Keskustelu prosessiteollisuuden energiaoptimoinnin ympärillä on kiihtynyt viime vuosien aikana ja hukkaenergian talteenotto nähdään jo potentiaalisena keinona vähentää päästöjä, säästää energiakustannuksia sekä parantaa prosessien energiatehokkuutta. Teollisuuden päästövähennystoimet ovat tärkeässä roolissa myös Suomen näkökulmasta, jonka puitteet perustuvat kansainvälisiin sopimuksiin sekä EU:n ilmastopolitiikkaan.

Suomi on sitoutunut EU:n tavoitteeseen, jonka mukaan EU:n tulisi olla hiilineutraali vuoteen 2050 mennessä. Suomen kansallinen ilmastotyö pohjautuu ilmastolakiin, jossa on määritelty tavoitteet Suomen päästövähennysten osalta (Ilmastolaki 2015). Vuoteen 2030 mennessä hiilipäästöjä tulisi Suomessa vähentää 60 % vuoden 1990 tasosta ja Suomen tulisi olla hiilineutraali jo vuoteen 2035 mennessä. Ilmastotavoitteet asettavat myös teollisuuden toimijoille tarpeen tarkastella ja vähentää tuotannossa muodostuvia päästöjä.

Teollisuusesimerkki mallinnuksella

Seuraavassa teollisuusesimerkissä on havainnollistettu mallinnuksella ja simuloinnilla jätelämmön talteenottoa teollisista prosessivesistä ja lämmön hyödyntämistä prosessiin syötettävän veden esilämmityksessä. Prosessien hukkalämpöä otetaan talteen erilaisten lämmönvaihtimien avulla ja hyödynnetään esimerkiksi muiden prosessivaiheiden lämmityksessä.

Lämmön talteenottoteknologiat voidaan jakaa toimintaperiaatteensa mukaisesti aktiivisiin sekä passiivisiin teknologioihin. Aktiivisia teknologioita ovat esimerkiksi erilaiset lämpöpumput sekä höyrykompressorit ja passiivisia lämmönvaihtimet sekä erilaiset lämpöenergiavarastot. Tässä teollisuuden esimerkissä selvitetään taselaskennan avulla, voidaanko prosessin jäteveden mukana poistuvaa lämpöenergiaa hyödyntää prosessin lämmitykseen järkevästi ja taloudellisesti kannattavasti. Vaihtoehtoisina skenaarioina esitellään lämmön talteenotto sekä lämmönvaihtimen että lämpöpumpun avulla.

Tämän teollisuusesimerkin havainnot on tehty Euroopan aluekehitysrahaston sekä Keski-Pohjanmaan ja Pohjois-Pohjanmaan liittojen rahoittamassa hankkeessa: Majakka -Digitalisaation työkalupakista eväät vähähiiliseen teollisuuteen (Majakka-hanke, 2022). Hanke on toteutettu Centria ammattikorkeakoulu Oy:n ja Oulun yliopiston yhteistyönä. Projektin tavoitteena on ollut digitalisaation hyödyntäminen energia- ja resurssitehokkuuden lisäämiseksi ja hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi valituissa prosessiesimerkeissä.

Simulointiesimerkki ja energian säästöpotentiaali

Tutkittavana kohteena oli eräs teollisuuden virtausprosessi, josta poistuu lämpöä prosessivesien mukana. Toisaalta taas prosessiin pumpataan tuorevettä, jota lämmitetään kaukolämmöllä prosessiketjun alkupäässä. Prosessista oli käytettävissä aikaleimattua mittaustietoa seuraavista muuttujista:

• kaukolämpöveden, menolämpötila [°C]

• kaukolämpöveden, paluulämpötila [°C]

• Prosessiveden lämpötila T1 [°C]

• Prosessiveden lämpötila T2 [°C]

• Jäteveden lämpötila, TJV [°C]

• kaukolämpöveden virtausmäärä Q1 [m3/h]

• Prosessiveden virtausmäärä Q2 [m3/h] ja

• Jäteveden virtausmäärä QJV [m³/h].

Kuvissa 1 ja 2 on esitetty kaksi simuloitua skenaariota sekä prosessista mitatut muuttujat. Alkuperäisessä asetelmassa prosessiin tuleva vesi (sininen nuoli, lämpötilassa T1 ja virtausmäärällä Q1) johdetaan suoraan lämmönvaihtimelle, jossa vesi lämmitetään kaukolämmöllä. Kuvan 1 tapauksessa hukkalämpö otetaan talteen passiivisesti lämmönvaihtimen avulla ja kuvan 2 skenaariossa hyödynnetään lämpöpumppua.

