Nuohouksen hukkalämmön energiakäyttöpotentiaalin hyödyntäminen modernissa voimalaitosympäristössä
Ympäristöpäästöjen tiukentuvien rajoitusten myötä kiinnostus uusien teknologioiden kehittämiseen ja teollisuus- ja voimalaitosten hukkalämmön potentiaalin tutkimiseen kasvaa. Tämä ei ainoastaan vähennä haitallisia kasvihuonekaasupäästöjä, vaan myös alentaa polttoaineenkulutusta voimalaitoksissa, parantaa energiatehokkuutta ja tehostaa laitoksen kokonaishyötysuhdetta.
Erityisesti Suomen rannikkoseuduilla kotimaisen puuntuotannosta aiheutuvien puujätepolttoaineiden saatavuus on hankaloitunut, sillä puukasvustoa ei ole sisämaahan verrattuna niin paljon. Energiantuotannossa käytettyjen polttoaineiden saannin hankaloituminen myös poltiittisen maailmantilanteen vuoksi korostaa sitä, että uusia keinoja energian uudelleen hyödyntämiseen kaivataan lisää. (Tuominen 2024).
Hukkalämpö on hyvä keino energian uudelleen hyödyntämiseen. Hukkalämpöenergian talteenoton mahdollisuudet ovat laitoskohtaisia ja talteenottomahdollisuuksia sekä -menetelmiä tulee tarkastella tapauskohtaisesti. Tästä esimerkkinä tarkastellaan opinnäytetyöllä toteutettu hukkalämmön talteenottoon suunniteltu lämmöntalteenottojärjestelmä Naantalin voimalaitokselle.
Miten hukkalämmöntalteenottojärjestelmää lähdetään suunnittelemaan?
Kun laitoksen kohteet, joista voisi saada hukkalämpöä talteen on kartoitettu ja potentiaalinen kohde valittu tarkasteluun, lähdetään taustoittamaan valitun tarkastelukohteen lähtötilannetta. Selvitetään paljonko energiaa kohteessa tapahtuvan prosessin aikana menetetään, jotta osataan suunnitella ja mitoittaa oikeanlainen sekä optimaalinen järjestelmä juuri kyseiselle käyttökohteelle ja prosessille. Esimerkkinä aiemmin mainitun opinnäytetyön lämmöntalteenottojärjestelmä suunniteltiin Naantalin monipolttoainevoimalaitoksen kattilahuoneen ulospuhallussäiliöön, minne ohjataan laitoksen kiertoleijupetikattilan nuohouksen aikana aiheutuva nuohouksen vesityshöyry. Järjestelmän suunnittelussa lähdettiin liikkeelle hukkaan menetetyn energiamäärän laskemisella, joka tässä tapauksessa selvitettiin massa- ja energiataselaskelmilla. (Tuominen 2024.)
Voimalaitokselle toteutetun opinnäytetyön massa- ja energiataselaskelmien avulla saatiin tietoon, paljonko energiaa nuohouksen vesityksestä aiheutuvan höyryn mukana menetetään energiaa, jota voitaisiin hyödyntää laitoksen kaukolämmöntuotantoon. Hukkalämmön käyttökohde valikoidaan myös tapauskohtaisesti riippuen teollisuus- tai voimalaitoksen tuotannosta ja prosessista. Kun tarkasteltavan kohteen lähtötiedot on selvitetty sekä talteen otettavan ylijäämäenergian käyttökohde on valittu, ryhdytään mitoittamaan kohteelle sopivaa järjestelmää.
Lämmöntalteenottoärjestelmän suunnittelun toteutus
Suunnitteluprosessin lähtötietoselvitysten jälkeen suoritetaan lämmöntalteenottojärjestelmään tarvittavien komponenttien selvitys tarkastelukohteelle sekä niiden mitoitus. Esimerkkinä opinnäytetyössä lähtötietoselvittelyjen jälkeen seurasi lämmönvaihtimen mitoitus, putkistojen suunnittelu ja mitoitus, painehäviölaskelmat, josta seuraa pumpun mitoitus, ja järjestelmään tarvittavien venttiilien sekä mittainstrumenttien valinta.
Suunnittelutyössä on tärkeää huomioida suunniteltavan järjestelmän optimaalisen toiminnan ja turvallisuuden takaaminen. Tämä varmistetaan juuri oikeanlaisten komponenttien valinnalla sekä niiden mitoituksella. Sillä opinnäytetyönkin tapauksessa voidaan suunnittelulaskelmat toeuttaa lähinnä suuntaa antavina, ylimitoitetaan tiettyjä komponentteja turvallisen ja varman toiminnan takaamiseksi. (Tuominen 2024.)
Kannattaako suunnitellun järjestelmän hukkalämmön hyötykäyttö?
Tehdyn suunnitteluprosessin avulla saadaan tietoon, paljonko lämmöntalteenottojärjestelmästä saadaan lisätehoa laitoksen tuotantoon. Järjestelmästä saatavan lisätehon ollessa tiedossa, voidaan selvittää onko järjestelmän konkreettinen toteuttaminen laitokselle kannattavaa. Kannattavuus määritellään opinnäytetyön tapauksessa kaukolämmön tuotantoon saatavan tehon lisäksi laskemalla järjestelmän takaisinmaksuajan arvio sekä säästöarvio kaupunkiveden kulutuksessa.
Aina hukkalämmön hyötykäyttö ei ole kannattavaa, jos kohteesta saatava hukkalämmön teho on pieni sekä järjestelmän rakennus- tai ylläpitokustannukset ovat suuret. Suunnittelutyön tuloksena voidaan myös todeta, jos hukkalämmön keruu ei ole tarkastelukohteessa mahdollista. Tällainen lopputulema voi tulla vastaan esim. kohteessa, jolle ei löydy sopivaa käyttökohdetta tai järjestelmää.
Opinnäytetyön kattilahuoneen ulospuhallussäiliöön liitettävän lämmöntalteenottojärjestelmän toteuttaminen todettiin suunnittelulaskelmien perusteella kannattavaksi, sillä siitä saatava hyöty todettiin suureksi etenkin kaupunkiveden määrän ja rahallisen säästön kannalta. Arvio järjestelmän takaisinmaksuajasta todettiin myös pieneksi.