Razvoj inovativnih građevnih kompozita primjenom biopepela

Ciljevi projekta

Opći cilj:

• doprinijeti jačanju gospodarstva primjenom istraživanja i inovacija u građevnoj industriji kroz razvoj inovativnih ekoloških proizvoda, tehnologija i poslovnih procesa.

Specifični ciljevi: 

• Razvoj inovativnih proizvoda ekološkog građevnog kompozita kao rezultat djelatnosti istraživanja, razvoja i inovacija (IRI).
• Poboljšanje tehnoloških procesa u građevnoj industriji.
• Povećanje suradnje sa znanstveno istraživačkim institucijama u primijenjenim istraživanjima.

Problem koji se rješava projektom

1. Problem odlaganja pepela iz drvne biomase: U hrvatskim energanama na drvnu biomasu nastaje velika količina nezbrinutog pepela, koji ujedno predstavlja ekološki problem zbrinjavanja otpada. Projektni tim osmislio je istraživačku temu koja može postati prekretnica u građevinarstvu u Hrvatskoj, a samim time i na globalnom tržištu.
2. Problem emisija stakleničkih plinova: Istraživanja su pokazala da je upravo cementna industrija odgovorna za 7 % ukupne svjetske emisije CO2.

Ideja projekta je da se dio portlandskog cementa ili pijeska zamijeni alternativnim materijalom, odnosno biopepelom koji nastaje u elektranama na drvnu biomasu.



shematski prikaz

Inovativnost predloženog rješenja

• Ideja za projekt proizlazi iz preispitanog područja upotrebe letećeg pepela u cementu i/ili betonu. Naime, u betonu je poznata upotreba letećeg pepela koji nastaje nakon sagorijevanja u visokim pećima termoelektrana. Upotreba letećeg pepela poboljšava i svojstva betona - obradivost, smanjuje se segregacija betona, smanjuje se propusnost i sl. Uspješni primjeri primjene letećeg pepela u betonu potaknuli su ideju o upotrebi biopepela (pepela koji nastaje u bioelektranama) u građevnim kompozitima.
• Inovacija u sastavu betona: Na osnovi istraživanja provedenih u 24 zemlje OECD-a, Istočne Europe i Južne Amerike, procjenjuje se da je proizvodnjom i upotrebom miješanih cemenata moguće smanjiti emisiju CO2 za 22 %. Korištenje biopepela nudi i dodatni pozitivni utjecaj – rješava problem zbrinjavanja otpada u čak 10 hrvatskih bioelektrana.

Plan provedbe projekta

1. Trajanje projekta: 48 mjeseci
2. Temeljno istraživanje: 35 mjeseci (Prijavitelj + Partner)

• Pregled stanja znanja na području istraživanja
• Karakterizacija drvne biomase
• Karakterizacija i procjena svojstava biopepela u građevnim kompozitima

    3. Industrijsko istraživanje: 5 mjeseci (Prijavitelj + Partner) 

• Ispitivanje mineralnih kompozita za posebne namjene

    4. Eksperimentalni razvoj: 8 mjeseci (Prijavitelj + Partner)

•  Demonstracija odabranih tehnologija u pogonu

Učinak projekta za prijavitelja i partnera

• Učinak projekta za prijavitelja:

- Prema procjenama povećanje prihoda od prodaje inovativnih proizvoda (novih na tržištu) je cca. 82 %, što će povećati ukupnu dobit od poslovanja za više od cca. 194 %, od čega je rast prodaje od izvoza za cca. 812 %
- Pokazatelji bilježe podatke koji upućuju na očekivanu radikalnu promjenu djelatnosti, što će osiguravati daljnji ekspanzivni rast poduzeća
- Za potrebe rada na projektu će se zaposliti 7 osoba kod Prijavitelja, a do 2026. godine još dodatno njih 11, a postojeći zaposlenici usvojit će nova znanja i iskustva u provođenju IRI projekata

• Učinak projekta za partnera:

- Za potrebe rada na projektu će se zaposliti 2 nove osobe
- Povećanje ulaganja u istraživanje fenomena upotrebe biopepela u građevinarstvu
- Znanstvene spoznaje – diseminacija znanja

UVOD

Globalna svijest o pitanjima zaštite okoliša i očuvanja energije u sklopu europskog planaza primjenu 20 % obnovljive energije do 2020. potaknula je na razmišljanje o iskorištavanju krute i plinovite biomase kao najznačajnijih obnovljivih izvora energije u Europskoj uniji [1], [2].

Svake godine proizvede se više od 1 m3 betona po osobi u svijetu s portlandskim cementom kao glavnim sastojkom. Cement se smatra najkorištenijim materijalom na svijetu i trenutno se koristi 3 milijarde tona portlandskog cementa. Međutim, proizvodnja cementa predstavlja veliku prijetnju za okoliš, jer se prilikom proizvodnje od ukupnog udjela emitira 5 – 7 % CO2, primarnog stakleničkog plina koji je jedan od glavnih uzroka globalnih klimatskih promjena [3].

