Höyry on erinomainen tapa siirtää energiaa ja siksi se on ollut suosittu energiansiirtomuoto jo teollisuuden alkuajoista lähtien. Lämpöpumppuihin höyryn hyödyntäminen tuo täysin uuden ulottuvuuden, kirjoittaa Calefa Oy:n osakas Antti Porkka.
Veden höyrystäminen vaatii noin viisi kertaa enemmän energiaa kuin sen lämmittäminen nollasta sataan asteeseen. Tämä tarkoittaa, että kuljettamalla putkessa kilon höyryä voidaan siirtää viisinkertaisesti lämpöenergiaa samaan määrään kuumaa vettä verrattuna.
Höyry myös mahdollistaa yli 100-asteisten prosessien toiminnan, joita löytyy runsaasti esimerkiksi kemian- ja metsäteollisuudesta. Lisäksi sillä on paineensa ansiosta kyky tuottaa mekaanista voimaa.
Tähän saakka kaikki yllä mainitut höyryn energiansiirto-ominaisuudet ovat jääneet lämpöpumpuilta ja hukkalämmön talteenottojärjestelmiltä tavoittamatta. Nyt tilanne on muuttunut.
Lämpöpumpuilla tuotetaan nyt höyryä ensimmäisenä Suomessa
Höyryn tuotto ja sen hyödyntäminen kulminoituu teollisuuden ratkaisuissa kahteen tärkeään pisteeseen; höyrystymiseen ja höyryn paineen lisäykseen.
Itse höyrystymisen jälkeen höyryn paineen lisäys tapahtuu entalpian eli lämpösisällön näkökulmasta melko vaivattomasti mekaanisesti puristamalla. Lämpöpumppujen kannalta höyryntuotannon mielenkiintoisin kohta liittyykin nimenomaan höyrystämisvaiheeseen.
Kun lämpöpumpun kylmäaine valitaan oikein, voidaan se pitää kaasuna hyvinkin korkeisiin lämpötiloihin saakka. Samalla kaasumuodossa oleva kylmäaine on autuaan tietämätön siitä valtavasta energiasisällön hyppäyksestä, jonka veden höyrystyminen lämmönsiirtimen toisella puolella vaatii.
Silloinkaan kyse ei ole mistään termodynaamisesta taikatempusta, vaan aineiden ominaisuuksien valinnasta niin, että ne limittyvät halutussa kriittisessä kohdassa. Lopputuloksena saadaan hukkalämmöstä tuotettua höyryä, joka on ollut teollisuuden tavoite jo pitkään.
Hukkalämmön hyödyntäminen höyryntuotannossa
Lämpöpumpuilla voidaan jatkossa jalostaa hukkalämmöstä höyryä taloudellisesti ja tehokkaasti. Alla kuvatussa esimerkissä lämpöpumppujärjestelmällä otetaan prosessista talteen 4000 kW (+80°C / +65°C) lämpöä, joka jalostetaan hyötykäyttöön tehtaan höyryprosessiin.
Höyryntuotannossa lämpöä otetaan talteen prosessista tulevasta vedestä. Tästä talteen otetusta lämmöstä tehdään höyryä läheisen tehtaan tarpeisiin (+100 °C lauhde / +160 °C höyry), samalla vähentäen polttoaineiden käyttöä höyryntuotannossa ja parantaen laitoksen energiatehokkuutta.
Käytännössä lämpöpumppu höyrystää veden kylläiseksi 110 °C:iseksi, 1,43 barin höyryksi. Tästä höyry paineistetaan edelleen 160 °C-asteeseen 5 barin höyryksi. Järjestelmän kokonaishyötysuhde COP on tällöin noin 2,8.
Hukkalämmön hyödyntämistä höyryntuotannossa voidaan järkevästi tehdä tällä hetkellä 40-asteiseen hukkalämpöön asti. Mikäli alueelta löytyy alle 90-asteisia lämpönieluja, voidaan lämpöpumppujen tuottama alijäähdytysteho hyödyntää näiden lämmitykseen. Tämä lisää lämpöpumppujen lämmöntuottoa parantaen kokonaishyötysuhdetta entisestään.
Hukkalämmöstä tuotetulla höyryllä massiivinen hyödyntämispotentiaali
Vuonna 2023 teollisuuden energian loppukulutus ilman kaivosteollisuutta Suomessa oli 124 TWh eli noin 44 % kaikesta energian loppukulutuksesta. Esimerkiksi metsäteollisuuden osuus teollisuuden energian loppukulutuksesta oli noin 57 %, kemianteollisuuden 17 % ja metallinjalostuksen 16 % (Lähde Motiva).
Kaikilla näillä teollisuudenaloilla hyödynnetään höyryä laajamittaisesti eri prosesseissa. Samanaikaisesti niillä myös syntyy edelleen runsaasti hukkalämpöä, joka jää hyödyntämättä. Höyrylämpöpumpun myötä samalta tehdasalueelta löytyy siis sekä hukkalämmön lähde, että sille käyttökohde.
Hukkalämmöstä tuotetun höyryn merkittävä potentiaali aukeaa uusiin ulottuvuuksiin, kun sitä verrataan hukkalämmön hyödyntämiseen kaukolämmöntuotannossa. Siinä missä Suomen kaukolämmön tuotanto on noin 34 TWh vuodessa, on teollisuuden höyryntuotannon potentiaali noin kaksinkertainen.
Lämpöpumpulle, sen kylmäpiirille, kompressorille ja lämmönvaihtimelle ylläkin esitetyt lämpötilat eivät ole enää ongelma. Kaikkia käytettyjä komponentteja käytetään vastaavissa paineissa ja lämpötiloissa jo nyt teollisuudessa. Käyttövarmuus ei siis vähene höyryyn siirryttäessä.
Calefa onkin onnistuneesti pilotoinut höyrylämpöpumppua viimeisen vuoden aikana. Nyt tuommekin SteamLevel ®-höyrylämpöpumpun sekä siihen perustuvan, kokonaistoimitettavan AmbiSteam® -höyryratkaisun myötä hukkalämmön osaksi teollisuuden höyryntuotantoa “täydellä höyryllä”.
Loppusanat
Iso kiitos akatemiiseen suuntaan LUT:ille sekä Tiina Sollalle, joka on tehnyt erinomaisen DI-työn lämpöpumppujen hyödyntämisestä höyryntuotannossa: https://lutpub.lut.fi/handle/10024/169907
Antti Porkka on energiatekniikan diplomi-insinööri, jota kiinnostavat uusien trendien rinnalla myös historialliset kehityskulut ja niiden muovautuminen osaksi tulevaisuutta. Hän on ollut osaltaan mukana kehittämässä ja kaupallistamassa Calefan SteamLevel-höyrylämpöpumppua, joka mahdollistaa teollisuuden hukkalämmön hyödyntämisen höyryntuotannossa.
