AmbiSteam-ratkaisu tuo matalalämpötilaiset hukkalämpövirrat osaksi höyryjärjestelmää

Matalalämpötilainen hukkalämpö energiajärjestelmän katvealueena

Biotuoteteollisuuden energiajärjestelmät on perinteisesti optimoitu korkealämpötilaisten prosessien ja polttoon perustuvan höyryntuotannon ympärille.

Tehtaiden jatkuvat prosessit edellyttävät suuria ja vakaita höyryvirtoja, minkä vuoksi höyryntuotannon luotettavuus ja ajettavuus ovat keskeisiä lähtökohtia koko energialaitoksen suunnittelussa.

Vaikka alan tehtaissa hyödynnetään jo laajasti lämmöntalteenottoa, järjestelmäkohtaiset rajoitteet tulevat vastaan erityisesti matalalämpötilaisissa hukkalämpövirroissa.

Suoraan lämmönsiirtoon perustuvat ratkaisut kykenevät hyödyntämään vain osan prosesseissa syntyvästä lämmöstä, minkä jälkeen lämpötila laskee tasolle, jolle ei löydy enää suoraa käyttöä höyry‑ tai prosessijärjestelmissä.

”Nykyiset suoraan lämmönsiirtoon perustuvat lämmöntalteenottomenetelmät kykenevät ottamaan lämmöstä talteen tyypillisesti vain joitakin kymmeniä prosentteja. Loput menevät hukkaan”, kertoo Calefan myyntipäällikkö Lari Heinonen.

Heinosen mukaan juuri tässä piilee merkittävä energiatehokkuuspotentiaali.

”Matalalämpötilaisten hukkalämpövirtojen tehokkaampi hyödyntäminen tarjoaa merkittävän mahdollisuuden parantaa tehtaan energiatehokkuutta”, Heinonen vinkkaa.

Lämpötilatasot määrittävät hyödynnettävyyden

Teollisissa prosesseissa syntyvän hukkalämmön lämpötilataso vaihtelee suuresti. Korkeammilla lämpötiloilla lämpö voidaan vielä siirtää suoraan muihin prosesseihin tai esilämmitykseen. Sen sijaan noin 40–60 °C:n lämpötilatasolle jäävät virrat muodostavat usein katvealueen: lämpöä on määrällisesti paljon, mutta se ei sellaisenaan sovellu takaisin prosesseihin.

Juuri tässä kohtaa höyrylämpöpumpputeknologia muuttaa energiajärjestelmän logiikkaa. AmbiSteam mahdollistaa matalalämpötilaisen hukkalämmön lämpötilan nostamisen takaisin tasolle, jolla se voidaan hyödyntää osana tehtaan höyryjärjestelmää.

”Matalalämpötilaisten hukkalämpövirtojen hyödyntäminen on yksi merkittävimmistä vielä osin hyödyntämättömistä energiatehokkuuspotentiaaleista biotuoteteollisuudessa”, Heinonen toteaa.

AmbiSteam osana olemassa olevaa höyryjärjestelmää

AmbiSteam‑ratkaisu perustuu Calefan SteamLevel®‑höyrylämpöpumpputeknologiaan, joka on suunniteltu nimenomaan teollisiin höyryjärjestelmiin integroitavaksi. Ratkaisu täydentää biotuoteteollisuuden höyryntuotantoa hyödyntämällä prosesseissa syntyviä, aiemmin hyödyntämättömiä lämpövirtoja.

AmbiSteam-ratkaisussa:

• prosesseissa syntyvä matalalämpötilainen (esimerkiksi 40–70 °C) hukkalämpö kerätään talteen
• lämpötila nostetaan lämpöpumpun ja tarvittaessa integroidun MVR-järjestelmän avulla soveltuvalle tasolle
• tuotettu höyry integroidaan osaksi tehtaan olemassa olevaa höyryverkkoa

AmbiSteam‑laitos kykenee tuottamaan jopa yli 5 barin prosessihöyryä, jota voidaan käyttää suoraan teollisuuden prosesseissa, ilman muutoksia loppukäyttöön.

Suurissa tehtaissa höyryntarve voi olla kymmeniä megawatteja, sillä esimerkiksi yksittäinen paperi- ja kartonkikone kuluttaa lämpöä kymmenien megawattien teholla.

”AmbiSteam integroidaan osaksi olemassa olevaa energiajärjestelmää, jolloin se tuottaa prosesseihin tarvittavaa höyryä energiatehokkaammin kuin aikaisemmin”, Heinonen kertoo.

