De mechanica van keramiek: hoe de industrie koolstofarm kan worden

De mechanica van keramiek: hoe de industrie koolstofarm kan worden

Hoewel de industrie wereldwijd heeft geprobeerd om over te stappen op duurzamere methoden, is de jaarlijkse wereldwijde extractie van materialen de afgelopen 50 jaar verdrievoudigd. In de Europese keramische industrie is het energieverbruik de afgelopen 25 jaar gehalveerd dankzij nieuwe productietechnologieën.

Volgens de Europese Commissieheeft de keramiek sector in Europa goed voor meer dan 338.000 banen en een waarde van €27,8 miljard voor de economie van de EU. Hoewel de sector te maken heeft met hoge energieprijzen en afhankelijkheid van grondstoffen van producenten van buiten de EU, kunnen de kleine en middelgrote ondernemingen die de sector vormen snel reageren op zowel veranderende eisen als nieuwe kansen.

Professor Ian M Reaney, de Dyson Leerstoel in Keramiek aan de Universiteit van Sheffield's Department of Materials Science and Engineering, was onlangs in Modena om te praten over de uitdagingen waar de keramische industrie voor staat, de nieuwe technologieën die de uitstoot drastisch kunnen verminderen en zijn eigen motivatie om de industrie te helpen innoveren.

Wat ziet u als expert in keramiek als de belangrijkste uitdagingen in uw onderzoek?

Er zijn veel uitdagingen. De meeste keramiek wordt gemaakt met behulp van zware methaanbranders en daarom is er een aanzienlijke CO2-uitstoot verbonden aan de traditionele keramische industrie, tegels, aardewerk enzovoort. Er zijn ook uitdagingen bij het maken van materialen voor duurzame toepassingen, zoals batterijen, brandstofcellen, condensatoren voor elektrische voertuigen om de prestaties te verbeteren, enzovoort. Deze materialen moeten worden verbeterd zodat we de wereld kunnen helpen efficiënter om te gaan met energie.

U gaf een keynote op de 9e Internationale MSSM conferentie waar u de duurzaamheid van de productie van keramiek besprak. Wat zijn uw gedachten hierover?

Eén aspect is de volumeproductie van keramiek - dit gebied in Italië staat bekend om de productie van traditionele keramiek in grote volumes. Deze fabrieken bestaan soms al honderden jaren. Over het algemeen gebruiken ze al 30 tot 40 jaar dezelfde productiemethoden. Ze verbranden methaan, wat natuurlijk duurder is dan vroeger, maar het ergste is dat het een enorme CO2-uitstoter is. De temperaturen zijn erg hoog, dus er wordt veel gas verbrand. Je sintert of verdicht deze keramiek bij ongeveer 1100°C tot 1200°C.

Het creëren van duurzame productieprocessen is dus een belangrijk doel dat we de komende jaren echt moeten aanpakken en bereiken.

Wat zijn de alternatieven?

Op dit moment zijn er voor de volumeproductie van keramiek - aardewerk, bakstenen, dakpannen, decoratieve tegels - maar heel weinig alternatieven die onmiddellijk kunnen worden toegepast.

Ovens zijn enorm. Ze kosten miljoenen en ze zijn ontworpen om 30 tot 40 jaar te draaien. De investeringskosten zijn erg hoog. Het probleem is dat het duur is om daarvan af te stappen en dat de technologieën op dit moment niet zo duidelijk zijn.

Er zijn twee concurrerende technologieën. De ene zou zijn om de systemen achteraf aan te passen om waterstof of mengsels van CH4 en waterstof te verbranden, maar de technologie staat nog in de kinderschoenen. De andere is om elektrische ovens te maken, maar deze elektrische ovens zullen gloednieuwe ovens zijn die de ovens in de fabriek vervangen. De kapitaaluitgaven voor apparatuur zijn dus extreem hoog. Dat moet worden meegenomen in elke langetermijnplanning van een bedrijf als het de weg van elektrificatie wil inslaan.

De uitdaging voor duurzaamheid is dus om de onnodige warmte te verminderen.

Op het gebied van duurzaamheid zijn er een paar dingen. Er is veel afval bij de productie van keramiek. Keramiek is kwetsbaar, er worden fouten gemaakt tijdens de productie en er ontstaan defecten. Het eerste is om het afval te minimaliseren. Het tweede is het hergebruiken van het afval dat wordt gemaakt. En door afval te hergebruiken of dingen aan het proces toe te voegen, heb je ook de mogelijkheid om de verdichtingstemperatuur te verlagen [de temperatuur die kleine deeltjes helpt samensmelten tot een dichte bulk]. Maar dat is vrij moeilijk in een traditioneel proces en je bereikt misschien maar enkele tientallen graden. Dat is gunstig en dat moeten we zeker doen. Maar dat is geen massale vermindering van de koolstof die in het product is opgenomen. Het vermindert het en verbetert het, maar het is geen wondermiddel.

Hoe worden deze afvalproducten momenteel beheerd?

Goed beheerd, [kunnen] we een aanzienlijke hoeveelheid intern recyclen in een keramische fabriek. Alle voorgebakken [keramiek] wordt gerecycled en het gebakken afval wordt gedeeltelijk gerecycled. Maar dan heb je ook nog zoiets als industriële symbiose, waarbij je dat afval kunt hergebruiken in andere technologieën. Cement/beton is erg populair omdat cement deeltjes bevat, en die deeltjes kunnen brokken gebakken afval zijn van andere productieroutes van keramiek.

Als je naar een keramiekfabriek gaat, zie je helaas dat het afval naast de fabriek wordt opgeslagen of in het ergste geval wordt gestort. Het vinden van manieren om industriële symbiose te bereiken is een grote uitdaging en een die ze aan het aanpakken zijn. Maar het zal nog wel even duren.

