EWD w praktyce: Porównanie wpływu na środowisko stali dwufazowej i stali węglowej w infrastrukturze przemysłowej

EWD w praktyce: Porównanie wpływu na środowisko stali dwufazowej i stali węglowej w infrastrukturze przemysłowej

W przypadku wyboru materiałów do zastosowań w infrastrukturze przemysłowej – od zakładów chemicznych po platformy offshore i mosty – decyzja tradycyjnie opierała się na kosztach początkowych i właściwościach mechanicznych. Jednakże wraz z pojawieniem się wymogów związanych z aspektami środowiskowymi, społecznymi i zarządzaniem (ESG) oraz rzeczywistym dążeniem do zrównoważonego rozwoju, pytanie uległo zmianie: Który materiał oferuje mniejszy całkowity wpływ na środowisko w całym cyklu życia?

Ocena cyklu życia (LCA) dostarcza naukowego podejścia do odpowiedzi na to pytanie. Porównując stal nierdzewną duplex (np. 2205) ze stalą węglową (np. A516 Gr. 70), możemy wyjść poza pierwsze wrażenia i dokonać wyboru opartego na danych.

Czym jest Ocena Cyklu Życia (LCA)?

LCA to analiza od urodzenia do śmierci, która ilościowo określa skutki oddziaływania na środowisko produktu lub systemu na wszystkich etapach jego życia:

1. Pozyskiwanie i produkcja surowców (Cradle): Górnictwo, topienie, stopowanie i formowanie metalu.

2. Wytwarzanie i obróbka (Gate): Cięcie, spawanie i konstruowanie elementu.

3. Faza użytkowania: Właściwości użytkowe w całym okresie eksploatacji konstrukcji.

4. Faza końcowa (Grave): Zamknięcie, recykling i utylizacja.

Dla materiałów konstrukcyjnych faza użytkowania jest często najistotniejsza , zasłaniając skutki produkcji początkowej.

Kandydaci: Przegląd

• Stal węglowa (A516 Gr. 70): Pracowita stal branżowa. Niski koszt początkowy, duża wytrzymałość, ale wymaga solidnej ochrony przed korozją (pokrycia, ochrona katodowa) w agresywnych środowiskach.

• Stal nierdzewna duplex (2205): Materiał premium. Wyższy koszt początkowy, ale oferuje wyjątkową wytrzymałość i odporność na korozję, często eliminując potrzebę stosowania powłok.

Porównanie LCA etapami

1. Faza produkcji (od źródła do bramy)

• Stal węglowa: Ma mniejszy początkowy ślad węglowy. Produkcja jest stosunkowo efektywna, wymagając mniej energii niż stal nierdzewna. Jej wpływ wynika głównie z wydobycia rud żelaza oraz węgla używanego do redukcji w wielkim piecu i konwertorze (BF-BOF).

  • Typowy węglowy ślad środowiskowy: ~1,8 - 2,2 kg CO₂e na kg stali.

• Stal nierdzewna dwufazowa: Ma znacznie większy początkowy ślad. Wysokie zużycie energii przy produkcji kluczowych pierwiastków stopowych takich jak chrom, nikiel i molibden, oraz proces topnienia w piecu łukowym (EAF) zwiększają ten wpływ. Jednak stosowanie surowców wtórnych (co jest bardzo dobrze realizowane przy stali nierdzewnej) może go zmniejszyć.

  • Typowy węglowy ślad środowiskowy: ~4,5 - 6,5 kg CO₂e na kg stali.

Ocena: Stal węglowa ma wyraźną przewagę w fazie produkcji, osiągając ślad węglowy o około 60-70% niższy na kilogram.

2. Faza produkcji i obróbki wstępnej

• Stal węglowa: Wymaga intensywnej przygotowania powierzchni (piaskowania) oraz nałożenia wielowarstwowych systemów powłok (podkłady, żywice epoksydowe, powłoki wykończeniowe). Powłoki te zawierają VOC (Lotne Związki Organiczne) i mają swój własny wpływ na środowisko wynikający z produkcji i nanoszenia.

• Stal nierdzewna dwufazowa: Zazwyczaj nie wymaga powłok, co pozwala zaoszczędzić ogromnych ilości energii, chemicznych środków i pracy. Jego większa wytrzymałość może umożliwiać cienjsze przekroje , zmniejszając łączną wagę potrzebnego materiału. Choć spawanie może wymagać większego doświadczenia, eliminuje emisje z procesów powlekających.

Ocena: Dwufazowa stal nierdzewna często odnosi sukces na tym etapie, eliminując koszty środowiskowe systemów powłokowych oraz umożliwiając lekką konstrukcję.

