Hukkalämmöstä höyryä ja kuumaa vettä: näin Calefan yhdistelmäratkaisu on kehittynyt

Teollisuudessa lämpöä tarvitaan monessa muodossa. Yhdessä prosessissa tarvitaan höyryä, toisessa kuumaa vettä. Tehtaalla voi samaan aikaan syntyä hukkalämpöä, jolle ei ole suoraan sopivaa käyttökohdetta.

Calefan modulaarisilla ja yhteen integroitavilla ratkaisuilla samaa hukkalämpöresurssia voidaan hyödyntää sekä höyryn että kuuman veden tuotantoon. AmbiHeat-lämpöpumppulaitos jalostaa hukkalämmön teollisuuden tarvitsemaksi kuumaksi vedeksi, kun taas AmbiSteam on suunniteltu prosessihöyryn tuotantoon.

Olennaista on löytää energialle tehtaalla sopiva käyttökohde.

”Ratkaisu helpottaa lämpöpumpputeknologian integroimista osaksi lämmöntalteenottojärjestelmiä. Näin pystymme tuottamaan lämmön siinä muodossa, jota teollisuus on tottunut käyttämään”, taustoittaa Calefan myyntipäällikkö Lari Heinonen.

Höyry tuo hukkalämmölle uusia käyttökohteita

Hukkalämmön hyödyntämistä voi rajoittaa se, ettei kuumalle vedelle löydy tehtaalla riittävästi käyttöä. Höyryntuotanto laajentaa mahdollisuuksia, sillä monet teollisuusprosessit on suunniteltu toimimaan höyryllä.

Höyryä tarvitaan esimerkiksi kuivauksessa, haihdutuksessa, tislauksessa ja elintarviketeollisuuden hygienisoinnissa. Kun hukkalämpö voidaan jalostaa prosessihöyryksi, sille avautuu käyttökohteita suoraan tehtaan tuotannosta.

Jos lämpöpumpulla tuotettaisiin vain kuumaa vettä, tehtaalle saatettaisiin joutua rakentamaan sitä varten erillinen kuumavesipiiri. Kun hukkalämmöstä voidaan tuottaa suoraan höyryä, se voidaan sovittaa olemassa olevaan höyryjärjestelmään ja korvata osa höyrystä, joka tehtaan pitäisi muuten tuottaa itse.

Höyryn rinnalla tuotettu lämpö parantaa kokonaisuuden kannattavuutta

Jos tehtaalla on käyttöä sekä höyrylle että kuumalle vedelle, niiden tuotanto voidaan suunnitella samaan kokonaisuuteen. Talteen otetulle energialle saadaan tällöin useampia käyttökohteita.

”Kuuman veden tuotanto höyryntuotannon rinnalla ei ole mitenkään välttämätöntä, mutta mikäli kuumalle vedellekin löytyy käyttökohde, se parantaa järjestelmän kokonaishyötysuhdetta”, Heinonen tiivistää.

Esimerkiksi 3 MW:n AmbiSteam-laitoksessa, joka tuottaa 5 barin prosessihöyryä, kuuman veden osuus voi olla yli viidennes kokonaislämpötehosta. Kuuma vesi saadaan höyrytehon rinnalle ilman, että laitoksen höyryteho pienenee.

Teollisuuslaitoksissa on höyryverkon rinnalla usein kuumavesi- tai glykolipiirejä esimerkiksi tuloilman ja muiden lämmityskohteiden tarpeisiin. Kehitysinsinööri Eeli Leskinen huomauttaa, että niidenkin lämpö tuotetaan usein höyryllä.

”Lämpöpumppuratkaisuissa kuumaa vettä voidaan tuottaa suoraan samalla, kun höyryä tuotetaan tarvittaviin prosesseihin. Näin höyryä ei tarvitse käyttää sellaisiin lämmitystarpeisiin, jotka voidaan hoitaa kuumalla vedellä”, Leskinen kertoo.

Oikea höyrynpainetaso määräytyy käyttökohteen mukaan

AmbiSteam-ratkaisun avulla pystytään tuottamaan korkealaatuista jopa yli 5 barin prosessihöyryä. Mahdollisimman korkea höyrynpaine ei kuitenkaan ole suunnittelun tavoite, vaan ratkaisevaa on löytää ne käyttökohteet ja painetasot, joissa lämpöpumppu toimii järkevästi.

”Monet nykyiset prosessit ja höyryjärjestelmät on mitoitettu aikana, jolloin höyry tuotettiin polttamalla. Kun höyryä aletaan tuottaa lämpöpumpulla, täytyy katsoa tarkemmin, mitä lämpötila- ja painetasoa kukin prosessi todella tarvitsee”, Heinonen kertoo.

