Climate Change Adaptation of Structural Ceramics Indust ry Decreasing the Firing Temperature Using Laser Technology LAYMAN’S Report . PROBLEMÁTICA AMBIENTAL La industria cerámica estructural utiliza para la fabricación de los productos cerámicos (ladrillos, tejas) temperaturas de cocción muy elevadas, y hasta 1.300 ºC en el caso de los productos más refractarios. Estas temperaturas no son necesarias por las propiedades mecanicas y estructurales (por ejemplo, exhiben valores de fuerza mecánica cinco veces superiores a los requeridos), sino por causas estéticas que demanda el mercado actual. En el caso particular de los ladrillos refractarios, el proceso reducirá la temperatura de cocción de 1300ºC a 900ºC, con el ahorro de energía subsecuente y la reducción de emisiones. Trabajos previos de algunos miembros del consorcio, han demostrado que la energía láser puede producir este tipo de productos así como efectos de acabado que son imposibles de obtener con el proceso convencional, sin olvidar los beneficios ecológicos mencionados anteriormente. Con vistas a alcanzar estos objetivos, la tecnología láser es una herramienta que sustituirá parcialmente la etapa de cocción, por medio de tratamientos de superficie que permiten la conservación de las propiedades tecnológicas de las piezas de cerámica, así como la reducción de la temperatura de cocción. Generalmente, las propiedades tecnológicas de estas cerámicas están fuertemente influenciadas por su acabado superficial. Por ello, como la tecnología láser ofrece la posibilidad de obtener el mismo acabado superficial que el que se obtiene mediante el proceso convencional, se obtendrán los mismos efectos pero a más bajas temperaturas reduciendo de forma considerable la emisión de gases de efecto invernadero. Dependiendo de la fuente que se utilice para la estimación de consumos (Hispalyt, Asociación Española de Fabricantes de Ladrillos y Tejas u Oxycomb Sistemas especialista en combustión) el ahorro en el consumo de gas natural por tonelada de producto obtenido que se produce en la disminución de la temperatura de cocción, por ejemplo de 1100 ºC a 800 ºC oscila entre el 23 y el 50 %, esto supondría en una fábrica de tamaño medio (capacidad de producción 300 t/día) una disminución de emisiones de CO2 de un mínimo de 3563 t/año y un máximo de 7750 t/año. LIFE09/ ENV/ES/000435 EL PROYECTO LASERFIRING (http://www.laserfiring.eu) El objetivo principal del proyecto es desarrollar una nueva metodología para fabricar piezas de cerámica estructurales utilizando tecnología laser en la fase de combustión de forma que se permita Adaptar/modificar los procesos de fabricación de la cerámica estructural con objeto de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero para disminuir el impacto sobre el cambio climático de acuerdo con la “Estrategia Europea sobre el cambio climático” y la Comunicación de la Comisión, de 10 de enero de 2007, «Limitar el calentamiento mundial a 2ºC - Medidas necesarias hasta 2020 y después» [COM (2007) 2 final Obtener una nueva gama de productos cerámicos para la construcción obtenida a partir de un nuevo proceso en que la disminución de las temperaturas de cocción del proceso de fabricación permitirá una reducción del consumo energético y la producción de gases de efecto invernadero Estudiar/establecer, a escala de planta piloto, los ahorros energéticos y disminución de emisiones de gases de efecto invernadero que se producirán con este nuevo proceso productivo. Establecer los parámetros necesarios para la definición del proceso y el balance energético de cara a su aplicación futura en plantas de producción de carácter industrial. EL BENEFICIARIO Y EL CONSORCIO El proyecto se basa en investigaciones previas llevadas a cabo en ICMA durante los últimos años. El consorcio formado por AITEMIN, ICMA, EasyLaser and Physicgm tiene suficiente experiencia técnica y científica en las áreas requeridas tanto para asegurar la consecución de las tareas, como para garantizar el cumplimiento de los objetivos del proyecto. El ICMA (Universidad de Zaragoza – CSIC) tiene una amplia experiencia en el procesado de superficie de materiales mediante láser para la mejora de las propiedades estéticas y tribológicas. AITEMIN es un Instituto Tecnológico que ofrece apoyo tecnológico a la industria de la cerámica estructural desde 1995 y contribuye con una extensa LIFE09/ ENV/ES/000435 experiencia en el estudio de procesados cerámicos y caracterización de materiales. Physicgm es especialista en montaje e instalación de plantas industriales para la industria cerámica. EasyLaser (actualmente JEANOLOGIA) tiene una excelente experiencia en desarrollo láser e integración de sistemas láser en procesos industriales. LOS