YMPÄRISTÖ- JA ENERGIA- TEHOKKUUS

Transkriptio

1 ASSET PRODUCTIVITY MANAGEMENT Osa 3 (4) JOHTAMINEN YMPÄRISTÖ- JA ENERGIA- TEHOKKUUS kestävän kehityksen kaksi tukipilaria Artikkelisarjan aloitusosassa käsittelimme tuotanto-omaisuuden tuottavuuden hallintaa (Asset Productivity Management) yleisesti sekä erikoisaiheena käytettävyyden, kunnon ja eliniän roolia kuin myös kunnossapitostrategian valintaa toisessa osassa. Tässä artikkelissa keskitymme ympäristö- ja energiatehokkuuden hallintaa sekä näitä ylläpitävien ja parantavien tekijöiden käsittelyyn, jotka aiheet liittyvät erityisesti myös kestävään kehitykseen. Antti Heinolainen tuotepäällikkö antti.heinolainen@ Ilkka Salmensaari tuotepäällikkö ilkka.salmensaari@ tämisestä ja turvallisuuskysymysten hallinasta kovenevat koko ajan. Suomen yritysmaailmassa kestävän kehityksen tukeminen on nähty kilpailukykyyn vahvasti liitännäiseksi tekijäksi, eikä vähiten siksi, että moni suomalainen vientiyritys pitää sekä prosessiteollisuuden valmisteissa että teknologiateollisuuden tuotteissa yllä mainittuja kestävän kehityksen elementtejä keskeisinä markkinointi- ja myyntiargumentteinaan. Ilmastonmuutoksen hillinnässä energiatehokkuuden parantamisella sekä uusiutuvan energian, mukaan lukien biopolttoaineet, käytöllä uskotaan olevan suurimmat vaikutusmahdollisuudet tavoittelussa maapallon energiankulutuksen kasvun pysäyttämiseksi seuraavien vuosikymmenien aikana (kuva 1). Energiantuotannolla on asiassa merkittävä rooli: energiasektorin osuus globaaleista CO 2-päästöistä on noin kaksi kolmasosaa, Osmo Viitasaari asiakasvastuupäällikkö osmo.viitasaari@ 18 Ilmastonmuutoskeskustelun myötä kestävän kehityksen periaatteet ovat sisäistyneet vahvasti kansainväliseen ja kansalliseen lainsäädäntöön sekä yritysten toimintaperiaatteisiin. Samalla vaateet päästöjen vähentämisestä, energiatehokkuuden parantamisesta sekä luonnonvarojen sääs- Kuva 1. Ilmastonmuutoksen hillinnän keinot.

2 Kuva 2. Tulevat NO x-päästörajat ja nykyinen päästötaso (Lähde: Pöyry). Kuva 3. Tyypillinen Fluent CFD -laskentatulos. ja päästöjä pitäisi vuoteen 2030 mennessä alentaa kolmasosalla, jotta yleisenä raja-arvona käytetty kahden celsiusasteen maapallon lämpeneminen voitaisiin ehkäistä. EU-tasolla vuoden 2011 alussa hyväksytyn ja vuoden 2013 alusta voimaantulevan IE-direktiivin vaatimusten toteuttaminen edellyttää merkittäviä investointeja tuotantolaitosten päästöjen pienentämiseen, uusissa laitoksissa välittömästi ja nykyisissäkin vuoden 2015 loppuun mennessä. Suomi on myös osana EU-lainsäädäntöä sitoutunut 9 %:n energiansäästötavoitteeseen vuoteen 2016 mennessä ja vuoteen 2020 mennessä 20 %:n säästötavoitteeseen. Vastaavasti biopolttoaineiden lisäysvaade 38 %:iin on Suomelle kova, kun metsäteollisuuden tuotantoyksiköiden sulkemisen kautta myös biopolttoainepohjaista energiantuotantokapasiteettia poistuu. Uusi päästökauppajakso käynnistyy vuonna 2013 ja odotettavissa on, että myös uusia päästöelementtejä tulee järjestelmän piiriin nykyisen CO 2-kaupan lisäksi. Muutostilanteissa tarvitaan mahdollisimman joustavia ratkaisuja. Yleisesti energiantuotannossa pitäisi investoida