Управление отходами полиуретановой изоляции в контексте эффективности использования ресурсов

Полиуретан (PUR/PIR) – высококачественный изоляционный материал, используемый в различнейших строительных и технических приложениях. Благодаря своей низкой теплопроводности и высокой износостойкости, за 50 или более лет эксплуатации в зданиях он позволяет сохранить в 100 раз больше энергии, чем необходимо для его производства. По окончанию срока службы, после многих десятилетий использования, полиуретан вместе с другими строительными материалами попадает в поток отходов. На долю строительного мусора (в том числе большого количества грунта, образующегося при проведении землеройных работ) приходится около 30% всех отходов в Европе. С другой стороны, оценка жизненного цикла среднестатистического здания показывает, что отходы от строительства и сноса составляют лишь 2% от его общей нагрузки на окружающую среду.

В нынешней дискуссии по эффективному использованию ресурсов регуляторы, как правило, предлагают планы переработки отходов от строительства и сноса. Такой простой подход не учитывает сложность этого вопроса. Строительные изделия – это промежуточные продукты, и эффективность использования ресурсов должна рассматриваться в масштабах целого здания с учетом его жизненного цикла.

Более того, такие требования могут ввести в заблуждение относительно реального состояния дел на данный момент. Хотя технологии переработки и существуют, на практике их использование остается ограниченным из-за сложной логистики и плохой экономии от масштаба.

С учетом долгосрочных тенденций изменения цен на сырье и на захоронение отходов именно переработка и восстановление, вероятно, будут наиболее активно использоваться в обозримом будущем

Здесь мы постарались рассмотреть утилизацию в контексте европейского законодательства и оценки стоимости жизненного цикла. Эффективность различных способов утилизации изделий с истекшим сроком службы зависит от различных факторов, таких как расстояния для перевозки, сложность процессов переработки и стоимость сырья. Это означает, что универсальных решений действительно обычно не существует. Рассмотрение различных способов использования полиуретановых отходов с их плюсами и минусами позволило сделать вывод, что оптимальным вариантом можно считать разумное сочетание переработки, восстановления и высокоэффективного преобразования отходов в энергию.

С учетом долгосрочных тенденций изменения цен на сырье и на захоронение отходов именно переработка и восстановление, вероятно, будут наиболее активно использоваться в обозримом будущем. Из-за сложной природы строительного мусора эти технологии должны быть надежными, экономически эффективными и способными справляться со смешанными потоками отходов.

Если повторное использование отходов или восстановление продукта невозможны, остается тритий вариант – преобразование отходов в энергию. При этом должна быть обеспечена достаточная производительность этого процесса, чтобы гарантировать, что запас энергии отходов полностью извлечен. В качестве предварительного условия законным требованием должно стать разделение строительного мусора на органические и неорганические фракции. В любом случае, отходы должны избежать попадания на свалку.

Что такое полиуретан?

Полиуретан окружает нас повсюду - большинство вещей из нашего повседневного обихода сделаны именно из него

Полиуретан и его применение

Сырье

Полиуретаны – полимеры, получаемые путем взаимодействия полиизоцианатов (для изоляционных пен в основном используется МДИ) с рядом полиолов. Некоторые полиолы могут содержать до 60% объектов растительного происхождения, и подобное использование возобновляемых источников сырья, несомненно, следует рассматривать как шаг вперед.

Полиолы для производства полиуретана могут быть также получены из переработанных ПЭТ бутылок. Еще одна новая и перспективная технология в качестве сырья для синтеза полиолов использует диоксид углерода, являющийся побочным продуктом работы электростанций. Кроме того, что этот процесс позволяет предотвратить выбросы углекислого газа в атмосферу, он помогает сохранить часть нефти и энергии, которые необходимы в обычном производстве полиолов.

Применение

Полиуретан используется для создания широкого спектра потребительских и промышленных товаров, которые помогают сделать жизнь людей более удобной, комфортной и экологически безопасной. Материал широко применяется в холодильных системах, в мягкой мебели и матрасах, обуви, автомобилях, медицинских приборах и, не в последнюю очередь, для теплоизоляции зданий и технического оборудования [1].