RESULTADOS DEL PROYECTO El objetivo principal del proyecto ha sido alcanzado de manera muy satisfactoria, de forma que ha sido posible diseñar, construir, instalar así como validar el funcionamiento del prototipo de una nueva linea de productos de cerámica para la industria de la construcción. Se han obtenido los siguientes resultados La tecnología láser se ha implementado para la fabricación de cerámica estructural de manera continua, modificando el proceso de cocción convencional y reduciendo el consumo de combustibles cuya combustión emite CO2. La reducción de emisiones y el ahorro energético puede ser cuantificados, dependiendo de la composición del mineral: o En el caso de las arcillas de cocción blanca, productos con resistencia significativa a las heladas, fueron obtenidos a 900ºC (resistencia alrededor de 21 MPa). La temperatura convencional de cocción para esa arcilla blanca es 1180ºC, confiriendo una resistencia de 35-40 MPa y color blanco en las cuatro caras. Teniendo en cuenta que los valores obtenidos en el proyecto LASERFIRING provienen de ladrillos fabricados in-situ en la planta piloto de AITEMIN, y que esto mejora un 30-40% el proceso respecto a la escala industrial, se espera que estas propiedades se reduzcan alrededor de un 20%. Los ahorros energéticos y la disminución en emisiones de CO2 se mantendrán entre 28 y 34% respectivamente. El procesado a temperaturas mas bajas podría producir un deterioro de las propiedades alrededor de 20% aunque la cocción a 800ºC constituya un LIFE09/ ENV/ES/000435 ahorro energético de 40%. o Con las arcillas rojas, el método LASERFIRING produce ladrillos rojos, marrones y negros. Para obtener los mismos resultados a nivel industrial en el caso de los ladrillos rojos y marrones, se utiliza la misma arcilla a 900 o 925ºC, añadiendo dióxido de Mn cuando se quiere obtener color marrón. Los ladrillos negros industriales son obtenidos con distintas arcillas, aditivos y diferentes formulaciones, que dependen del fabricante. La resistencia mecánica del ladrillo rojo y marrón cae aproximadamente entre 20 y 25 MPa, mientras que en el ladrillo negro, la caída es entre 35 y 40 Mpa. El ladrillo rojo y marrón se obtiene con tonalidades diversas a 750ºC sin el uso de aditivos. Los valores de resistencia mecánica varían en un rango de 1315 MPa a 750ºC y 16-20 MPa a 800ºC. La reducción de los gases de efecto invernadero y ahorros energéticos de 10-14% pueden ser alcanzados. En el caso de los ladrillos negros, la reducción de las emisiones y el ahorro energético pueden ser significativamente mayores, ya que a 850ºC se obtiene una resistencia mecánica de 23 MPa, y a 900ºC de 30 MPa. Esto se traduciría en una reducción de emisiones y un ahorro energético del 35%. o Finalmente, en el caso de arcilla para gres que se fabrica, convencionalmente, a 1250ºC, con una resistencia compresiva de 40-45 MPa, en LASERFIRING con productos procesados a 1000ºC y 1050ºC se obtienen valores de 20 MPa, que cumplen con las especificaciones industriales, así como resistencia a las heladas. La reducción en emisiones de CO2 y consumo energético es aproximadamente de un 20-30% in este caso. Respecto al acabado del producto (estética), se obtienen acabados (por las cuatro caras de las piezas) con apariencia inexistente en el mercado y con la ventaja de que los ladrillos de color LASERFIRING no requieren la utilización de aditivos. Además, los efectos estéticos obtenidos hasta ahora, como se indica, no se pueden obtener con ninguna otra técnica LIFE09/ ENV/ES/000435 conocida ni utilizada convencionalmente hasta el momento. Estudios llevados a cabo durante el desarrollo del proyecto LASERFIRING indican que el equipo Industrial de Horno a Laser podría ser construido con un ahorro asociado del 10% relativo a las instalaciones convencionales usadas en la actualidad. IMPACTOS Y BENEFICIOS IMPACTO AMBIENTAL Desde el punto de vista ambiental, el nuevo proceso tiene un impacto positivo en el sentido de que, de acuerdo con los resultados alcanzados, el uso de la tecnología LASERFIRNG en la fabricación de ladrillos, tejas y pavimentos, ha permitido disminuir la temperatura del proceso de 1200ºC a 850ºC, lo que supone una disminución de 80 – 85 toneladas en las emisiones de CO2 por cada tonelada de producto fabricado. Por otro lado, cabe destacar que este proyecto es muy relevante para la política y legislación Europea Comunicación de la Comisión del 9 de Febrero de 2005 "Ganar la batalla contra el cambio climático mundial " [COM(2005) 35 – Diario Oficial C 125 del 21.5.2005]. De este modo, cualquier estrategia debe incluir “la potenciación de la innovación, que incluye la aplicación y el despliegue de las tecnologías existentes, y el desarrollo de