uuteen, tehokkaampaan ja entistä ympäristöystävällisempään tuotantokoneistoon, mutta samalla on myös tärkeää, että nykyisen laitosomaisuuden elinikä optimoidaan ja tuottavuus maksimoidaan tekemällä laitteisiin tarpeellisia teknisiä ja toiminnallisia parannuksia. yleisesti Ympäristöasioiden hallinta ja parantaminen ts. ympäristötehokkuuden hallinta on tullut yritysten ja yhteisöjen yhdeksi keskeiseksi kilpailutekijäksi ja johtamistoiminnoksi erityisesti tiukentuneiden ympäristömääräysten kautta. Hallinta- ja parannusohjelmamielessä ISO periaatteet ovat tulleet jäädäkseen suomalaiseen yritysmaailmaan. Tulevien vuosien iso haaste on CO 2-päästöjen alentamisen ohella em. IE-direktiivin tulevat vaatimukset NO x-, SO 2- ja hiukkaspäästöille. Pöyryn tekemässä yhteenvedossa (kuva 2) on esitetty NO x-päästörajojen vuosina voimaantuleva tiukennus (oranssit viivat kuvaavat tulevien päästörajojen vaihteluvälejä ja siniset tolpat nykytasoa). Kuva osoittaa, että käytännössä joka alueella on tulossa tiukennuksia päästörajoihin. Vastaava tilanne on myös SO 2- ja hiukkaspäästöjen osalta. Nykylaitoskannasta pienille ja keskisuurille lämpölaitoksille sekä vähän käyville laitoksille on mahdollisuus hakea siirtymäaikaa nykyisillä päästörajoilla kansallisen siirtymäsuunnitelman puitteissa. Polttotekniikan parannusten toteutus Miten ja millaisin toimenpitein näihin haasteisiin voidaan vastata niin, että myös taloudelliset reunaehdot vielä täyttyisivät? Seuraavassa on esitetty muutamia etenemistapoja ja esimerkkejä. Muutosvaiheessa on selvästi nähtävissä puupohjaisten biopolttoaineiden käytön kasvu korvaamaan sekä hiiltä että turvetta. Pölypolttokattiloissa toimenpiteitä ovat lähinnä puun jauhatus ja sekoitus nykypolttoaineeseen tai erillissyöttö kattilaan sekä kaasutuksen ja kaasupolttimien kautta tämän CO 2-vapaan polttoaineosuuden käyttö. Polttotekniikan parantaminen uusimpiin tekniikoihin, ml. uuden sukupolven low-no x-polttimet ja yläilmajärjestelmä, on odotettavissa sekä myös uusien ei-katalyyttisten ja katalyyttisten menetelmien käyttöönotto NO x- vaatimusten hallitsemiseksi hiililaitoksilla. Leijutekniikkaan perustuvilla sekapolttoainekattiloilla puun käytön hallitsematon lisäys johtaa helposti kasvaviin lämmönsiirtopintojen likaantumisongelmiin, jotka ovat yleensä hallittavissa muurausten, ilmasyöttöjen ja -kiertojen uudelleensuunnittelulla. Samassa yhteydessä voidaan palamisen mallintamisen avulla optimoida palaminen myös päästöjen kannalta. Kuvassa 3 on tyypillinen leijukattilan palamisen laskennalliseen CFD-mallintamiseen perustuva laskentatulos kattilan palamislämpötiloista nykytilanteessa ja uudessa parannetussa tilanteessa. Vastaavat tulokset on saatavissa myös päästöjen ja muiden 19

