Kädet tietokoneen näppäimistöllä

Savonia-artikkeli Pro: Roottorin hiilijalanjäljen vertailulaskenta SimaPro LCA-ohjelmistolla

Savonia-artikkeli Pro on kokoelma monialaisen Savonian asiantuntemusta eri aiheista.

This work is licensed under CC BY-SA 4.0

Savonia ammattikorkeakoulun, Savon ammattiopiston ja LUT-yliopiston toteuttamassa HitLeap-hankkeessa yksi työpaketti käsittelee hitsauksen ympäristövaikutuksia. Hitsauksen ympäristövaikutuksien tutkimista aloitettiin suorittamalla vertailulaskenta SimaPro LCA-ohjelmistolla aiemmin excel-laskentana suoritettuun roottorin korjaukseen WAAM-menetelmällä. Ensimmäinen laskenta roottorin korjauksesta suoritettiin 3D-tulostusta robotilla -hankkeessa ANDRITZ Savonlinna Works Oy:n kanssa yhteistyössä. Nyt tavoitteena oli varmentaa laskennan luotettavuutta toistolaskennan avulla ja selvittää eri laskenta-alustojen eroja. Samalla ohjelmiston ja saatavilla olevien päästötietokantojen avulla voitiin laskentaa tarkentaa ja suorittaa laajempaa herkkyystarkastelua.

SimaPro-ohjelmisto elinkaariarvioinnin työkaluna

Simapro on elinkaariarviointiin (Life Cycle Assessment, LCA) ohjelmisto, joka on kehitetty erityisesti ympäristövaikutusten arviointiin. Ohjelmistoa käytetään eri teollisuudenaloilla, tutkimuslaitoksissa ja konsultointiyrityksissä. Sen avulla voidaan analysoida tuotteiden, palveluiden tai prosessien ympäristövaikutuksia koko elinkaaren ajalta, alkaen raaka-aineiden hankinnasta aina kohteen elinkaaren loppuun saakka.

Keskeisinä ominaisuuksina Simaprossa ovat kattavat päästötietokannat, jotka sisältävät laajasti ympäristövaikutustietoa tuotantoprosesseista, materiaaleista ja energiankulutuksesta useilla eri maantieteellisillä alueilla ja aloilla. Tunnetuimpia kansainvälisesti näistä päästötietokannoista ovat ainakin EcoInvent, AgriFootprint ja Industry Data 2.0.

SimaProta voidaan hyödyntää tuotekehityksessä tuotteiden elinkaarien arviointiin, kun tavoitteena on kehittää kestävämpiä ja ympäristöystävällisempiä ratkaisuja. Ohjelmiston avulla voidaan tehdä ISO 14040 ja 14044 mukaisia ympäristövaikutuksien arviointia, raportointia ja sertifiointia. Ohjelmiston hyötynä on myös sen tarjoama konkreettinen tieto päätöksenteon tueksi esimerkiksi vaihtoehtoisten materiaalien ja energianlähteiden käyttöä arvioitaessa.

Ohjelmisto koostuu useista moduuleista, jotka mahdollistavat tapauskohtaisen käytön eri tarpeisiin. Moduulit ja lisäosat valitaan elinkaariarvioinnin laajuuden ja määritetyn tarkkuustason mukaan.

Ohjelmiston käyttöliittymä mahdollistaa elinkaariarviointimallien rakentamisen graafiseen muotoon ja tulosten visuaalisen tarkastelun. SimaPro tukee lukuisia erilaisia vaikutusluokittelumalleja, kuten ReCiPe, TRACI ja yleisimmin käytettävät IPCC GWP100 (hiilijalanjälki) sekä EFP 3.0 (ympäristöjalanjälki) -mallit. Vaikutusluokkamalleilla voidaan arvioida esimerkiksi kasvihuonekaasupäästöjä, veden kulutusta ja ekotoksisuutta. Ohjelmistoon kuuluu myös raportointityökalu, jonka avulla voidaan tuottaa automatisoidummin selkeitä ja ymmärrettäviä raportteja elinkaariarvioinnin tuloksista.

LCA-ohjelmisto laajentaa merkittävästi mahdollisuuksia tutkia ympäristövaikutuksia erilaisissa valmistavan teollisuuden prosesseissa ja tuotteissa myös Savonian toteuttamissa hankkeissa. Erityisesti laajat tietokannat helpottavat elinkaariarvioinnissa tiedonkeruuta päästökertoimien osalta. Päästökertoimien taustalla tehdyt oletukset on avattu tarkasti ohjelmistossa, jolloin elinkaariarvioinnin standardin mukainen vaatimus läpinäkyvyydestä saadaan helpommin varmistettua.

Roottorin korjaus WAAM-menetelmää hyödyntäen

Laskennan tavoitteena oli selvittää ilmastovaikutuksen näkökulmasta, onko roottorin korjaaminen parempi vaihtoehto kuin vanhan roottorin korvaaminen kokonaan uudella. Roottori on tarve korvata uudella roottorilla keskimäärin viiden vuoden käytön jälkeen, korjaushitsaamalla vanha roottori WAAM-menetelmää (wire arc additive manufacturing) hyödyntäen roottorin elinikä saadaan kaksinkertaistettua kymmeneen vuoteen. Ensimmäisellä laskentakerralla hiilijalanjälki laskettiin erikseen fossiilista ja hiilineutraalia energiaa käyttäen. SimaPro-ohjelmistolla suoritettu vertailulaskenta tehtiin fossiilista energiankäyttöä mallintaen päästötietodatan erojen havainnoimiseksi lopputuloksessa.

