Sähkönsäästöpotentiaali energiatehokkailla sähkömoottorikäytöillä Suomen energiavaltaisessa teollisuudessa TUTKIMUSRAPORTTI

TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R-08216-08 Sähkönsäästöpotentiaali energiatehokkailla sähkömoottorikäytöillä Suomen energiavaltaisessa teollisuudessa Kirjoittajat: Pihala Hannu, Hänninen Seppo, VTT Kuoppamäki Risto, Oy Indmeas Ab Luottamuksellisuus: julkinen

2 Raportin nimi Sähkönsäästöpotentiaali energiatehokkailla sähkömoottorikäytöillä Suomen energiavaltaisessa teollisuudessa Asiakkaan nimi, yhteyshenkilö ja yhteystiedot Asiakkaan viite Elinkeinoelämän keskusliitto EK Taajuusmuuttajahanke Projektin nimi Projektin numero/lyhytnimi TAASSÄH 27309 Raportin laatija(t) Sivujen/liitesivujen lukumäärä Hannu Pihala, Risto Kuoppamäki, Seppo Hänninen 44 Avainsanat Raportin numero Taajuusmuuttaja, korkeahyötysuhdemoottori, teollisuus VTT-R-08216-08 Tiivistelmä Suomen energiavaltaisen teollisuuden (massa- ja paperi, kemia, metallien jalostus: noin 80 % koko teollisuuden sähkönkulutuksesta) taajuusmuuttajiin liittyvää sähkönsäästöpotentiaalia arvioitiin Eurooppaa ja USA:ta koskevien, 1990-luvun lopulla tehtyjen, eri teollisuuden aloja käsittelevien tutkimusten pohjalta. Suomen energiavaltaisen teollisuuden säästöpotentiaali laskettiin em. ulkomaisista arvioista suhteuttamalla ne Suomen olosuhteisiin tuotantotilastojen ja Suomen massa- ja paperiteollisuudelle kohdistetun kyselyn avulla. Massa- ja paperiteollisuuden pumppauksille, mitkä muodostavat merkittävimmän potentiaalisen säästökohteen Suomessa, oli mahdollista laskea tarkennettu, laajaan mittausaineistoon perustuva arvio taloudellisesta sähkönsäästöpotentiaalista. Korkeahyötysuhteen sähkömoottoreilla saavutettavissa oleva säästöpotentiaali arvioitiin massa- ja paperin osalta perustuen Suomessa 1990-luvulla tehtyyn tutkimukseen, jota päivitettiin suoritetun kyselyn avulla. Suomen koko energiavaltaisen teollisuuden taloudellisesti kannattavaksi, korkeahyötysuhteen sähkömoottoreilla ja taajuusmuuttajilla saavutettavaksi säästöpotentiaaliksi arvioitiin noin 830 GWh/a (2,2 % kokonaissähköenergiasta). Suurin osa tästä on massa- ja paperiteollisuudessa, yhteensä noin 570 GWh/a ja siitä edelleen noin puolet eli noin 290 GWh/a ao. teollisuuden suurissa pumppauksissa. Taajuusmuuttajilla saavutettavissa oleva säästöpotentiaali pumppauksissa on kuitenkin vain neljäsosa pumppausten kannattavasta kokonaissäästöpotentiaalista. Viimemainitun saavuttaminen edellyttää niiden mitoituksen tarkkaa optimointia lähinnä pumppu- ja juoksupyörämuutoksilla. Eurooppaa ja USA:ta koskevista luvuista johdetut säästöpotentiaaliarviot Suomen kemian teollisuudelle ja metallienjalostus-sektorille olivat noin 160 GWh/a ja noin 100 GWh/a. Todellisuudessa säästöpotentiaalit ovat todennäköisesti edellä mainittuja arvoja pienemmät. Luottamuksellisuus julkinen Espoo 15.10.2008 Laatija Tarkastaja Hyväksyjä Hannu Pihala Erikoistutkija Göran Koreneff Tiiminvetäjä Seppo Hänninen Teknologiapäällikkö VTT:n yhteystiedot VTT, PL 1000, 02044 VTT, Puh. 020 722 4520, Faksi 020 722 4374 Jakelu (asiakkaat ja VTT) Elinkeinoelämän keskusliitto EK, Työ- ja elinkeinoministeriö, Metsäteollisuus ry, Teknologiateollisuus ry, Kemianteollisuus ry. VTT:n nimen käyttäminen mainonnassa tai tämän raportin osittainen julkaiseminen on sallittu vain VTT:ltä saadun kirjallisen luvan perusteella.

