Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi insinöörin tutkintoa varten

Transkriptio

1 AALTO YLIOPISTON TEKNILLINEN KORKEAKOULU Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta Koneenrakennustekniikan laitos Jaakko Niemensivu ENERGIATEHOKKUUDEN PARANTAMISMAHDOLLISUUDET KONEPAJOISSA Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi insinöörin tutkintoa varten Espoo Työn valvoja: Työn ohjaaja: Professori Esko Niemi Kauppatieteiden tohtori Timo Airaksinen

2 AALTO YLIOPISTON TEKNILLINEN KORKEAKOULU DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ Tekijä: Jaakko Niemensivu Työn nimi: Energiatehokkuuden parantamismahdollisuudet konepajoissa Päivämäärä: Tiedekunta: Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta Sivumäärä:80+1 Laitos: Professuuri: Työn valvoja: Työn ohjaaja: Koneenrakennustekniikan laitos Kon 15 Tuotantotekniikka Professori Esko Niemi Kauppatieteiden tohtori Timo Airaksinen Energiatehokkuuden parantaminen on noussut tärkeäksi kehityskohteeksi yrityksissä, niin myös konepajoissa. Työn tavoitteena oli selvittää, miten energiankulutus konepajoissa jakautuu sekä millaisin toimin konepajojen energiatehokkuutta voitaisiin parantaa nykyisestä. Työ painottuu konepajan tuotantokoneiden (työstökoneet) energiankulutukseen sekä energiatehokkuuden parantamismahdollisuuksiin, sillä huolimatta siitä, että tuotantokoneet muodostavat suuren osuuden energian kokonaiskulutuksesta, on näiden osuus tyypillisesti jäänyt pieneksi tähän mennessä suoritetuissa energiatehokkuuden parantamisprojekteissa. Kirjallisuuden ja aiemmin suoritettujen tutkimusten kautta on pyritty selvittämään, mihin energia tyypillisesti tuotantolaitoksissa kuluu, miten kulutus koneilla jakautuu, ja minkälaisin parannuksin säästöjä olisi mahdollista saavuttaa. Työtä varten myös haastateltiin pitkään alan koneiden kanssa työskennelleitä asiantuntijoita heidän näkemyksistään energiatehokkuuden parantamisesta ja kokemuksistaan teollisuudessa suoritetuista energiatehokkuuden parannusprojekteista. Tämän lisäksi on tutustuttu konepajoissa suoritettuihin energiakatselmuksiin sekä analyyseihin, joista on saatu tilastotietoa energiankulutuksen jakautumisesta konepajoissa sekä tietoa ja esimerkkitapauksia konepajoissa suoritetuista parannuksista. Voidaan todeta, että koneiden ja laitteiden osalta energiatehokkuus on parantunut viime vuosina selvästi. Nykyiset markkinoilla olevat työstökoneet ja olemassa olevat moottorit sekä muut komponentit tarjoavat mahdollisuuden parantaa konekannan energiatehokkuutta runsaasti verrattuna nykytilanteeseen. Näiden koneiden yleistyessä konepajoissa tulee energiatehokkuus parantumaan merkittävästi. Uusien laitteiden ja koneiden suurten hankintakustannuksien vuoksi olisi kuitenkin ensisijaisesti pyrittävä vähentämään nykyisin käytössä olevien koneiden energiankulutusta esimerkiksi minimoimalla koneiden tuotannossa ja seisoessaan kuluttama energiamäärä. Käytännön tasolla hyödyn saavuttaminen ja energiatehokkuuden huomioiminen konepajassa vaatii yritykseltä itseltään vahvaa pyrkimystä jatkuvaan energiatehokkuuden parantamiseen, jottei energiatehokkuuden parantuminen jää muiden tuotantotavoitteiden jalkoihin. Avainsanat: energiansäästö, energiatehokkuus, konepaja, lastuava työstö, työstökone

3 AALTO UNIVERSITY SCHOOL OF SCIENCE AND TECHNOLOGY ABSTRACT OF THE MASTER'S THESIS Author: Title of the thesis: Jaakko Niemensivu Possibilities of Improving Energy Efficiency in Machine Shops Number of pages: 80+4 Date: 17 May 2010 Faculty: Faculty of Engineering and Architecture Department: Professorship: Supervisor: Instructor: Department of Engineering Design and Production Kon 15 Production Engineering Professor Esko Niemi Timo Airaksinen, D.Sc.(Econ.) Improvement of energy efficiency has emerged as an important area where the companies including machine shops can achieve savings. The objective of this thesis was to examine how the energy consumption is typically distributed in the machine shops and how the energy efficiency of the machine shops could be improved. The thesis focuses on the energy consumption of the machine tools and other production machines. Literature and former researches have been used as a base for the research. The typical distribution of the energy consumption for production machines and the typical ways to achieve savings are presented. Based on the results of the literature research interviews were arranged with professionals working daily with machining and sheet metal machinery. The interviewed persons presented their ideas of how energy efficiency in machine shops can be improved and their experiences of implementation of improvements in the area of energy efficiency. Energy inspections done in the machine shops were also used to provide statistical information about the distribution of energy consumption in machine shops. The inspections have also been a source of information about typical improvements that have been implemented in the machine shops so far. The energy efficiency of the machines and the components used in the machines has improved a lot in recent years. The machine tools, motors and all the other components on the market today offer a way to improve the current energy efficiency of machine shops by a lot. When the machine shops start to utilize these modern machines and components it will result in an improvement of energy efficiency. Though as the purchasing prices of the new machinery and the new components are high, the principal method to achieve some savings should be cutting down the energy consumption of the machinery currently in use. In order to gain some results in the field of energy consumption there is a need for a long term commitment. Instead of single actions and projects the aim should be continuous improvement in the area of energy efficiency. Keywords: energy efficiency, energy savings, machine shop, machine tool

4 ALKUSANAT Haluan kiittää työn ohjaajiani Timo Airaksista ja Veli Matti Kuismaa Teknologiateollisuus ry:stä kärsivällisyydestä työn välillä tuskallisen hitaan etenemisen kanssa. Kiitokset myös työn valvojalle professori Esko Niemelle sekä koko Tuotantotekniikan laitoksen henkilökunnalle tuen ja työpisteen tarjoamisesta. Haluaisin esittää myös suuret kiitokset kaikille työhön osallistuneille haastateltaville sekä yrityksille, jotka antoivat energiakatselmuksiaan käytettäväksi tutkimuksessa. Haastatteluista kertyi sekä aineistoa työtä varten että myös kannustusta työn tarpeellisuudesta. Suurkiitokset menevät vanhemmilleni, jotka ovat tukeneet ja kannustaneet minua niin diplomityön kuin myös koko opintojeni ajan. Helsingissä Jaakko Niemensivu

5 Lyhenneluettelo AC BAT CNC EEI EFF ESCO EK KTM NC PK yritys SEC SEC ref TEM Alternating Current, vaihtovirta Best Available Techniques, paras käytettävissä oleva tekniikka Computerized Numerical Control, tietokoneistettu numeerineen ohjaus energiatehokkuusindeksi sähkömoottoreiden hyötysuhdeluokitus Energy Service Company, energiansäästömalli elinkeinoelämä kauppa ja teollisuusministeriö Numerical Control, numeerinen ohjaus pieni ja keskisuuri yritys ominaisenergiankulutus ominaisenergiankulutuksen referenssiarvo työ ja elinkeinoministeriö

6 Sisällysluettelo Lyhenneluettelo 1 Johdanto Tutkimuksen tausta Tutkimusongelma Tutkimuksen tavoitteet Tutkimuksen rajaus Tutkimusmenetelmät Energiatehokkuus konepajoissa Energiatehokkuus Energiatehokkuuden mittaristot Energiatehokkuuden parantaminen Teollisuuden energiakatselmukset ESCO- toiminta Lastuavat työstökoneet Työstökoneiden rakenneosat Lastuamisarvot Lastuavan työstökoneen elektroniikka Lastuavien työstökoneíden energiankulutus Energiankäytön jakautuminen lastuamisprosessissa Lastuamisprosessin vaiheet Jyrsimisen energiankäytön tutkimus Levytyökoneet ja -keskukset Levytyökoneiden elektroniikka ja sähköiset osat Laserleikkauskoneissa jatkuvaa kehitystä Särmäyspuristimen energiankulutus Tuotannon energiatehokkuuden parantaminen Energiatehokkuutta parantavat tuotannonjärjestelylliset toimenpiteet Energiaa säästävät ratkaisut työstökoneissa Seisova kone kuluttaa energiaa Stand by -valmiustilat Uusilla teknologioilla energiatehokkuutta ja kustannussäästöjä Koneiden käyttötapojen muutoksilla energiatehokkuutta Muita energiaa säästäviä ratkaisuja... 49

7 3 Tutkimustulokset Kysely konepaja-alan asiantuntijoille Kysymysten tausta Haastatteluiden tulokset Yhteenveto haastatteluista Konepajojen energiakatselmukset Energiankulutuksen jakautuminen kohteissa Kattavan mittariston merkitys energia-analyyseissa Katselmuskohteissa havaitut säästöpotentiaalit Analyysi työstökoneen energiakustannuksista Työstökoneiden energiakustannukset esimerkkikohteessa Energiatehokkuuden merkitys uutta konetta hankittaessa Johtopäätökset Yhteenveto Lähdeluettelo Liite 1 Työstökoneiden jaottelu Liite 2 Kyselylomake konepaja-asiantuntijoille

8 1 Johdanto 1.1 Tutkimuksen tausta Teollisuusyritykset pyrkivät nykyään jatkuvasti tehostamaan toimintaansa sekä hakemaan säästöjä kaikilla toimintansa osa-alueilla. Energiankulutuksen vähentäminen ja energiatehokkuuden parantaminen muodostavat tärkeän osa-alueen, jolla säästöjä voidaan hakea. Energiankulutuksen vähentämistä on viime vuosina pyritty edistämään myös useilla valtiollisilla päätöksillä sekä sopimuksilla. Teknologiateollisuus on osaltaan sitoutunut elinkeinoelämän (Elinkeinoelämän keskusliitto, EK) ja Kauppa- ja teollisuusministeriön (nykyään Työ- ja elinkeinoministeriö, TEM) välisessä sopimuksessa vähentämään energiankäyttöä aikavälillä Sopimukseen liittyneet yritykset, mukaan lukien konepajat, tavoittelevat vuoteen 2016 mennessä vähintään sopimuksen mukaista yhdeksän prosenttiyksikön suuruista energiankulutuksen leikkausta. Sopimukseen liittyminen on kuitenkin ollut yrityksille vapaaehtoista. Lukuisat yritykset pyrkivätkin näin ollen jatkuvasti parantamaan energiatehokkuuttaan. Energiatehokkuus on tuottamista mahdollisimman pienellä energiankulutuksella. Energiankulutuksen vähentäminen sekä pienentää yrityksen ympäristölleen tuottamaa kuormaa että aiheuttaa selviä kustannussäästöjä energiahintojen jatkuvasti kasvaessa. Kustannussäästöt ovatkin useimmiten välttämättömiä, jotta ensisijaisesti ympäristölliset tai energiansäästölliset toimenpiteet tulevat käyttöön teollisuudessa. Myös työstökonevalmistajat ovat osaltaan markkinoiden vaatimuksesta alkaneet panostamaan koneidensa energiankulutuksen minimointiin, ja markkinoille onkin jo tullut koneita, joiden energiatehokkuus on perinteisiä koneita merkittävästi parempi. Uusien koneiden energiansäästö syntyy usein uudesta tekniikasta koneiden moottoreissa sekä edistyneemmästä ohjaustekniikasta, jonka vuoksi työstöradat paranevat ja työstöajat lyhenevät. Teknologiateollisuus on myös osaltaan osallistunut työstökonealan ekologiseen tuotekehitystoimintaan, olemalla mukana 1

9 yhteiseurooppalaisessa työstökonevalmistajien ja -käyttäjien sekä tutkimusorganisaatioiden Prolima-projektissa. Prolimassa on pyritty kehittämään menetelmiä ja työkaluja elinkaarikustannuksiltaan optimoitujen työstökoneiden suunnittelemiseksi. 1.2 Tutkimusongelma Konepaja-alan yritykset ovat sitoutuneet valtiolliseen energiansäästösopimukseen, jolla tavoitellaan yhdeksän prosenttiyksikön energiankulutuksen leikkaamista vuoteen 2016 mennessä. Energiaa konepajoissa kuluu pitkälti tuotantokoneisiin sekä talotekniikkaan. Konepajan energiatehokkuuden parantamismahdollisuudet tuotantokoneiden osalta eivät ole olleet kovin hyvin tiedossa, ja näin ollen esimerkiksi jo kohteissa tehdyissä energiakatselmuksissa on yleisesti keskitytty vain kiinteistötekniikkaa koskeviin parannuksiin. Konekannan energiatehokkuuden parantamispotentiaalin tunteminen on välttämätöntä, jotta voidaan arvioida mahdollista kokonaissäästöpotentiaalia sekä selvittää osa-alueet, joilta energiankulutuksen säästöä on mahdollista ja kannattavinta hakea. 1.3 Tutkimuksen tavoitteet Tutkimuksen päätavoitteina olivat 1. Selvittää, miten suuren energiamäärän tuotantokoneet tyypillisesti kuluttavat. 2. Selvittää, millaisin parannuksin energiankäyttöä voitaisiin vähentää ja näin ollen parantaa energiatehokkuutta. 3. Antaa yleistä ohjeistusta konepajoille energiatehokkuuden parantamiseksi. Tutkimuksella halutaan selvittää, kuinka suuren energiamäärän tuotannon työstökoneet tyypillisesti kuluttavat. Tutkimuksella halutaan myös selvittää, miten energiatehokkuutta olisi syytä mitata yksittäisen koneen kohdalla, sillä perinteisesti ongelmana on ollut, että tuotannon energiasäästöjä on ollut vaikea kohdistaa millekään yksittäiselle toimenpiteelle. Toimintaympäristön muutoksista johtuen vaihteluita

