Χαλκός: Ο πρωταγωνιστής πολλών σύγχρονων συστημάτων και εφαρμογών

Ο χαλκός είναι το μέταλλο που συνοδεύει τον άνθρωπο από τα πρώτα χρόνια της ζωής του, όπως και της εξέλιξης του πολιτισμού του. Ο ρόλος του σήμερα εξακολουθεί να είναι καθοριστικός, εάν λάβουμε υπόψη μας σε πόσες τεχνικές εφαρμογές τον συναντούμε.

Άρθρο του κ. Νίκου Βεργόπουλου, διευθυντή του Ελληνικού Ινστιτούτου Ανάπτυξης Χαλκού (έντυπο τεύχος Φεβρουαρίου 2022).

Οι σύγχρονες απαιτήσεις για εξοικονόμηση ενέργειας, «έξυπνα» κτίρια, εξέλιξη της ηλεκτροκίνησης και ανακύκλωση, αλλά και τα πρωτόκολλα υγιεινής που πρέπει να εφαρμόζονται πλέον σε χώρους με μεγάλη συγκέντρωση ατόμων (με αφορμή τη μείωση της εξάπλωσης του Sars Cov 2) μπορούν να αντιμετωπιστούν αποτελεσματικά με την εφαρμογή προϊόντων χαλκού, λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων τους.

Αναμφισβήτητα η αντιμικροβιακή ιδιότητα του χαλκού είναι η πιο σημαντική από όλες για την ανθρωπότητα, εφόσον σχετίζεται με τη δημόσια υγεία. Ο χαλκός και συγκεκριμένα κράματά του με περιεκτικότητα μεγαλύτερη του 60% σε χαλκό, έχουν την εγγενή ιδιότητα να εξοντώνουν μέσα σε 2 ώρες μέχρι και το  99,9% των μικροβίων και των ιών που έρχονται σε επαφή με επιφάνειες. Αυτό σημαίνει ότι το μικροβιακό φορτίο που θα αφήσει το χέρι μας (που είναι ο μεγαλύτερος φορέας μικροβίων) όταν αγγίξει μια επιφάνεια αντιμικροβιακού χαλκού, θα έχει εξαφανιστεί μέσα σε δύο ώρες. Με αυτόν τον τρόπο, η συγκεκριμένη επιφάνεια δεν θα αποτελεί δεξαμενή ανάπτυξης και περαιτέρω μετάδοσης μικροβίων. Η συγκεκριμένη ιδιότητα του χαλκού βρίσκει εφαρμογή πρωτίστως σε νοσοκομεία, αλλά και σε χώρους μεγάλου συγχρωτισμού, προσφέροντας  μία πολύ σημαντική υπηρεσία στη δημόσια υγεία και στην ασφαλή διαβίωση.

Χώροι συγχρωτισμού

Η επιστημονική ομάδα του Ελληνικού Ινστιτούτου Ανάπτυξης Χαλκού (ΕΙΑΧ)  έχει αναλάβει την αποκλειστική πιστοποίηση προϊόντων από χαλκό και συγκεκριμένων κραμάτων του, έχοντας κατοχυρώσει το εμπορικό σήμα «CopperHealth». Το σήμα αυτό φέρει κάθε πιστοποιημένο προϊόν, ακολουθώντας το πρωτόκολλο της Υπηρεσίας Προστασίας Περιβάλλοντος της Αμερικής (Environmental Protection Agency), η οποία πρώτη καταχώρησε συγκεκριμένα κράματα χαλκού με αντιμικροβιακή ιδιότητα, κατάλληλα για την αντιμετώπιση των νοσοκομειακών λοιμώξεων και τη χρήση τους στις δομές δημόσιας υγείας.

Στόχος της πιστοποίησης είναι η κυκλοφορία αξιόπιστων προϊόντων αντιμικροβιακού χαλκού στην αγορά, ούτως ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν κατάλληλα σε χώρους που χρήζουν πρόσθετης υγιεινής και ασφάλειας.