3 20 Kuva 4. Poltinsuunnittelua kuvaava Fluent CFD -mallikuva. Teollisuus ja palvelut GWh Laitteiden energiatehokkuus GWh Maatalous 520 GWh Kotitaloudet 940 GWh Kuva 5. Energiansäästötavoitteet Suomessa eri toimialoilla. erityisesti palamiseen ja lämmönsiirtoon vaikuttavien prosessiarvojen suhteen. Laskentatuloksia voidaan hyödyntää siten pohjana määriteltäessä parannettavalle kattilalle tarvittavia rakenteellisia ja automaation muutoksia. Osana kansallisia palamisen hallinnan kehitysohjelmia olemme tehneet yhdessä VTT:n kanssa CFD (Computational Fluid Dynamics) -laskentaa hyödyntävät kattiloiden simulointimallit lähes kaikkiin Suomessa käytettäviin leijukattilamalleihin. Näitä malleja voidaan sitten hyödyntää laitoskohtaisesti spesifioitavissa selvityksissä ja toimenpidesuunnitelmissa. Vastaavaa CFD-mallinnusta on mahdollista hyödyntää myös erilaisissa poltinpohjaisissa kattilaratkaisuissa ja kohdennettuna erityisesti poltinsuunnitteluun, jossa erikoistuotteitamme ovat patentoidut low-no x-polttimet niin hiili-, bio-, turve- ja laihakaasupohjaisiin polttoaineratkaisuihin. Näitä ratkaisuja olemme toimittaneet kymmeniä Suomen ja Keski- Euroopan kohteisiin. Tyypillinen poltinsuunnittelua kuvaava virtausteknisen mallinnuksen laskentatulos on esitetty kuvassa 4. Vanhojen kattiloiden polttotekniikan muutosprojekteissa on yhtenä suunnittelutyötä helpottavana tapana käytetty kattilan ja sen ympäristön laserkeilausta, jonka kautta on synnytetty 3D CAD -mallit rakenteellista muutossuunnittelua varten. Laserkeilausdatasta voidaan myös synnyttää suoraan geometriamalli CFD-mallinnusta varten. Operaattorit voivat tyypillisesti seurata polttoaineiden palamistilannetta, lämmönsiirtoa, materiaalimuutoksia ja päästöjä laitosautomaatioon kytketyn TOPi -prosessiinfojärjestelmän ja sen on-line-laskentasovelluksen (Solvo ) avulla. Myös Performance Centren erikoisasiantuntijoilla on vastaava pääsy laitosdataan. Tällainen voimalaitosten paikallishenkilöstön ja keskitetyn asiantuntijakeskuksen yhteistoimintamalli on todettu keskeiseksi Asset Productivity Management -toimintamallissa. Kattiloiden likaantumisen ja materiaalimuutosten valvontaan sekä nuohousoptimointiin on käytettävissä sekä kattilan lämpöpintojen lämmönsiirtoa seuraava sovellus että myös erillisiä, kattilaan kiinteästi tai väliaikaisesti työnnettäviä sondeja. Likaantumiseen liittyvä laskenta ja nuohousohjaus ovat myös liitettävissä TOPi -järjestelmään. Kehittyneempien sovellusten avulla voidaan myös havaita jo aikaisessa vaiheessa käytettyyn polttoaineseokseen tai sen laadun muutokseen liittyvä kattiloiden ei-toivottu likaantumiskehitys ja materiaalien heikkeneminen, jolloin voidaan polttoaineseosta tai ajotapaa muuttamalla ehkäistä muutoin odotettavissa olevat epäkäytettävyystapahtumat. Energiatehokkuudesta yleisesti Suomessa energiatehokkuuden parantamista on ohjattu vahvasti valtiovallan taholta ja EU-taustaisesti. Valtioneuvosto hyväksyi vuonna 2008 pitkän aikavälin ilmastostrategian, jonka pohjalta TEM asetti vuonna Rakennukset GWh Liikenne GWh 2008 toimikunnan valmistelemaan energiansäästön ja energiatehokkuuden toimenpiteitä ko. strategian mukaisesti. Toimikunnan mietintö valmistui 2009, ja sen pohjalta valtioneuvosto teki vuonna 2010 periaatepäätöksen tarvittavista uusista energiatehokkuustoimenpiteistä. Tavoitteeksi asetettiin, että vuoteen 2020 mennessä energian kulutusta vähennetään 37 TWh, eli 11 % verrattuna siihen, mikä kehitys olisi ilman tehostustoimenpiteitä. Kuvassa 5 on esitetty säästötavoitteet eri toimialojen kesken.