10 energiankäytössä on usein vaikea kohdistaa mihinkään energiansäästötoimenpiteeseen, sillä energiankäyttö kasvaa yleisesti toiminta-asteen kasvaessa sekä päinvastoin. Näin ollen varsinaisia syitä sekä säästökohteita on usein ollut vaikea erotella. Tavoitteena on myös selvittää, miten yrityksissä on huomioitu energiatehokkuus ja onko tämän parantamiseksi jo tehty toimenpiteitä sekä toimenpiteet, joilla työstökoneiden energiatehokkuuden parantaminen on vielä mahdollista. Tutkimuksen tavoitteena on pyrkiä ohjeistuksen ja neuvojen antamiseen säästöjen saavuttamiseksi työstökoneiden ja levytyökoneiden energiankäytön osalta. 1.4 Tutkimuksen rajaus Tutkimuksessa keskitytään konepajoissa käytössä oleviin lastuaviaan työstökoneisiin sekä levytyökoneisiin. Jotta toimenpiteet, joilla säästöä voidaan saavuttaa, saadaan selville, edellyttää tutkimus näin ollen myös perehtymistä koneiden käyttämiin moottoreihin, ohjauspiireihin sekä muihin komponentteihin, jotka oleellisesti vaikuttavat työstökoneiden ja levytyökoneiden energiankulutukseen. Tällaisiin kuuluvat olennaisesti myös työstökoneiden yhteyteen liitetyt lisälaitteet. Pintakäsittelylaitteet sekä muut vastaavat eivät kuulu tutkimuksen piiriin. Myöskään talotekniikka ei varsinaisesti kuulu tutkimuksen sisältöön. 1.5 Tutkimusmenetelmät Tutkimuksen tutkimusmenetelminä on käytetty kirjallisuustutkimusta, haastatteluita sekä tilastollista analyysia. Tutkimuksen pohjana on tehty kirjallisuustutkimus. Kirjallisuustutkimuksella on yritetty löytää jo tehtyjä tutkimuksia työstökoneiden energiakulutuksesta ja -tehokkuudesta. Kirjallisuuslähteistä on etsitty myös käytännön ratkaisuja ja sovelluksia, joita hyödyntämällä olisi mahdollista saavuttaa säästöä konepajan energiakuluissa. Tutkimuksen osana on suoritettu myös haastatteluita konepaja-alan asiantuntijoille (konekauppiaat 4 kappaletta sekä yksi työstökoneen huoltojen parissa työskentelevä henkilö). Konekauppiaat olivat pääryhmänä haastateltavia hankittaessa, ja

11 haastateltavien hankinta perustettiin pitkälti Teknisen kaupan liiton jäsenyrityksiin. Haastatteluilla oli pyrkimys saada kvantitatiivista aineistoa tutkimusta varten, mutta haastateltavien hankkiminen osoittautui vaikeaksi. Haastatteluiden määrän jäädessä vähäiseksi, eivät haastatteluiden perusteella saadut tiedot ole tilastollisesti kovinkaan merkittäviä. Tämän vuoksi haastatteluiden merkitys muodostui pitkälti vahvistamaan jo tehdyissä tutkimuksissa ilmi tulleita näkemyksiä sekä antamaan kuvaa konepajojen tämän hetken energiatehokkuusajattelusta. Viimeisenä merkittävänä osana analysoitiin konepajoissa tehtyjä energiakatselmuksia. Katselmuksista oli tarkoituksena saada tilastollista tietoa konepajojen energiankäytöstä sekä esimerkkitapauksia mahdollisista parannuskohteista. Kirjallisuuslähteinä on käytetty pääosin työstökoneiden energiankäytöstä aiemmin tehtyjä tutkimuksia ja artikkeleita sekä alan yrityksien tuotteistaan tuottamaa materiaalia. Empiirisenä materiaalina on käytetty konepajoissa suoritettujen energiakatselmusten raportteja sekä haastatteluissa kertynyttä dataa.

12 2 Energiatehokkuus konepajoissa 2.1 Energiatehokkuus Tuotantoprosessin energiankulutus koostuu kahdesta osasta: perusenergiankulutuksesta sekä vaihtuvasta energiankulutuksesta (Kuusinen et al 2002). Perusenergiankulutukseen lasketaan kiinteistön energiankulutus sekä energiamäärä, jonka tuotantolaitteet kuluttavat, kun ne eivät tuota. Vaihtuva energiankulutus sisältää kaiken tuotantolaitteiden tuotannon aikana kuluttaman energian. Teollisuustuotannon vaihtuva energiankulutus on yleensä selvästi perusenergiankulutusta suurempaa, mutta pienellä käyttöasteella tuotettaessa perusenergiankulutuksen merkitys kokonaisenergiankulutuksen osana kasvaa. Tuotantoympäristö on vuorovaikutteinen ja tuotantolaitoksen energiatehokkuuteen vaikuttavat monet eri tekijät (kuva 1). Kaikki energian käyttö ei ole suoraan johdettavissa tuotantokoneille, vaan iso osa energiankäytöstä kuluu myös tuotantoympäristön välttämättömiin taustaprosesseihin (Herrmann 2008).

13 Kuva 1. Tuotantoympäristön energiankulutus (Hesselbach et al. 2008). Energiatehokkuus on tuottamista mahdollisimman pienellä energiankulutuksella. Fyysinen energiatehokkuus on energiatehokkuuden suhteuttamista tuotettuun yksikköön (Suomen ympäristökeskus 2008). Energiatehokkuutta on mitattu yleensä ominaisenergian kulutuksena (SEC), joka voidaan laskea jakamalla energian kulutus tietyllä aikavälillä samanaikaisesti tuotettujen tuotteiden määrällä. Eri tuotantoyksikköjen SEC-lukujen vertaaminen on ollut hankalaa, sillä tuotteet ja tuotantoprosessit vaihtelevat runsaasti. Ominaisenergia voidaan määritellä (Suomen ympäristökeskus 2008): energiamäärä MWh SEC = = valmistusmäärä t (1) Vertaaminen referenssiarvoon ( SEC avulla (Suomen ympäristökeskus 2008): ref ) tapahtuu Energiatehokkuusindeksin (EEI) SECref EEI = (2) SEC

14 SEC ref arvona voidaan käyttää BAT (Best Available Techniques) arvoa, tietyllä ajanjaksolla toteutunutta arvoa tai muiden alan toimijoiden benchmark-arvoa (Suomen Ympäristökeskus 2008). Energiatehokkuusindeksistä voidaan johtaa energiankäytön tehostamispotentiaalille: Energiakäytön tehostamispotentiaali = 1 EEI Energiatehokkuuden mittaristot Mittareita käyttöönotettaessa ensimmäinen tärkeä päätös on tarkasteltavana olevan järjestelmän rajaus. On määritettävä mittarikohtaisesti koskeeko mittari laitetta, osaprosessia, tuotantolinjaa, tehdasta (kuva 2) vai mahdollisesti koko tehdasaluetta (Suomen ympäristökeskus 2008). Tämän lisäksi on päätettävä, mitä energialajeja mittarilla seurataan (polttoaine, sähkö, höyry, kaukolämpö ja niin edelleen). Jotta mittaristoa voitaisiin käyttää, tarvittavat tiedot on mitattava ja tallennettava luotettavasti. Tuotannonohjausjärjestelmä toimii usein luontevana alustana mittareille. Tästä on etua mahdollisia poikkeavuuksia määritettäessä, sillä energiankäytön poikkeamat ovat usein helposti kytkettävissä tuotannon muutoksiin tai mahdollisesti tapahtuneisiin häiriöihin. Tuotantoyksikön energian käytön mittaroinnin tavoitteena tuleekin olla valvova järjestelmä, joka automaattisesti tuottaa vertailutietoa prosessin energiankäytöstä ja -tehokkuudesta sekä automaattisesti hälyttää sekä puuttuu mahdollisiin vikatilanteisiin ja poikkeamiin. Automaattiset seurantajärjestelmät osaavat usein ottaa huomioon ulkoiset olosuhteet, kuten lämpötilan. Tämä voi auttaa esimerkiksi tuotantoympäristön lämmitystarpeen optimoinnissa (Chua 2006).

15 Kuva 2. Tehdastason mittarointi (Suomen ympäristökeskus 2008). Mittareilla pitäisi prosessitasolla seurata yksittäisten laitteiden energiankulutusta ja energiataseita ja verrata sitä referenssitasoon. Prosessitason mittarointi on perustana, kun halutaan tehdä prosessitason energiatehokkuusanalyysi. Taloudelliset kriteerit usein kuitenkin rajoittavat mittaroinnin laajuutta. Tuotantoyksikön tasolla olisi syytä seurata energiankulutusta lopputuotetta kohden. Hyvänä referenssinä voidaan käyttää esimerkiksi historiatietoa sekä muiden vastaavien koneiden ominaisenergiakulutusta (Suomen Ympäristökeskus 2008) Energiatehokkuuden parantaminen Parantamalla energiatehokkuutta voidaan saavuttaa moninaisia tavoitteita (Suomen Ympäristökeskus 2008): vähentää kasvihuonepäästöjä parantaa huoltovarmuutta alentaa kustannuksia. Energiatehokkuuden parantuminen voidaan saavuttaa monin tavoin (Suomen ympäristökeskus 2008). Tällaisia parannuksia ovat saman tuotantomäärän tuottaminen pienemmällä energiankulutuksella, suuremman tuotantomäärän tuottaminen samalla energiankulutuksella tai tuotantomäärän suhteessa suurempi kasvu verrattaessa energiankulutuksen kasvuun.

16 Teollisuustuotannossa energiatehokkuutta voidaan parantaa joko suoraan vähentämällä prosessissa kuluvaa energiaa tai epäsuorasti lyhentämällä prosessin läpäisyaikaa (GE Fanuc Automation 2007). Energiatehokkuuden parantamisen mallit Energiatehokkuuden parantamisprosessin läpiviemiseen on kehitetty useita erilaisia malleja. Jatkuvan parantamisen mallissa (kuva 3) tärkeänä perustana on mittausjärjestelmän luonti ja säännöllinen seuraaminen. Mittausjärjestelmän luomiseen on syytä panostaa runsaasti aikaa, jotta mittaristosta saadaan tarpeeksi kattavaa tietoa mahdollisten parannusten suunnitteluun. Kuva 3. Energiatehokkuuden jatkuvan parantamisen malli (Suomen Ympäristökeskus 2008).

17 2.1.3 Teollisuuden energiakatselmukset KTM (nykyinen TEM) sekä Motiva ovat luoneet Suomen teollisuudelle ohjeistuksen teollisuuskohteiden energiansäästöselvitysten tekemisestä. Katselmustoiminnan muut osapuolet on esitetty kuvassa 4. Kuva 4. Energiakatselmustoiminnan osapuolet (Suomen Ympäristökeskus 2008).

18 Katselmustoimintamallit on kehitetty käytännön katselmustyöstä saatujen kokemusten pohjalta. Motiva-energiakatselmuksia voidaan suorittaa teollisuuden energiakatselmushankkeissa kahdella tasolla, katselmuksina sekä analyyseinä. Katselmusprojekti tapahtuu kuvan 5 mukaisesti. Kuva 5. Motiva-energiakatselmusmalli (Suomen ympäristökeskus 2008). Katselmustasoinen selvitys sisältää prosessia palvelevien käyttöhyödykkeiden sekä kiinteistöjen energiatehokkuuden. Analyysitasoisen selvityksen keskeinen osa on tuotantoprosessin energiansäästömahdollisuuksien selvittäminen. Energiakatselmus sopii hyvin kohteille, joissa ei katsota tarvittavan tarkempaa prosessin energian käytön ja tehokkuuden tarkastelua. Tuotantoprosessin energiankulutus erotellaan vain kokonaiskulutuksen osana. Analyysi on katselmusta huomattavasti syvällisempi tutkimus ja kattaa kohteen kaikki energiavirrat sekä energiansäästömahdollisuudet.

19 Analyysissä tuotantoprosessin tutkaileminen on suuressa roolissa, joten teollisuuskohteen oman organisaation osallistuminen analyysin tekemiseen on useimmiten tarpeellista (Motiva 2006). Kaikille katselmusmalleille yhteistä on (Suomen ympäristökeskus 2008), että Motivaenergiakatselmukset ovat aina kokonaisvaltaisia selvityksiä energian- ja vedenkäytöstä sekä näiden kustannuksista. Katselmuksissa tulee esille nykytila sekä tehostamispotentiaali kannattavuuslaskelmineen. Katselmuksiin saa rahoitusta TEM:ilta ESCO- toiminta Yleinen käytetty malli energiansäästöprojekteissa on niin sanottu ESCO-malli (ESCO = Energy Service Company), joka perustuu sen toteuttavan asiantuntijayrityksen (=ESCO) sekä investointikohteena olevan yrityksen sopimukseen, jossa energia-alan asiantuntija toteuttaa kohteessa investointeja energian säästämiseksi (Motiva 2000). ESCO-palvelu perustuu ideaan, että kaikki kustannukset maksetaan säästöillä, jotka syntyvät investointien seurauksena alentuneista energiakustannuksista (Motiva 2005). ESCO-projekti ei välttämättä aiheuta kohdeyritykselle kustannuksia, joten se on riskitön tapa yritykselle saavuttaa energiansäästöä. ESCO-projektit alkavat katselmuksella, jonka analysoinnin jälkeen asiantuntijataho asentaa mahdollisesti tarvittavat energiakustannuksia alentavat laitteet sekä suorittaa muut energiansäästötoimenpiteet. Hankekohtaisesti laadittujen ESCO-projektien kesto määritetään sopimuksessa, jonka jälkeen investoinnissa asennettu laitteisto ja välineet siirtyvät pysyvästi ESCO-toteuttajalta kohdeyritykselle (Motiva 2000). Koska ESCOprojektit voivat olla kohdeyritykselle riskittömiä, ne sopivat hyvin yrityksille, joilla ei välttämättä muuten ole tarvittavia resursseja suorittamaan mittavia toimenpiteitä tilojen sekä laitteidensa energiatehokkuuden parantamiseksi (Motiva 2000).

20 2.2 Lastuavat työstökoneet Valmistusmenetelmät (kuva 6) voidaan jakaa viiteen perusmenetelmään: valamiseen, liittämiseen, lämpökäsittelyyn, sintraamiseen ja työstämiseen. Jaottelu kuitenkin vaihtelee vähän lähteestä riippuen. Tässä työssä rajoitutaan pääosin käsittelemään lastuavaa työstöä sekä levytyömenetelmiä, jotka koostuvat liittämisestä, leikkaamisesta ja muovaamisesta. Nämä yleiset menetelmät nähtiin olennaisiksi sisällyttää työhön. Muiden menetelmien syvällinen käsittely jätettiin pois, jotta työn laajuus olisi paremmin hallittavissa ja työn tavoitteet saavutettaisiin valittujen koneryhmien osalta. Kuva 6. Valmistusmenetelmien jaottelu (Aaltonen 1997).

21 Lastuavat menetelmät ovat yksi työstämisen osa, joka koostuu terällä sekä hiomarakeella lastuavista menetelmistä. Lastuavaan työstöön käytettävät työstökoneet voidaan jakaa vielä seuraaviin luokkiin (Kauppinen 2004): sahat sorvit jyrsinkoneet höyläkoneet porakoneet avarruskoneet koneistuskeskukset hiomakoneet hammastuskoneet. Tarkempi jaottelu on esitetty liitteessä 1, josta selviävät myös yleisimmät työstökoneiden alatyypit. Lastuavat työstökoneet ovat joustavia tuotantokoneita, ja tämän vuoksi niillä on usein edullista valmistaa pieniä sarjoja (Kalpakjian 2006). Koneet ovat viime vuosikymmenten aikana uudistuneet ja kehittyneet huimasti, ja nykykoneet pystyvät usein suoriutumaan tehtävistä, joihin ennen vaadittiin useampi kone tai vähintäänkin useampi kiinnitys. Nykyisin käytössä olevat pitkälle automatisoidut työstökoneet (monitoimisorvit, koneistuskeskukset) tukevat vaatimusta pienemmistä eräkoista sekä nopeammista tuotannon läpäisyajoista.