Πέρα από την πιστοποίηση των προϊόντων με αντιμικροβιακή ιδιότητα, το Ελληνικό Ινστιτούτο Ανάπτυξης Χαλκού προχώρησε και στην πιστοποίηση υγιεινής και ασφάλειας των χώρων στους οποίους έχουν τοποθετηθεί προϊόντα αντιμικροβιακού χαλκού, βάσει  του σχετικού πρωτοκόλλου που έχει θεσπίσει η επιστημονική του ομάδα.

Η διαδικασία πιστοποίησης από το ΕΙΑΧ (το οποίο πλέον έχει πιστοποιηθεί και κατά ISO 9001: 2015) διασφαλίζει ότι οι χώροι στους οποίους έχουν τοποθετηθεί πιστοποιημένα προϊόντα αντιμικροβιακού χαλκού που φέρουν το σήμα «Copper Health», βάσει του επιστημονικού φακέλου του ΕΙΑΧ, είναι πλήρως ασφαλείς από άποψη υγιεινής και προστασίας από μικρόβια και ιούς.

Εκτός των υγειονομικών, πιστοποιούνται για την αντιμικροβιακή προστασία τους και διάφοροι άλλοι χώροι μεγάλου συγχρωτισμού, όπως ξενοδοχεία, σχολεία, μέσα μαζικής μεταφοράς κλπ.

Ειδικότερα στον τομέα του τουρισμού υγείας και ευεξίας, ο οποίος αναπτύσσεται πλέον και στη χώρα μας, οι ξενοδοχειακές μονάδες μπορούν να εκμεταλλευτούν αυτήν την πιστοποίηση εμπλουτίζοντας τα πρωτόκολλα υγιεινής και ασφάλειας που ήδη κατέχουν και  εξασφαλίζοντας έτσι προστιθέμενη αξία για τις υπηρεσίες που προσφέρουν στους πελάτες τους.

Μείωση εκπομπών άνθρακα και εξοικονόμηση ενέργειας

Στην ανάλυση για τη συνεισφορά του χαλκού στις σύγχρονες απαιτήσεις της κοινωνίας, ιδιαίτερη μνεία πρέπει να κάνουμε στη συμβολή του χαλκού στην αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής -ή αλλιώς της κλιματικής κρίσης- με τη μείωση εκπομπών CO2. Η προσθήκη 1 kg χαλκού μπορεί να συντελέσει στην εκπλήρωση του στόχου αυτού στις ακόλουθες εφαρμογές:

  1. Εξοικονόμηση 100 έως 7.500 kg εκπομπών CO

Κάθε αγωγός στο ηλεκτρικό σύστημα εμφανίζει ηλεκτρική αντίσταση όταν διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτό σημαίνει ότι μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας που μεταφέρει διαχέεται ως θερμότητα και χάνεται ως χρήσιμη ενέργεια. Για μια δεδομένη διατομή αγωγού, αυτές οι απώλειες ενέργειας μπορούν να μειωθούν επιλέγοντας ένα υλικό με υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα του χαλκού είναι δεύτερη μόνο μετά το ασήμι, ενώ είναι 65% καλύτερη από του αλουμινίου.

  1. Εξοικονόμηση 500 έως 50.000 kWh πρωτογενούς ενέργειας.

Η μείωση των απωλειών ενέργειας με την αύξηση της διατομής του αγωγού χαλκού  σημαίνει ότι πρέπει να παράγεται, να μεταφέρεται και να διανέμεται περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια. Για κάθε επιπλέον κιλό χαλκού που χρησιμοποιείται, εξοικονομούνται  500 – 50.000 kWh πρωτογενούς ενέργειας, κατά τη διάρκεια του κύκλου ζωής του συστήματος. Επιπλέον, αυτές οι εξοικονομήσεις μειώνουν την ανάγκη επένδυσης σε νέες υποδομές.