Merkittävimmät erot vertailulaskennassa tulosten visuaalisuudessa sekä päästötiedon saatavuudessa

Excel-laskennassa ja SimaProlla suoritetussa laskennassa korjatun roottorin ja vanhan korvaamisen kokonaan uudella roottorilla väliset hiilijalanjälkierot eivät eronneet merkittävästi. Vanhan roottorin korjaaminen WAAM-menetelmää hyödyntäen pienentää hiilijalanjälkeä noin 80–90 prosenttia. Tähän lisäksi huomioituna korjaushitsauksella saavutettu kaksinkertaistunut elinikä roottorille (taulukko 1) tarkoittaa, että lisäävä valmistus ja WAAM-menetelmän hyödyntäminen on kestävämpi ratkaisu. Merkittävin päästövähennys syntyy materiaalin käytössä. Kun uutta roottoria ei tarvita, säästytään uudelta useamman tuhannen teräskilon käytöltä

SimaPro-ohjelmistolla suoritettu laskenta kaksinkertaisti korjauksen synnyttämän hiilijalanjäljen verrattuna excel-laskentaan. Uuden roottorin osalta hiilijalanjälki moninkertaistui, sillä asetettu 10 vuoden elinkaari korjatulle roottorille vastaavasti uusia roottoreita käyttämällä vaatii kaksi uutta roottoria. Vaikka SimaProssa rakennettiin laskenta usemman uuden roottorin kautta, ei se muuta suhteessa hiilijalanjäljen pienenemisen eroa, joka korjauhitsaamalla saavutettiin molemmilla laskentakerroilla 80–90 prosenttiin. Excel-laskennassa laskettiin hiilijalanjälki yhdelle uudelle roottorille ja roottorin korjaukselle. Lisäksi moninkertaista hiilijalanjälkeä aiheutti päästökerroindatan erot ja koneistuksen lisääminen laskentaan päästötiedon ollessa saatavissa Ecoinvent-tietokannan kautta, sekä energiankäytön (sähkö ja lämpö) geneerisissä maantieteellistä aluetta vastaavissa päästökertoimien suuruuksissa olleista eroista verrattuna excel-laskentaan. Excel-laskennassa energiankäytön osalta on käytetty primääritason dataa eli suoraan toimittajalta saatua päästökerrointietoa, jolloin ostoenergian päästöt ovat luotettavammat. Voidaankin todeta, että päästötiedon valinta ja taustalla tehtyjen oletuksien selvittäminen, sekä laskennassa tehdyt rajaukset vaikuttavat olennaisesti hiilijalanjäljen suuruuteen. Alkuperäisessä laskennassa rajattiin ulkopuolelle esimerkiksi koneistus, sillä siitä ei ollut saatavilla luotettavaa päästötietoa. Muita eroja päästödatan osalta oli;

-logistiikassa maantie- ja merikuljetusten osalta
-propaanissa.

Ensimmäisellä laskentakerralla teräksen osalta oli käytetty yleistä päästökerrointa, joka on tarkkuustasoltaan keskimääräinen kaikille terästuotteille, joita teräksen toimittajilta saadaan. LCA-ohjelmiston Ecoinvent-tietokannan hiiliteräksen ja ruostumattoman teräksen päästökertoimet sisällytettiin toistolaskentaan, jonka tuloksena hiilijalanjäljen suuruus teräksen käytön osalta roottorissa oli kymmenien kilojen erolla sama. Eli voidaan todeta keskimääräisen teräksen päästökertoimen olleen melko luotettava ensimmäisellä laskentakerralla.

Taulukko 1. Hiilijalanjäljen vertailu excel-laskennan ja SimaProlla suoritetun laskennan välillä. Hiilijalanjälki pieneni korjaamalla roottori WAAM-menetelmää hyödyntäen 80-90%.

Olennaisena erona ja etuna SimaPro-ohjelmiston hyödyntämisessä on saatujen tulosten ja käytetyn datan nopea generointi raportoitavaan muotoon suoraan MS Office-työkaluihin (taulukko 2). Lisäksi ohjelmisto laskee kokonaishiilijalanjäljen lisäksi fossiilisen, biogeenisen ja maankäytön hiilijalanjäljen erikseen (taulukko 3).

Taulukko 2. Vertailu korjatun roottorin ja kokonaan uuden roottorin hiilijalanjäljestä SimaPro-ohjelmistolla. Taulukko luotu SimaPro Report Maker -työkalulla suoraan ohjelmistosta.
Taulukko 3. Vertailu korjatun roottorin ja kokonaan uuden roottorin fossiilisesta, biogeenisestä ja maankäytön hiilijalanjäljestä SimaPro-ohjelmistolla. Taulukko luotu SimaPro Report Maker -työkalulla.

Kirjoittaja

Sonja Kattainen, tutkimusinsinööri

Kone- ja energiatekniikan tutkimusala