3 Alkusanat Tämä selvitystyö käynnistyi Elinkeinoelämän keskusliiton EK:n toimeksiannosta toukokuussa 2008. Työn rahoittivat työ- ja elinkeinoministeriö, EK, Teknologiateollisuus ry, Metsäteollisuus ry ja Kemianteollisuus ry. Työstä on vastannut VTT, joka on tilannut työhön liittyvän alihankinnan Indmeas Oy:ltä. Ohjausryhmään ovat kuluneet selvityksen tekijöiden lisäksi puheenjohtajana Pentti Puhakka työ- ja elinkeinoministeriöstä, Mikael Ohlström ja Olli Laitinen Elinkeinoelämän keskusliitosta EK:sta, Maiju Westergren Metsäteollisuus ry:stä, Markku Taavitsainen UPM- Kymmene Oyj:stä, Martti Kätkä Teknologiateollisuus ry:stä ja Aimo Kastinen Kemianteollisuus ry:stä. Työn aikana ohjausryhmä on kokoontunut kolme kertaa. Viimeiseen ohjausryhmän kokoukseen osallistuivat myös Pekka Ahtila sekä Mari Tuomaala TKK:lta. Tämän selvityksen tekeminen on edellyttänyt lukuisia haastatteluja sekä laitevalmistajien, teollisuuden että eri organisaatioissa työskentelevien henkilöiden kanssa. Tekijät haluavat kiittää kaikkia tämän työn edistämiseen panoksensa antaneita henkilöitä. Erityinen kiitos kuuluu niille metsäteollisuudessa työskenteleville henkilöille, jotka mahdollistivat nopealla aikataululla suoritetun kyselyn toteuttamisen. Espoo 15.10.2008 Tekijät

4 Sisällysluettelo Alkusanat...3 1 Johdanto...6 1.1 Käytetyt aineistot ja menetelmät...6 2 Sähkömoottorit Suomen teollisuudessa...8 2.1 Sähkömoottorikanta ja kulutusjakauma tyypeittäin...8 2.2 Sähkömoottorien pyörimisnopeussäätö...9 2.3 Korkeahyötysuhteiset sähkömoottorit...10 3 Sähkönsäästö moottorikäyttöjen pyörimisnopeussäädöllä...13 3.1 Pumppu- ja puhallinkäytöt...13 3.1.1 Energiahäviöiden muodostuminen...13 3.1.2 Sähkönsäästö pyörimisnopeussäädöllä...13 3.2 Muut käytöt...14 4 EU:ssa ja USA:ssa tehdyt tutkimukset...15 4.1 EU:n SAVE ohjelman sähkömoottorikäyttötutkimukset...15 4.1.1 Sähkömoottorikäyttöjen kulutusjakauma...15 4.1.2 Sähkönsäästöpotentiaalit...16 4.1.3 EU:n SAVE-ohjelman tuloksista suoraviivaisesti johdettu arvio Suomen säästöpotentiaaliksi...18 4.2 USA:n teollisuuden sähkömoottorikäyttötutkimus...18 4.2.1 Sähkömoottorien taajuusmuuttajakäytöt USA:n teollisuudessa...19 4.2.2 USA:n massa- ja paperiteollisuus...19 5 Massa- ja paperiteollisuus-sektorin tulokset...21 5.1 Kysely taajuusmuuttajista ja sähkömoottoreista...21 5.2 Esimerkkituotantolinjojen sähkömoottorikäytöt...22 5.2.1 TMP-tuotantolinja...22 5.2.2 Paperikonelinja...23 5.2.3 Yhteenveto esimerkkituotantolinjoista...25 5.3 Korkeahyötysuhteen sähkömoottorit...26 5.4 Sähkönkäytön kulutusjakauma...27 5.5 Paperikoneiden tyhjöjärjestelmät...28 5.6 Säästöpotentiaali jälkiasennettavilla taajuusmuuttajilla...29 5.6.1 KCL/Jaakko Pöyry 1990...29 5.6.2 EU SAVE 2000...29 5.6.3 USA DOE 1998...30 5.7 Mittausaineistoon perustuva arvio taloudellisesti kannattavasta säästöpotentiaalista Suomen massa- ja paperiteollisuudessa...31 5.7.1 Mittausaineisto pumppauksista...31 5.7.2 Johtopäätökset pumppausten kannattavasta kokonaissäätöpotentiaalista...32