Welke rol speelt water in deze processen?

Water zit overal in. Je gebruikt water als onderdeel van het glazuurproces. Je doet meestal iets dat een waterval van een slurry van deeltjes wordt genoemd, en de basis van die slurry is water. Water komt uit de klei zelf omdat het een gehydrateerd mineraal is. Water is vrijwel in alle processen aanwezig.

Ik zou zeggen dat de meest voor de hand liggende plek waar je water ziet, het sproeidroogproces is, dat deze granulatie geeft, en ook bij het aanbrengen van het glazuur en iets dat de engobe wordt genoemd, wat een naam is voor een pre-glazuurlaag.

Een project dat bij MSSM naar voren kwam is het door de EU gefinancierde iWAYS project, dat tot doel heeft duurzame industrieën te verbeteren door technologieën te introduceren die water en energie kunnen terugwinnen uit industriële uitlaatgassen. Hoe kan de iWAYS technologie volgens u de keramische industrie ten goede komen?

De belangrijkste doelen van het iWAYS-project zijn energieterugwinning door middel van warmtewisselaars en waterterugwinning. Je zou je dus kunnen voorstellen dat je water uit processen kunt terugwinnen en hergebruiken in een granulatie en in het keramische productieproces.

Energieterugwinningssystemen die iWAYS en eerdere projecten hebben ontwikkeld zijn ook belangrijk. De warmtewisselingssystemen op basis van heatpipe-technologie kunnen een ongebruikelijk groot temperatuurbereik overbruggen. Ze zijn dus even goed geschikt voor lage temperaturen, laagwaardige warmte en hoogwaardige warmte. Het kan een aanzienlijke energieterugwinning opleveren en het kan warmte terugbrengen in de productie en het totale energieverbruik van het productieproces verlagen.

Ik denk dat het twee aspecten heeft. Het belangrijkste is waarschijnlijk de energieterugwinning, maar je moet ook het water beheren en ervoor zorgen dat je het recyclet en hergebruikt.

Wat is volgens u de beste manier om de keramische industrie koolstofvrij te maken?

Er is een holistische aanpak nodig. Je moet kijken naar efficiënt gebruik van hulpbronnen, dat wil zeggen zoveel mogelijk afval hergebruiken. Je moet kijken naar het reduceren van koolstof, grondstoffen en het uitbannen van bijvoorbeeld kalksteen uit formuleringen.

Je moet kijken naar energieterugwinning met misschien heatpipe-technologie om dingen aan te pakken die momenteel niet worden gebruikt. Omleiding van hete lucht wordt routinematig gebruikt, maar de heatpipesystemen zijn veel geavanceerder dan dat.

De andere is het aanmoedigen van regeringen om het elektriciteitsnet koolstofvrij te maken. Maar we kunnen niet wachten tot die megaprojecten voor waterstof en elektrificatie klaar zijn. We moeten beginnen met concepten voor efficiënt gebruik van hulpbronnen en energie die bijvoorbeeld in iWAYS worden besproken. We moeten daar onmiddellijk mee beginnen, als het nog niet aan de gang is, want je kunt op dit gebied aanzienlijke vooruitgang boeken door kleine verbeteringen aan te brengen in het koolstofvrij maken door efficiënt gebruik van hulpbronnen. Het zal nog minstens tien jaar de dominante strategie (voor koolstofvermindering) zijn voordat de megaprojecten van waterstof en elektrificatie effect beginnen te hebben.

Hoe heb je de industrie zien evolueren in Europa?

Dat hangt ervan af waar je bent in Europa, want een groot deel van de keramische industrie is nu uitbesteed aan het Verre Oosten. Ik denk dat er een evolutie heeft plaatsgevonden in het denken dat we de banen hier willen houden en de controle over de opgenomen koolstof willen behouden in plaats van de productie stop te zetten en toe te staan dat producten met een hoge opgenomen koolstof uit andere landen worden geïmporteerd.

Ik denk dat er nu een opkomend denkpatroon van duurzaamheid uit de bedrijven komt. Het wordt deels gedreven door overheidsinitiatieven, maar ook deels door het besef dat er een markt is voor duurzame producten. Uiteindelijk willen mensen geld verdienen.

Als je kijkt naar de drie pijlers van duurzaamheid, dan zijn dat economie, maatschappij en milieu. Je hebt ze alle drie nodig. Economie is onderdeel van duurzaamheid. Wat heeft het voor zin om een perfect duurzaam net nul product te hebben dat niemand koopt? Er is een acceptatie dat dit een levensvatbare weg vooruit is als bedrijfsmodel. Ik zie dingen veranderen, terwijl het voorheen ging in de richting van superlage productiekosten of het handhaven van een aantal hoogwaardige materialen tegen een zeer hoge waarde zonder na te denken over de hoge ingebouwde koolstof. De meeste bedrijven hebben nu een hele lijn duurzame producten met betere groene referenties en ze moeten die groene referenties ook laten zien. Die producten moeten aantoonbaar groener zijn.

Denkt u dat bedrijven zich meer bewust worden van deze duurzaamheidskwesties in de keramische industrie?

Het is de wortel en de stok. Er is een 'stok' van de overheid; we kunnen niet doorgaan met het verbranden van fossiele brandstoffen, dus er zijn opgelegde CO2-rechten en dat soort dingen. En dan heb je de 'wortel' - dingen zoals de Europese Green Deal, en er gebeuren vergelijkbare dingen in het Verenigd Koninkrijk. Deze dingen gaan hand in hand - een aanmoedigende benadering door middel van investeringen en een sturende benadering door middel van wetgeving.

Bekijk het volledige interview als video: youtu.be/dTe08sh4P5A