvaror i all framtid

11 Miljöproblem 1 vid utvinning: den ekologiska ryggsäcken
Mton / år Man kan inte enbart se på mängden framställd metall. För varje ton så finns en mängd associerad med framställningen, tex slagg vid gruvan. Den sk ekologiska ryggsäcken som lokalt läcker diffusa utsläpp under lång tid. Notera Al 20 Mton/år har en försumbar ryggsäck medan Cu 10 Mton/år har en ofantlig. Järn 700 Mton/år har en mediumstor men produceras å andra sidan i större mängder. 10 20

12 Miljöproblem 2 vid utvinning: Energiåtgång
Det går åt stora mängder energi för att primärframställa metaller (Av all energi är 70% från Fe) Orsakar 10% av jordens CO2 utsläpp Sekundärproduktion: Kräver 5-30% av energin jämfört primärproduktion Al: 5 % Järn och stål står för 70% av energianvändningen vid materialproduktion Sekundärproduktion kräver mycket mindre energi och nu förstår en viktig poäng med återvinning 5% gäller Aluminium Dock: Efterfrågan av metall överstiger mängden som teoretiskt kan fås ur skrot, viss primär produktion kommer att finnas och då får man försöka använda vind/solenergi!!!!!!

13 Tillverkningsmaterial = 630 ggr slutproduktsmaterial
Exempel mikrochip 2 gr mikrochip kräver vid tillverkning 1,6 kg fossila bränslen 72 gr kemikalier 32 gr vatten Tillverkningsmaterial = 630 ggr slutproduktsmaterial PLUS ryggsäcken

14 Varför skall vi undvika utsläpp?
Nu har vi nästan samma bild som tidigare men en 3e kolumn tillagd. Sista kolumnen visar utvinningen delat med hur mycket som naturen själv släpper från kontinenterna pga nötning och vittring. Vi kan se att vi har skapat ett grundläggande problem - Om vi släpper ut det vi gräver upp så överskrider vi de gränser naturen kan hantera Speciellt gäller detta tungmetaller..

15 Var finns metallutsläppen i samhället?
Kemikalier Färg Biocider Medicinsk, dental Batterier Elektriska apparater Ytskikt Metallisk Här kan vi se de vanligaste utsläppskällorna med principen värst först. Används metallen i fast form läcker det betydligt mindre än vid målarfärg och kemisk användning, biocider. Ett speciellt problem är elektronikprylar som använder material från nästan hela periodiska systemet (mobiltelefon, solceller)

16 Exempel kopparflödet i Sverige i kton/år
IN Cu 14 ? RåCu 88 111 Tillverkning Användning IN 31 27 14 17 Skräphantering Notera IN överstiger UT vilket medför ackumulation Läckage vid användning är större eller lika stora som de industriella utsläppen Det går inte att uppskatta mängden som finns i kvarglömda kablar etc.(2-6 kton/år) Det största utsläppet är den mängd som hamnar på soptippen färg, impregn: 1 vattenrör: 0.04 tak: 0.06 10 Vatten & luft:0.12

17 Medlen och lösningarna
Bärkraftighetsekvationen; I = i * m * u * P i = effekt på miljön / kg material m = material och energiflöde / nytta u = nytta / capita (vårt mål) P = population (1010) (givet) Notera Vi kan påverka i och m!!!!!!!! Om vi inte vill minska nyttan, fördela den ojämnt över klotet, eller minska populationen

18 Huvudlinjer - påverka i och m
Dematerialisera (m) Reducera metallflödet - använd mindre mängd (relä, solfångare) Bromsa flödet - använd saken länge (kvalitet, korrosionsskydd, underhåll) Slut flödet - återanvänd, återvinn (Al-burkar) Transmaterialisera (i) Använd ett annat material som är mindre farligt/sällsynt (Blyfri bensin - amalgamersättning - fiberoptik)

19 7 nivåer av substitution
1) Råmaterial - Samma material kan erhållas från olika råmaterial 2) Material - Ersätt materialet 3) Komponent - En annan typ av batteri 4) Subsystem - Elektrisk motor i bil 5) System - Tåg istället för bil 6) Strategi - En annan strategi till samma mål (Telefonmöte?) 7) Värdering - Värdera om målet

20 Gör rätt åtgärd Blyfri elektronik (ersätt med vismut /tenn):
problem med återvinningsprocessen (bly återvinns lätt) Blyad bensin i privatflygplan är tillåtet: 5 ton/år i Sverige hamnar i inandningsluft, går ut i blodet Bly från glödlampor som slängs i soporna (97%) 12-40 ton/år hamnar i deponi som aska

21 Rönnskärsverken och guldet
25 kton elektronikskrot som kommer från hela världen Mobilen ger Cu, Ag, Au, Pd Hela mobilen smälts ner, datorn krossas och viss plast, Hg och PCB sorteras bort 100 gr mer Au i skrot än i malm (200g/ton) Idag lika mycket Au från skrot som från malm

22 Stålindustrin vaknar till liv
Projekt Ultra Light Steel Auto Body-Advanced Vehicle Concept 35 tillverkare inkl. SSAB Al hot - Ultrahöghållfast stål (ferrit/martensit) tar upp 30% mer energi 42% lättare dörr 32% lättare motorhuv/grill 29% lättare baklucka Volvo Ford Fiat Honda Renault