Polttamiseen perustuvassa höyryntuotannossa lähtölämpötila on hyvin korkea. Lämpöpumpulla lämpöä sen sijaan nostetaan matalammalta lämpötilatasolta ylöspäin, jolloin tavoiteltu lämpötila ja paine vaikuttavat olennaisesti järjestelmän suorituskykyyn.

Siksi Calefa selvittää suunnittelussa, millaista höyryä eri prosessit todellisuudessa tarvitsevat ja voisiko osassa käyttökohteista riittää nykyistä matalampi painetaso.

”Calefa sukeltaa asiakkaan prosesseihin ja miettii, miten ratkaisu oikeasti integroidaan sinne”, Heinonen kiteyttää.

Kaikesta hukkalämmöstä ei kannata tehdä höyryä

SteamLevel-höyrylämpöpumppu on suunniteltu hyödyntämään 40–90-asteisia hukkalämmönlähteitä, joista voidaan tuottaa yli 110-asteista höyryä. Tekninen mahdollisuus ei kuitenkaan tarkoita, että hukkalämpö kannattaisi aina jalostaa höyryksi.

”Aina on tarkasteltava, pystytäänkö annetusta lämmönlähteestä tuottamaan höyryä, onko se kannattavaa ja saadaanko järjestelmälle riittävän hyvä suorituskyky”, Eeli Leskinen sanoo.

Mitä suurempi lämpötilanosto lämmönlähteen ja tarvittavan höyryn välillä on, sitä enemmän se vaikuttaa järjestelmän suorituskykyyn. Höyrylämpöpumppujen mahdollisuuksia kannattaa Leskisen mukaan tarkastella etenkin kohteissa, joissa tarvitaan alle 200-asteista höyryä.

Potentiaalia löytyy esimerkiksi elintarvike-, metsä- ja kemianteollisuudesta. Hyvin matalalämpöinen hukkalämpö voi puolestaan soveltua paremmin esimerkiksi kaukolämmön kuin höyryn tuotantoon.

Höyryratkaisun kehittäminen on vaatinut tuttujen teknologioiden yhdistämistä uudella tavalla

Calefa on tuottanut lämpöpumpuilla yli 100 asteen lämpötiloja jo ennen AmbiSteamin kehittämistä. Myös kompressori- ja kylmäaineteknologian kehitys on viime vuosina mahdollistanut entistä korkeampia lämpötilatasoja.

Höyryratkaisun kehitystyössä olennaista on ollut rakentaa käytettävissä olevista teknologioista teollisuudessa toimiva kokonaisuus. Ratkaisu vaatii Leskisen mukaan lämpöpumppu- ja höyryjärjestelmäosaamisen lisäksi muun muassa kylmä-, putkisto-, virtaus-, prosessi- ja automaatiosuunnittelua.

”Emme toimita vain yksittäistä höyrylämpöpumppua, vaan rakennamme myös sen ympärille tarvittavan infran”, Eeli Leskinen kuvaa.

Myös tuotannon vaihtelu on huomioitava suunnittelussa. Esimerkiksi panosmaisissa prosesseissa lämmöntuotantoa ja kulutusta voidaan sovittaa yhteen lämpövaraston avulla.

”Kehitystyön aikana haastoimme myös omia lähtöoletuksiamme. Yksittäiset teknologiat tunnetaan hyvin, mutta ratkaisevaa on saada ne toimimaan tehokkaasti osana samaa järjestelmää”, Leskinen kuvaa.

Kehitystyössä Calefa on tarkastellut myös lämpöpumpun ja mekaanisen höyrynkompression eli MVR:n työnjakoa. Höyryä voidaan tuottaa lämpöpumpulla ensin matalammassa paineessa ja nostaa sen paine tämän jälkeen MVR-järjestelmällä prosessin tarvitsemalle tasolle. Samalla ratkaistiin myös höyryn alipainetuotantoon ja siihen liittyvään automaatioon liittyviä kysymyksiä.

Hukkalämmön hyödyntäminen vähentää ostettavan energian tarvetta

Kun tehtaan omaa hukkalämpöä saadaan palautettua tuotantoon kuumana vetenä tai höyrynä, ulkopuolelta hankittavan energian tarve vähenee. Samalla voidaan parantaa energiatehokkuutta ja vähentää energiantuotannon hiilidioksidipäästöjä.

”Isoimmat säästöt tulevat siitä, että asiakkaan primääri- ja ostoenergian tarve vähenee. Samalla voidaan pienentää hiilidioksidipäästöjä”, Eeli Leskinen tiivistää.