Во всех своих приложениях полиуретаны способствуют сокращению использования ресурсов путем предоставления долгосрочных решений. При использовании в качестве покрытий они обеспечивают долговечность конструкционных элементов, таких как бетон и металлы. Как связующий компонент полиуретан играет важную роль в механической переработке различных материалов, например, отходов древесины и резиновых изделий.

Полиуретановая изоляция

Благодаря своим отличным изоляционным свойствам и долговечности, полиуретан без сомнения является лучшим утеплителем

Теплоизоляция играет решающую роль в достижении почти нулевого уровня спроса на энергию для новых зданий в Европе и резкого сокращения спроса на энергоносители в существующем жилищном фонде. Благодаря своим отличным изоляционным свойствам и долговечности, полиуретан (PUR/PIR) является лучшим способом достижения этих целей. Полиуретан резко снижает использование энергоресурсов, т.к. способен достичь очень высоких уровней изоляции при минимальной толщине. Он оптимизирует общее использование строительных материалов, минимизируя глубину карнизов, балок, стропил, распорок, длину креплений, размеры всей конструкции. Малая толщина полиуретана изоляции способствует увеличению объема доступного жилого пространства.

Благодаря длительному сроку службы полиуретана, т.е. его высокой долговечности, потребление ресурсов на ремонт и замену сведены к минимуму. Полиуретановая изоляция обычно используется в виде различных изделий:

• изоляционные плиты и пеноблоки;
• сэндвич-панели;
• напыляемая изоляция;
• изоляции для заполнения полостей;
• изоляция типа «труба в трубе»;
• изоляция промышленных установок и трубопроводов.

Социальные проблемы и законодательство ЕС

Проблема утилизации строительных отходов стоит очень остро во всем мире

Строительство и формирование отходов

Строительный сектор играет важную роль в европейской экономике. Он генерирует почти 10% ВВП и обеспечивает 20 млн рабочих мест, в основном на малых предприятиях [2]. На здания приходится 42% суммарного потребления энергии, около 35% выбросов парниковых газов и более 50% всех добытых материалов [3].

Отходы от строительства и сноса являются одними из самых тяжелых и объемных. В Европе на их долю приходится примерно 25-30% всех отходов [4]. Впрочем, эта доля существенно снизится, если вычесть отходы от проведения сопутствующих инженерно-технических и землеройных работ. Последние составляют почти 50% от всех строительных отходов [5]. Тем не менее, даже за вычетом этих отходов, количество строительных продуктов с конечным сроком службы еще очень велико.

С другой стороны, здания являются частью нашего наследия и жизненного пространства. Они должны быть привлекательными и комфортными. Для людей, проводящих около 90% жизни внутри зданий, должна быть гарантирована здоровая внутренняя среда.

С переходом к зданиям с почти нулевым уровнем спросом на энергию вес строительных изделий в общем экологическом балансе здания меняется. Более толстая изоляция, тройное остекление, системы вентиляции, фотоэлектрические или солнечные отопительные системы будут повышать использование ресурсов на этапе строительства, а в конце их срока службы попадать в поток отходов. Это должно быть уравновешено стадией эксплуатации, когда эти продукты помогут значительно снизить потребление ресурсов и, следовательно, потоки отходов, образующихся при производстве энергии.

Евросоюз принял ряд законов для решения этой сложной проблемы. Однако глобальная стратегия в области эффективности использования ресурсов зданий и управления потоками отходами по-прежнему отсутствует.

Рамочная директива по отходам

к 2020 году, по крайней мере, 70% всех неопасных строительных отходов должны быть повторно использованы, переработаны или восстановлены

Рамочная директива по отходам [6], принятая в 2008 году, вводит в статье 4 так называемую иерархию управления отходами (в порядке приоритета):

• предотвращение;
• повторное использование;
• переработка;
• другое возобновление, например, рекуперация энергии;
• захоронение на свалках.

Статья 4 также предлагает государствам «принимать меры по содействию мероприятиям, обеспечивающим наилучший результат для окружающей среды». Здесь предусмотрена возможность исключать определенные потоки отходов «из иерархии, где это оправдано общим воздействием на эксплуатационный цикл со стороны формирования отходов и управления ими». Как будет показано ниже, гибкость, обеспечиваемая этой статьей, имеет большое значение при принятии решений по управлению отходами от строительства и сноса.