22 2.2.1 Työstökoneiden rakenneosat Työstökoneiden perusrakenteet ovat pysyneet pitkään melko samanlaisina. Nykykoneet ovat useimmiten hyvin koteloituja ja niihin on liitetty runsaasti lisälaitteita, mutta itse koneet ovat muuttuneet rakenteeltaan hyvin vähän. Huomattavaa kehitystä on tapahtunut yksittäisillä osa-alueilla, esimerkiksi käyttömoottoreiden ja johteiden osalla (Kauppinen 2004). Työstökoneiden rakenneosat voidaan jakaa seuraaviin ryhmiin (Kauppinen 2004): 1. rungot 2. pääkäyttökoneistot 3. syöttöliikkeiden koneistot. Useimmiten uutta konetta ostettaessa lähdetään hankkimaan konetta pääkäyttökoneistosta saatavan maksimitehon mukaan. Koneen energiatehokkuuden kannalta kuitenkin myös muilla energiaa käyttävillä osilla on suuri merkitys koneen sähkönkulutukseen, kuten lukuisat viime vuosina tehdyt tutkimukset osoittavat. Etenkin syöttöliikkeiden sähkönkulutus sekä muu energiankulutus (esimerkiksi jäähdytyspumput) aikana, jolloin kone ei varsinaisesti poista lastuja ovat osoittautuneet merkittäväksi osaksi koneen kokonaiskulutusta Lastuamisarvot Lastun irrotukseen käytetyt lastuamisarvot vaikuttavat paljon työstöprosessin tehokkuuteen. Työstöön valittujen työkalujen terägeometrialla on suora vaikutus lastuamisvoimiin ja prosessin tehontarpeeseen. Samalla maksimoimalla esimerkiksi lastunirrotus voidaan koko prosessia nopeuttaa ja näin ollen vaikuttaa usein myös koneen energiatehokkuuteen. Kuvissa on esitetty tärkeimpien lastuamisprosessien jyrsinnän (kuva 7) ja sorvauksen (kuva 8) lastuamistapahtumat sekä näihin liittyvät tärkeimmät lastuamisarvot.

23 Kuva 7. Jyrsinnän havainnekuva (Seco tools 2009). Tärkeimmät lastuamisarvot jyrsinnälle ovat (Seco Tools 2009): a e = jyrsimenhalkaisija(mm) a p = lastuamisyvyys(mm) f z = syöttö / hammas n= pyörimisnopeus v f = syöttönopeus (mm/min) v c = lastuamisnopeus (m/s, m/min). Jyrsinnälle saadaan teoreettiseksi tehontarpeeksi (kw) (Seco Tools 2009): P c a p ae v f = kc, missä (3) η k c = lastuamisvoima η = hyötysuhde. η on tyypillisesti välillä 0,7-0,9 (Aaltonen 1997).

24 Kuva 8. Sorvauksen havainnekuva (Seco Tools 2009). Vastaavasti sorvauksen (kuva 8) tärkeimmät työstöarvot (Seco Tools 2009): a p = lastuamisyvyys(mm) f = syöttö / terän _ kierros (mm/kierros) v c = lastuamisnopeus (m/min) v f = syöttönopeus( mm / s) sekä tehontarve sorvaukselle: P c a p f vc = k η c (kw), missä (4) k c = lastuamisvoima (materiaalivakio) η = hyötysuhde. Lastuamisvoimat on toinen merkittävä huomioonotettava asia, kun suunnitellaan lastuavaa prosessia. Kyseiset voimat vaikuttavat myös lastuamisarvojen valintaan, sillä lastuamisvoimat osaltaan rajoittavat lastuamisarvoja ja näin ollen arvoja valittaessa on otettava huomioon esimerkiksi kappaleelle tarvittava kiinnitysvoima, jottei aihio irtoa työstettäessä. Lastuamisvoimien tuntemusta tarvitaan myös prosessiin tarvittavan tehon laskemiseen. Lastunirrotuksen nopeus halutaan usein maksimoida, mikä

25 kasvattaa lastuamisen tehontarvetta, sillä tehontarve on suoraan riippuvainen lastuamissyvyydestä, syöttönopeudesta sekä lastuamisnopeudesta. Koska lastuamisarvot vaikuttavat niin tarvittavaan lastuamistehoon kuin myös lastuamisprosessin nopeuteen, lastuamisarvoilla voidaan vaikuttaa myös kokonaisprosessin energiatehokkuuteen. Rajoituksia lastunirrotuksen energiankulutuksen optimoinnille asettavat tietenkin vaatimukset prosessin tehokkuudesta ja läpimenoajasta Lastuavan työstökoneen elektroniikka Nykyaikaiset lastuavat työstökoneet sisältävät runsaasti elektroniikkaa. Kuvassa 9 on esitetty tyypillinen CNC-koneen sähköpiiri. Kuva 9. CNC-ohjauspiiri (Fanuc 2009).

26 NC-työstökoneet toivat uusia vaatimuksia työstökoneiden käyttölaitteille. Käyttölaitteilta vaaditaan muun muassa suurta luistien nopeuden säätövaraa, suurta vääntömomenttia, nopeaa reagointikykyä, jäykkyyttä, välyksettömyyttä ja vähäistä lämpenemistä (Kauppinen 2004). Syöttöjen käyttölaitteina käytettiin ennen useimmiten askelmoottoreita, tasavirtamoottoreita sekä hydraulisia käyttöjä Työstökoneiden moottorit Työstökoneissa käytettäville sähkömoottoreille asetetaan suuret vaatimukset (Kauppinen 2004). Tehon ja momentin on pysyttävä riittävinä ja vakioina laajalla nopeusalueella molemmissa pyörimissuunnissa. NC-koneissa käytettiin ennen pääkäyttökoneina pääosin tasavirtamoottoreita. Nykyään käytössä on enimmäkseen AC-servomoottoreita XYZ-akselien syöttöihin sekä koneiden karamoottoreina. Käytettävien moottoreiden hyötysuhteet ovat parantuneet viimeisen parinkymmenen vuoden aikana huomattavasti, mistä aiheutuu energiasäästöä suhteessa vanhoihin koneisiin. Samalla kuitenkin koneiden maksimitehot ovat kasvaneet, mikä taas osaltaan on kasvattanut kokonaisenergiankulutusta. AC-servomoottori on rakenteeltaan hyvin samankaltainen kuin tavallinen oikosulkumoottori (Halme & Parikka 2005). Erot liittyvät tyypillisesti ominaisuuksiin, jotka ovat räätälöityjä moottorille servokäytön luonteesta johtuen. Näiden moottorien nopeusalue on laaja, ja niiden pitää toimia koko alueella kuumenematta. Näin ollen etenkin moottorin jäähdytyksen optimointi on noussut isoon rooliin. Kuvassa 10 on esitetty tyypillinen kestomagnetoitu servomoottori.

27 Kuva 10. Kestomagnetoitu servomoottori (Halme& Parikka 2005). Lineaarimoottorit ovat olleet tulossa työstökoneiden syöttöliikkeiden moottoreiksi jo jonkin aikaa. Ne tarjoavat erinomaisen tarkkuuden ja huomattavasti korkeammat kiihtyvyydet sekä hidastuvuudet kuin aiemmin käytössä olleet tasavirtamoottorit. Kuitenkaan vielä lineaarimoottorit eivät ole saavuttaneet valta-asemaa johtuen muun muassa korkeasta hankintahinnasta sekä magneettisuuden aiheuttamista ongelmista. Myös puhtaanapidolle lineaarimoottorit aiheuttavat uusia vaatimuksia (Kauppinen 2004). Sähkömoottoreiden hyötysuhdeluokat Moottorit voidaan jakaa EFF-luokkiin hyötysuhteensa mukaisesti. Korkeimman hyötysuhdeluokan moottorit saavat EFF1 luokituksen. Esimerkiksi 11 kw moottorille moottoriluokka EFF1:n hyötysuhde > 91%, kun luokan EFF3 hyötysuhde samantehoiselle moottorille < 88,4 % (ABB 2009). Yleisesti voidaan todeta, että mitä suurempi on moottorin teho (kw) sitä suuremman hyötysuhteen se vaatii kuuluakseen korkeimpaan hyötysuhdeluokkaan (Motiva 2004). Moottoriasiantuntija Arburgilta sanoo, että tehokkaimman luokan koneet maksavat itsensä takaisin kolmessa vuodessa, jos koneen vuosittaiset käyttötunnit ylittävät 6000 tunnin rajan (Schäfer 2008). Hänen mukaansa vanhan moottorin rikkoutuessa on hyvä miettiä sen korvaamista tehokkaimman luokan moottorilla, vaikka toimivaa moottoria ei useimmiten kannata korvata uudella, koska sijoitus ei maksa itseään takaisin.

28 Sähkömoottori-investoinnin kannattavuutta voidaan vertailla eri moottorivaihtojen kesken (Motiva 2004): P K = I + k A S T, (5) η missä K = kokonaiskustannukset ( ) moottorin käyttöaikana I = moottorin investointikustannukset ( ) k= moottorin osakuormakerroin P= moottorin teho A= vuotuinen käyttöaika (h/a) S= sähkön hinta ( /kwh) T= moottorin käyttöikä (a). Sähkömoottoreihin liittyvä säästömahdollisuus riippuu monesta tekijästä. Uutta moottoria hankittaessa on kuitenkin syytä aina ensisijaisesti harkita energiatehokkaimman EFF1-luokan moottoreita (Envirowise 2006). Energiatehokkaiden EFF1-luokan moottoreiden hankinta on kannattavinta, kun (Motiva 2004): Sähköenergian hinta on korkea. Moottorin käyttötunnit ovat korkeat (> 4000 h/a tasolla). Moottori on suuri ( kymmeniä kilowatteja). Nykyisen moottorin hyötysuhde on huono (usein = vanha moottori). 2.3 Lastuavien työstökoneíden energiankulutus Lastuavan työstökoneen energiankulutusta voidaan mitata eri tavoin. Helpoimmat tavat mittaukseen tarjoavat yleismittari ja pihtiyleismittari. Kun yleismittarilla on mitattava johdoista laitteen läpi kulkevaa jännitettä, niin pihtiyleismittarin käyttöä puoltaa mahdollisuus mitata virta tai jännite koskematta itse johtoihin (Kordonowy 2003). Näin ollen pihtiyleismittarin käyttö tarjoaa turvallisen tavan työstökoneen energiankulutuksen mittaukseen. Pihtiyleismittari luo johdon ympärille magneettikentän, jolloin mittarilla voidaan mitata johdossa kulkevaa virtaa. Kyseiset mittausmenetelmät ovat sovellettavissa myös muiden tuotantokoneiden kuin lastuavien työstökoneiden kohdalla.

29 2.3.1 Energiankäytön jakautuminen lastuamisprosessissa Kuten muidenkin tuotantokoneiden, niin myös lastuavien työstökoneiden energiankulutus koostuu kahdesta osasta: perusenergiankulutuksesta (vakiokulutus) sekä vaihtuvasta energiankulutuksesta (Kuusinen et al. 2002). Perusenergiankulutukseen työstökoneiden kohdalla kuuluvat muun muassa ohjausyksikkö, pumput (öljynpaine, jäähdytys) sekä jäähdyttimet. Vaihtuva kulutus koostuu työkalunkäsittelystä, asemoinnista sekä itse lastunirrotuksesta (Hesselbach & Herrmannn 2008). Tyypillistä lastuamisprosesseille on, että energiankulutuksen perusosuus kokonaiskulutuksesta on suuri. Tutkimusten mukaan jopa 75 prosenttia kulutuksesta kuluu perusenergiankulutukseen (Frauenhofer Gesellschaft 2009). Japanilainen autonvalmistaja Toyota on panostanut paljon ympäristöystävällisiin valmistusprosesseihin kehittäessään omaa Lean-tuotantoketjuaan. Osana prosessin kehitystä Toyota on panostanut myös työstöprosessin energiankulutuksen tutkimukseen. Toyotan selvityksistä ilmenee (kuva 11), että suuren automatisoidussa linjassa toimivan esimerkkikoneistuskeskuksen energiankäytöstä suurin osa on kiinteää, ja vain pieni osa energiankulutuksesta on suoraan riippuvainen tuotetuista kappaleista (Gutowski et al. 2002).

30 Kuva 11. Energiankäytön erittely suurelle koneistuskeskukselle, Toyota Corporation (Gutowski et al. 2002). Selvityksen (Toyota Corporation) mukaan suurin osa kyseisen työstökoneen kuluttamasta energiasta ei kulu itse lastunirrotukseen, vaan koneen ollessa valmiustilassa, mikä sisältää muun muassa jäähdyttimeen, öljynpainepumppuun sekä jäähdytysnesteeseen kuluvan energian. Itse lastunirrotus vie vain noin 15 % kaikesta kulutetusta energiamäärästä. Koska suuri osa käytetystä energiasta kuluu nesteiden pumppaamiseen, niin näiden käyttöä vähentämällä voitaisiin Toyotan mukaan vähentää energian kulutusta huomattavasti.