5 5.7.3 Pelkillä taajuusmuuttajilla saavutettavissa oleva säästöpotentiaali pumppauksissa...33 5.8 Eri säästöpotentiaaliarvioiden vertailu...34 5.8.1 Kirjallisuusselvityksiin perustuvat arviot...34 5.8.2 Mittausaineistoon perustuva arvio...35 5.9 Loppuarvio kannattavasta säästöpotentiaalista Suomen massa- ja paperiteollisuudessa...36 6 Kemianteollisuus -sektorin tulokset...37 6.1 Säästöpotentiaaliarvio...37 6.2 Case esimerkki...38 7 Metallien jalostus -sektorin tulokset...39 8 Yhteenveto...41 Lähdeviitteet...43

6 1 Johdanto Energiatehokkuuden parantaminen on yleisesti tunnustettu halvimmaksi ja yhdeksi tärkeimmistä keinoista kasvihuonekaasupäästöjen vähentämisessä. Bruttokansantuotteen kasvun ja sähkönkulutuksen eriyttäminen (de-coupling) on keskeinen tapa turvata teollisen tuotannon kasvumahdollisuudet ja vähentää sen aiheuttamia päästöjä. Eurooppalaisista sähkönsäästötutkimuksista tehdyn yhteenvedon 1 mukaan Euroopassa (EU-15) voidaan teollisuuden energiatehokkailla sähkömoottorikäytöillä säästää sähköä taloudellisesti kannattavasti jopa 70 TWh/a. Tämä on noin 10 % moottorikäyttöjen kuluttamasta sähköstä. Tämä säästöpotentiaali on saavutettavissa korvaamalla sähkömoottorit korkeahyötysuhteen sähkömoottoreilla ja asentamalla jälkikäteen taajuusmuuttajia tiettyyn osaan oikosulkumoottoreita, jotka käyttävät lähinnä pumppuja, puhaltimia ja paineilmakompressoreita. Tässä selvityksessä tämä säästöpotentiaali arvioidaan Suomen energiavaltaisen teollisuuden osalta Suomen olosuhteet huomioon ottaen ja tarkastellaan eroavuuksia muun Euroopan tilanteeseen nähden. Edellä mainitun yhteenvedon mukaan lisäksi noin 110 TWh sähkönsäästöpotentiaalia olisi saavutettavissa optimoimalla ja parantamalla itse sovellutusprosessiin liittyvien komponenttien ja järjestelmien tehokkuutta. Tämän säästöpotentiaalin osalta tässä selvityksessä tarkastellaan ainoastaan Suomen massa- ja paperiteollisuuden pumppauksia, joista Suomessa on käytettävissä laaja mittausaineisto. Muilta osin edellä mainittua potentiaalia ei tarkastella eikä arvioida muualla Euroopassa tehtyjen arvioiden paikkansa pitävyyttä Suomen tilanteessa. Suomessa korkeahyötysuhdemoottorien ja taajuusmuuttajien jäljellä olevasta sähkönsäästöpotentiaalista on esitetty paljon ristiriitaisia lukuja eikä systemaattista selvitystä asiasta ole julkaistu. Tämä johtuu todennäköisesti osaltaan siitä, että edellä mainittuja muualla Euroopassa tehtyjen tutkimuksien tuloksia on pyritty soveltamaan Suomeen liian suoraviivaisesti, jolloin ei ole huomioitu Suomen teollisuuden erityisolosuhteita ja edellä mainittujen laitteiden jo korkeaa penetraatioastetta Suomessa. 1.1 Käytetyt aineistot ja menetelmät Tässä selvityksessä hyödynnetään sekä Euroopassa että USA:ssa 1990-luvun lopulla tehtyjä sähkömoottorikäyttöjä koskevia tutkimuksia, EU SAVE [4] ja USA DOE [7]. Niissä on arvioitu teollisuudessa tehtyihin kartoituksiin perustuen sähkömoottorikäyttöjen sähkönsäästöpotentiaalia EU:ssa ja vastaavasti USA:ssa teollisuusala- ja moottorikäyttökohtaisesti. Näistä Eurooppaa ja USA:ta koskevista säästöpotentiaaliarvioista on johdettu Suomen taajuusmuuttajapotentiaalia koskevat vastaavat luvut kertomalla 1 Energy Efficient Motor Driven Systems, Motor Challenge Programme, April 2004