Статья 11 предусматривает, что к 2020 году, по крайней мере, 70% всех неопасных строительных отходов должны быть повторно использованы, переработаны или восстановлены. Хотя некоторые страны уже сегодня выполняют это условие, для ряда других будет затруднительно привести инфраструктуру в соответствие с этим требованием в намеченный срок.

Регулирование строительной продукции

Директива [7] представила новые основные требования к строительным работам «Рациональное использование природных ресурсов». По этим требованиям строительные конструкции должны быть спроектированы, построены и снесены так, чтобы рационально использовать природные ресурсы. Этого можно добиться, в том числе, путем «повторного использования или переработки строительных изделий, их частей и материалов после сноса».

Пока неясно, как это положение будет реализовано на национальном уровне и как соответствие этим требованиям можно оценить. Многие заинтересованные стороны, в том числе производители строительных товаров, рассматривают разработанные CEN/TC350 стандарты как наиболее подходящий для этого инструмент.

Инициативы в области эффективного использования ресурсов

Ряд документов Европейской Комиссии, в том числе «Дорожная карта по эффективному использованию ресурсов в Европе» и «Стратегии устойчивой конкурентоспособности строительной отрасли и ее предприятий», относятся к управлению отходами строительства и сноса в рамках увеличения общей эффективности ресурсов.

Отходы в контексте оценки жизненного цикла

Целостный подход к эффективности строительства в соответствии с TC350

При утилизации отходов важно учитывать экологические, экономические и социальные аспекты

Стандарты, разработанные Европейским комитетом по стандартизации, рассматривают управление отходами и эффективность использования ресурсов в контексте устойчивости. Эта концепция сочетает в себе экологические, экономические и социальные аспекты и позволяет спецификаторам минимизировать использование ресурсов в течение жизненного цикла здания. Расчет нагрузки на окружающую среду учитывает характер использования здания, а также воздействие от строительной продукции. Исходя из этого, проектировщики могут рассчитать экологические характеристики здания, учитывая все этапы его жизненного цикла и сравнивая различные варианты, в том числе следующие:

• сниженный спрос на энергию во время этапа использования против повышенного потока отходов;
• потребление ресурсов и производство отходов продукта против его долговечности;
• подбор различных материалов и регулирование на стадии проектирования здания;
• влияние отходов от строительства и сноса на общую эффективность жизненного цикла.

При применении такого подхода нагрузки, обусловленные окончанием срока службы, не имеют большого значения. Согласно данным Объединенного исследовательского центра [8] воздействие окончания срока службы мало как для новых, так и для реконструируемых зданий (от –1,7 до 3,2% воздействия на окружающую среду для нового строительства). Воздействие должно быть несколько выше в зданиях с почти нулевым уровнем спроса на энергию.

Более пристальный взгляд на полиуретан и другие изоляционные продукты позволяет понять, что практически все эти материалы обеспечивают высокую степень эффективности использования ресурсов, т.к. они экономят значительно больше ресурсов, чем необходимо для их производства и переработки по окончанию срока службы. На самом деле, многие исследования показывают, что общий экологический баланс различных изоляционных материалов очень похож [9].

Тем не менее, даже если экологическая нагрузка от строительных отходов для одного здания кажется маленькой, она становится существенной при экстраполяции на весь жилищный фонд ЕС. По этой причине производителям строительных изделий необходимо разработать инновационные решения для управления отходами своей продукции.

Факторы, определяющие эффективность различных вариантов утилизации отходов

Стратегии по увеличению эффективности использования ресурсов должны обязательно рассматривать управление отходами. Более детальный анализ показывает, что даже для одной и той же строительной продукции ряд внешних факторов влияет на эффективность вариантов переработки отходов. Они включают в себя следующие аспекты:

Экологические аспекты

• транспортные расстояния между местом сноса и местом переработки;
• воздействие на окружающую среду деятельности по переработке отходов по сравнению с добычей и использованием первичных материалов.

Технические аспекты

• загрязнение другими веществами или материалами.

Экономические аспекты

• транспортные расстояния между местом сноса и местом переработки;
• затраты на сортировку отходов;
• стоимость переработки отслуживших свой срок материалов по сравнению с ценами на сырье;
• эффект масштаба (количество отходов);
• стабильность потоков отходов.

По приведенным выше примерам можно судить о сложности проблемы. Для каждого отдельного случая требуется оценка, позволяющая найти решение, ведущее к низшей социальной нагрузке от строительных отходов.