31 Koko prosessin energiankulutus materiaalinirrotukselle voidaan esittää seuraavasti (Dahmus, Gutowski, Thiriez 2006): P B elect = 0 + k, (6) v missä B elect on energiankulutus materiaalinirrotusta kohti (kj/cm3) P 0 = valmiustilassa kuluttama teho (kw) v = materiaalin irrotusnopeus (cm3 / s) k = vakio (kj/cm3). Vakio k on riippuvainen työstettävän kappaleen materiaaliominaisuuksista eli näin ollen vakio kaikille koneille Lastuamisprosessin vaiheet Lastuamisprosessi on jaettavissa koneen sen hetkisen tilan mukaan eri työvaiheisiin. Tämä jako helpottaa lastuamisprosessin energiankulutuksen jakautumisen seurantaa. Lastuavan työstökoneen toimintatilat voidaan jakaa seuraavasti (Dahmus, Gutowski 2004): Valmiustila Ajotila Koneistustila Kone on valmis toimimaan, mutta juuri kyseisellä hetkellä kone ei ole käytössä. Konetta asemoidaan työstöä varten tai koneeseen lastataan uutta työkappaletta. Lastunirrotus. Huomioitavaa tutkittaessa lastuavan työstökoneen energiankulutusta on, että kulutus ei ole tasaista. Koneen eri laitteiden ja moottoreiden käynnistyessä kulutus kasvaa sitä mukaa, kun eri laitteet käynnistyvät ja ovat toiminnassa. Kulutuksen huippu (kuva 13) eli itse lastunirrotus (koneistustila) on useimmiten vain lyhytaikainen tapahtuma (Eckebrecht 2000). Tähän lastuamisprosessin hetkelliseen huippukulutukseen on vaikea vaikuttaa, sillä lastunirrotus vaatii aina tietyn energiamäärän. Lastun

32 irrotukseen tarvittava energiamäärä vaihtelee lastuttavien aineiden välillä riippuen eri metallien eroavista ominaislastuamisvoimista. Kuva 12. Hiomaprosessin energiankulutus (Eckebrecht 2000). Kyseisessä tutkimuksessaan Eckebrecht (2000) mittasi hiomaprosessin hetkellistä energiankulutusta. Tutkimuksen tapauksessa itse lastuamistapahtuma vei noin viidenneksen koko prosessin kestoajasta. Aika, jolloin lastunirrotusta ei tapahtunut, muodosti noin neljä viidesosaa prosessin kokonaiskestosta (Eckebrecht 2000). Tutkimusten mukaan koneen tehokas käyttöaika on usein piensarjoille vain 15 prosenttia ja suursarjoille vain 40 prosenttia kokonaiskäyttöajasta (Frauenhofer Geschellschaft 2009). Näin ollen kokonaisenergiankulutuksen minimoimisessa nousee yhä tärkeämmäksi tekijäksi valmiustilojen minimointi, jolloin kone usein kuluttaa huomattavan energiamäärän, vaikkei varsinaisesti tuota mitään lisäarvoa. Kyseisen hiomakoneen (Overbeck Typ 600 I-DC) energiankulutuksen jakautuminen laitteille on esitetty kuvassa 13.

33 Hiomakoneen energiankäytön jakautuminen Koneen tyhjäkäynti 2 % 18 % 15 % Ohjaus Elektrostaattinen ilmansuodatin Jäähdytysnestekierto Kuva % 6 % 10 % 7 % 28 % Työkappaleen kiertomoottori Hiomakaramoottorin tyhjäkäynti Hydrodynaaminen efekti Työstö Hiomakoneen energiankäytön jakautuminen eri komponenteille (Eckebrecht 2000). Eckebrechtin tutkimassa tapauksessa kokonaisenergiankulutuksesta noin 50 prosenttia on suoraan johdettavissa hiomaprosessiin. Yksittäisistä laitteista nousevat esiin myös ohjauksen suuri osuus sekä koneen tyhjäkäynnin osuus kokonaiskulutuksesta. Eckebrechtin (2000) mukaan energiankulutukseen voidaan vaikuttaa valitsemalla koneen komponenteiksi energiaa säästäviä osia. Säästö on mahdollista myös yksinkertaisin toimenpitein, kuten sammuttamalla esimerkiksi tarpeettomat pumput. Hänen mukaansa säästöpotentiaali koneistuksessa on pääosin koneiden tuotantotehokkuuden optimoinnissa, tavoitteena läpäisyaikojen lyhentäminen Jyrsimisen energiankäytön tutkimus Jyrsimisprosessin energiankulutus on pitkälti vastaavaa kuin hiomaprosessin energiankulutus eli itse lastunirrotus on hetkellinen kulutuspiikki. Jeffrey Dahmus on tutkimuksessaan (2007) verrannut neljän jyrsinkoneen energiankulutusta. Verrattavina koneina olivat pitkälti tuotantokoneistuskeskus, kaksi eri-ikäistä jyrsinkonetta sekä yksi vanhempi manuaalinen jyrsinkone. Energiankulutuksen mittaukset on suoritettu pihtiyleismittarilla laitekohtaisesti. Näin ollen on saatu prosessiin kulunut kokonaisenergia jaettua eri osaprosessien kesken. Dahmusin tutkimuksessaaan käyttämät energiankulutuksen mittausarvot ovat peräisin aiemmasta tutkimuksesta (Kordonowy 2002) sekä tuotantokoneistuskeskuksen lukemat perustuvat valmistajan

34 (Makino) ilmoittamiin arvoihin. Valmistajien ilmoittamat energiankulutukset on mittauksissa todettu olevan riittävän lähellä todellisia arvoja, jotta niitä voidaan verrata sellaisinaan (Kordonowy 2002). Mittauksen tulokset on esitetty taulukossa 1, seuraavin oletuksin: Koneistuskeskus on seisontatilassa vähiten, manuaalinen jyrsinkone eniten. Koneistuskeskus suoriutuu nopeimmin jyrsimen paikantamisesta. Mittaustuloksiin ja edellä mainittuihin oletuksiin perustuen on sittemmin laskettu kunkin koneen lastunirrotukseen käyttämä energiamäärä. Teoriassa kaikki koneet kuluttavat itse lastunirrotukseen saman energiamäärän, olettaen että kaikki parametrit, materiaaliominaisuudet sekä työkaluominaisuudet pidetään vakioina. Taulukko 1 Jyrsimisprosessin energiankulutus (Dahmus 2007)

35 Tutkimuksen tuloksista nähdään erittäin selvästi kehitys koneiden kokonaislastuamiskapasiteetissa. Tämä näkyy toisaalta myös huomattavana kasvuna koneiden maksimitehontarpeissa. Toisaalta tärkeä huomionkohde on pitkälti automatisoidun tuotantokoneistuskeskuksen huomattavan suuri vakioenergiankulutus. Koneiden kuluttama perusenergiamäärä on viime vuosikymmeninä kasvanut merkittävästi johtuen pääosin koneisiin liitettävistä lisälaitteista kuten lastuamisnestepumpuista ja ATK-laitteista. Toisaalta lastuavien työstökoneiden valmistajien pyrkimys on nykyään jatkuvasti pienempi energiankulutus, mikä osoittautuu myös tutkimuksessa, kun verrataan tutkimuksessa mukana olleita toisiaan vastaavia, mutta eri-ikäisiä automaattisia jyrsinkoneita. 10 vuotta vanhemman työstökoneen energiankulutus valmiustilassa on selvästi suurempaa kuin uuden vastaavan koneen. Merkittävää tutkimuksen tuloksissa on myös, että vaikka pitkälti automatisoidun koneistuskeskuksen kokonaislastuamismäärä tuhatta tuntia kohti on noin kymmenkertainen verrattuna automatisoituihin jyrsimiin, niin verrattaessa kokonaisenergiankulutusta tähän määrään huomataan, että itse asiassa molemmat automatisoidut jyrsimet kuten myös manuaalinen jyrsinkone suoriutuvat lastunirrotuksesta hieman pienemmällä suhteellisella energiankulutuksella (kj/cm3).

36 2.4 Levytyökoneet ja -keskukset Levytyökoneet voidaan jakaa lastuavien työstökoneiden tapaan useampaan kategoriaan (Teknisen kaupan liitto): leikkauskoneet termiset ja vesisuihkuleikkauskoneet levytyökeskukset puristimet taivutuskoneet hitsausviistekoneet jäysteenpoistokoneet muut ohutlevykoneet. Näistä ehkä yleisimpiä ja monikäyttöisimpiä ovat nykyiset levytyökeskukset, joilla voidaan suorittaa monenlaista työstöä ohutlevyosia valmistettaessa. Levytyökeskusten runkorakenteet voidaan jakaa C-runkorakenteisiin (Kuva 14) avoimiin koneisiin sekä tukevampiin samankaltaisiin J-runkoisiin sekä suljetun kokonaisuuden muodostaviin O-runkoisiin koneisiin (MET 1988). Kuva 14. Finnpower C6-levytyökeskus (Finnpower 2009).

37 2.4.1 Levytyökoneiden elektroniikka ja sähköiset osat Levytyökoneiden elektroninen piiri on useimmiten melko vastaava kuin lastuavilla työstökoneilla. Kuvassa 15 on esitetty erään särmäyspuristimen elektroniikkapiiri, joka muodostuu moottoreista M1-M3 sekä tietokoneesta (PC) ja ohjauksesta (Drives). Kuva 15. Särmäyspuristimen sähköpiiri (Devoldere et al 2007). Levytyökeskukset saavat nykyään iskuvoimansa servomoottorikäytöistä (kuva 16). Japanilainen valmistaja Amada lupaa uusien käyttämiensä servomoottorien olevan huomattavan paljon tehokkaampia kuin perinteiset servomoottorit. Kuva 16. O-runkoisen AC-levytyökeskuksen rakenteen poikkileikkaus (Amada 2009). Samalla järjestelmään on jo itsessään sisällytetty energiaa säästävää tekniikkaa, ja jokaisella moottorin iskulla sen jarrutusvoima otetaan talteen ja siirretään takaisin seuraavan iskun hyödynnettäväksi. Lastuavista työstökoneista poiketen

38 levytyökoneiden ja levytyökeskusten valmistajat, muun muassa Amada (Eco- Products) ja Finnpower (Ecopunch), markkinoivat koneitaan avoimesti vähän energiaa kuluttavina. Levytyökeskuksissa on myös lineaaritekniikkaa käytössä lastuavia työstökoneita enemmän. Esimerkiksi suomalainen levytyökoneiden valmistaja Finnpower on jo jonkun aikaa käyttänyt XY-liikesuunnille lineaarimoottoreita. Ongelmia on aiheuttanut, että lineaarimoottoreiden kokoja ei ole standardoitu, minkä vuoksi hintaa ei aina ole voitu kilpailuttaa, sillä moottorin vaihtaminen aiheuttaisi liian suuria muutoksia koneen kokonaisrakenteeseen (Leino 2005) Laserleikkauskoneissa jatkuvaa kehitystä Levytyökoneiden osalla suurta kehitystä on tapahtunut myös laserleikkauskoneissa. Lasereiden hyötysuhteet ovat parantuneet huomattavasti. Uusin markkinoita valtaava keksintö on niin sanottu kuitu- eli diodilaser, jonka hyödyt verrattuna perinteiseen CO 2 -laseriin ovat suuret. Kuitulaserin hyödyt tulevat esiin leikattaessa ohuita ja keskipaksuja levyjä. Kuitulaserilla voidaan leikata myös kuparia ja messinkiä, joihin ei ole voitu käyttää CO 2 -lasereita. Kuitulaserin hyötysuhde on noin 25-30%, kun vastaavien CO 2 -laserien hyötysuhde jää alle kymmeneen prosenttiin. Tämän vuoksi kuitulaserien tehontarve on selvästi pienempi kuin CO 2 -lasereilla. Kuitulaserin säteen aallonpituus on kymmenesosa ja halkaisija kolmannes CO 2 -laseriin verrattuna. Tämä parantaa tarkennettavuutta perinteiseen CO 2 -laseriin verrattuna. Koko laserjärjestelmän rakenne on yksinkertaisempi, sillä peilejä ei tarvita. Yksinkertaisempi järjestelmä vähentää samalla myös laitteen huoltotarvetta. Italialainen laitevalmistaja Salvagnini vertasi testeissään kolmea erilaista laserleikkauskonetta. Vertailun lasereita olivat 2 kw kuitulaser, 3 kw CO 2 -laser sekä 3 kw CO 2 -laser lineaarimoottorilla. Vertailluista koneista lineaarimoottorinen oli

39 kallein ja kuitulaser sekä 3 kw CO 2 -laser lähes samanhintaisia. Kuvassa 17 on esitetty vertailun lasereiden työstöaika- ja tehontarvevertailu leikattaessa sähkösinkittyä levyä. Kuva 17. Lasereiden työstöaika- ja tehontarvevertailu (Salvagnini 2009). Tutkimuksen tuloksista käy selvästi ilmi kuitulaserin hyödyt. Suurin vertailussa ilmenevä hyöty on tietenkin huomattavasti pienentynyt tehontarve. Myös testikappaleita leikattaessa kuitulaser oli suorissa leikkauksissa lähes yhtä nopea kuin lineaarimoottorinen laser. Ainoastaan monimutkaisia paljon siirtoja ja leikkauksia vaatineita kappaleita työstettäessä lineaarimoottorinen CO 2 -laser oli työstöaikoja vertailtaessa selvästi nopein. Energiatehokkuuden kannalta suurin hyöty on kuitenkin, että energiaa säästyy jopa 80 prosenttia verrattuna perinteiseen CO 2 -laseriin (kuva 18).

40 Kuva 18. Kuitulaserin energiankulutus verrattuna CO 2 -laseriin (Salvagnini 2009). Vertailtaessa eri koneiden energiankulutusta on tärkeää huomioida, että energiatehokkuus lasketaan valmistettua kappaletta kohden (Kuhn 2008). Kuvassa 19 on esitetty kahden Trumpfin valmistaman laserleikkauskoneen suhteellinen energiankulutus. Vasta osakohtaisia säästöjä verrattaessa voidaan osoittaa, että tehokkaammalla koneella saavutetaan säästöä. 160 % 140 % 120 % 100 % 80 % 60 % Trulaser 3030 (4kW) Trulaser 5030 (6kW) 40 % 20 % 0 % Sähkö Kaasu Sähkö Kaasu tuntia kohden osaa kohden Kuva 19. Kahden laserleikkauskoneen energiankulutusvertailu (Kuhn 2008).

41 2.4.3 Särmäyspuristimen energiankulutus Tutkimuksessa (Devoldere et al. 2007) mitattiin puristusvoimaltaan 50 tonnin särmäyspuristinta. Puristimelta mitattiin eri operaatioihin kulunut aika sekä samaan operaatioon kulunut energiamäärä. Energiaa mitatussa särmäyspuristimessa kuluu kolmen moottorin sekä pienempien servomoottoreiden sekä laitteeseen liitetyn tietokoneen ja hallintalaitteiston kulutukseen. Taulukossa 2 on esitetty särmäyspuristimen työvaiheet ja niihin kuluva aika prosessin kokonaiskestoon verrattuna. Varsinainen lisäarvoa tuottava aika eli taivutusprosessi (5a ja 5b) on prosessin kokonaiskestoon verrattuna varsin lyhyt, jonka vuoksi puristimen muuna aikana tapahtuvan energiankulutuksen merkitys kasvaa. Taulukko 2 Särmäyspuristimen työvaiheet ja niihin kulunut aika (Devoldere et al. 2007) Tutkittaessa koneen energiankulutusta ajan funktiona (esitetty kuvassa 20) nähdään, että vaiheiden 5a ja 5b aikana kulutus on hetkellisesti erittäin suurta, mutta lyhytaikaista, kuten jo aiemmin todettiin. Energian kokonaiskulutuksesta 65 prosenttia kului ei-lisäarvoa tuottavana aikana ja vain 35 prosenttia vaiheiden 5a ja 5b aikana. Suurin sähkönkulutus johtuu pääpumpusta, joka kuluttaa myös ei-tuottavina aikoina runsaasti energiaa.

