Hukkalämmön hyödyntäminen voimalaitosympäristössä
Voimalaitoksissa ja niiden prosesseissa syntyy paljon hukkalämpöä, jonka hyödyntäminen on tärkeää niin taloudelliselta kuin ympäristön edunkin kannalta. Vaikka hukkalämpöä ja sen potentiaalia on tutkittu kauan, sitä ei ole aina pystytty hyödyntämään. Hukkalämmön hyödyntämisen kustannukset ovat olleet korkeat, eikä aina ole ollut tarvittavaa osaamista ja tekniikkaa sen käytön valjastamiseen.
Nykypäivänä tätä hukkalämpöä pystytään hyödyntämään voimalaitosten sisäisessä käytössä ja esimerkiksi kaukolämpönä. Sen hyödyntäminen ei kuitenkaan ole aina yksinkertaista ja on otettava huomioon monia seikkoja, kuten saatavilla olevan tehon määrä ja sen suhde syntyviin hyödyntämisprosessin kustannuksiin.
Voimalaitoksista syntyvää hukkalämpö voidaan kutsua myös nimellä ylijäämä- tai jätelämpö. Hukkalämpö on primäärienergiasta jäänyttä hukkaenergiaa, joka ei ole suoraan hyödynnettävissä esimerkiksi sähkön tai muun käytännöllisen työn suorittamiseen. Tätä energiaa ei siis käytetä mihinkään, vaan se vapautuu ympäristöön, jos sitä ei oteta talteen ja hyödynnetä. Hukkalämpöä voi syntyä esimerkiksi jäähdytysprosesseissa tai erilaisten poistoilmojen ja savukaasujen mukana. Hukkalämpö pystytään hyödyntämään joskus suoraan prosessista tai esimerkiksi käyttämällä lämpöpumppuja ja lämmönsiirtimiä erilaisiin tarkoituksiin. Hukkalämpöä on mahdollista ohjata muun muassa laitoksen omiin prosesseihin, kuten esilämmitykseen tai kuivaukseen. Lisäksi hukkalämpö voidaan hyödyntää esimerkiksi syötettynä kaukolämpöverkkoon.
Erilaisten lämpöpumppujen avulla hukkalämmön lämpötila saadaan nostettua hyvinkin korkealle, jolloin sen käyttömahdollisuudet lisääntyvät.
Jotta hukkalämpö saadaan käyttöön ja hyödynnettyä, on se saatava talteen prosesseista. Hukkalämmön keräämiseen ja jalostamiseen on monia tapoja, mutta yleisimmin käytetään joko lämpöpumppuja tai lämmönvaihtimia. Hukkalämpö voidaan jaotella karkeasti eri käyttötarkoituksiin sen lämpötilan perusteella (Kuva1). Suurin osa hukkalämmöstä on alle 55 asteista, ja tällainen on hyvin harvoin mahdollista hyödyntää suoraan käyttöön. Tällaisen hukkalämmön parhaimpia hyödyntämiskeinoja nykypäivänä ovat erilaiset lämpöpumput ja lämpöpumppulaitokset. Lämpöpumput pystyvät hyödyntämään hyvinkin matalalämpöisä hukkalämpö kohtuullisella lämpökertoimella. Lämpöpumput toimivat jopa alla kymmenen asteen lämpötilatasolla ja pystyvät nostamaan lämpötilaa pumpusta riippuen jopa yli sataan asteeseen.
Erilaisten lämpöpumppujen avulla hukkalämmön lämpötila saadaan nostettua siis hyvinkin korkealle, jolloin sen käyttömahdollisuudet lisääntyvät. Korkealämpöisemmän hukkalämmön hyödyntäminen on helpompaa kuin matalalämpöisen hukkalämmön. Kuitenkin matalalämpöistä hukkalämpöä on tarjolla suurempia määriä kuin korkealämpöistä. Yksi hukkalämmön hyödyntämisen mahdollisuuksista on ORC-teknologia, joka tarkoittaa orgaanista Rankine-sykliä. Tämänkaltainen laitos hyödyntää hukkalämmön parhaiten sähkön tuottamiseen silloin, kun saatavilla oleva hukkalämpö on jatkuvasti yli sata-asteista.
Haasteita hukkalämmön hyödyntämisessä on kuitenkin olemassa. Tällaisia haasteita ovat muun muassa sen taloudellinen kannattavuus, vaadittavan tekniikan puute tai tämän epäluotettavuus sekä lämmön hyödyntämiskohteiden puute. Kun voimalaitoksessa halutaan lähteä hyödyntämään hukkalämpöä, on ensin tehtävä tarkka analyysi hyödyistä ja olemassa olevista haasteista. Hyödyntämismahdollisuuksia arvioidessa on huomioitava muun muassa lämpövirran väliaine ja sen kemialliset ominaisuudet, kuten ominaislämpökapasiteetti ja tiheys. Saatavilla olevan tehon ja energian määrä sekä lämpötilatasot ovat tärkeitä huomioon otettavia ominaisuuksia. Kysyntä on myös yksi tärkeistä tekijöistä. Hukkalämmön käyttökohde olisi hyvä olla tiedossa jo ennen sen talteenottoa, jotta tiedetään, mitä hukkalämmöltä vaaditaan.
Hukkalämmön hyödyntämisen yksi suurimmista eduista on kokonaisenergiatehokkuuden parantaminen.
On keskeistä huomioida mahdolliset kustannukset, joita syntyy esimerkiksi tarvittavien laitteiden, kuten lämmönvaihtimien ja lämpöpumppujen, hankinnasta sekä mahdollisista putkisto muutoksista. Kustannuksia kertyy myös laitteiden asennuksesta. Kustannukset kuitenkin mahdollistavat energian säästämisen sekä alentuneet käyttökustannukset pidemmällä aikavälillä.
Hukkalämmön hyödyntäminen tarjoaa samalla mahdollisuuden ympäristövaikutusten pienenemiselle. Kun hukkalämpö valjastetaan hyötykäyttöön, ei ympäristöön näin vapaudu niin paljon päästöjä ja lämpöä, joka kuormittaisi ympäristöä. Ympäristövaikutukset ovatkin yksi suurimmista eduista, minkä vuoksi hukkalämpö pyritään nykyaikana hyödyntämään käyttöön. Hukkalämmön käyttö vähentää myös osaltaan tuotettavan lämmön tarvetta, koska sillä saadaan korvattua osa prosesseissa tarvittavasta lämmöstä, jolloin energian kulutus pienenee. Kun hukkalämpö saadaan hyödynnettyä tehokkaasti, saadaan sillä edesautettua luonnonvarojen, kuten erilaisten polttoaineiden sekä veden, säästämistä. Hukkalämmön hyödyntämisen yksi suurimmista eduista on kuitenkin kokonaisenergiatehokkuuden parantaminen.
Lähteet:
Bly, I. (2024). Naantalin vanhan laitoksen lämmöntalteenottokohteiden kartoitus. Opinnäytetyö. Turun ammattikorkeakoulu. https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2024052415348
Heikkilä, I. & Kiuru, T. 2014. Ylijäämälämmön taloudellinen hyödyntäminen. Helsinki: Motiva. Viitattu 19.5.2024. https://www.motiva.fi/files/13515/Ylijaamalammon_taloudellinen_hyodyntaminen_Ylijaamalampoenergia-analyysit.pdf