Korkealämpötilalämpöpumppujen teknoekonominen tarkastelu: Sovellusesimerkki paperiteollisuudesta

Abstract

Korkealämpötilalämpöpumppu on lämmöntalteenottolaite, joka nostaa hukkalämmön painetta ja lämpötilaa, jotta sitä voidaan hyödyntää teollisuuden prosesseissa. Tämän kandidaatintyön tavoitteena on selvittää millä tekniikoilla ja mihin lämpötiloihin nykyisillä korkealämpötilalämpöpumpuilla päästään, sekä minkälaisia sovelluskohteita lämpöpumpuille on. Lisäksi tavoitteena on tarkastella korkealämpötilalämpöpumppuinvestoinnin kannattavuutta valitussa sovelluskohteessa. Teollisuus on suurin lämpöenergiankuluttaja ja globaalisti lämmöntuotannossa käytetään eniten maakaasua ja kivihiiltä, jotka aiheuttavat merkittävistä CO2 päästöistä. Jotta ilmastonmuutosta saataisiin hillittyä, tulisi teollisuuden energiatehokkuutta kasvattaa esimerkiksi ottamalla hukkalämmöt hyötykäyttöön korkealämpötilalämpöpumppujen avulla, jolloin primäärienergiantarve vähenee. Yksi tapa jaotella korkealämpötilalämpöpumpputekniikoita on systeemin mukaan avoimeen ja suljettuun. Avoimessa systeemissä energia ja materia voivat kulkea systeemin rajojen yli ja näitä tekniikoita ovat MVR ja TVR. Suljetussa systeemissä vain energia voi kulkea rajojen yli ja tähän lukeutuvat tekniikat absorptiolämpöpumppu, lämmönvaihdin sekä CCC. Lämpöpumpun energiatehokkuus määritellään lämpökertoimen (COP) avulla. Korkealämpötilalämpöpumppuja voidaan soveltaa kemian-, metalli-, paperi-, mineraali- ja ruokateollisuudessa, joista suurin hukkalämmön hyödyntämispotentiaali, 1,7 TWh/a, lämpötilavälillä 100 – 200 °C Suomessa on paperi- ja massateollisuudessa. Tyypillisiä prosesseja ovat kuivaus, keitto-, valkaisu-, tislaus- ja haihdutusprosessit. Lisäksi lämpöpumppuja voidaan hyödyntää pastöroinnissa, suolan poistossa, sterilisoinnissa sekä kuumavalssauksessa. Työssä tarkasteltiin paperi- ja massateollisuuden kuivatusprosessia sovelluskohteena. Tekniikaksi valittiin MVR, johtuen kuivatusprosessista syntyvästä vesihöyrystä, jota voidaan käyttää lämpöpumpun kiertoaineena. Takaisinmaksuajaksi saatiin 3,3 vuotta ja annuiteettimenetelmällä kymmenessä vuodessa säästöjä kertyy 674 k€/MW. Takaisinmaksuajan tulisi olla vähintään alle 2-3 vuotta, jotta teollisuuden yritys tekisi investoinnin, joten tarkastelukohteen investoinnin takaisinmaksuaika on siis liian suuri. Takaisinmaksuaika on altis sähkönhinnan muutoksille, mikäli käytetty polttoaine on halpaa. Jos tarkastelukohteeseen olisi siis valittu kallis polttoaine, kuten maakaasu tai kivihiili, olisi investointi ollut kannattava. Annuiteettimenetelmän mukaan investointi olisi kannattava riippumatta polttoaineen hinnasta. On monia syitä miksi korkealämpötilalämpöpumppuja ei ole vielä niin yleisesti käytössä teollisuudessa, kuten investoinnin kallis hinta, tiedon puute, asiakkaiden epävarmuus sekä yrityksen vähäinen tieto prosessiensa energiankulutuksista. Tilannetta voidaan helpottaa koulutuksella, onnistuneiden asennusten tiedottamisella, massatuotannolla sekä poliittisella päätöksenteolla esimerkiksi verotuksen ja lainantakauksen muodoissa. On kuitenkin selkeitä merkkejä kiinnostuksesta panostaa enemmän energiatehokkuuteen ja ympäristöystävällisyyteen. Tulevaisuudessa tutkimusta voisi ohjata enemmän monimutkaisempiin energianhallintamenetelmiin, jotta fossiilisista polttoaineista voitaisiin luopua täysin.