42 Kuva 20. Särmäyspuristimen kumulatiivinen teho W ajan funktiona (Devoldere et all 2007). Korvaamalla tämä hydraulipumppu sähkömoottorilla, kuten uusissa särmäyspuristimissa on tehty, voitaisiin tutkimuksen mukaan säästää suoraan energiankulutuksessa sekä myös huoltokustannuksissa, joka myös osaltaan vähentää koneen käyttökustannuksia. Näin ollen olisikin olennaista keskittää huomio näihin osa-alueisiin, kun haetaan energiatehokkuuden parannusta ja tuottavuuden kasvua.

43 2.5 Tuotannon energiatehokkuuden parantaminen Tuotannon energiatehokkuutta voidaan parantaa eri tavoin. Yksinkertainen jako voidaan tehdä parannuksiin, jotka parantavat suoraan tuotannon energiatehokkuutta sekä epäsuoriin parannuksiin, jotka lyhentävät tuotannon läpäisyaikaa (GE Fanuc Automation 2007). Energiatehokkuutta voidaan parantaa suoraan parantamalla koko tuotantosysteemin energiatehokkuutta muun muassa seuraavin toimenpitein (GE Fanuc Automation 2007): käyttämällä tehokkaita synkronimoottoreita ottamalla talteen moottoreiden jarrutusenergiat vähentämällä energiahäviöitä hyödyntämällä uusimpia kytkinlaitteita. Epäsuorasti energiankulutukseen voidaan vaikuttaa lyhentämällä operaation läpäisyaikaa (GE Fanuc Automation 2007). Tämä saavutetaan: nopeammilla moottoreiden kiihdytyksillä ja jarrutuksilla servotekniikalla käyttämällä nopeita karan ohjauksia parantamalla ohjauksen ratoja, jotka mahdollistavat suuremmat syötöt.

44 Tuotannon energiatehokkuutta voidaan parantaa monin eri tavoin. Herrmann ja Thiede (2009) luokittelevat parannukset prosesseihin tai koneisiin tehtäviin parannuksiin, koko tuotantosysteemiin tehtäviin muutoksiin ja taloteknisiin parannuksiin. Tarkemmin kyseinen jaottelu on esitetty taulukossa 3. Taulukko 3 Energiatehokkuuden parantamismahdollisuudet eri osa-alueilla (Herrmann & Thiede 2009)

45 2.5.1 Energiatehokkuutta parantavat tuotannonjärjestelylliset toimenpiteet Tehokas tuotannonohjaus on jo pitkään ollut yksi tärkeimmistä työkaluista pyrittäessä kustannustehokkaaseen sekä aika-, laatu- että määrävaatimukset täyttävään tuotantoon. Energiakustannusten noustessa myös yritysten into vähentää energiankulutusta on noussut näiden perinteisten tuotantovaatimusten rinnalle tavoiteltaessa säästöjä (Herrmann & Thiede 2009). Yhdistämällä energiavirrat tuotannonohjausjärjestelmään voidaan yhtä lailla pyrkiä energiatehokkaaseen tuotantoon täyttäen kuitenkin myös edellä mainitut perinteiset kriteerit. Pelkästään yksittäisiin tuotantokoneisiin tehtävät energiatehokkuuden parannustoimet ovat merkittäviä, mutteivät riittäviä (Herrmann & Thiede 2009). Myös tuotannonsuunnittelun ratkaisuilla sekä koko tuotantojärjestelmän suunnittelulla on merkittävä vaikutus energiatehokkuuteen ja ne pitäisi ottaa huomioon kokonaiskulutusta minimoitaessa. Tuotantojärjestelmän suunnittelun ratkaisut vaikuttavat esimerkiksi tarvittavien tukitoimintojen ja laitteiden kuten paineilmalaitteiden mitoitukseen. Toisaalta tuotannonsuunnittelulla voi olla merkitystä, sillä erilaiset energiankulutuksen kuormituspiikit voivat aiheuttaa yrityksen energiakustannuksiin suuren lisän, jos ne on jätetty huomioimatta (Herrmann & Thiede 2009). Prosessiketjusimulointi, jonka pyrkimyksenä on energiatehokkuuden parantaminen, voidaan jakaa seuraaviin päävaiheisiin (Herrmann & Thiede 2009): 1. tuotantoprosessien analyysi i. koneet, materiaalivirrat, tuotantosuunnitelmat 2. tuotantokoneiden ja prosessien energia-analyysi 3. talotekniikan energia-analyysi 4. energiankulutuksen analysointi i. kulutuspiikkien sekä muiden sähkön hintaan vaikuttavien arviointi 5. tuotantosysteemin integroitu simulaatio ja arviointi.

46 Prosessiketjusimuloinnin, jonka tarkoituksena on energiatehokkuuden parantaminen, pääasiallisena erona normaaleihin tuotannon optimointisimulaatioihin on, että myös tuotannon energiavirrat (ja -kustannukset) huomioidaan merkittävinä muuttujina optimoinnissa sekä tulosten arvioinnissa. Projektiketjusimulointi PK-yrityksen tuotannossa Prosessiketjusimuloinnin tarjoamien potentiaalisten hyötyjen osoittamiseksi mallia simuloitiin laakereiden sisärenkaita autoteollisuudelle valmistavan saksalaisen PKyrityksen tuotantoon (Herrmann & Thiede 2009). Tuotantolinjoilta kerättyyn dataan perustuen suoritettiin käytännön simulointeja, joiden perusteella arvioitiin, miten erilaiset muutokset tuotannonjärjestelyissä vaikuttivat läpäisyaikaan, tuotannon energiankulutukseen ja -kustannuksiin. Tuotantolinja koostui valmistusketjusta, johon kuului useampia eri tuotantovaiheita, jotka ovat esitettynä kuvassa 21. Merkittäväksi osuudeksi tuotannon suunnittelun kannalta ketjussa muodostuu lopun avarrus-karkaisu-hionta-ketju, joka on mahdollista suorittaa kahdella identtisellä tuotantolinjalla. Suoritetuissa simuloinneissa mallinnettiin näitä kahta identtistä tuotantolinjaa, joiden välillä vaihdeltiin tuotannon kuormituksia sekä sarjakokoja. Kuva 21. Simuloidun valmistusketjun työvaiheet (Herrmann & Thiede 2009). Simuloinnit tehtiin 200 kappaleen sarjoina valmistettaville osille, joiden valmistuseräkokoina käytettiin 25, 50 ja 100 kappaleen eriä. Näiden eräkokojen erilaisia tuotantosuunnitelmia (14 kappaletta) simuloitiin ja arvioitiin tuloksia, niin

47 tuotannon läpäisyajan, sähkönkulutuksen kuin sähkökustannusten perusteella. Avarruskoneella ja hionnassa oli mahdollista koneistaa yhtä työkappaletta kerrallaan, kun karkaisu voitiin suorittaa yhtäaikaisesti työkappaleelle. Lisäksi koneiden oletettiin olevan sammutettuja (energiankulutus = 0) hetkellä, jolloin tuotantolinja ei ollut käytössä. Simuloinnin tulokset ovat esitettyinä taulukossa 4 ja kuvassa 22. Simuloinnin tuloksista käy ilmi, että tuotantosuunnitelmia optimoimalla voidaan vaikuttaa tuotannon energiankulutukseen. Simuloinnilla kävi myös selvästi ilmi kulutuspiikkien negatiivinen vaikutus tuotannon energiakustannuksiin. Tämä kulutuspiikkien negatiivinen vaikutus ilmeni selvästi simuloitaessa molempien linjojen samanaikaista tuotantoa. Kulutuspiikit voivatkin yrityksen sähkösopimuksesta riippuen aiheuttaa merkittävän osan konepajan sähkölaskusta (Herrmann & Thiede 2009), etenkin pienten ja keskisuurten yritysten kohdalla. Taulukko 4 Prosessiketjusimuloinnin tulokset (Herrmann & Thiede 2009)¹ ¹Asynkr. tarkoittaa tuotantotilaa, jossa molempien tuotantolinjojen samanaikaista käyntiä vältetään. Vaihtoehdossa S9* on käytetty samoja eräkokoja kuin vaihtoehdolla S9, mutta tuotanto on siirretty yöaikaan.

48 Kuvassa 22 simuloinnin tulokset on ilmoitettu siten, että keskiarvotulosta vastaa lukuarvo 1,0, johon muita mittaustuloksia sitten verrataan. Kuva 22. Simuloinnin tulokset (1,0 = mittausten keskiarvo) (Herrmann & Thiede 2009). Simuloinnin tuloksista (kuva 22) tehtiin yleisesti seuraavia huomioita: eri muuttujille asetetut tavoitteet ovat usein vahvasti ristiriidassa keskenään kuormituspiikeistä merkittävä kustannusten kasvu energiatehokkain ei välttämättä ole halvin ratkaisu. Kun eri vaihtoehtojen tuotannon energiankulutuksen vaihteluväliksi todettiin 127,95-172,85 kwh, niin samanaikaisesti simuloitujen tulosten perusteella laskettujen kuukausittaisten energiakustannusten todettiin vaihtelevan jopa yli 160 % ( ) näiden eri vaihtoehtojen kesken, verrattaessa halvimpaan (energiakustannus) mahdolliseen tuotantovaihtoehtoon. Kulutuspiikit olivat suurimpana syynä tähän suureen energiakustannusten vaihteluun. Kulutuspiikkien merkitys yrityksen energiakustannuksiin on riippuvainen yrityksen sähkösopimuksesta (Herrmann & Thiede 2009). Vaihtoehtona kuormituksen aiheuttamille koville kustannuksille simuloitiin tuotannonsiirtoa yöaikaan (tuotantovaihtoehto S9*). Tuotannonsiirron yöaikaan

49 todettiin tarjoavan mahdollisuuden kustannussäästöihin perustuen yösähkön halvempaan hintaan. Energiatehokkaimmaksi tuotantovaihtoehdoksi osoittautui molempia tuotantolinjoja käyttävä 25 tai 50 sarjakoolla suoritettava valmistus. Kuitenkin energiakustannuksiin tämä molempien linjojen käyttäminen vaikutti negatiivisesti, sillä kustannukset muodostuvat korkeammiksi kuin käytettäessä vain yhtä valmistuslinjaa. Integroidun simuloinnin pääasiallisena tarkoituksena on ottaa mukaan prosessiin niin taloudelliset kuin ekologisetkin tekijät, jolloin tuloksista on helppo poimia ratkaisut, jotka täyttävät kaikki minimivaatimukset. Vastaavan simulaation pääasiallisena etuna yritykselle onkin löytää mahdolliset tuotantovaihtoehdot ja osoittaa eri muuttujien optimoinnin tarjoamat mahdollisuudet. 2.6 Energiaa säästävät ratkaisut työstökoneissa Viime vuosien aikana ovat myös erityiset energiaa säästävät ratkaisut lisääntyneet kaikissa konepajan koneissa mukaan lukien lastuavat työstökoneet sekä levytyökoneet. Energian hinnan noustessa ja kokonaiskulutuksen sekä koneisiin liitettyjen sähkölaitteiden jatkuvasti lisääntyessä voidaan työstökoneiden energiankulutusta rajoittamalla saada aikaan suuriakin säästöjä. Etenkin useat eurooppalaiset ja aasialaiset valmistajat pyrkivätkin jatkuvasti rakentamaan työstökoneita, joiden energiankulutus on minimoitu (Scianna 2008). Toisena kehitysalueena ovat olleet erityiset ratkaisut ja lisälaitteet, jotka sellaisinaan parantavat työstökoneiden energiatehokkuutta.

50 Energiansäästöä voidaan saavuttaa muun muassa seuraavilla ratkaisuilla: stand by laitteistoilla laitteiden sammutus seisontatilassa työstöprosessissa syntyvän hukkalämmön talteenotto jäähdytysnesteiden ja öljyn ja vastaavien käytön optimointi uudet teknologiat koneissa (moottorit, johteet ym) koneen säännölliset huollot automaatiotaso. Energiankäyttö työstökoneissa on vähentynyt läpi linjan lukuun ottamatta viimeisimmän tekniikan koneita. Teknologiat, joita viimeisimmän tekniikan koneissa käytetään niiden tullessa markkinoille, eivät useimmiten ole vielä kovin tehokkaita tai ekologisia, joten koneita suunniteltaessa ei useimmiten ajatella ekologisesti, vaan halutaan vain maksimoida koneen tuotantotehokkuus (Scianna 2008). Työstökoneiden koolla on usein myös suora suhde energiankulutukseen ja muihin ekologisiin vaikutuksiin. Pieni kone kuluttaa yleisesti vähemmän energiaa, jäähdytysnesteitä ja muita vastaavia sekä voiteluaineita (Scianna 2008) Seisova kone kuluttaa energiaa Työstökoneet kuluttavat työkappaletta työstettäessä runsaasti energiaa, ja lastuamisprosessilla onkin oma välttämätön tehontarpeensa. Kuitenkin energiatehokkuuden kannalta on erittäin tärkeää ottaa huomioon, että nämä tuotantokoneet kuluttavat usein myös seisoessaan suuren määrän energiaa. Mitä enemmän kone seisoo, sitä enemmän energiaa kuluu hukkaan. Arviot kokonaissäästöpotentiaalista vaihtelevat, mutta esimerkiksi Frauenhofer Institutin (Frauenhofer Gesellschaft 2008) mukaan koneiden seisonta-aikojen leikkaus tarjoaa noin prosentin säästömahdollisuuden koneiden energiakustannuksissa. Kuhrken ja Rothenbücherin (2008) mukaan yksinkertaisilla toimilla voidaan säästää jopa 14 prosenttia kuluista.