Jätevedestä hyödyksi saatavaa lämpöenergiaan määrää ja lämpötiloja simuloitiin mittausaineistosta määritettyjen energia- ja massataseiden avulla minuuttitasolla, simulointiaika oli yksi vuosi. Jätelämmönvaihtimen hyötysuhteeksi oletettiin 65 % ja lämpöpumpun keskimääräiseksi lämpökertoimeksi kolme. Lämpöpumpulta poistuvan jäähtyneen prosessiveden lämpötilaksi asetettiin 20 celsiusastetta. Laskennassa käytetty sähköenergian hinta oli 50 €/MWh ja kaukolämmön hinta 61,86 €/MWh. Hinnat on valittu simuloinnin aikaisten hintojen mukaisiksi. Lisäksi mittausaineistoon sovellettiin lämmönvaihtimien reaaliaikaisen hyötysuhteen muutoksen estimointia, jolla voidaan arvioida lämmönvaihtimien likaantumista ajan suhteen.

Simulointitulosten perusteella hukkalämmön hyödyntäminen lämmönvaihtimen avulla vähentäisi kaukolämmön tarvetta noin 34 % vuositasolla, eli simuloidussa tapauksessa 4555 MWh/a. Tämä tarkoittaisi hiilidioksidipäästöjen vähentymistä 719 690 kilogrammalla vuodessa (kaukolämmöntuotannon keskimääräisellä päästökertoimella 158 kg CO2/MWh, Motiva 2023). Tarkastelussa käytetyllä kaukolämmön hinnalla ja mitatuilla tilavuusvirtauksilla saataisiin taloudellista säästöä kaukolämpömaksuina vuosittain noin 280 000 euroa.

Lämpöpumpun avulla hukkalämpöä saataisiin hyödynnettäväksi enemmän ja kaukolämmön tarve vähenisi simulointitulosten mukaan noin 60 %. Lämpöpumpun tapauksessa on huomioitava pumpun tarvitsema sähköenergia sekä korkeammat investointikustannukset verrattuna lämmönvaihtimeen. Lämpöpumpun avulla voidaan säästää kaukolämmöstä 8200 MWh/a, mutta sähköenergiaa tarvitaan lisäksi noin 2 700 MWhe/a. Hiilidioksidipäästöjen vuotuinen nettovähenemä olisi silloin 1 087 700 kilogrammaa (sähköntuotannon keskimääräisellä päästökertoimella 77 kg CO2/MWh, Motiva 2023). Taloudellinen hyöty tässä tapauksessa olisi 500 000 euroa (kaukolämpö), josta vähentämällä 135 000 € (lämpöpumpun sähköenergian hinta) lopullinen vuotuinen käyttökustannusten säästö olisi 365 000 €.

Lämpöpumpulla saavutetaan simulointien ja herkkyysanalyysin perusteella suurempi säästö kaukolämmön käytön osalta. Sen sijaan kannattavuudessa saavutettu hyöty lämmönvaihtimeen verrattuna menetetään lämpöpumpun tapauksessa jo silloin, jos sähkön hinta nousee yli 80 €/MWh. Investointikustannusten osalta skenaario 1 on tyypillisesti edullisempi (yksi lämmönvaihdin) kuin skenaario 2 (lämpöpumppu). Mittaustiedon perusteella estimoidun kaukolämmön lämmönvaihtimen lämmönsiirron hyötysuhteessa on nähtävissä lievä trendimäinen lasku, jota voidaan kuvata regressiosuoralla. Tämä on nähtävissä kuvassa 3.

Molempien simuloitujen skenaarioiden avulla voidaan parantaa prosessin energiatehokkuutta ja saavuttaa säästöjä sekä talouden että päästöjen näkökulmasta. Energia- ja massataseisiin perustuva mallinnus ja simulointi voidaan toteuttaa suoraviivaisesti kohteissa, joissa prosessin perusmittauksia on saatavilla. Simuloimalla erilaisia lämmön talteenottoteknologioita, voidaan tarkastella energian säästöpotentiaalia realistisesti myös muissa vastaavissa virtausprosesseissa.