Опыт показывает, что лучше не допускать попадания отходов на свалки, а придерживаться других стратегий, начиная с переработки отходов в энергию (см. график ниже).

Переработка бытовых отходов в ЕС-27 в 2010 году (источник: Евростат-2010)

Отходы полиуретана: современные варианты использования

Полиуретановая изоляция и потоки отходов

Полиуретановая изоляция на 97% состоит из газа, содержащегося в закрытых порах пены, и, следовательно, чрезвычайно легкая. Ее доля в общем количестве неминеральных отходов от строительства и сноса должна быть около 0,3% (данные для Германии) и около 0,05% в общем количестве отходов от строительства и сноса (оценки для Франции и Великобритании) [10]. Срок службы полиуретана тесно связан с продолжительностью существования зданий и периодичностью проведения в них ремонтных работ. В зависимости от применения полиуретановая изоляция, как правило, остается на месте в течение 30-75 лет и более. Очень длительный эксплуатационный цикл может повлиять на продукт и, следовательно, на варианты его использования по окончанию срока службы:

• продукт, скорее всего, будет загрязнен (битумом, клеем, ржавчиной, штукатуркой и т.д.);
• вещества, используемые в прошлом, могут оказаться недопустимыми сегодня.

Ниже будут рассмотрены различные варианты использования отслужившей полиуретановой изоляции, их плюсы и минусы, актуальность и потенциал в будущем.

Предотвращение

Движимые высокими ценами на сырье производители полиуретановой изоляции активно работают над мерами по снижению уровня потерь при производстве.

Некоторые члены Европейской ассоциации производителей пенополиуретанов (PU Europe) разработали общие рекомендации и провели тематические исследования с целью минимизации отходы изоляционных материалов на стройплощадке.

Другой способ уменьшить количество строительного мусора – выпуск готовых изоляционных композитных строительных элементов. Элементы изготавливаются на заказ на заводе и монтируются поэтому быстро и почти без потерь.

Повторное использование

Полиуретановая изоляция является чрезвычайно долговечным продуктом, который является инертным, не гниет и не поглощает влагу. В большинстве случаев полиуретановые панели крепятся механически, поэтому могут быть легко отделены от других строительных материалов. Благодаря этому, изоляционные плиты и сэндвич-панели могут использоваться повторно, хотя обычно в менее требовательных приложениях. Было показано, что крыши с полиуретановой изоляцией могут быть отремонтированы без замены изоляционного слоя, даже если в результате повреждения гидроизоляционного слоя влага проникла внутрь. Тепловые характеристики крыши могут быть улучшены за счет дополнительного слоя изоляции [11]. По оценкам от 5 до 10% отходов полиуретана используется повторно [12].

Варианты утилизации

Крыши с полиуретановой изоляцией могут быть отремонтированы без замены изоляционного слоя, даже если в результате повреждения гидроизоляционного слоя влага проникла внутрь

Утилизация стали из сэндвич-панелей

Сталь является ценным ресурсом, который может быть переработан неограниченное количество раз. Экономическая эффективность утилизации во многом зависит от цен на сталь. Они могут существенно колебаться, что является следствием изменения экономики с течением времени.

Стальные облицовки из сендвич-панелей удаляются и отправляются в переработку, если они не могут быть использованы повторно. Изоляционный слой из сендвич-панелей измельчают с помощью обычного шредера, либо отправляют на мусороперерабатывающий завод, если можно ожидать, что старые пены содержат озоноразрушающие вещества и не содержат никаких других нежелательных веществ.

Трансформация отходов полиуретана в новые продукты

Отходы пенополиуретана от производства и строительства могут быть измельчены и переработаны в панели с высокой плотностью, способные заменить в строительстве древесину и ДСП. Полученный материал устойчив к гниению, плесени и грибкам. Благодаря своей низкой теплопроводности, малому весу, влагостойкости и отличным механических характеристикам, он используется в качестве строительного элемента для фасадов, основного материала для оконных рам, перегородок и дверей, мебели для ванных комнат и кухонных столешниц. Этот материал можно встретить в высокоскоростных поездах, грузовиках и фургонах.