51 W:n kulutus on varsin yleinen seisovalle koneelle (Koelsch 2008). Kuitenkin esimerkiksi hydraulipumppu voi pahimmallaan kuluttaa seisoessaankin jopa 4kWh (Kuhrke & Rothenbücher 2008). Näin ollen seisokkiaikojen minimointi muodostuu yhdeksi suurimmista mahdollisuuksista parantaa työstökoneiden ja koko konepajan energiatehokkuutta. Kuhrken ja Rothenbücherin tutkimuksessaan käsittelemän esimerkin hydraulipumppua tarvittiin vain noin 30 prosenttisesti koko prosessin kestosta, joten vuosittaiseksi säästöpotentiaaliksi laskettiin jopa kwh, mikä saavutettaisiin sammuttamalla pumppu aina väliaikaisesti Stand by -valmiustilat Työstökonevalmistajat ovat puuttuneet tähän tutkimuksissa todettuun huomattavaan energiakulutukseen koneiden seisoessa ja konevalmistajat (niin lastuava- kuin myös levytyökone) sisällyttävätkin koneisiinsa nykyään mahdollisuuden ottaa käyttöön niin sanottu stand by -valmiustila. Stand by -valmiustilalla tarkoitetaan tilaa, johon kone jää varsinaisten työstötapahtumien välillä. Stand by -tilan ideana on sammuttaa osa työstökoneen toiminnoista energian säästämiseksi, mutta kuitenkin siten, että kone on myös nopeasti käynnistettävissä seuraavaa valmistettavaa tuotantosarjaa varten. Työstökonevalmistajat, kuten Haas Industries, sisällyttävät stand by -tilan nykyään jo kaikkiin koneisiinsa. Haasin käyttämässä stand by -systeemissä koneenkäyttäjä voi ajastimen avulla säätää, kuinka pitkän ajan jälkeen käyttämättä oleva kone sammuttaa itsensä (Scianna 2008). Vastaavasti Mori Seikin suuri japanilainen työstökonevalmistaja Mark Mohr ilmoittaa, että stand by -moodissa heidän koneensa kulutus putoaa 78 % aikaisempaan seisovan koneen energiankulutukseen verrattuna. Samalla myös koneen työstönaikaista energiankulutusta on myös saatu vähennettyä 36 %, jolloin kokonaissäästöt ovat yli 40 % energiankulutuksessa (Scianna 2008). Esimerkki stand by -tilan käytöstä työstökoneessa on Mazakin vaakakarainen koneistuskeskus Nexus 8800-II, jonka kehityksessä energiankulutuksen minimointi on ollut yksi keskeisistä teemoista. Kone on suunniteltu suurten kappaleiden koneistamiseen, ja työstettävien kappaleiden maksimikoko onkin 1450x1450. Kun

52 koneistuskeskus on pysähdyksissä, stand by -tila tulee käyttöön, ja kone pysäyttää automaattisesti osan toiminnoistaan energiaa säästääkseen. Pysähtyviä toimintoja ovat hydrauliyksikkö, karajäähdytin, lastunkuljetin, voitelu- ja jäähdytyspumput sekä laitteen valot (Konekuriiri 2009). Stand by -tilaa käyttämällä saadaan koneen seisokin aikaista energiankulutusta vähennettyä jopa 70 prosenttia. Vaikka stand by -tila on koneen tärkein ratkaisu energian säästöön, niin samalla on kuitenkin onnistuttu vähentämään koneen ilmankäyttöä sekä rajoittamaan jäteöljyn muodostumista. Ilmankäyttö on vähentänyt 45 prosenttia ja jäteöljyn määrä peräti 86 prosenttia. (Mazak Usa 2008).

53 2.6.3 Uusilla teknologioilla energiatehokkuutta ja kustannussäästöjä Erilaiset uusinta servotekniikkaa hyödyntävät moottorit ovat nostaneet päätään viime vuosina. Näillä tekniikoilla on mahdollista ottaa talteen koneen jarrutusenergia ja palauttaa se uudestaan käyttöön. Tämän avulla voidaan saavuttaa suuria energiansäästöjä, sillä tutkimusten mukaan nämä jarrutusajat muodostavat suuren osan koneen ajoajasta (Koelsch 2008). Moderneilla ohjaustekniikoilla voidaan säästää energiaa huomattavasti. Japanilainen työstökonevalmistaja Fanuc lupaa uusien 3-akselisten Robodrillkoneistuskeskuksiensa vähentävän energiankulutusta 55 prosenttia (kuva 23) konventionaalisella tekniikalla varustettuihin koneisiin verrattuna (Koelsch 2008). Kehittyneiden ohjaustekniikoiden käyttö lyhentää myös valmistuksen jaksonaikaa kolmannekseen alkuperäisestä ,8 28 ENERGIANKÄYTTÖ LÄPÄISYAIKA 10,7 Konventionaalinen systeemi Energiaa säästävä systeemi Kuva 23. Fanuc Robodrillin energiankulutus verrattuna konvetionaaliseen koneeseen (Zelinski 2006). Edellä mainittu leikkaus energiankulutuksessa johtuu monista eri syistä, mutta suurin säästö (jopa 40 prosenttia kokonaiskulutuksesta) saadaan ottamalla talteen osa liike-

54 energiasta koneen jarruttaessa. Fanucin havaintojen mukaan servomoottoria käytettäessä koneen jarrutusajat ovat melkein yhtä pitkäkestoisia kuin koneen liike- tai kiihdytysajat (Koelsch 2008). Näin ollen moottorien jarruttaessa voidaan ottaa talteen huomattava määrä laitteen liike-energiasta ja palauttaa se takaisin käyttöön. Vanhoilla konventionaalisilla koneilla tämä ei ole ollut mahdollista. Jarrutusenergian talteenotto on mahdollista niin akselia liikuttavasta moottorista kuin karamoottorista. Energiankulutuksen tarkka seuraaminen on mahdollista ohjauslaitteen näytöltä (kuva 24), josta nähdään niin kulutettu energia kuin myös uusiokäyttöön taltioitu jarrutusenergia. Kuva 24. Ohjauslaitteen ikkuna energiankulutuksen seuraamiseen (Fanuc 2009). Jarrutusenergiaa hyödyntävän tekniikan käyttöönottoa tähän mennessä ja edelleen rajoittaa laitteiden hinta. Tekniikka ei maksa itseään takaisin laitteissa, jos jarrutusajat ovat suhteettoman lyhyitä verrattuna karan pyörimisaikoihin (Scianna 2008). Fanucin mukaan uuden tekniikan eron pitäisi olla nähtävissä kun vanhoja komponentteja korvataan uusilla komponenteilla. Fanuc ilmoittaa säästön energiankulutuksessa olevan merkittävä, kun 20 vuotta vanhojen koneiden komponentteja korvataan uusilla (Koelsch 2008).

55 2.6.4 Koneiden käyttötapojen muutoksilla energiatehokkuutta Fanuc on kehittänyt laitteisiinsa erityisen energiaa säästävän työstötilan (Power-saving mode), jota käyttämällä kone kuluttaa vähemmän energiaa (Fanuc 2009). Tämän työstötilan koneen käyttäjä voi halutessaan valita näyttölaitteelta tai käyttäen ohjelmakomentoa. Tilaa käytettäessä työstökoneen kiihdytykset ja jarrutukset ovat hitaita, mikä optimoi energiankäytön läpäisyajan sijaan. Energiansäästövalikosta voidaan laittaa päälle myös muita energiaa säästäviä ratkaisuja kuten näytönsäästäjä ja koneiden automaattinen sammutus. Koska vakioenergiankulutus muodostaa tyypillisesti suuren osan kokonaisenergiankulutuksesta, tuotannon tehostaminen on usein yksinkertainen tapa saavuttaa parempi energiatehokkuus muiden säästöjen ohella. Samalla kun kappalekohtainen prosessointiaika pienenee, jakautuu kokonaiskulutus suuremmalle kappalemäärälle, jolloin tuotetta kohden kulutettu energiamäärä pienenee. Tuotannon automaatioasteen lisäys johtaa useimmiten tuotannon tehostumiseen, jonka kautta vaikutus energiatehokkuuteen on positiivinen (Chua 2008). Toisaalta automatisoitu tuotanto kasvattaa tuotannon vakioenergiankulutusta, johtuen laitteiden runsaasta valmiustilan energiankulutuksesta, kuten Dahmus (2007) tutkimuksessaan osoitti. Automatisoitu tuotanto mahdollistaa kuitenkin myös muiden energiaa säästävien tekniikoiden hyödyntämisen, kuten valaistuksen vähentämisen tai laitteiden automaattisen poiskytkemisen virran säästämiseksi. Yleisten hyvien tuote- ja valmistussuunnittelun ohjeiden noudattaminen parantaa tuotannon energiatehokkuutta. Työstön aloittaminen muodosta, joka on mahdollisimman lähellä lopputuotetta, minimoi tuotekohtaisen prosessointiajan, jolloin prosessin energiatehokkuuskin paranee. Myös valmistuksen laatua parantamalla energiatehokkuus paranee, sillä jokainen valmistusketjun lopussa hylätty tuote aiheuttaa turhaa materiaalihukkaa kuin myös tuotteen prosessointiin kulunutta energiahukkaa (Frauenhofer Gesellschaft 2009). Prosessin parannustarve koskee etenkin prosessitasapainon parantamista, sillä tyypillisesti käynnistysvaiheessa koneet tuottavat eniten viallisia tuotteita (Frauenhofer Gesellschaft 2009).

56 2.6.5 Muita energiaa säästäviä ratkaisuja Työstökoneet voidaan ohjelmoida sammuttamaan valonsa, kun työstökoneen ovi on suljettu. Toimintoa voidaan kontrolloida ajastimilla, jotka esimerkiksi sammuttavat työstökoneen valot tietyn ajan kuluttua oven sulkeutumisesta. Esimerkiksi Mori Seiki hyödyntää jo ominaisuutta koneissaan (Scianna 2008). Vastaavaa ajastintekniikkaa käytetään laitteen ohjauslaitteissa. Näytönsäästäjä tulee näytölle, kun ohjauslaitteita ei käytetä. Myös työstökoneiden lamppuja on alettu korvata energiatehokkaammilla lampuilla sekä jopa erittäin vähän energiaa kuluttavalla LED-teknogialla (Scianna 2008). Haas Industriesin mukaan niin sanotut älykkäät systeemit, jotka tarkkailevat itseään sekä ilmoittavat esimerkiksi tarvittavista huolloista kuten öljynvaihdoista ovat tulevaisuuden teknologioita. Mori Seikillä uskotaan, että suurimmat säästöt on saavutettavissa koneilla, joilla voidaan suorittaa monia yhdistettyjä prosesseja. Yhdistämällä prosesseja saadaan koneista entistä tehokkaampia ja saavutetaan näin ollen sekä kustannus- että energiankulutussäästöä (Scianna 2008). Prosessien yhdistäminen myös lyhentää prosessin läpäisyaikoja sekä vähentää materiaalihukkaa, joten yhdistettyjä prosesseja voidaan pitää osa-alueena, jolla on mahdollista saavuttaa merkittäviäkin säästöjä tulevaisuudessa (Frauenhofer Gesellschaft 2009). Öljysumun ja -savun suora ulospuhaltaminen aiheuttaa monelle konepajalle tarpeettoman kustannuserän. Työstöprosesseissa syntyvän lämmön talteenotolla voidaan vaikuttaa merkittävästi konepajan energiatehokkuuteen. Tämä korostuu Suomen kaltaisessa maassa, jossa vuosittainen lämmityksen tarve on usein suuri. Suodattimilla parannetaan useimmiten samalla myös työympäristön viihtyvyyttä ja puhtautta, mikä pidentää myös konepajan muiden koneiden käyttöikiä. Laitteistoja on tarjolla niin konekohtaisesti kuin myös malleja, jotka ovat yhdistettävissä useampaan työstökoneeseen. Myös koneelta toiseen liikuteltavia malleja on tarjolla. Esimerkiksi italialainen suodattimiin erikoistunut valmistaja Sei (Sistemi Ecologici per l Industria 2009) lupaa, että heidän koneensa ovat helposti liitettävissä kaikenlaisiin työstökoneisiin. Myös muilla valmistajilla kuten Absolentilla on ratkaisuja kaikenlaisten koneistettaessa syntyvien kaasujen ja savujen suodattamiseen.

57 3 Tutkimustulokset 3.1 Kysely konepaja-alan asiantuntijoille Tutkimuksen yhteydessä järjestettiin haastatteluita, joissa työstökoneiden asiantuntijoilta kysyttiin työstökoneiden energiankäytöstä sekä tähän olennaisesti liittyvistä osa-alueista. Haastatteluita suoritettiin henkilökohtaisilla tapaamisilla, puhelimitse sekä sähköpostitse. Haastateltaviksi valikoitui työstökoneita myyvien yritysten asiantuntijoita (4 kappaletta), joilla oli pitkäaikaista kokemusta työskentelystä joko lastuavien työstökoneiden tai ohutlevytyökoneiden parissa, ja yksi henkilö, joka työskenteli työstökonehuoltojen parissa. Myyjistä kolme työskentelivät pääosin lastuavien työstökoneiden parissa ja yksi levytyökoneiden parissa Kysymysten tausta Kysymyslistaa laadittaessa mietittiin, millä osa-alueilla haastateltavien asiantuntevuus olisi tutkimuksen avuksi. Kysymyslistaa päivitettiin ensimmäisten haastatteluiden jälkeen, jotta tulevissa saataisiin paremmin irti halutut asiat, ja jotta kysymykset olisivat haastateltaville mahdollisimman yksinkertaisia ja selkeitä. Haastatteluissa käytetty kysymyslista on esitetty liitteessä 2. Ensimmäisillä kysymyksillä pyrittiin ottamaan selvää, kuinka suuria parannusmahdollisuuksia eri osa-alueilla (työkalut, koneen käyttötavat ja niin edelleen) on. Ensimmäisten haastattelujen jälkeen kyselyyn lisättiin muun muassa koneen huollot, sillä tämän todettiin olevan yleisesti merkittävä tekijä, joka tuli ilmi keskusteluissa. Koska lastuavat työstökoneet ja levytyökeskukset sekä muut levytyökoneet ovat tyypillisesti suuria investointeja konepajoille, niille on usein tapana tehdä modernisointeja, joissa koneen osia vaihdetaan ja konetta mahdollisesti uudistetaan lisäämällä uusia ohjauksia tai lisälaitteita. Tämän vuoksi kyselyssä haluttiin selvittää, minkälaisia mahdollisuuksia nähtiin vanhojen koneiden energiatehokkuuden parantamiseen näiden remonttien yhteydessä.

58 Tutkimuksella haluttiin myös selvittää, onko markkinoilla olevien eri valmistajien koneiden energiankäytössä suuria eroja, jotta mahdollisesti löytyisi yrityksiä, jotka ovat paneutuneet energiankulutuksen minimointiin sekä jotta nähtäisiin kuinka hyvin tutkimuksen tulokset ovat yleistettävissä koskemaan eri valmistajien koneita. Samalla haluttiin myös kysyä asiantuntijoiden mielipidettä koneiden energiankulutuksen kehityksestä viime vuosikymmeninä pyytämällä vertailua uusien koneiden energiankulutuksesta verrattuna vanhempiin koneisiin. Tähän yhteyteen lisättiin kysymys koneiden taloudellisesta käyttöiästä, sillä koneet vanhenevat myös muilta osin kuin vain energiankäytön osalta. Tähän haluttiin asiantuntijan näkemys, jotta voitaisiin analysoida, tapahtuuko energiatehokkuuden parantuminen melkeinpä itsestään asiakkaiden uusiessa konekantaansa tuotantoa tehostaakseen. Viimeisimpänä tärkeänä asiana haluttiin saada kartoitusta, kuinka hyvin myyjien asiakkaina toimivat konepajat ovat tietoisia ja kiinnostuneita koneiden energiankäytöstä, ja miten he mahdollisesti ottavat energiatehokkuuden huomioon, jos näin tapahtuu.