Upravo iz tih razloga brojni istraživači usmjerili su svoja istraživanja na traženje prikladnih obnovljivih izvora energije. Godine 2014. zabilježen je podatak da je iskorištavanjem energije iz biomase proizvedeno 61 % sveukupno proizvedene energije iz obnovljivih izvora. Drvni otpad smatra se ugljično neutralnim gorivom, jer drvo apsorbira istu količinu ugljičnog dioksida dok raste koliko ga otpušta izgaranjem te ima prednost u odnosu na druge biomase zbog manje proizvodnje otpadaka [1]. Iskorištavanje drvne biomase u Republici Hrvatskoj je od velike važnosti, jer Hrvatska raspolaže velikim potencijalom iskorištenja drvne biomase. Procjenjuje se da ukupna površina šuma i šumskih zemljišta u Hrvatskoj iznosi 2.688.687 ha odnosno 47 % kopnene površine države.

Prema Strategiji energetskog razvoja Republike Hrvatske (NN 130/09) do 2020. godine određene su hrvatske strateške odrednice usmjerene na povećanje udjela obnovljivih izvora energije u neposrednoj potrošnji, pri čemu se jedan dio odnosi na korištenje biomase u energetske svrhe, odnosno određeno je da će se do 2020. godine koristiti 85 MWe iz biomase [4]. U RH je upravljanje gradnjom i uspostavljanje energana na biomasu tek u začetku. Prema podacima HROTE (Hrvatski operater tržišta energije), krajem travnja 2019. godine, zabilježena je 31 energana na biomasu (ukupne snage 60,784 MWe), što je porast od 21 postrojenja snage 36,199 MWe u odnosu na 31.12.2015 [5], [6]

Osim toga, potpisano je još dodatnih 22 ugovora o otkupu električne energije s HROTE – om (ukupne snage 50,819 MWe), a čija postrojenja još nisu puštena u pogon [5]. Međutim, baza sadržava samo podatke o postrojenjima koja su spojena na elektroenergetsku mrežu. S druge strane, postrojenja koja koriste proizvedenu energiju za tehnološke potrebe industrijskog pogona nisu uključena u bazu podataka HROTE-a. Zbog toga je potrebno osigurati dovoljnu količinu drvne biomase kao goriva, koja se zasad procjenjuje na oko 900.000 tona biomase godišnje [4].

Dosadašnja istraživanja pokazala su da se oko 70 % pepela iz drvne biomase (PDB) na području Europske unije (EU) odlaže na odlagališta, uzrokujući tako financijske i materijalne gubitke, kao i opterećenje okoliša [8], [9]. Zbog toga se razmišlja o primjeni PDB – a u građevnim kompozitima, kao zamjene dijela cementa i/ili sitnog agregata (pijeska).

Korištenje pepela drvne biomase doprinijelo bi očuvanju okoliša. Osim toga, uštedjelo bi se na troškovima zbrinjavanja pepela, smanjila bi se potreba za energijom (za proizvodnju cementnog klinkera), očuvali prirodni resursi (vapnenac, pijesak, prirodni agregati), kao i smanjila emisija stakleničkih plinova (CO2) koji se emitiraju prilikom proizvodnje cementnog klinkera. Prema dosada provedenim istraživanjima, otpad od izgaranja drvne biomase, PDB, pokazao je veliki potencijal kao zamjena dijela cementa zbog hidraulične i pucolanske aktivnosti, kemijskog i mineraloškog sastava te fizičkih svojstava.

Pepeo od izgaranja drvne biomase [16]

Drvna biomasa  [27]

SEM-SE mikrografi koji prikazuju veličinu i morfološku raznolikost letećeg PDB-a krupne frakcije [48]

PRIMJENA PDB-a

Prema, [8] i [9], trenutno se u EU oko 70 % PDB – a odlaže na odlagališta, 20 % se nastoji primjeniti kao dodatak u tlu u poljoprivredi, a 10 % se koristi za ostale namjene. Pri gospodarenju PDB – om javlja se potencijalni rizik za zdravlje i sigurnost ljudi od udisanja sitnih čestica letećeg PDB-a te onečišćenja podzemnih voda. Zbog toga je potreban dobro osmišljen i pripremljen plan odlaganja otpada, što dovodi do povećanja cijene. Štoviše, zabrinutost zbog lošeg odlaganja raste zbog sve manje dostupnosti prostora i strožih ekoloških propisa [140]. S druge strane, primarni negativni učinak cementnih materijala leži u proizvodnji cementnog klinkera. Industrija cementa proizvodi 5 do 7 % svih globalnih emisija CO2, dok je godišnja proizvodnja cementa nedavno premašila 4 milijarde tona na globalnoj razini ili 220 milijuna tona u EU [163].