Производственные отходы также преобразуют в другие изоляционные материалы на основе полиуретана, в частности в материал для тепло- и звукоизоляции пола. С этой целью отходы полиуретановой пены измельчают и смешивают с целлюлозой, и полученный материал равномерно распределяют по полу.

Оба приложения являются экономически и экологически эффективными и испытанными на практике.

Производственные и строительные отходы: преобразование отходов полиуретана в упаковочный материал

Отходы пенополиуретана могут быть преобразованы в упаковочный материал для полиуретановых изоляционных материалов

Отходы пенополиуретана могут быть преобразованы в упаковочный материал для полиуретановых изоляционных материалов.

Другие изделия из отходов пенополиуретана

В настоящее время в рамках пилотных проектов изучается возможность осуществления ряда других вариантов переработки, включая производство спортивных матов, надувных матрасов и т.д.

Химическая переработка

Химическая переработка включает в себя трансформацию полиуретанов в полиолы. Разработаны три технологии: гидролиз, аминолиз и гликолиз. Сегодня в Европе действует небольшое количество заводов по гликолизу. Они перерабатывают незагрязненные отходы известного состава, которые является в основном отходами производства. На сегодняшний день около 30% полиолов, используемых в производстве жесткого пенополиуретана, являются продуктами гликолиза, что не влияет на качество продукции.

На данный момент количественная оценка экологических выгод от этих процессов отсутствует. Основными препятствиями для более широкого использования этих технологий являются необходимость предварительной механической обработки (удаление облицовки), логистика и стоимость. Тем не менее, новые заводы гликолиза будут, по всей видимости, построены в ближайшем будущем.

Преобразование отходов в энергию

Полиуретан содержит значительное количество энергии, что делает его очень эффективным топливом для мусоросжигательных печей

Если отходы полиуретановой изоляции не могут быть повторно использованы, переработаны или преобразованы в другие продукты, предпочтительным вариантом является рекуперация энергии.

Полиуретан содержит значительное количество энергии, что делает его очень эффективным топливом для мусоросжигательных печей, которые генерируют электричество и, все чаще, тепло для использования в зданиях и промышленных процессах.

Благодаря новым технологиям сжигания, этот вариант подходит для загрязненных и содержащих озоноразрушающие вещества отходов.

В некоторых странах, например, в Швеции и Швейцарии, Дании и Германии, практически все отходы полиуретана, которые не могут быть переработаны или восстановлены, преобразуются в энергию. В среднем около половины всех отходов полиуретановой изоляции в Европе подвергается сжиганию.

С точки зрения анализа жизненного цикла этот вариант имеет положительную оценку в энергетическом балансе, так как отходы полиуретана заменяют ископаемые виды топлива. С другой стороны, в процессе сжигания образуется CO2, а значит, глобальное потепление все приближается.

Захоронение отходов

Отходы полиуретановой изоляции, не содержащие озоноразрушающих веществ, не классифицируются как опасные отходы. Но полиуретан слишком ценен, чтобы быть закопанным в землю. Европейская ассоциация производителей пенополиуретанов (PU Europe) поощряет национальные правительства к активным действиям, которые бы позволили предотвратить попадание полиуретана и других ценных строительных отходов на свалки. Следует, по крайней мере, способствовать организации работ по сегрегации строительного мусора на минеральную и органическую фракции и обеспечить возможность переработки отходов в энергию для борьбы с неутилизируемыми органическими отходами.

С другой стороны, промышленность осознает свою собственную ответственность. Ведутся испытания, которые бы позволили ввести схемы возврата строительных отходов в производственную цепочку.

Перспективы

Использование современных способов утилизации отходов полиуретана в будущем

Существует множество вариантов использования отходов полиуретановой изоляции по окончанию срока службы. Были разработаны и доказали свою техническую осуществимость различные способы утилизации и восстановления. При этом выявлены три основных препятствия для широкого внедрения разработанных технологий: логистика, экономика и загрязнение отходов другими строительными материалами.

Цены на сырье на протяжении последних лет неуклонно растут и в будущем, вероятно, продолжат повышаться. Стоимость захоронения отходов также идет вверх. Это будет способствовать повышению экономической рентабельности  переработки и восстановления отходов. В обозримом будущем актуальность этих направлений должна увеличиться.

С расширением использования полиуретановой изоляции будут увеличиваться объемы и стабильность потоков соответствующих отходов. Это должно способствовать решению части логистических проблем.