59 3.1.2 Haastatteluiden tulokset Haastatteluiden tulokset on seuraavassa esitetty kysymyskohtaisesti. Jokaisen kysymyksen alle on koottu kaikkien vastaajien vastaukset tiivistetysti. Onko tarpeen mitata yksittäisen koneen energiatehokkuutta ja mitkä tekijät koneen käytössä ja käyttötavoissa vaikuttavat merkittävimmin koneen energiatehokkuuteen? Haastatteluissa kävi ilmi, että energiakulutuksen seuraaminen ja mittaaminen kuuluvat myyjien mielestä olennaisena osana koneen päivittäiseen seurantaan. Kuitenkin myös tätä kyseenalaistettiin perustuen siihen, että asiakkaat eivät ole kiinnostuneita koneiden energiatehokkuudesta. Suurimpina vaikuttajina koneen energiatehokkuuteen nähtiin koneiden järkevä käyttö (oikean kokoinen kone oikeaan tehtävään), oikein valitut työkalut ja käytettävät työstöarvot sekä koneiden säännöllisesti hoidetut huollot. Etenkin koneiden järkevällä käytöllä oikeine työkaluineen nähtiin olevan merkittävä vaikutus koneen kokonaisenergiankulutukseen. Arviot tämän vaikutuksesta vaihtelivat % välillä. Miten työstökoneiden modernisointien rooli nähdään energiatehokkuuden parantamisessa? Koneiden modernisointien yhteydessä katsottiin yleisesti olevan hyvä paikka miettiä myös koneen mahdollista energiatehokkuutta. Kuitenkaan modernisointien ei katsottu olevan perusteltuja pelkän energiatehokkuuden parantumisen nojalla. Arviot parannuspotentiaalista olivat melko varovaisia (noin 10 %). Nähtiinkö eri valmistajien koneiden energiatehokkuudessa eroja? Lastuavien työstökoneiden kanssa työskentelevät eivät nähneet suuria eroja energiatehokkuudessa eri valmistajien kesken. Levytyökoneiden osalta ero nähtiin suurempina (20-30 %). Etenkin laserleikkauskoneiden hyötysuhteissa voi olla suuria eroja.

60 Mikä on nykykoneiden energiatehokkuus verrattuna vuotta vanhoihin koneisiin, ja mikä on koneiden taloudellinen käyttöikä? Arviot uusien koneiden energiansäästöstä verrattuna vuotta sitten valmistettuihin koneisiin vaihtelivat, riippuen konetyypistä, mutta erot todettiin yleisesti melko suuriksi (20-40 %). Etenkin suurissa tehokkaimmissa koneissa, joissa käytetään paljon juuri koneen valmistushetkellä tarjolla olevaa huipputeknologiaa, erot energiankäytössä voivat olla erittäin merkittäviä verrattaessa uusia koneita vuotta vanhoihin koneisiin. Arviot koneiden yleisestä taloudellisesta käyttöiästä vaihtelivat vuoden välillä myös riippuen konetyypistä. Suurten tehokkaampien koneiden taloudelliseksi käyttöiäksi arvioitiin vain noin vuotta. Todettiin myös, että ikääntyneet (ikä yli 20 vuotta) koneet eivät ole pelkästään energiatehokkuudeltaan huonoja, vaan ne ovat useimmiten jo tekniikaltaan vanhentuneita. Minkälaisia erityisiä mahdollisuuksia konepajoissa on energiansäästöön? Erityisistä energiansäästötavoista nykykoneissa haastatteluissa nousivat esiin työstökoneiden itsensä sammuttavat stand by -systeemit. Näitä haluttiin konepajoihin myös asiakkaiden toimesta. Tosin usein niiden käyttöönottoa ajoi enemmänkin turvallisuus kuin energiansäästö. Muita esiin tulleita tapoja olivat lämpöenergian käyttöönotto sekä koneiden valojen korvaaminen LED-tekniikalla. Vastoin yleistä julkaisuista saatua kuvaa energiaa talteenottavat ja säästävät lineaarimoottoriratkaisut eivät olleet vielä yleistyneet saati ollenkaan saatavilla myynnissä olevissa uusissa lastuavissa koneissa. Miten asiakkaat kiinnittävät huomiota energiatehokkuuteen? Asiakkaat eivät pidä energiatehokkuutta merkittävänä asiana koneita hankittaessa. Koneita hankitaan pääosin koneesta irti haluttavan maksimitehon mukaan, ja siten koneen energiankäyttö ei ole merkittävässä osassa päätöksentekoa.

61 Konemyyjien muita huomioita koskien konepajojen energiatehokkuutta Yleisenä huomiona energiatehokkuuden jäämisestä huomiotta oli prosesseissa syntyvän lämmön johtaminen suoraan ulos konepajoista. Lämmön talteenotto ja hyödyntäminen kiinteistön lämmitykseen puuttuivat usein kokonaan. Tämä nähtiin merkittävänä epäkohtana ottaen huomioon Suomessa ilmaston vuoksi tarvittava kiinteistöjen pitkäaikainen lämmitystarve Yhteenveto haastatteluista Kokonaisuutena haastatteluista kävi ilmi, ettei ainakaan haastateltujen kokemusten mukaan tuotantokoneiden energiatehokkuutta nähty kovinkaan merkittävänä asiana konepajoissa. Heidän asiakkaansa eivät juuri kiinnittäneet huomiota energiatehokkuusasioihin, eikä näin ollen koneiden energiakustannuksilla ollut merkitystä asiakkaille esimerkiksi uutta konetta hankittaessa. Asiakkaiden vaatimuksena oli esimerkiksi lastuaville työstökoneille useimmiten vain tehokas lastunirrotus. Haastateltavat itse näkivät energiankäytön seurannan ja energiatehokkuuden mittaroinnin tärkeänä osana konepajan päivittäistä seurantaa sekä energiatehokkuuden parantamisen mahdollisuutena saavuttaa kustannussäästöjä. Erityisistä potentiaalisista energiansäästökohteista tulivat ilmi konepajan tuotantoprosesseissa syntyvän lämmön talteenotto ja muissa lähteissä pienelle huomiolle jääneet koneiden säännöllisesti hoidetut huollot. Lämpöenergian talteenotto nähtiin merkittävänä tapana säästää energiaa, sillä Suomessa on varsin pitkä vuotuinen lämmitystarve. Huoltojen katsottiin olevan suuressa roolissa myös energiatehokkuuden kannalta, jotta kone toimisi tehokkaasti (myös energiatehokkaasti) koko elinkaarensa ajan. Myös koneiden käytön optimoinnissa nähtiin olevan säästöpotentiaalia, mutta kokemusten mukaan tämä jää itse koneita käytettäessä varsin pienelle huomiolle. Kirjallisuuslähteissä paljon huomiota saaneet stand by -laitteet olivat asiakkaiden tiedossa ja käytössä, mutta näiden hankkimista motivoivat enemmän turvallisuusnäkökohdat kuin mahdollinen energiansäästöpotentiaali.

62 3.2 Konepajojen energiakatselmukset Osana tutkimusta analysoitiin konepajoissa vuosina tehtyjä energiakatselmuksia ja analyysejä (n = 9 ). Tavoitteina oli saada selville: 1. Miten konepajojen energiankulutus ja -kustannukset yleisesti jakautuvat eri energiamuotojen välillä? 2. Kuinka suuren osuuden energiankulutuksesta muodostavat tuotantokoneet? 3. Onko katselmusten yhteydessä jo tehty tuotantokoneiden energiatehokkuutta parantavia muutoksia? Tutkimusta varten pyydettiin yritysten tuotantolaitoksissaan tekemiä energiaanalyyseja. Analysoitavaksi saatiin yhdeksän eri kohteissa tehtyä katselmusta. Katselmusten konepajat erosivat toisistaan niin tuotanto- ja toimistotiloiltaan kuin myös tuotantoprosesseiltaan. Samoin tehtyjen katselmusten laajuudet ja kattavuudet erosivat toisistaan. Katselmukset olivat lisäksi tehty vuosina , joten myöskään analyysien energiakustannukset eivät ole aivan suoraan vertailukelpoisia keskenään johtuen muuttuvista energiahinnoista. Kustannusten diskonttaus nykyarvoon on kuitenkin jätetty tekemättä, sillä sen ei katsottu olevan merkitsevä asia vertailtaessa yrityksien sisäistä eri energiatyyppien keskinäistä kulutusta. Yrityksissä tehtyjen katselmusten analysointiin on sisällytetty lämpö-, sähkö-, ja vesikulutukset, sillä vain näiden kulutusta esiintyi tai oli arvioitu kaikissa analyyseissa. Näin ollen joissain kohteissa esiintynyt kaasun kulutus jätettiin huomioimatta. Myöskään vesikustannuksissa ei ole eroteltu vesi- ja jätevesikustannuksia, sillä näiden erottelua ei löytynyt kaikista analyyseista.

63 3.2.1 Energiankulutuksen jakautuminen kohteissa Lämpö- ja sähköenergian vuosittaiset kulutukset olivat useimmissa kohteissa keskenään samaa suuruusluokkaa (MWh). Kohteiden tarkat vuosikulutukset on esitetty taulukossa 5. Taulukosta nähdään, että viidessä kohteessa lämmönkulutus oli määrällisesti suurempi ja neljässä vastaavasti sähkönkulutus. Taulukko 5 Kohteiden lämpö- ja sähköenergian vuosikulutukset Huolimatta siitä, että kulutukset olivat kohteissa samaa suuruusluokkaa ja neljässä kohteessa sähkönkulutus oli suurempaa, niin vain yhdessä kohteessa kuitenkin nähtiin suurimman suhteellisen säästöpotentiaalin olevan sähkössä. Vastaavasti kuudessa kohteessa suurimman säästöpotentiaalin nähtiin olevan lämpöenergian kulutuksen vähentämisessä.

64 Jos katsotaan kohteiden energiakustannuksia, huomataan, että rahallisesti sähkönkulutus (kuva 25) nousee huomattavasti merkittävämmäksi kuin lämpöenergiakustannus. ENERGIAKUSTANNUSTEN JAKAUTUMINEN ENERGIAMUOTOJEN KESKEN VESI 4 % LÄMPÖ 35 % SÄHKÖ 61 % Kuva 25. Energiankustannusten jakautuminen keskimäärin eri energiamuotojen kesken tutkimuskohteissa. Sähköenergia muodosti suurimman kuluerän yrityksille jokaisessa analysoidussa kohteessa. Kuitenkin energiamuotojen kustannusten jakautumisessa oli melko suuriakin eroavaisuuksia kohteiden välillä. Energiamuotojen kustannukset kohteittain on esitetty taulukossa 6. Taulukko 6 Energiakustannusten jakautuminen kohteittain

65 Etenkin kohteiden lämpökustannukset suhteessa kokonaisenergiakustannuksiin vaihtelivat runsaasti. Vesikustannukset eivät missään analysoidussa kohteessa nousseet merkittäväksi kustannuseräksi verrattuna sähkön- tai lämmönkulutukseen. Kustannusten keskimääräinen jakautuminen on esitetty taulukossa 7. Taulukko 7 Energiakustannusten keskimääräinen jakautuminen tutkimuskohteissa Tyypillisesti suurimman sähkönkulutuksen kohteissa muodostavat prosessilaitteet. Muut merkittävät sähköenergian kuluttajat ovat valaisimet sekä ilmanvaihtolaitteet. Kohteiden sähkönkulutuksen jakautuminen on esitetty taulukossa 8. Taulukko 8 Sähkönkulutuksen jakautuminen kohteissa Taulukosta voidaan todeta, että useimmissa kohteissa prosessikoneiden energiankulutus on merkittävintä sähköenergian kokonaiskulutukseen verrattaessa. Kuitenkin kaikissa kohteissa, mutta etenkin kohteissa, joissa prosessilaitteiden energiankulutus on suhteessa varsin pieni, valaisimet ja ilmanvaihto kuluttavat merkittävän osuuden kokonaiskulutuksesta.

66 3.2.2 Kattavan mittariston merkitys energia-analyyseissa Kuten aiemmin on mainittu, katselmusten laajuus vaihteli, eli joukossa oli niin pelkkiä katselmuksia kuin myös analyysilaajuisia selvityksiä. Tämän lisäksi kattavuus mittariston osalta erosi myös kohteiden välillä. Kattavuus vaihteli muutaman kohteen konekohtaisesta sähkönkulutuserittelystä tuotantolinjakohtaiseen. Eräässä yrityksessä koettiin ongelmalliseksi se, etteivät tehtaan sisäiset tulosyksiköt pystyneet seuraamaan energiankulutustaan, ja näin ollen he eivät myöskään voineet seurata mahdollisilla tehostamistoimilla saavutettavia hyötyjä. Tarkemman mittaroinnin etuna nähtiin myös, että näin ollen rajalliset resurssit voitaisiin kohdistaa paremmin ongelmallisimpiin kohteisiin, kun tunnettaisiin energiakustannusten rakenne nykyistä paremmin. Vaatimus tarkemmasta mittaroinnista koski kattavasti niin sähkön alamittarointia kuin myös kaukolämmön seurantaa. Toisessa kohteessa, jossa esiintyi lastuavan työstön koneita tehoalueeltaan 6 kw kw, ei myöskään ollut tietoa koneiden energiankulutuksesta muuten kuin tuotannon kokonaiskulutuksena. Kohteessa ei myöskään ollut tilastotietoa kohteen lastuavien työstökoneiden vuosittaisista käyttöajoista. Kyseisten tietojen puuttuminen tekee energiatehokkuuden analysoinnin kyseisten kohteiden prosessikoneiden osalta erittäin vaikeaksi. Riittävä mittaristo parannusprojektien pohja Jotta edes lähtökohtaisesti voitaisiin ryhtyä energiatehokkuuden parantamisprojektiin, on konepajassa oltava riittävä mittaristo energiankulutuksen mittaamiseen ja kohdentamiseen. Energiankäytön tehostumisen toteamisen ja energiatehokkuuden edistämisen edellytyksinä voidaan pitää riittävää mittarointia. Ilman riittävän tarkkaa mittarointia on vaikea kohdentaa syntyneitä säästöjä millekään tietylle toimenpiteelle. Riittävä mittarointi myös takaa mahdollisten toimenpiteiden toistettavuuden.

67 Jos mittaristoa ei vielä ole, sellainen on luotava. Energian käyttöä olisi syytä mitata mahdollisimman tarkasti, mieluiten jopa työstökonekohtaisesti, jotta saataisiin riittävän tarkkaa tilastotietoa. Mitä tarkemmin energiankulutus voidaan kohdentaa yksittäiselle työstökoneelle tai jopa vielä tarkemmin sen osalle, sitä helpompi on löytää ja suunnitella tulevia kehityskohteita. Eri kohteiden energiankulutuksen kohdentamisessa voi olla hyödyksi suorittaa esimerkiksi kuvan 26 mukainen energiankulutuksen jaottelu. Kuva 26. Energiankäytön jaottelu tuotantolaitoksessa (Leonardo Energy 2007). Kun erittely on saatu kone- tai laitetasolla tehtyä, on seuraava askel tehdä sama erittely yksittäisten koneiden tasolla, jolloin voidaan tarkemmin määritellä, mihin energia koneilla kuluu. Tarkka erittely auttaa etenkin mahdollisten energiatehokkuuden parantamiskohteiden löytämisessä. Koska erittely on suoritettu mittausten perusteella jo kone- tai laitetasolla, yksityiskohtaista, eri osille tehtävää erittelyä ei välttämättä kannata suorittaa kuin niille koneille, joiden energiankulutus muodostaa merkittävän osuuden kokonaiskulutuksesta.