3. Faza użytkowania: Decydujący czynnik

To właśnie tutaj zmienia się narracja analizy cyklu życia (LCA). Faza użytkowania może odpowiadać za ponad 90% całkowitego oddziaływania na środowisko całej konstrukcji w jej cyklu życia.

• Stal węglowa: Wymaga ciągłego utrzymania. Powłoki ulegają degradacji i muszą być naprawiane lub nanoszone ponownie co 5–15 lat. Obejmuje to:

  • Produkcję nowych powłok.

  • Wymagająca dużo energii przygotowanie powierzchni (często wymagające zabezpieczenia przed niebezpiecznymi odpadami z obróbki ściernej).

  • Transport personelu i sprzętu.

  • Przestój w produkcji podczas konserwacji, co powoduje zatrzymanie przychodów i zmusza inne części zakładu do mniej efektywnej pracy.

  • Ryzyko awarii: Jeśli powłoka ulegnie przedwczesnemu uszkodzeniu, katastrofalna korozja może prowadzić do nieszczelności, wycieków i nieplanowanych napraw, powodując ogromny wpływ środowiskowy i ekonomiczny.

• Stal nierdzewna dwufazowa: Jego warstwa pasywna zapewnia bezobsługową odporność na korozję przez dziesięciolecia. Nie występują powtarzające się emisje związane z powłoką, brak przestojów związanych z konserwacją oraz znacznie zredukowane ryzyko awarii. Konstrukcja Duplex może trwać 40+ lat bez żadnej interwencji.

Ocena: Stal nierdzewna Duplex zdecydowanie wygrywa w fazie użytkowania. Uniknięcie cyklicznych konserwacji oraz emisji z nich wynikających stanowi jej największą zaletę ekologiczną.

4. Faza końca eksploatacji

• Obydwa materiały: Są w 100% nadające się do recyklingu bez utraty właściwości. Stal nierdzewna ma wyższą wartość recyklingową ze względu na zawartość stopową, co tworzy silny bodziec ekonomiczny do recyklingu. Po zakończeniu eksploatacji oba materiały są zazwyczaj przetwarzane na nową stal, skuteczzenie finansując kolejny cykl produkcyjny i zmniejszając potrzebę wydobywania rudy pierwotnej.

Wynik: Remis. Oba materiały doskonale sprawdzają się pod kątem gospodarki kołowej.

Podsumowanie analizy cyklu życia (LCA): To zależy od kontekstu

„Lepszy” materiał nie jest uniwersalny; zależy on od korozyjności środowiska a dokładność przewidywany czas użytkowania aktywa.

Przykładowy Przypadek: Ścieżka na morzu

• Opcja A (Stal węglowa): 100 ton stali A516. Wymaga ponownego powlekania co 10 lat. W ciągu 30-letniego okresu użytkowania wymagane są dwie duże kampanie konserwacyjne, z których każda wiąże się ze znacznym zagnieżdżonym węglem z powłok, oczyszczania, paliwa dla statków i przestojów produkcji.

• Opcja B (Duplex 2205): 70 ton Duplex (dzięki wyższej wytrzymałości, cienksze przekroje). Wymaga zerowej konserwacji przez ponad 30 lat.

Wynik ACL: Chociaż produkcja 70 ton Duplex wiąże się z wyższym początkowym kosztem węglowym niż 100 ton stali węglowej, to uniknięte emisje konserwacyjne opcji B czynią ją bardziej zrównoważonym wyborem w całym cyklu życia.

Podstawa dla Inżynierów

Przestań podejmować decyzje dotyczące materiałów jedynie na podstawie początkowego kosztu lub zawartego węgla. Aby naprawdę budować w sposób zrównoważony:

1. Przeprowadź Uproszczoną ACL: Zamodeluj przewidywane cykle konserwacji dla stali węglowej. Weź pod uwagę zawarty węglem czynnik powłok, transportu oraz koszt przestojów.

2. Kładź nacisk na Trwałość: W środowiskach agresywnych najbardziej zrównoważonym materiałem jest ten, który działa najdłużej przy minimalnej konserwacji. Trwałość to ostateczna forma redukcji odpadów.

3. Specyfikacja odporności: Wybór materiału takiego jak stal nierdzewna duplex to inwestycja w zmniejszenie zakłóceń w eksploatacji, obniżenie emisji w całym cyklu życia oraz lepszą jakość środowiskową. Zamienia ona centrum kosztów w ofertę wartości opartą na zrównoważeniu i niezawodności.