  1. Εξοικονόμηση κόστους από 24 έως 2.400 ευρώ, κατά τον κύκλο ζωής του συστήματος.

Η εξοικονόμηση ενέργειας που προκύπτει από την αύξηση της διατομής του αγωγού,   στη συντριπτική πλειονότητα των περιπτώσεων οδηγεί σε μείωση του κόστους που προκύπτει από τον κύκλο ζωής του συστήματος. Για εντατικά χρησιμοποιούμενες ηλεκτρικές συσκευές και είδη, όπως είναι τα καλώδια, οι μετασχηματιστές και οι ηλεκτροκινητήρες, το κόστος των απωλειών ενέργειας κατά τη διάρκεια της ζωής τους είναι πολύ μεγαλύτερο από το αρχικό κόστος αγοράς. Οι 500 – 50.000 kWh που εξοικονομούνται από κάθε επιπλέον κιλό χαλκού, αποδίδουν στην οικονομία της Ε.Ε.  60-6.000 ευρώ (σε τιμή βιομηχανικής ηλεκτρικής ενέργειας 0,12 ευρώ / kWh και με συντελεστή πρωτογενούς ενέργειας 2,5).

Όπως και η ηλεκτρική αγωγιμότητα, η θερμική αγωγιμότητα του χαλκού είναι δεύτερη μόνο μετά το ασήμι. Αυτό καθιστά το χαλκό προτιμώμενο υλικό σε εφαρμογές όπου εμπλέκεται η μεταφορά θερμότητας, όπως είναι οι εγκαταστάσεις κλιματισμού και ηλιακού θερμικού νερού. Η υψηλή θερμική αγωγιμότητά του, μειώνει τις απώλειες θερμότητας και τις εκπομπές άνθρακα που σχετίζονται με αυτές.

Υψηλή ενεργειακή απόδοση

Αναλύοντας περαιτέρω το ρόλο του χαλκού στην προστασία του περιβάλλοντος, διαπιστώνουμε ότι έχει την καλύτερη απόδοση. Αναλυτικά:

Α. Ο χαλκός μπορεί να ανακυκλωθεί 100% χωρίς απώλειες στην απόδοση.

Σε αντίθεση με αγωγούς άλλων ανταγωνιστικών υλικών, οι αγωγοί χαλκού μπορούν να   κατασκευαστούν από 100% ανακυκλωμένο υλικό. Η ενέργεια που απαιτείται για την ανακύκλωση φτάνει περίπου το 20% της απαιτούμενης για την πρωτογενή παραγωγή (από την εξόρυξη). Επιπλέον, η σχετικά υψηλή αξία του χαλκού, σε συνδυασμό με την εύκολη ανακύκλωσή του, αποτελεί βασική κινητήρια δύναμη για την ανάκτηση και την ανακύκλωση των προϊόντων που βρίσκονται στο τέλος του κύκλου ζωής τους και τα οποία διαφορετικά θα χαθούν.

Β. Η πυκνότητα των αγωγών χαλκού συμβάλλει στην εξοικονόμηση άλλων υλικών.

Για την ίδια απόδοση και ισχύ, ένας αγωγός χαλκού έχει μια διατομή που είναι κατά 40% μικρότερη από εκείνη ενός ισοδύναμου αγωγού άλλου υλικού. Αυτή η πυκνότητα εξοικονομεί, μεταξύ άλλων, μαγνητικά υλικά, υλικά για περιβλήματα κινητήρων ή μετασχηματιστών, μονωτικά υλικά για καλώδια και καλώδια για αγωγούς καλωδίωσης σε αστικά περιβάλλοντα. Αυτό συνεπάγεται προφανή οικονομικά και οικολογικά πλεονεκτήματα. Παρόμοιο πλεονέκτημα προκύπτει από τη χρήση χάλκινων σωλήνων σε συστήματα κλιματισμού. Η εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα του χαλκού σε συνδυασμό με την υψηλή μηχανική αντοχή του, επιτρέπουν τη χρήση σωλήνων μικρότερης διαμέτρου που μπορούν να αντέξουν στις υψηλότερες πιέσεις που απαιτούνται για πιο φιλικά προς το περιβάλλον ψυκτικά. Εκτός από την άμεση βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης, οι πιο συμπαγείς εγκαταστάσεις εξοικονομούν υλικό, καθώς και οικονομικό και οικολογικό κόστος.

Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας

Επειδή ο χαλκός είναι ένας εξαιρετικά αποδοτικός αγωγός ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας, χρησιμοποιείται σε όλα συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας διεθνώς, δηλαδή στην παραγωγή ενέργειας από ηλιακές, υδροηλεκτρικές, θερμικές και αιολικές πηγές. Για τη διασφάλιση της αποδοτικότητάς τους, σε πολλά συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας χρησιμοποιείται 12 φορές περισσότερος χαλκός σε σχέση με τα παραδοσιακά συστήματα.

Ο χαλκός είναι ένας από τους καλύτερους ανανεώσιμους πόρους. Είναι ένα από τα λίγα υλικά που μπορούν να ανακυκλωθούν 100 τοις εκατό, ξανά και ξανά, χωρίς απώλεια στην απόδοσή τους. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας παρέχουν σχεδόν το ένα τέταρτο της παγκόσμιας ισχύος και ο χαλκός παίζει σημαντικό ρόλο στο να γίνει η παραγωγή αυτή όσο το δυνατόν πιο αποτελεσματική, με ελάχιστες επιπτώσεις στο περιβάλλον. Αναλυτικά:

  1. Ηλιακή Ενέργεια

Ο συνδυασμός του χαλκού με την υψηλή θερμική του αγωγιμότητα, την αντοχή στην ατμοσφαιρική και υδατική διάβρωση, την ευκολία κατασκευής, τη στεγανότητα (σύνδεση με συγκόλληση), τη μηχανική αντοχή και τη μακροζωία του, προσφέρει ισχυρά πλεονεκτήματα έναντι οποιουδήποτε άλλου υλικού σε εφαρμογές ηλιακής ενέργειας.

  1. Αιολική Ενέργεια

Ο χαλκός αποτελεί σημαντικό υλικό στην παραγωγή αιολικής ενέργειας. Στη σχετική τεχνολογία βρίσκει εφαρμογή  στις περιελίξεις του πηνίου, στα τμήματα του στάτορα και του ρότορα της γεννήτριας, στους αγωγούς καλωδίων υψηλής τάσης, στα πηνία του μετασχηματιστή και στη γείωση. Τα αιολικά πάρκα μπορούν να χωρέσουν αρκετές εκατοντάδες χιλιάδες μέτρα. Έχει υπολογιστεί ότι, το 2011, η ποσότητα χαλκού που χρησιμοποιήθηκε για συστήματα αιολικής ενέργειας ήταν 120 kt.

  1. Φωτοβολταϊκά

Ο χαλκός αποτελεί μέρος των υλικών που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος για φωτοβολταϊκά ηλιακά κύτταρα, ενώ τον συναντούμε και στην καλωδίωση της τεχνολογίας, στη γείωση, στο μετατροπέα, στους μετασχηματιστές και στις κορδέλες των φωτοβολταϊκών κυττάρων.