7 teollisuustuotantojen suhteella ja huomioimalla mahdollisuuksien mukaan em. ulkomaisten teollisuuden alojen ja Suomen teollisuuden alojen systemaattiset erot energian käytössä. Suurin korjattu systemaattinen ero aiheutuu massa- ja paperiteollisuuden osalla mekaanisesta massanvalmistuksesta, jonka osuus Suomessa, päinvastoin kuin Euroopassa ja USA:ssa, on suuri. Se kuluttaa paljon sähköä, mutta sähkön säästöpotentiaalia taajuusmuuttajilla ei ole, koska mekaanisen massan valmistus tapahtuu suuritehoisilla tahtimoottoreilla. Toinen korjattu systemaattinen ero aiheutuu taajuusmuuttajien erilaisesta penetraatioasteesta. Mitä enemmän niitä jo on, sitä pienempi jäljelle jäävä potentiaali on. Penetraatioasteet Suomen massa- ja paperiteollisuudessa arvioidaan teollisuudelle suunnatun kyselyn avulla. Näiden korjausten jälkeen Suomen säästöpotentiaali lasketaan käyttökohtaisesti EU SAVE ja USA DOE antamien tulosten keskiarvona. Jo ennen selvityksen tekoa oli selvää, että keskeinen prosessilaiteryhmä Suomen teollisuuden sähkönsäästön kannalta ovat massa- ja paperiteollisuuden suuret pumppaukset. Niiden taloudellisesti kannattavan sähkönsäästöpotentiaalin arvioimiseksi oli käytettävissä laaja mittausaineisto, joka käsitti teollisuuden yli 300 suurelle pumppukäytölle tehdyt tarkat pumppuanalyysit. Tämän aineiston perusteella voitiin varsin tarkasti arvioida sähkön säästön kannattava kokonaispotentiaali sekä siitä pelkillä taajuusmuuttajilla saatava osuus. Tämän jälkeen laskettiin kannattavuuslaskelmien reunaehdoissa tapahtuneiden muutosten vaikutus edellä mainittuihin arvoihin. Tällä tavoin voitiin tarkentaa EU SAVE ja USA DOE arviot sähkönsäästön kannalta kaikkein merkittävimmän laiteryhmän osalta. Korkeahyötysuhteisilla sähkömoottoreilla saavutettavissa oleva sähkönsäästöpotentiaali arvioidaan käyttäen hyväksi 1990-luvun puolivälissä tehtyä tutkimusta, jossa selvitettiin Suomen massa- ja paperiteollisuuden kahden suuren tehtaan korkeahyötysuhdemoottoreilla saavutettavissa olevaa sähkönsäästöpotentiaalia. Tätä selvitystä päivitetään tämän selvityksen yhteydessä tehdyn kyselyn perusteella, jossa kysyttiin korkeahyötysuhdemoottorien nykyistä penetraatioastetta. Selvitys keskittyy Suomen massa- ja paperiteollisuuden sähkömoottorikäyttöihin, koska niiden sähkönkulutus on suuri ja ne muodostavat homogeenisen ryhmän, josta löytyy tutkimustietoa. Sen sijaan Suomen kemianteollisuuden ja metallien jalostuksen sähkömoottorikäytöt on käsitelty lyhyesti johtuen mm. vaikeudesta löytää asiaa liittyvää tutkimustietoa. Selvitys on pyritty tekemään mahdollisimman läpinäkyväksi, koska monissa kohdissa on jouduttu tekemään asiantuntija-arvioita tarkkojen tietojen puuttuessa. Näin tulosta on mahdollista myöhemmin tarkentaa, mikäli tiedot tarkentuvat. Asiantuntija-arviot perustuvat tekijöiden omiin näkemyksiin, joita on tarkennettu suorittamalla haastatteluja sähkömoottori- ja taajuusmuuttajavalmistajille sekä teollisuuden energia-asiantuntijoille. Selvityksessä käytetyt teollisuuden sähkön kokonaiskulutusluvut perustuvat Tilastokeskuksen tilastoihin ellei toisin mainita. Metsäteollisuuden tuotantoluvut on kerätty Metsäteollisuus ry:n internet-sivuilta, ja lisäksi Metsäteollisuus ry:ltä on saatu niihin joitakin tarkennuksia.

