• lämmöntalteenotto
• waste heat recovery system
• WHR

Laivassa oheistuotteena syntyneen lämmön hyötykäyttö voi pienentää polttoaineen kulutusta merkittävästi. Lämmön talteenottojärjestelmän putkistojen pieniäkään painehäviöitä ei kannata aliarvioida, sillä ne kerryttävät merkittävää energiahukkaa pitkissä monihaaraisissa ja mutkaisissa putkilinjoissa. Mitkä ovat painehäviöiden syntysyyt ja niiden hallinnan merkitys?

Laivamatkailun energiatehokkuus kätkee sisäänsä piilevän haasteen: kuinka saada kiinni ylimääräisen lämmön sisältämästä energiasta. Risteilyaluksilla käytettävät lämmöntalteenottojärjestelmät (WHR – Waste Heat Recovery) tarjoavat merkittäviä mahdollisuuksia energiatehokkuuden parantamiseen sekä päästöjen vähentämiseen, mutta järjestelmien hyötysuhde riippuu ratkaisevasti siitä, miten painehäviöt osataan minimoida. Hukkalämmön hyödyntäminen alkaa moottoreista ja apujärjestelmistä, joiden lämmöstä suuri osa jää käyttöön potentiaalisesti hyödynnettävänä energiana. Kuitenkin matkan varrella osa tästä arvokkaasta energiasta voi kadota painehäviöihin, jotka syntyvät putkistojen kitkasta, mutkista, venttiileistä ja muista hydraulisista vastuksista (Olaniyi et al., 2020; Vahvanen, 2020).

Lämmön talteenottojärjestelmän putkistojen pienetkin painehäviöt voivat tarkoittaa suuria menetettyjä säästöjä ja tehon hukkaa. Painehäviöiden hallinta tarjoaa kahdenlaisen lisähyödyn: se parantaa energian kiertoa tehokkaammin aluksen järjestelmissä, mutta samalla se myös lisää järjestelmän käyttöturvallisuutta ja luotettavuutta. Kun painehäviöt ovat hallinnassa, pumput toimivat optimaalisesti, lämmöntalteenottojärjestelmä hyödyntää kaikkia komponenttejaan ja lämmöntuotannon tarve alenee. Tämä näkyy niin polttoaineen kulutuksen laskuna kuin aluksen hiilidioksidipäästöjen vähenemisenä. Jokainen suunnitteluratkaisu, putkiston valinta, mutka ja venttiili muokkaa lopullista energiataloutta ja vaikuttaa siihen, paljonko rahaa säästyy sekä hiilijalanjälki pienenee laivan elinkaaren aikana (Eriksson, 2020).

Piilossa virtaavat tehot – miksi jokainen mutka ratkaisee?

Laivaputkistoissa painehäviö ei ole pelkkä yksittäinen fysikaalinen ilmiö, vaan sillä on myös suuri merkitys taloudelle ja ympäristölle. WHR-järjestelmät hyödyntävät aluksen moottoreiden ja apulaitteiden jäähdytysvesien sekä voiteluöljyn lämmön matkustamojen lämmitykseen, käyttöveden esilämmitykseen tai muiden laitteiden tarvitsemaksi lämmöksi. Näin häviöt minimoidaan ja energiatehokkuus maksimoidaan. Tämä toiminta vaatii, että painehäviöt pysyvät kohtuullisina ja hallittavissa (Wei et al., 2022).

Putkistojen liitososien runsaus, vaihtuvat putkimitat, mutkat ja venttiilit aiheuttavat paikallisia painehäviöitä, jotka voivat yhdessä muodostaa merkittävän kokonaisuuden. Jos nämä epäjatkuvuuskohdat eivät ole optimaalisesti suuntautuneita tai valitut komponentit eivät ole tarkoituksenmukaisia, painehäviöt voivat paisua hallitsemattomiksi. Tämä tarkoittaa, että esimerkiksi pumppuja joudutaan mitoittamaan isommiksi, mikä kasvattaa energiantarvetta, tai että hukkalämpöä ei saada kuljetettua tehokkaasti, vaan sitä joudutaan hylkäämään ulkoilmaan tai meriveteen (Olaniyi et al., 2020).

Painehäviöiden vaikutukset eivät ole aina selkeitä ilman tarkkaa virtauslaskentaa ja mittauksia. Monissa laivoissa voi jäädä huomaamatta vuosien ajan, että tarvittava pumpun teho on ylimitoitettu haasteellisen putkiston vuoksi, mikä kasvattaa polttoainekustannuksia. Toisaalta huonosti mitoitettu putkisto voi johtaa siihen, että järjestelmä ei saa riittävän korkean lämpötilan kiertovettä, jolloin lämmitysteho alenee ja matkustajien mukavuuden varmistamiseksi joudutaan käyttämään esimerkiksi sähkölämmitystä (Eriksson, 2020).

Suurimmat syöpöt: missä painehäviöt oikeasti syntyvät?

Tutkimuksissa on havaittu, että suuri osa painehäviöistä syntyy putkiston liitoskohdissa. Erityisesti mutkat, laajennukset ja supistukset yhdessä venttiilien kanssa muodostavat lähes 70–80% kokonaispainehäviöstä, kun taas pitkien suoraosuuksien kitkahäviö on usein vain murto-osa tästä. Tämä tarkoittaa sitä, että putkiston kokonaisseurannassa yksittäisten liitostyyppien valinta sekä niiden määrä ja sijoittelu korostuvat (Eriksson, 2020).