Esimerkki kartonkikoneen kuivatusosan lämpötaseesta

Pakkauskartonkikoneen tuotanto	50	t/h
Kuivatusosalla haihdutettu vesimäärä	15	kg H2O/s
Ominaishöyrynkulutus per haihdutettu vesimäärä	1.2	kg steam/kg H2O
Höyrynkulutus	18	kg steam/s
Höyryteho	41	MW
Lämmöntalteenoton hyötysuhde	30	%
Lämpöteho ulos	28	MW
Vuotuinen lämpöenergia ulos (8000 h/a)	226800	MWh/a
Lämmön hinta	50	€/MWh
Ulos hukatun energian kustannus	11	M€/a

AmbiSteam-ratkaisun rooli suurissa höyryjärjestelmissä

Teknistaloudellisesti parhaaseen lopputulokseen päästään, kun lämmöntalteenottoprojekti on suunniteltu ympäröivät prosessit ja niiden lämpötilat sekä energiataseet huomioiden.

Koska lämpöpumpun hyötysuhde riippuu hukkalämmön ja tuotetun lämmön välisestä lämpötilaerosta, kannattaa integrointiin osaksi järjestelmää kiinnittää huomiota.

Paras hyötysuhde saavutetaan, mikäli höyryntuotannon lisäksi samalla lämpöpumppujärjestelmällä lämmitetään myös matalamman lämpötilan kohteita, esimerkiksi tehtaan prosessivesiä tai kuivatusprosessin tuloilmaa.

Alla olevassa taulukossa on esitetty esimerkinomaisia hyötysuhteita ja niitä vastaavia lämmön hintoja tilanteessa, joissa yhdistyvät sekä höyryntuotanto että matalamman lämpötilan lämmityskohteen lämmitys.

Hukkalämmön lämpötila (neste), °C	50	60
COP (höyry +140 °C; 2,6 bar(g) + lämmitys)	3,3	4,1
Sähkön hinta, €/MWh	60	60
Lämpöenergian hinta lämpöpumpulla €/MWh	18	15
COP (höyry +160 °C; 5,2 bar(g) + lämmitys)	2,9	3,6
Sähkön hinta, €/MWh	60	60
Lämpöenergian hinta lämpöpumpulla €/MWh	20	16

”Mitä korkeammaksi höyrynpainetta nostetaan, sitä enemmän järjestelmä kuluttaa sähköä. Mietimme aina tapauskohtaisesti, miten hyödynnämme mahdollisimman optimaalisesti höyryä tuottavaa lämpöpumppujärjestelmää. Hukkalämmön ja lämpöpumpun avulla tuotettu höyry on kuitenkin käytännössä aina tyypillistä polttamiseen perustuvaa höyryä merkittävästi edullisempaa”, toteaa Heinonen.

Calefan ensimmäinen teollisuushöyryä tuottava lämpöpumppu otetaan käyttöön metsäteollisuuden tuotantolaitoksessa huhtikuussa. Ratkaisu perustuu pitkälle kehitettyyn SteamLevel®‑teknologiaan ja se tuottaa höyryä asiakkaan höyrylinjaan.

Biotuoteteollisuuden energiataseen reunaehdot muutoksessa

Aiemmin pitkälti energiaomavaraisiksi mitoitetut järjestelmät joutuvat tarkasteluun uudessa valossa, kun biomassan eri jakeille, kuten ligniinille, löydetään uusia käyttötapoja. Tämä tarjoaa AmbiSteamin kaltaisille hukkalämmön hyödyntämisratkaisuille yhä uusia mahdollisuuksia.

Esimerkiksi selluteollisuudessa CO₂‑talteenotto tai ligniinin jatkokäyttö muuttaisivat tehtaiden energiajärjestelmiä merkittävästi.

”Esimerkiksi selluteollisuudessa CO₂‑talteenotto lisäisi lämmitys- ja jäähdytystarpeita sekä matalapaineisen höyryn käyttöä. Näihin voidaan hyvin vastata AmbiSteamillä.” - Lari Heinonen, Myyntipäällikkö, Calefa Oy

AmbiSteam tarjoaa keinon palauttaa biotuoteteollisuuden prosesseissa syntyvä matalalämpötilainen lämpö takaisin hyötykäyttöön höyryn muodossa myös tulevaisuudessa. Siten se tasapainottaa muuttuvia energiataseita ilman polttoon perustuvan tuotannon lisäämistä.