nuevas tecnologías (en particular, mediante políticas activas de apoyo que sacan partido de la sustitución normal de los equipos)” Comunicación de la Comisión del 13 de Noviembre de 2008 - Eficiencia energética: alcanzar el objetivo del 20% [COM(2008) 772 – No publicado en el Diario Oficial]. La necesidad de aumentar la eficiencia energética es parte del objetivo del '20-20-20', iniciativa para 2020, que supongo un ahorro del 20% del consumo de energía primaria y de las emisiones de gases con efecto invernadero, así como la inclusión de 20% de energías renovables en cuanto a consumo energético. El Sexto Programa de Acción de la UE (SPA), "Medio ambiente 2010: el futuro está en nuestras manos", asegura estabilizar las concentraciones atmosféricas de gases de efecto invernadero a un nivel que no cause variaciones no naturales del clima del planeta. Según el consenso científico, el cambio climático está ocurriendo y la actividad humana está provocando el aumento de las concentraciones de gases de efecto LIFE09/ ENV/ES/000435 invernadero, que es la causa principal del problema. El desarrollo del proyecto y sus resultados han mostrado que es posible la adaptación y la modificación de la fabricación de la cerámica estructural con el objetivo de reducir las emisiones de gases y disminuir el impacto del cambio climático, en consonancia con la “Estrategia Europea sobre cambio climático” y la comunicación de la Comisión del 10 de Enero de 2007 “Limitar el calentamiento mundial a 2 ºC - Medidas necesarias hasta 2020 y después” [COM(2007) 2 final] BENEFICIOS ECONÓMICOS. Desde el punto de vista financiero y económico el proyecto demuestra viabilidad técnica del proceso ya que La tecnología LASERFIRING genera una reducción de los costes de producción lo que vuelve el procesado de la cerámica más competitivo por la disminución en el consumo de energía. La tecnología LASERFIRING reduce los costes de fabricación lo que permite un ahorro económico en lo que se refiere a las tasas asociadas a las emisiones de CO2. Los resultados obtenidos a través de la tecnología LASERFIRING parecen generar nuevas oportunidades en lo que se refiere a las propiedades de los materiales cerámicos y en la aplicación de esta “tecnología limpia” en otros sectores de la industria del vidrio y la cerámica, ya que los ahorros en los costes de energía, emisiones de CO2 y de uso de recursos hídricos, pueden ser muy significativos. TRANSFERABILIDAD Como se ha explicado anteriormente, las soluciones del proyecto LASERFIRING son muy ventajosas desde el punto de vista medioambiental. Además, la ventaja asociada a esta nueva tecnología es que es aplicable a la pasta cerámica, especialmente a la roja, confiriendo excelentes propiedades en el acabado. Bajo este punto de vista, la transferencia de esta tecnología no estaría limitada al ámbito de las LIFE09/ ENV/ES/000435 cerámicas estructurales, sino incluida en ladrillos, tejas, ladrillos de acabado de fachadas (cara-vista) y productos de tercer fuego. El interés por el proyecto LASERFIRING y de la solución que ofrece ha resultado evidente para las partes interesadas. La potencialidad para implementar esta técnica a nivel Europeo parece ser notable. Todos los contactos realizados a lo largo de la implantación del proyecto han mostrado un gran interés por el mismo. PROCESO'LASERFIRING' Puesta'en'marcha'del' horno' ' Puesta'en'marcha'del' sistema'láser' ' Ajustar'parámetros'de' temperatura'del'horno'para' establecer'el'proceso' LASERFIRING' Ajustar'velocidad' desplazamienta'de'la' muestra' Ajustar'condiciones'del' láser'(potencia'del'láser,' velocidad'de'escaneo'y' frecuencia)' Introducción'de'cerámicas'sin'tratar' en'el'horno'láser'desde'el'secadero' Tratamiento'en'el'HornoJLáser' Producto'Final' LIFE09/ ENV/ES/000435 Laboratorios de pruebas en AITEMIN Horno escala laboratorio en el ICMA Secciones de moldeo y extrusion en AITEMIN Sección de molienda en AITEMIN LIFE09/ ENV/ES/000435 Transporte y ensamblaje del horno en AITEMIN Montaje y ajuste de los láseres Detalle de los láseres (superior e inferior). Diagrama del proceso láser. LIFE09/ ENV/ES/000435 La instalación finalizada LIFE09/ ENV/ES/000435 Incidencia de los láseres (superior e inferior) Incidencia en el ladrillo del láser superior Horno en funcionamiento con el laser superior incidiendo en la cabeza de los ladrillos Producto final obtenido con el prototipo Varios ladrillos con diferentes terminaciones LIFE09/ ENV/ES/000435 Jornada de Clausura y presentación de resultados del proyecto LIFE09 ENV/ES/435 - LASERFIRING "LASERFIRING" Asistententes a la Jornada de Clausuara visitando el prototipo Visitantes inspeccionando el producto final Finalización de la Jornada de Clausura LIFE09/ ENV/ES/000435