Ongelmaksi muodostuu myös se, että usein yksittäisten putkistosegmenttien painehäviöt ylittävät alan suositusrajat. Suositusten mukaan yksittäisen putkiosan painehäviön tulee pysyä alle 5 prosentin nimellispainesuhteesta. Käytännössä toistuvia ylityksiä esiintyy erityisesti ikääntyvissä tai monimutkaisemmissa järjestelmissä, ja jopa yli 30 prosentin painehäviöitä on havaittu. Tällaiset vaihtelut lisäävät pumppujen kuormitusta, kuluttavat lisäenergiaa ja ne voivat heikentää koko lämmöntalteenottojärjestelmän tehokkuutta (Wei et al., 2022).

Kokonaisjärjestelmän tehohäviöt eivät ensi silmäyksellä vaikuta suurilta, sillä ne ovat usein alle 0,2 % aluksen kokonaistehosta. Kuitenkin paikalliset häviöt voivat aiheuttaa merkittäviä yksittäisiä ongelmia – erityisesti pitkissä putkistoissa, joissa mutkia on runsaasti, painehäviöt kertautuvat merkittävästi ja aiheuttavat lisäkuormitusta kiertoveden pumppauskoneistolle. Tämä saattaa johtaa lyhyempään komponenttien käyttöikään ja kasvaneisiin kunnossapitokuluihin (Vahvanen, 2020).

Miten painehäviöt saadaan kuriin? Avainratkaisut käytäntöön

Optimaalisen WHR-järjestelmän suunnittelu edellyttää, että jokainen putkiston osa ja reitti tarkastellaan huolellisesti minimihäviöiden näkökulmasta. Käytännössä tämä tarkoittaa mutkien ja venttiilien määrästä karsimista, homogeenisten ja sopivien putkimateriaalien valintaa sekä reittien huomioimista jo konseptisuunnitteluvaiheessa (Olaniyi et al., 2020).

Suoraviivainen putkisto on lähtökohta järjestelmän tehokkuudelle. Mitä vähemmän ylimääräisiä liitoksia ja mutkia putkessa on, sitä vähemmän syntyy paikallisia virtauksen häiriöitä ja sitä alhaisempi on kokonaispainehäviö. Lisäksi yksinkertaiset järjestelmät ovat edullisempia rakentaa ja kevyempiä, mikä pienentää laivan matkustajakapasiteetin energiankulutehoa ja rakentamiskustannuksia (Eriksson, 2020).

Nykyiset älykkäät mittausjärjestelmät tarjoavat reaaliaikaista tietoa putkiston tilasta, mahdollistavat tukosten, vuotojen ja kulumien varhaisen havainnoinnin. Käyttökokemusten kerääminen ja palautejärjestelmien hyödyntäminen ovat keskeisiä osia järjestelmän jatkuvassa optimoinnissa. Näin voidaan varmistaa, että järjestelmä toimii koko elinkaarensa ajan suunnitellusti ja kustannustehokkaasti (Wei et al., 2022).

Lisäksi järjestelmän energiatehokkuutta voidaan parantaa integroimalla lämmöntalteenotto esimerkiksi jäähdytysjärjestelmiin, käyttöveden lämmitykseen tai ilmastointiin, jolloin energiaa saadaan hyödynnettyä mahdollisimman laajasti ja monipuolisesti (Haglind, 2020).

Kilpailu tiukkenee – painehäviöt ja päästöt kuriin samalla kertaa

Kansainvälisen merenkulun tiukkenevat ympäristövaatimukset, kuten EEDI ja MARPOL, asettavat aluksille entistä tiukempia energiatehokkuus- ja päästörajoja. Tämä tarkoittaa, että jokainen polttoainetta säästävä investointi luo suoraan kilpailuetua varustamolle niin taloudellisesti kuin imagollisesti (Kristensen & Ltzen, 2012; IMO, 2014; IMO, 2020).

Modernit mittaus- ja analytiikkateknologiat mahdollistavat energian kulutus- ja häviökohteiden seurannan tarkasti ja reaaliaikaisesti, jolloin järjestelmien optimointi voi perustua todellisiin käyttöolosuhteisiin. Tämä antaa varustamoille mahdollisuuden vastata myös tuleviin, entistä tiukempiin päästörajoihin ja säädöksiin (Wei et al., 2022; Eriksson, 2020).

Investointi painehäviöiden vähentämiseen kannattaakin, sillä se tuo säästöjä polttoaineen kulutuksessa, parantaa järjestelmän ajettavuutta ja lisää elinkaaren pituutta. Kilpailukyky tulevaisuuden markkinoilla rakentuu nykyistä älykkäämmän ja energiatehokkaamman teknologian hyödyntämisellä (Olaniyi et al., 2020).

Lähdeluettelo

Eriksson, D. (2020) Optimization of Waste Heat Recovery on Cruise Ships. Master’s thesis. Åbo Akademi University. Available at: https://www.doria.fi/bitstream/handle/10024/178259/eriksson_daniel.pdf

Haglind, F. (2020) ‘Waste heat recovery technologies and applications’, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 129, 109913.

International Maritime Organization (IMO) (2014) International Convention for the Prevention of Pollution from Ships (MARPOL). Annex VI, London: IMO.

International Maritime Organization (IMO) (2020) Fourth IMO Greenhouse Gas Study 2020. London: IMO.

Kristensen, L. & Ltzen, M. (2012) ‘Marine waste heat recovery basics and implications’, Journal of Ocean Engineering, 49, pp. 86–95.

Olaniyi, E.O. et al. (2020) ‘Investment Analysis of Waste Heat Recovery System for Ships’, Journal of Marine Science and Engineering, 8(11), 811.

Vahvanen, J. (2020) Waste heat to electricity recovery techniques on large ships. Master’s thesis. Lappeenranta University of Technology, LUT.

Wei, Z. et al. (2022) ‘Simulation and optimization of the waste heat recovery system of the ship power system’, Energy Science & Engineering, 10(1), pp. 229–245.