Πράσινα κτίρια

H χρήση του χαλκού στην οικολογική δόμηση είναι εκτεταμένη. Ο χαλκός είναι το κύριο υλικό στις υδραυλικές εγκαταστάσεις στις αναπτυγμένες χώρες, κατέχοντας μερίδια αγοράς από 55-95%, γεγονός που αποδεικνύει την αξιοπιστία του. Οι σωλήνες χαλκού έχουν καθιερωθεί σε ολόκληρο τον κόσμο και χρησιμοποιούνται πάνω από 60 χρόνια. Σήμερα, πάνω από 60 δισ. μέτρα σωλήνων χαλκού είναι εγκατεστημένα παγκοσμίως και λειτουργούν άψογα. Συγκεκριμένα, οι χαλκοσωλήνες χρησιμοποιούνται:

– Στην ύδρευση.

– Στη θέρμανση.

– Στην παροχή φυσικού αερίου.

– Στα δίκτυα  ψύξης, κλιματισμού και ηλιακής ενέργειας.

– Στα δίκτυα πυρασφάλειας.

– Στα ιατρικά αέρια.

Ο κατασκευαστής της οικοδομής δεν έχει να ασχοληθεί με πολλά υλικά. Όλες αυτές οι εγκαταστάσεις και τα δίκτυα καλύπτονται από ένα μόνο υλικό, ανεξάρτητα από τις ιδιαίτερες απαιτήσεις κάθε συστήματος.  Από τη στιγμή που θα δουλευτεί σωστά και θα τοποθετηθεί βάσει των οδηγιών εγκατάστασης και λειτουργίας του, ο χαλκοσωλήνας είναι δεδομένο ότι θα λειτουργήσει για πολλά χρόνια χωρίς προβλήματα και χωρίς καμία απαίτηση συντήρησης. Αυτό συμβαίνει γιατί η απόδοση και οι μηχανικές του ιδιότητες παραμένουν αναλλοίωτες με την πάροδο του χρόνου, δεν εμφανίζονται φαινόμενα γήρανσης και στην πράξη η διάρκεια ζωής του ξεπερνά ακόμη και αυτή των κτιρίων στα οποία εγκαθίσταται.

Υδραυλικές εγκαταστάσεις

Ο χαλκός έχει μεγάλη αντοχή σε πιέσεις, η οποία ξεπερνά κατά πολύ τις απαιτήσεις των εγκαταστάσεων στις οποίες χρησιμοποιείται. Η πίεση λειτουργίας ενός δικτύου ύδρευσης μπορεί να φτάσει τα 10 bar, ενώ η πίεση ρήξης ενός σκληρού χαλκοσωλήνα 15 Χ 1 μπορεί να πλησιάσει τα 300 bar.

Επιπροσθέτως, ο χαλκός έχει σημαντική αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, διατηρεί αναλλοίωτες τις μηχανικές του ιδιότητες σε μεγάλο θερμοκρασιακό εύρος,  συγκολλάται με μαλακές και σκληρές κολλήσεις στους 250 και στους 800 βαθμούς Κελσίου αντίστοιχα, ενώ το σημείο τήξης του φτάνει τους 1.083 βαθμούς Κελσίου.

Τα συστήματα από χαλκό παρέχουν ασφάλεια και σιγουριά επειδή αντέχουν σε πολύ υψηλές πιέσεις λειτουργίας. Η υπεροχή των φυσικών ιδιοτήτων τους σημαίνει στην πράξη ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε οποιαδήποτε περίπτωση, από τους -196 έως τους 250 βαθμούς Κελσίου. Εκτός από ανθεκτικός στις θερμικές διακυμάνσεις, ο χαλκός είναι  εντελώς απρόσβλητος σε ακτινοβολίες όπως είναι η υπεριώδης, η υπέρυθρη κ.ά.

Επίσης είναι ένα υλικό που δεν καίγεται, ούτε παράγει τοξικά αέρια. Σε περίπτωση πυρκαγιάς παρέχει ασφάλεια στη λειτουργία των εγκαταστάσεων και ανταποκρίνεται πλήρως στους κανονισμούς πυροπροστασίας.

