Liite 2 Ympäristöministeriö - Ravinteiden kierrätyksen edistämistä ja Saaristomeren tilan parantamista koskeva ohjelma Energiatehokkuuden analysointi Liite loppuraporttiin Jani Isokääntä 9.4.2015
Sisällys 1.Energiatehokkuuden analysointi... 2 2. Energiataseiden laskenta... 2 2.1 Nestekaasun tuottama energiamäärä... 2 2.2 Poistokaasun mukana poistuva energiamäärä... 2 2.3 Poistokaasun mukana poistuvan veden lämpömäärä... 3 2.4 Tuotteen mukana poistuva lämpömäärä... 3 2.5 Vuorausten läpi johtuva lämpömäärä... 3 2.6 Höyrystymiseen sitoutuva lämpömäärä... 3 3. ModHeat prosessin energiataseet... 4 3.1 Energiatase... 4 1
1.Energiatehokkuuden analysointi ModHeat-teknologian energiatehokkuutta analysoitiin kuivauslämmön tuottamiseen käytetyn nestekaasun kulutuksen suhteessa kosteuden poistoon. Energiatehokkuutta tutkittiin koejaksosta, jossa kuivattavaa lietelannan ja turpeen seosta kuivattiin 40 minuuttia. Kuivausprosessin tarvitsema lämpöenergia tuotettiin nestekaasulla. 2. Energiataseiden laskenta Lannan kuivauksen energiatehokkuutta voidaan tutkia vertailemalla prosessin energiavirtoja ja veden höyrystämisen hyötysuhdetta. Prosessin energiatase voidaan kirjoittaa muotoon: = + ö = + + + ö 2.1 Nestekaasun tuottama energiamäärä Nestekaasun tuottamaa energiamäärää voidaan arvioida nestekaasun kulutuksen (m) ja lämpöarvon avulla ( ) = (1) 2.2 Poistokaasun mukana poistuva energiamäärä Poistokaasujen mukana poistuva energiamäärä voidaan puolestaan määrittää kaavalla: = (2), missä on poistokaasun lämpökapasiteetti, V tilavuus ja lämpötilaero. Poistokaasun mukana poistuvaa lämpömäärän arvioimiseksi täytyy selvittää polttoprosessissa syntyvän kaasun tilavuus (V). Yksi kg nestekaasua tuottaa höyrystyessään 270 litraa propaani-butaani-kaasua (www.neste.fi). Ideaalikaasulain mukaan yksi kaasumooli 70 C lämpötilassa vie tilaa 28.1 litraa, eli yksi kilogramma nestekaasua tuottaa 9.61 moolia propaani-butaani-kaasua. Poistokaasut ovat peräisin nestekaasun palamistuotteista ja polttimeen syötetystä ilmasta. Nestekaasu sisältää propaania ja butaania, jotka palavat yhtälöiden 3 ja 4 mukaisesti: C 3 H 8 + 5O 2 -> 3CO 2 + 4H 2 O (3) C 4 H 10 + 6,5O 2 -> 4CO 2 + 5H 2 O (4) Oletetaan nestekaasun täydellinen palaminen prosessin aikana. Koska nestekaasu koostuu 50/50 seoksesta propaania ja butaania, tuottaa yksi mooli nestekaasua keskimäärin kahdeksan moolia poistokaasuja. Yksi mooli nestekaasua puolestaan vaatii täydelliseen polttoon 5,75 moolia happea, joten yhden nestekaasumoolin polttamiseen tarvitaan 27,4 moolia ilmaa. Ilman mukana tulevat muut kaasut eivät reagoi prosessissa vaan päätyvät poistoilmaan. Kokonaisuudessaan mooli nestekaasua tuottaa siis 29,6 moolia poistokaasuja. Yksi kilogramma tuotti 9.61 moolia propaani-butaani-kaasua, joten palaessaan kilogramma nestekaasua tuottaa 284.7 moolia poistokaasuja. Ideaalikaasulain mukaan 284.7 moolia kaasua vie 70 C lämpötilassa tilaa 8000 litraa. 2
Reaktioyhtälöiden perusteella voidaan laskea palokaasujen sisältävän seuraavan koostumuksen: N 2 CO 2 H 2 0 73.0 % 11.8 % 15.2 % Painottamalla eri komponenttien lämpökapasiteetit niiden moolisuudella (H2O 36.5 J/mol/K, CO2 38.01 J/mol/K, N2 29.1 J/mol/K http://webbook.nist.gov) voidaan laskea poistokaasun lämpökapasiteetiksi 31.3 J/mol/K. Näinollen kaikki kaavan 2 vakiot ovat tiedossa. 2.3 Poistokaasun mukana poistuvan veden lämpömäärä Poistokaasun mukana poistuu ModHeat-prosessista lannasta höyrystynyt vesi. Yksinkertaisuuden vuoksi voidaan olettaa veden ensin lämpenevän poistokaasun lämpötilaan (70 C) ja höyrystyvän tässä lämpötilassa. Tällöin poistokaasun mukana poistuvan vesihöyryn sitoma lämpöenergia voidaan laskea suoraan höyrystyvän veden lämmittämiseen kuluvasta energiasta kaavalla (5): ö = (5) 2.4 Tuotteen mukana poistuva lämpömäärä Tuotteen mukana poistuva lämpömäärä voidaan laskea kaavalla 6: = (6) Kaavan vakiot ovat tiedossa tuotteen lämpökapasiteettia lukuun ottamatta. Tuote sisältää kosteutta noin 90 %, joten sen lämpökapasiteetin voidaan olettaa olevan sama kuin veden. Kiintoaineen lämpökapasiteetin laskenta on haastavaa ja riippuu lannan laadusta. 