Prosessiteollisuuden hukkalämpö talteen – optimoitu hybridiratkaisu voi tuoda valtavat säästöt

Lämmöntalteenoton (LTO) tehostamisella lasketaan energiankulutusta ja parannetaan energiatehokkuutta. Prosessiteollisuudessa syntyy usein suuria määriä matalalämpöistä hukkalämpöä, jota ei liian alhaisen lämpötilan vuoksi voida suoraan hyödyntää prosesseissa. Jotta talteen otettavaa lämpöä voidaan tehokkaasti hyödyntää, on lämpötila nostettava käyttökohteiden, kuten lämmitys- tai kuivatusprosessien edellyttämälle tasolle.

Lämpöpumput kykenevät siirtämään lämpöä alhaisemmasta lämpötilasta korkeampaan lämpötilaan. Pumppujen käyttöenergiana on sähkö, jota kuluu murto-osa korkeampaan lämpötilaan siirretystä ja hyödyksi saatavasta lämpöenergiasta. Hyötysuhde vaihtelee lämpötasojen ja olosuhteiden mukaan. Laitteet valitaan ja optimoidaan niin, että niiden käyttöajat hyvällä hyötysuhteella ovat korkeat. Käytön optimoinnissa voidaan ottaa huomioon myös sähkön hinnan vaihtelut.

Lämpöakulla varastoidaan energiaa ja tasataan kuormia

Lämmöntalteenottoa tukevana ratkaisuna voidaan käyttää lämpöakkuja, joihin varastoidaan lämpöenergiaa ja vapautetaan sitä tarpeen mukaan. Kun hukkalämpöjä on hetkellisesti tarjolla enemmän kuin prosessit tarvitsevat tai sähköllä tuotettu lämpö on edullista, lämpöä varastoidaan tulevaa käyttöä varten. Sähkön hinnan noustessa ja lämpökuorman lisääntyessä lämpöä puretaan eli siirretään akusta prosesseihin. Akkua voidaan käyttää myös lämmöntuotannon häiriötilanteissa korvaamaan puuttuvaa tuotantokapasiteettia.

Akut soveltuvat erityisesti prosesseihin, joissa lämpöenergian tarve vaihtelee esimerkiksi vuorokauden tai viikonpäivien aikana. Lämpöä varastoidaan ja puretaan kohtuullisen lyhyessä syklissä, jopa vuorokauden sisällä. Höyryakut vastaavat nopeisiin tehon vaihteluihin. Prosessiteollisuudessa akku voi olla erittäin hyödyllinen, koska sillä saa tasattua lämmöntuotannon huippukuormia.

Optimointi oleellista – sopiva akku maksimoi hyödyt

Yleisin lämpöakkutyyppi on paineellinen tai paineeton vesisäiliö, jonka lämpötilaa nostetaan latausvaiheessa ja lasketaan purkuvaiheessa. Säiliön koko valitaan kohteeseen ja prosessiin sopivaksi. Tyypillinen kokoluokka on tuhansista noin 15 000 – 20 000 kuutiometriin, jolloin kapasiteetti on lämpötilaeroista riippuen maksimissaan n. 75 – 100 MWh.

Akussa lämpöä voidaan varata myös muuhun massaan kuten hiekkaan tai metalliin, joiden lämpötila voi olla korkea. Varaavasta massasta lämpö puretaan ja siirretään väliaineeseen, esimerkiksi veteen. Ratkaisuilla voidaan parantaa lämmöntuotannon kustannustehokkuutta ostosähkön hintaoptimoinnin avulla. Akkuun varastoidaan korkea-asteista lämpöä silloin, kun sähkön hinta on alhainen. Purkuvaiheessa akun korkea lämpötila mahdollistaa höyryntuotannon sitä tarvitseville prosesseille.

Akun koon ja kapasiteetin optimointi on hankkeen oleellisen tärkeä vaihe, jotta taloudellinen hyöty on mahdollisimman korkea, muttei kuitenkaan investoida ylimitoitettuun akkuun. Rejlers Finland Oy:n prosessisuunnittelu käyttää optimoinnin työkaluina simulointiohjelmistoja ja -malleja sekä laskentaohjelmia. Rejlersin prosessisuunnittelussa on useiden vuosien kokemus suunnittelun eri vaiheista, konseptisuunnittelusta käyttöönottoon.

Lähtötietoina lämmön talteenoton simuloinneissa ja laskelmissa ovat mm. tuotanto- ja kulutustiedot, tuotantokustannukset ja arviot sähkönhinnasta. Lähtötietojen laajuus voi olla vuositasoa tai enemmän, ja tarkkuus esim. tuntitason mittauksia. Laajoissa kokonaisuuksissa tietomäärä voi olla erittäin suuri, ja kokonaisuuksien ymmärtäminen on siksi oleellinen osa selvitystä. Lopulta joudutaan arvioimaan tulevaa tilannetta historiadatan avulla.

Hybridiratkaisuilla joustoa muuttuvilla energiamarkkinoilla

Yksi laite tai tekniikka ei välttämättä ole kustannustehokkain vaihtoehto. Siksi kokonaisuuden, kuten erilaisten hybridiratkaisujen selvittäminen on tärkeää. Kohteeseen saattaa optimoinnin kautta valikoitua ratkaisu, jossa on mukana esimerkiksi akku, lämpöpumppuja tai pumppuja sekä sähkökattiloita.

Viimeisinä vuosina energiamarkkinoilla on koettu merkittäviä muutoksia, kuten sähkön ja kaasun suuria hintavaihteluja sekä huolta niiden riittävyydestä. Mahdollisuus tuottaa ja varastoida lämpöä kustannustehokkaasti usealla tekniikalla on todennäköisesti merkittävä etu myös tulevaisuudessa.

Eri toimijat kehittävät edelleen uusia lämmöntalteenoton ja varastoinnin teknisiä ratkaisuja, laitteita ja tuotannon optimointityökaluja.  Suunnittelijoiden, laitetoimittajien ja loppuasiakkaiden yhteistyöllä on mahdollisuus löytää kuhunkin kohteeseen parhaiten soveltuvat ratkaisut.