Προσφέρει, ακόμα, πλήρη στεγανότητα. Συστήματα από χαλκό  κρατούν έξω οξυγόνο, βλαβερά υγρά, φυτοφάρμακα, λίπη, λάδια και διαλύτες. Ως φυσικό προϊόν, δεν περιέχει καμμιά άγνωστη πρόσμιξη, ενώ λόγω των αντιμικροβιακών ιδιοτήτων του χρησιμοποιείται και στις εγκαταστάσεις μεταφοράς πόσιμου νερού, καθώς εμποδίζει την ανάπτυξη βακτηριδίων. Στην Ευρώπη και στις ΗΠΑ είναι το πλέον προτιμώμενο υλικό για τα δίκτυα πόσιμου νερού.

Ο χαλκός είναι ευκολοδούλευτος, στιβαρός και με μικρές γραμμικές διαστολές, ενώ στηρίζεται μόνος του. Όταν τοποθετηθεί σωστά, αφήνει ένα πολύ καλό αισθητικό αποτέλεσμα το οποίο κάνει τον επαγγελματία περήφανο για το έργο του, δίνοντας πρόσθετη αξία στα υπόλοιπα υλικά των εγκαταστατών. Λόγω της μικρής θερμικής διαστολής –και συγκρινόμενος με άλλα υλικά- δεν κάνει «κοιλιά» στη στήριξη και απαιτεί λιγότερα υλικά και εργασία.

Συστήματα ψύξης και εξαερισμού

Οι σωληνώσεις στα κλιματιστικά συστήματα αποτελούνται κατεξοχήν από χαλκό, διασφαλίζοντας καθαρό και υγιεινό αέρα, χάρη στις αντιμικροβιακές ιδιότητές του. Τα μικρόβια που συσσωρεύονται μέσα σε ένα κλιματιστικό εξαλείφονται σε ποσοστό έως και 99,9% από την προστασία που προσφέρουν οι σωληνώσεις χαλκού.

Αξιοσημείωτη είναι και η εφαρμογή αεραγωγών από χαλκό, όπου ο εισερχόμενος αέρας καθαρίζεται με φυσικό τρόπο από τη στιγμή που έρχεται σε επαφή με το υλικό. Στην Αθήνα έχει γίνει εγκατάσταση χάλκινων αεραγωγών σε κτίριο γραφείων, όπου μελετήθηκε η αντιμικροβιακή δράση του μετρώντας το μικροβιακό φορτίο που έφερναν οι χάλκινοι αεραγωγοί, σε σύγκριση με συμβατικούς αεραγωγούς διπλανού κτιρίου με παρόμοιο προσωπικό και συγκέντρωση πληθυσμού. Η έρευνα που διεξήχθη από την επιστημονική ομάδα του ΕΙΑΧ σε περίοδο εποχικής γρίπης, κατέδειξε μείωση μικροβιακού φορτίου στους χάλκινους αεραγωγούς έναντι των συμβατικών και παράλληλα μείωση της επιδημιολογικής συμπεριφοράς των εργαζομένων κατά 30%, σε σύγκριση με το προσωπικό που εργαζόταν στα γραφεία με τους συμβατικούς αεραγωγούς.

Συμπερασματικά, δικαίως ο χαλκός θεωρείται ένα από τα κυρίαρχα υλικά της εποχής μας και είναι εύκολο να αντιληφθεί κανείς τη σημαντική και πολύπλευρη συνεισφορά των εφαρμογών του στη σύγχρονη οικονομία, στην κοινωνία και στην προστασία του περιβάλλοντος.

Ελέγξτε επίσης

Στις 28 Ιουνίου – 1 Ιουλίου μετατέθηκε η διεξαγωγή της Mostra Convegno Expocomfort (MCE), στο ιταλικό εκθεσιακό κέντρο Fiera Milano

Η 42η Mostra Convegno Expocomfort (MCE), η πιο διάσημη έκθεση και παγκόσμια επιχειρηματική πλατφόρμα για …

Τα Περιοδικά μας