2.5 Vuorausten läpi johtuva lämpömäärä Vuorausten läpi johtuva lämpömäärä voidaan laskea kaavalla: ä = (7), missä k on seinän lämmönjohtumiskerroin, A on seinän pinta-ala ja s on seinän paksuus. 2.6 Höyrystymiseen sitoutuva lämpömäärä Veden höyrystymiseen sitoutuu merkittävä määrä energiaa. Kuivausprosessin tehokkuuden maksimoimiseksi tämän osuuden tulisi olla mahdollisimman suuri verrattuna energiansyöttöön. Höyrystymiseen sitoutuva energiamäärä voidaan laskea kaavasta 2. 3
3. ModHeat prosessin energiatase Taulukossa 1 on esitetty kokeiden eteneminen. Taulukosta nähdään, että materiaalin kokonaisviipymäaika ModHeat-prosessissa on noin 40 minuuttia. Viipymäaikana kului 0.67 kg nestekaasua. Taulukko 1. Kokeiden tulokset. Suure arvo yksikkö Viipymäaika 40 min Kaasu 2 käyttö 0.67 kg Energiakäyttö 2 807 kwh Lantaturve alussa 30.7 kg Lantaturve lopussa 20.1 kg Poistettu vesimäärä 10.6 kg Taulukossa 2 on esitetty laskennassa tarvittavat vakiot ja niiden lähteet. Taulukko 2. Laskennassa käytetyt vakiot. Tunnus Selite Arvo Yksikkö Lähde Cp Poistokaasu 1.111235307 J/dm3/K NIST.gov webbook Vesi (42 C) 75.20046304 J/mol/K NIST.gov webbook Vesi (70 C) 75.38457906 J/mol/K NIST.gov webbook H Veden höyrystyminen 2256.4 kj/kg NIST.gov webbook k Eristevilla 0.036 W/m/K Paroc.fi Modheat korkeus 1.2 m Modheat leveys 0.44 m Modheat pituus 2.4 m vuorauksen paksuus 5 cm 3.1 Energiatase Taulukossa 3 on esitetty aiempien kappaleiden mukaan lasketut eri energiavirtojen sisältämät lämpöenergiat syötettyä kiloa kohti. Taulukosta nähdään että veden höyrystämisen hyötysuhde on välillä 79 81 % riippuen verrataanko veden höyrystymiseen kuluvaa energiaa sisään tulevaan vai ulos lähtevään energiamäärään. Erot laskentatavoissa johtuvat energiavirtojen laskennan epätarkkuuksista. Epävarmuudet energiavirroissa johtuvat oletuksista ja mahdollisista huomioimattomista energiavirroista, kuten vuotoilmoista. 4
Taulukko 3. ModHeat-prosessin energiavirrat. Käytetty energia Poistoilmaan Tuotteeseen Vuorausten läpi Höyrystymiseen energia 2.90 MJ/kg 0.26 MJ/kg 0.21 MJ/kg 0.05 MJ/kg 2.26 MJ/kg Hyötysuhde (suhteessa poistuviin energiavirtoihin) 81 % Hyötysuhde (suhteessa syötettyyn energiaan) 77 % Taulukosta 3 voidaan havaita, että suurin yksittäinen energiahukka syntyy poistokaasun mukana lähtevästä energiasta. Tätä voidaan pienentää varmistamalla poistokaasun olevan kylläistä vesihöyryn suhteen. Optimoimalla poistokaasun kylläisyyttä voidaan varmistaa maksimaalinen kosteuden poisto suhteessa lämpöhukkaan. Vesihöyryn määrää poistokaasussa voidaan säädellä muuttamalla materiaalin viipymäaikaa ModHeat-prosessissa. Poistoilman energiahukkaa ei ole järkevää alentaa kaasuvirtoja vähentämällä, koska se alentaa prosessin kapasiteettia. Tuotteen mukana poistuvaa energiamäärään on vaikea vaikuttaa huonontamatta prosessin kapasiteettia tai hyötysuhdetta. Kylmä tuotevirta indikoi riittämätöntä viipymäaikaa prosessissa. Vuorausten läpi poistuvaa energiavirtaa voidaan pienentää lisäämällä vuorausten paksuutta, mutta se ei vaikuta kustannustehokkaalta johtuen vuorauksen läpi johtuvan lämpöenergian pienuudesta. Sen sijaan energiatehokkuuden säästöpotentiaalia on vuotoilmojen ja eristämättömien osien lämpöhukkien pienentämisessä. Merkittävä ero syötetyn energian ja laskettujen energiavirtojen välillä viittaa lämpöhukan näistä huomioimattomista tekijöistä olevan suuri. Varmistamalla jokaisen osan eristys ja tukkimalla mahdolliset vuotokohdat voidaan prosessin energiatehokkuutta parantaa merkittävästi. 5