4 SUOMESSA ENERGIATEHOKKUUDEN PARANTAMISTA ON OHJATTU VAHVASTI VALTIOVALLAN TAHOLTA JA EU-TAUSTAISESTI. Kuva 6. Elinkeinoelämän energiatehokkuussopimus Kuva 7. Suhteelliset energiansäästöpotentiaalit eri energiaketjun vaiheissa. Elinkeinoelämällä on meneillään jo toinen energiatehokkuussopimusjakso, eli vuosia käsittävä jakso. Edellisen jakson tapaan toimintaa ohjaa TEM:n ja EK:n toimialaliittojen välinen puitesopimus sekä toimiala-/sektorikohtaiset toimenpideohjelmat, joihin yritykset liittyvät omilla sopimuksillaan ja ohjelmillaan (kuva 6) Energiatehokkuustoiminnan hyödyntämiseksi myös vientituotteena TEM tilasi vuonna 2010 selvityksen Motivalta ja Finprolta Energiatehokkuuden innovaatiofoorumin FIN-E2 toteutettavuudesta. Taustana tälle on globaalin energiatehokkuusmarkkinan volyymi vuonna 2020 yli 100 Mrd euroa, josta Suomen tavoittelema osuus valituilla teknologisen osaamisemme alueilla olisi yli 15 Mrd euroa. Kuvassa 7 on esitetty suhteelliset potentiaalit eri energiaketjun vaiheissa. Energiantuotannon energiatehokkuuden ja käyttötalouden hallinta sekä parannusprojektit Energiatehokkuuden johtamista ja hallintaa varten on määritelty vuosisyklillä toistuva prosessi, jonka vaiheita ovat pideohjelma) ja kirjaa tulokset. Energiantuotannon osalta määritellään säästötavoitteet ja toimenpideohjelmat sekä yhtiö- että tuotantolaitoskohtaisesti. Laajempien energia-analyysien toistoväli on normaalisti noin viisi vuotta. Energiantuotannon toimenpideohjelmien tueksi (ja sovellettavaksi myös muualla prosessiteollisuudessa) on kehitetty erityinen Ekotuunaus -palvelupaketti, joka pitää sisällään normaalisti vuoden pituisena kehitysprojektina seuraavat osat: gia-analyysin ml. parannuspotentiaalin ja toimenpiteiden tunnistuksen laadinta Solvo -ohjelmistolla, mallin avulla voidaan optimoida laitoksen ajotapoja (kesä, talvi, minimi, maksimi) sekä arvioida parannuskohteiden lämpötekninen vaikutus etätukianalysoinnin ml. Wedgeanalyysit ja raportoinnin TOPi -prosessiinformaatiojärjestelmää tai suoraa automaatioliitäntää hyödyntäen rien poikkeamia malliin määritetyistä optimiarvoista tuksen sekä projektin aikana todennettujen aiheiden jatkojalostuksen ja koulutuksen käyttö- ja kunnossapitohenkilöstölle. Toteutetut parannus- ja säästötoimenpiteet kirjataan vuosittaiseen seurantaraportointiin ml. Motiva-raportointi ja muut jatkotoimenpiteet tulevaan toimenpideohjelmaan/pitkän aikavälin ohjelmaan. Lämpöteknisen etätukianalysoinnin jatkuvuudella ja toimenpidehavainnoilla tuetaan toimenpideohjelmia. 21

5 Esimerkki Solvo -ohjelmistol la mallinnetusta voimalaitosprosessista on esitetty kuvassa 8a. On-line Solvo -voimalaitossimulaattori toimii integroituna laskentaelementtinä TOPi - prosessi-infojärjestelmässä. TOPi tuotteen prosessi-informaatio- ja energianhallintasovellusten perustoiminnot on esitetty kuvassa 8b. Kuvassa 8c on esimerkki käyttötalousseurantanäytöstä, jonka avulla valvomo-operaattorit seuraavat määriteltyjen prosessiparametrien poikkeamien taloudellisia vaikutuksia. Kuva 8a. Prosessin lämpötekninen simulointimalli Solvo -ohjelmistolla. Kuva 8c. TOPi -käyttötalousnäyttö. Kuva 8b. TOPi -prosessi-informaatiojärjestelmän perustoiminnot. 22 Ekotuunaus -projektimallin yleiset hyödyt voimalaitosympäristössä on esitetty kuvassa 9. Esimerkkeinä yhden Ekotuunaus -pro jektin tuomista parannusehdotuksista ovat seuraavat (takaisinmaksuajat alle 1,2 vuotta, osa ilman mitään investointeja ja suurin yksittäinen hyöty 140 keur/vuosi): talteenotto kaukolämpöön men säilöntämuutos vähentäminen nostaminen vaihdon optimointi don poistaminen timointi minen ilman lämmitykseen 2- pitoisuuden pienentäminen en paineiden ja ohituksen optimointi parantaminen minimikuormalla mavuotojen vähentäminen. Ekotuunaus -projektimallista saadut kokemukset ovat osoittaneet, että taloudellisesti kannattavaa, alle kahden vuoden takaisinmaksuajalla olevaa vuositason säästö/parannuspotentiaalia löytyy tavanomaisesti kohdekohtaisesti luokkaa 0,2 1 miljoonaa euroa. Voimalaitoksilla Kuva 9. Ekotuunaus -projektimalli. osa toimenpiteistä liittyy myös ympäristötehokkuuteen liittyviin toimenpiteisiin.» Seuraavassa numerossa Tämän artikkelisarjan viimeisessä osassa keskitymme Asset Productivity Management-toimintamallissa tarvittavaan tiedon ja osaamisen hallintaan niin johtamisen ja toiminnan ohjauksen kuin itse tekemisprosesseissakin tarvittavan tiedon ja osaamisen hallinnan osalta.