В дальнейшем необходимо будет решить вопрос загрязненных полиуретановых отходов.

Перспективные способы утилизации отходов полиуретана

Производители полиуретана активно изучают возможность предотвращения попадания отслужившей свой срок пены на мусорные свалки. На сегодняшний день существуют следующие варианты:

Производственные и строительные отходы: возвращение порошка полиуретана обратно в производственный процесс

Измельченный полиуретан может возвращаться обратно в технологический поток для создания новых изоляционных плит и панелей.

Строительные отходы: отходы полиуретана в качестве наполнителя стен

Измельченные отходы полиуретана можно использовать в межевых стенах между домами ленточной (рядовой) застройки для увеличения уровня тепло- и звукоизоляции. Испытания ведутся, и первые технические разрешения были получены или находятся в стадии подготовки.

Добавление пенополиуретановых отходов в легкие бетонные и цементные стяжки

Отходы полиуретановой пены могут быть использованы в качестве добавки для легкого бетона. Продукт является универсальным и может быть получен вручную, в бетономешалке или на бетонном заводе. Он обладает хорошими теплоизоляционными качествами, огнестойкостью и долговечностью. Это является эффективным решением для производственных и строительных отходов полиуретана.

Добавление пенополиуретановых отходов в штукатурку для фасадов

Отходы полиуретана могут быть добавлены к готовой штукатурке для ручного нанесения или напыления в строительстве новых зданий или реконструкции старых. Частицы полиуретана значительно увеличивают тепловое сопротивление стены при сохранении высокой степени паропроницаемости.

Отходы со всех стадий эксплуатационного цикла: сжигание в цементных печах

Полиуретановые отходы могут быть использованы в качестве замены топлива при производстве цемента. Техническая осуществимость такого процесса была доказана. Основные проблемы сегодня включают стоимость сбора, сортировки, предварительной обработки и транспортировки, а также непредсказуемость количества отходов. Пилотные проекты находятся в стадии реализации.

Отходы со всех стадий эксплуатационного цикла: переработка органических потоков

Новая технология была доведена до промышленных масштабов. Она позволяет получать газ из биомассы и других органических материалов, таких как пластик, без выделения токсичных органических загрязнителей (диоксинов, фуранов, дымовых газов). Получаемый газ представляет собой смесь метана, водорода и окиси углерода и может быть использован как полноценный заменитель ископаемого топлива в промышленных процессах, а также в качестве сырья в органическом синтезе (например, в производстве метанола).

Производители полиуретана будут продолжать свои попытки найти решения, которые помогли бы минимизировать воздействие отслужившей свой срок продукции на окружающую среду при одновременном обеспечении экономической эффективности. Однако следует помнить, что переработка ради удовлетворения установленным нормативам не обязательно принесет пользу окружающей среде. Решения должны приниматься на основе анализа жизненного цикла для каждого конкретного случая.

Примечания:

[1] www.polyurethanes.org

[2] Commission Communication: Strategy for the sustainable competitiveness of the construction sector and its Enterprises, COM(2012) 433 final.

[3] Commission Communication: Roadmap to a Resource Efficient Europe, COM(2011) 571 final.

[4] http://ec.europa.eu/environment/waste/construction_demolition.htm

[5] Расчеты проведены на основании данных UK Construction Resources & Waste Platform.

[6] Directive 2008/98/EC of 19 November 2008 on waste and repealing certain Directives.

[7] Regulation (EU) No 305/2011 of 9 March 2011 laying down harmonised conditions for the marketing of construction products and repealing Council Directive 89/106/EEC.

[8] Francoise Nemry, Andreas Uihlein (Joint Research Centre): Environmental Improvement Potentials of Residential Buildings (IMPRO-Building, 2008).

[9] PU Europe Factsheet n°15: Life Cycle Environmental and Economic analysis of Polyurethane Insulation in Low Energy Buildings (2010).

[10] Consultic GmbH for PU Europe: Study on rigid PUR/PIR foam waste qualification and quantification at construction and demolition sites in 2007 and forecast to 2012/2020 (2008).

[11] Rainer Spilker, Aachener Institut fur Bauschadensforschung und angewandte Bauphysik gGmbH: Flachdach-sanierung uber durchfeuchteter Dammschicht (2003).

[12] см. примечание 9.