68 Yleisesti mittaamalla sähkönkulutusta riittävän tarkasti saavutetaan muun muassa seuraavia etuja: säästökohteiden havaitseminen helpottuu epänormaalit poikkeamat kulutuksessa havaittavissa huoltotoimenpiteiden suoritus rajattujen resurssien kohdentaminen toimenpiteisiin helpottuu. Säästöä tavoitelleiden toimenpiteiden jälkeen mittaristo helpottaa tulosseurantaa: saavutetut säästöt helppo todentaa o säästöt voidaan kohdentaa yksittäiselle toimenpiteelle toimenpiteiden uusiminen. Toimenpiteiden pyrkimyksenä pitääkin olla jatkuva parantaminen, jossa pyritään parantamaan energiatehokkuutta askel askeleelta. Mittaamalla voidaan jokaisen tehdyn toimenpiteen tulos osoittaa helposti sekä näin ollen tehdä mahdolliset korjaavat toimenpiteet tai uusia kannattavat toimenpiteet.

69 3.2.3 Katselmuskohteissa havaitut säästöpotentiaalit Merkittävää oli, että kuudessa kohteessa yhdeksästä suhteellisesti suurimman säästöpotentiaalin havainnoitiin olevan lämpöenergiakustannusten leikkauksessa. Pääosin kiinteistöissä olikin keskitytty taloteknisiin parannuksiin kuten ilmanvaihdon, lämmityksen sekä valaistuksen kehittämiseen. Esimerkkejä tällaisista säästökohteista olivat muun muassa tuotantohallin ovien energiatehokkuuden parantaminen, valaistuksen ohjauksen parantaminen sekä ilmanvaihdon käyntiaikamuutokset. Tuotantokoneisiin, saati sitten työstökoneisiin, tehdyt muutokset olivat harvassa. Yhdessä katselmuskohteessa oli päätetty investoida energiatehokkuutta parantaviin toimenpiteisiin myös koskien tuotannon työstökoneita. Kyseisessä kohteessa säästöpotentiaalia havaittiin muuan muassa seuraavissa kohteissa: lastunkuljettimien käyttö työstökoneiden leikkausnestekierron ajastaminen hiomakoneen paineilmajäähdytyksen korvaaminen lastuamisnesteellä. Nämä parannuskohteet on esitetty esimerkkitapauksina, sillä niiden on katsottu olevan melko tyypillisiä parannuskohteita konepajoissa ja näin ollen potentiaalisia säästökohteita myös muissa konepajoissa. Esimerkeissä käytetyt luvut ja laskelmat ovat peräisin kohteessa suoritetun katselmuksen raportista.

70 Lastunkuljettimien käyttöaikojen optimointi Kohteessa on käytössä 10 lastunkuljetinta, joiden käyttöajat ovat tarpeettoman pitkät. Muilta tuotanto-osastoilta saatujen kokemusten mukaan myös näiden lastunkuljettimien käyttöaikoja voitaisiin leikata, ja näin saavuttaa säästöjä. Ideana oli siirtyä jatkuvasti pyörivistä kuljettimista ajastimella jaksotettuun kiertoon, jossa kuljettimet pyörisivät 6-12 minuuttia tuntia kohden. Tällä toimenpiteellä arvioitiin saavutettavan noin 80 % leikkaus nykyisestä energiankulutuksesta. Lastunkuljettimien yhteisen ottotehon ollessa 13,5 kw ja vuosittaisten käyttötuntien 5000 tuntia, laskettiin saavutettavan vuosittainen 54 MWh säästö. vuosittainen energiansäästö 54 MWh rahallinen säästö 2754 / a investointi ajastimiin 5000 takaisinmaksuaika 1,8 a Leikkausnestekierron ajastaminen Parannuskohteen leikkausnesteen kierrätys toteutetaan kierrätys- (2x11 kw) ja palautuspumpuin (3x 3,5 kw). Työstökoneiden jatkuvan lastuamisnestekierron ei katsottu olevan tarpeellinen, kun konepajan työstökoneet eivät ole tuotannossa. Näin ollen öisin ja viikonloppuisin saavutettaisiin säästöä käyttämällä ajastinta, jolloin pumput kävisivät jaksoittain vain minuuttia jokaista tuntia kohden. Säästöpotentiaaliksi arvioitiin 80 % pumppujen (ottoteho 15 MW) viikonlopunaikaisesta kulutuksesta. säästöpotentiaali 35 MWh rahallinen säästö 1785 /a investointi ajastimiin 4000 takaisinmaksuaika 2,2 a

71 Hiontakoneen paineilmajäähdytyksen korvaaminen lastuamisnesteellä Hiontakoneen liukulaakeri on ollut paineilmajäähdytetty. Energiatehokkaamman vaihtoehdon eli kiertonesteen käyttö olisi mahdollista, mutta sen käyttöä on tähän mennessä vältetty epäpuhtauksien takia. Jäähdytykseen kuluvaa paineilmamäärää on vaikea määrittää, mutta suuruusluokka ( m³ / a) arvioitiin kirjallisuusarvoihin perustuen. Ratkaisuna leikkausnesteen epäpuhtauksiin nähtiin olevan lisäsuodattimien hankkiminen ja asentaminen puhdistamaan kiertoneste ennen sen syöttöä. säästöpotentiaali 18,7 MWh rahallinen säästö 954 /a investointi 1000 takaisinmaksuaika 1,0 a Yhteistä esimerkkitapauksille on, että ne kaikki sijoittuvat varsinaisen lastuamisen tukiprosesseihin, ja ne ovat kaikki tunnistettavissa kirjallisuuden perusteella varsin tyypillisiksi kohteiksi, joilla nähdään olevan paljon kehityspotentiaalia. Tyypillisesti nämä parannuskohteet tarjoavat yksittäisinä melko pieniä säästöpotentiaaleja, mutta olettaen, että yrityksestä löytyy useita parannusta vaativia kohteita, ne voivat muodostaa yhdessä varsin merkittävän säästöpotentiaalin. Huomattavaa on myös kaikkien investointien erittäin lyhyet takaisinmaksuajat.

72 3.3 Analyysi työstökoneen energiakustannuksista Seuraavassa on analysoitu tehtyjen tutkimusten sekä katselmuksista peräisin olevan empiirisen datan perusteella yksittäisen työstökoneen mahdollista vuosittaista energiakustannusta. Saksalaistutkimuksen (Kuhrke, Rothenbücher 2008) arvion mukaan suorituskyvyltään keskiarvoisen koneistuskeskuksen vuosittaiset energiakustannukset voivat olla keskimäärin noin 8800 euroa, muodostaen noin 20 prosenttia koneen vuosittaisista kokonaiskustannuksista. Kyseinen on pelkkä arvio, sillä on mahdotonta arvioida työstökoneiden energiankulutusta tarkkaan, johtuen siitä että kulutus on niin riippuvaista yksittäisen koneen käyttötunneista sekä myös tietenkin kappaleista, joiden valmistukseen konetta käytetään. Dahmuksen (2007) tutkimuksessa laskettiin eri jyrsinkoneille niiden energiankulutusta tuhatta teoreettista käyttötuntia kohden. Taulukossa 9 on esitetty tarkempaan tarkasteluun otetun taulukon 1 tuotantokoneistuskeskuksen energiankulutuksen jaottelu. Taulukko 9 Tuotantokoneistuskeskuksen tiedot (Dahmus 2007)

73 Tuotantokoneistuskeskukset ovat kalliita ja tehokkaita tuotantokoneita. Näin ollen näiden koneiden käyttötuntimäärät ovat usein myös erittäin suuret. Laskettaessa koneen käyttötunteja pitkälti automatisoidun tuotantokoneistuskeskuksen oletettiin olevan valmiustilassa 10 % kokonaisajasta. Vastaavasti koneen oletettiin käyttävän asemointiin 30 prosenttia koneen varsinaisesta tuottavasta käyttöajasta. Näin ollen lastunirrotukseen käytetyksi ajaksi saadaan: 0,9 0,7 = 0,63 0, h= 630h Edellä mainituilla oletuksilla kokonaisenergiankulutukseksi tuhatta tuntia kohden saatiin noin 90 MWh. Koneen vuosittainen energiankulutus on riippuvainen vuosittaisista käyttötunneista. Oletetaan kuitenkin, että kone on lähes jatkuvasti tuotannossa. Jos konepaja toimii vain yhdessä vuorossa, voidaan olettaa, että käyttötunnit ovat maksimissaan noin Kaksivuorotyössä (ilman viikonloppuja) vastaavaksi käyttötuntimääräksi voidaan arvioida tuntia. Jos oletetaan, että konepaja pyörii jatkuvasti ilman seisauksia, voidaan saavuttaa jopa 8000 tuntia vuodessa tuntia vuodessa on mahdollinen, mutta käytännön tasolla harvinainen lukema. Tehokkaimpia työstökoneita hankittaessa voidaan kuitenkin lähtökohtaisesti olettaa, että vuosittaiset käyttötunnit ovat melko korkeat, sillä kuten osoitettu, tehokkaimpien koneiden suhteelliset kustannukset (myös energiakustannukset) laskevat, kun valmistettujen kappaleiden määrä kasvaa. Näillä arvoilla lasketut tuotantokoneistuskeskuksen vuosittaiset energiankulutukset ja -kustannukset on esitetty taulukossa 10. Sähköenergian hintana on käytetty 0,09 / kwh. Taulukko 10 Esimerkki koneistuskeskuksen vuosittaiset energiankulutukset ja kustannukset Tutkimuksen yhteydessä käytiin läpi konepajojen energia-analyyseja, joista ilmenivät myös konepajojen vuosittaiset energiankulutukset. Konepajojen vuosittaiset

74 kokonaisenergiakulutukset vaihtelivat sähkönkulutuksen osalta välillä 534 MWh MWh. Tuotantolaitteiden osalta sähkönkulutuksen määrät olivat vieläkin pienempiä. Koneistuskeskuksen, jota Dahmuksen (2007) selvityksessä oli tutkittu, vuosikulutus on siis korkea. Kuitenkin on syytä huomioida energiakustannusten ja käyttötuntien suora yhteys. Myös verrattaessa Kuhrken ja Rothenbücherin (2008) tutkimuksessaan esittämiin arvioihin keskitehoisen koneistuskeskuksen vuosienergiankulutuksesta (8800 / a), voidaan todeta että kyseiset energiakustannukset ovat todella suuria, mutta on syytä ottaa huomioon, että kyseinen koneistuskeskus on tehokas tuotantokoneistuskeskus, jolloin myös käyttöasteen voidaan olettaa olevan keskimääräistä konetta korkeampi. Kyseisen koneistuskeskuksen energiakustannukset ovat korkeat, eikä useimmissa konepajoissa välttämättä vastaavan suuruisia energiakustannuksia ole. Jos uuden koneen hankintaa mietittäisiin pelkästään koneen tuomien energiansäästöjen kannalta, voidaan todeta, ettei pelkillä säästöillä energiakustannuksissa voida perustella uuden koneen hankintaa huolimatta koneen suuristakaan energiakustannuksista. Konehankinnan perustelemiseen liittyy olennaisesti vaatimus tuotannon tehostumisesta. Koneen energiakustannuksista muodostuu kuitenkin varsin mittavat, jos laskentaperusteena käytetään koko sen käyttöikää, minkä voidaan tehtyjen haastatteluiden perusteella olettaa olevan vuotta. Näin ollen ei kuitenkaan ole myöskään taloudellisesti yhdentekevää, kuinka paljon kone kuluttaa energiaa etenkin tehokkaiden tuotantokoneiden tapauksessa, kun otetaan huomioon koneen koko elinkaari Työstökoneiden energiakustannukset esimerkkikohteessa Erään tutkimuksessa käsitellyn konepajan tuotantoon käyttämien työstökoneiden käyttötunnit vaihtelivat yhdestä kymmeneen tuntiin päivittäin. Koneiden vuosittaisiksi käyttötunneiksi kertyi näin ollen 300:sta aina 3000 tuntiin. Suurin energiankuluttaja oli sorvaus-poraus-jyrsintäkeskus (tästä eteenpäin SPJ-keskus), jota käytettiin päivittäin kymmenen tuntia. Muut suurimmat kokonaisenergiankulutukset muodostuivat päivittäin 5,5 tuntia käytössä olleille monitoimisorville, hiomakoneelle sekä 3,5 tuntia päivittäin käytettävälle jyrsinkoneelle. Näiden koneiden vuosittaiset energiankulutukset on esitetty taulukossa 11.

75 Taulukko 11 Konepajan työstökoneiden energiankulutus Suurimmalle vuosikulutukselle saadaan vuosittain käytetyn energiakustannukseksi euroa (0,09 / kwh) ja toiseksi suurimmalle 5310 vuodessa. Lukemat ovat samaa suuruusluokkaa, kun verrataan saksalaistutkimuksen (Kuhrke & Rothenbürcher 2008) arvioon keskitehoisen koneistuskeskuksen vuosittaisista energiakustannuksista. SPJ-keskuksen energiankulutus on myös samaa suuruusluokkaa, kun tulosta verrataan edellisen esimerkin tuotantokoneistuskeskukseen yhtä suurilla vuosittaisilla käyttötuntimäärillä. On syytä huomioida, että verrattaessa koko koneistamon koneiden energiankulutusta (1091 MWh) taulukossa 11 esitettyihin koneisiin, voidaan todeta, että muutamat yksittäiset koneet voivat kuluttaa suuren osan konepajan kokonaiskulutuksesta. Yksittäisen koneen osuus kokonaiskulutuksesta muodostuu usein suureksi, jos sen käyttötuntimäärät ovat muuta konekantaa suuremmat. Eli yrityksissä on syytä huomioida, että vaikka yksittäisen työstökoneen keskimääräinen energiankustannus ei välttämättä muodostu kovinkaan suureksi menoeräksi konepajalle, niin konekannan yhteiskulutus ja yksittäisten tehokkaimpien koneiden kulutukset muodostavat merkittävän kustannuksen. Tämä on hyvä ottaa huomioon suunniteltaessa mahdollisia energiatehokkuuden parantamisprojekteja, jolloin on syytä laittaa erikoispainoa koneille, joiden energiankokonaiskulutus on huomattavasti muuta konekantaa suurempi.