Zbog toga se došlo na ideju da se PDB primjeni u industriji cementa i betona [164], [165], a već se tradicionalno primjenjuje i kao gnojivo u poljoprivredi i šumarstvu [149], [156], [166]. Korištenje PDB – a stoga predstavlja ekološki motiv. Osim toga, uštedjeli bi se troškovi zbrinjavanja pepela, smanjila potreba za energijom (za proizvodnju cementnog klinkera), očuvali prirodni resursi (vapnenac, pijesak, prirodni agregati) te smanjila emisija stakleničkih plinova (CO2) koji se emitiraju prilikom proizvodnje cementnog klinkera [89].

Vassilev et al. [132], dali su cijelokupan prikaz stanja područja koji prikazuje da je najveći potencijal korištenja PDB-a u području poboljšanja tla i gnojidbi, a zatim u proizvodnji građevnih materijala i sorbensa te povremeno za sintezu i proizvodnju minerala, keramika i drugih materijala.

Golewski [167] svrstava različite nusproizvode i/ili otpad kao zamjenske materijale cementu koji se već dugo primjenju u industriji betona i cementa u 6 vrsta: industrijski otpad (npr. leteći pepeo, silicijska prašina), nanaoindustrijski otpad (npr. nanosilika), otpad iz poljoprivrednog uzgoja (npr. bambus, banana, kukuruz), otpad od uzgoja akvakultura (npr. kamenice), minerali (npr. kalcit, perlit) te građevni otpad i otpad od rušenja (npr. prašina i prahovi).

Primjena zamijenskih materijala cementu kao što su zgura, leteći pepeo od ugljena, metakaolin i drugi, dovode do značajnog smanjenja emisije CO2 po toni cementnih materijala [168], [169] i posljedično imaju pozitivan učinak na okoliš. Primjenom PDB – a kao novog potencijalnog materijala u industriji cementa i betona smanjila bi se odlaganja na deponijama, ali i poboljšala održivost proizvodnje cementa i betona.

Prema posljednjem izvješću IEA Bioenergy [151], može se razlikovati nekoliko načina upotrebe prilikom upravljanja pepelom. Budući da primjena različitih vrsta goriva od biomase nije uvijek strogo kontrolirana te isto tako pepeo kao konačni nusprodukt pokazuje veliku varijabilnost u kvaliteti, dovodi se u pitanje ispunjavanje standarda njegove primjene. U svim drugim načinima primjene u kojima se koristi biomasa postoje ograničenja zbog ekoloških ili tehničkih zahtjeva (europske norme ili norme država) ili iz projektnih specifikacija. Slijedi pregled korištenja pepela od izgaranja biomase u različitim zemljama (tablica 36).

Direktivom 2018/2001/EU o promicanju uporabe energije iz obnovljivih izvora (Direktiva II), institucije Europske unije postavile su novi obvezujući cilj da udio energije iz obnovljivih izvora energije u ukupnoj konačnoj bruto potrošnji bude najmanje 32 % do 2030. godine. – podatak iz European Parliament and the Council of the European Union, “Directive (EU) 2018/2001 of the European Parliament and of the Council of 11 December 2018 on the Promotion of the Use of Energy from Renewable Sources (Recast),” Official Journal of the European Union, pp. 82-209, 2018. Osim toga, slijedi mogućnost klimatske neutralnosti do 2050. godine što znači da će OIE morati opskrbljivati većinu potrošnje energije, a biomasa će imati presudnu ulogu u postizanju tih ciljeva, osobito energane na krutu i plinovitu biomasu.

Biomasa je najveći pojedinačni OIE u Europi i čini gotovo 60 % u ukupnoj konačnoj potrošnji obnovljive energije (slika 1. a). Na slici 1. b prikazana je bruto konačna potrošnja energije biomase na proizvodnju toplinske energije u udjelu od 74,2 % 2017. godine, s glavnom potrošnjom u stambenom i industrijskom sektoru. Biomasa je značajan izvor u dekarbonizaciji sektora grijanja i hlađenja koji predstavlja gotovo polovinu konačne potrošnje energije unutar EU 2017. godine. – podatak iz Bioenergy Europe, “Bioenergy Landscape,” 2019.

Slika 1. a) Raspodjela bruto konačne potrošnje obnovljive energije u EU28 2017. godine (%) b) Bruto konačna potrošnja energije biomase za toplinu, električnu energiju i transport u državama članicama EU28 2017. godine (ktoe)

U okviru projekta „Razvoj inovativnih građevnih kompozita primjenom biopepela“ istraživanje će se provoditi na uzorcima iz 9 energana na drvnu biomasu na području Republike Hrvatske.

Slika 2 Grafički prikaz vrsta biomase koje se koriste u 9 postrojenja na biomasu u RH

Slika 3 Izvori drvne biomase u 9 postrojenja na biomasu u RH

Slika 4 Vrste drveta koje se najčešće koriste kao gorivo u 9 energana na biomasu u Republici Hrvatskoj

Slika 5 Upravljanje PDB-om u 9 postrojenja na drvnu biomasu u RH: a) skladištenje PDB – a; b) gospodarenje PDB-om