8 2 Sähkömoottorit Suomen teollisuudessa 2.1 Sähkömoottorikanta ja kulutusjakauma tyypeittäin Viitteen [1] mukaan Suomen teollisuudessa oli vuonna 1980 noin 600 000 sähkömoottoria. Ne kuluttivat yhteensä noin 17700 GWh, kun teollisuuden koko sähköenergian kulutus oli 21700 GWh. Moottorit kuluttivat 81,6 % teollisuuden sähköenergiasta ja niiden tehohäviöt olivat 8,5 % eli 1500 GWh. Luonteva jako eri sähkömoottorityyppeihin on seuraava: epätahtimoottorit, tahtimoottorit ja tasavirtavirtamoottorit. Epätahtimoottoreihin luetaan oikosulku- ja liukurengasmoottorit. Nykyisin epätahtimoottorit ovat lähes aina oikosulkumoottoreita. Tarkasteltuja moottorikokoluokkia oli kahdeksan: < 1 kw, 1 < 3,5 kw, 3,5 <10 kw, 10 <35 kw, 35 <100 kw, 100 <325 kw, 325 <1000 kw ja 1000 kw. Vaikka tahtimoottoreita (noin 300 kpl) ja tasavirtamoottoreita (noin 15 000 kpl) oli vähän verrattuna epätahtimoottoreihin (noin 566 000 kpl), ne kuluttivat vuonna 1980 huomattavan määrän sähköenergiaa johtuen suurista yksittäisten moottorien tehoista. Etenkin tahtimoottorit ovat hyvin suuritehoisia (lukumäärästä 65 % yli 1 MW). Lukumäärältään eniten oli pieniä alle 1 kw:n moottoreita (epätahtimoottoreista lähes 40 % ja tasavirtamoottoreista 20 %). Energiahäviöitä synnyttivät eniten tehoalueen 10 100 kw moottorit. Eniten sähköenergiaa kuluttivat suuremmat tehoalueen 35 325 kw moottorit. Edellä mainittuja lukuja hyväksi käyttäen tehdään karkea arvio teollisuuden sähkömoottorikannasta vuonna 2006. Arvio on esitetty taulukossa 1. Näin voidaan tehdä, koska teollisuuden sähkön kulutuksen rakenne on pysynyt hyvin samanlaisena, mm. massa- ja paperiteollisuuden sähkön käytön osuus suhteessa muun teollisuuden sähkönkäyttöön on pysynyt samansuuruisena eli se kattaa hiukan yli puolet koko teollisuuden kulutuksesta. Lisäksi massa- ja paperiteollisuudessa mekaanisen massan valmistuksen kuluttaman sähköenergian osuus koko sektorin kulutuksesta on pysynyt suhteessa lähes samansuuruisena eli sen osuus on noin 40 %. Vuodesta 1980 teollisuuden sähkönkäyttö on yli kaksinkertaistunut. Taulukko 1. Eri sähkömoottorityyppien kulutusjakauma Suomen teollisuudessa v. 1980 [1] ja arvio vuodelle 2006. Sähköenergia v. 1980 % / GWh Sähköenergia v. 2006 % / GWh Epätahtimoottorit 75,8 / 13400 80,5 / 31400 Tahtimoottorit 14,7 / 2600 14,7 / 5700 Tasavirtamoottorit 9,5 / 1700 4,8 / 1900 Yhteensä 100 / 17700 100 / 39000 Teollisuuden sähkömoottorien kulutukseksi vuonna 2006 arvioidaan noin 39 TWh (noin 82 % koko kulutuksesta 47,7 TWh). Sähkömoottorityyppien kulutusjakaumassa on tapahtunut muutos verrattuna 1980-luvun tilanteeseen; tasavirtamoottorien suhteellinen osuus kulutuksesta on pienentynyt noin puoleen ja epätahtimoottorien osuus on vastaavasti kasvanut. Tasavirtamoottorikäytöt

9 korvautuvat vähitellen kokonaan taajuusmuuttajilla ohjatuilla epätahtimoottorikäytöillä. Massa- ja paperiteollisuudessa sähkömoottorien sähkönkulutusosuus kokonaiskulutuksesta on muuta teollisuutta suurempi. Tätä asiaa tiedusteltiin metsäteollisuusyrityksille lähetetyssä kyselyssä (katso luku 5.1). Kemiallisen massan valmistuksessa sähkömoottorien kulutusosuuden arvioitiin olevan yli 90 % ja mekaanisen massa sekä paperin ja kartongin valmistuksessa lähes 90 %. Keskiarvona voidaan käyttää 90 %:n kulutusosuutta, jolloin sähkömoottorien kulutukseksi massa- ja paperiteollisuudessa saadaan vuodelle 2006 noin 23,8 TWh. Tästä suurien tahtimoottorien (mekaanisen massan jauhinkäytöt) kulutuksen arvioidaan olevan noin 5 TWh ja tasavirtamoottorien noin 1 TWh. Loppu 17,8 TWh kului epätahtimoottoreissa. Edellä esitetty tasavirtamoottorien kulutusarvio perustuu luvussa 5.2 esitettyjen kahden esimerkkipaperikonelinjan sähkömoottorikäyttöjen analysointiin. Tasavirtamoottorikäyttöjä on vielä käytössä 1960-, 1970-luvuilla ja 1980-luvun alussa rakennettujen paperikoneiden linjakäytöissä. Esimerkkipaperilinjoissa keskimäärin 19 % (vaihteluväli 16 22 %) näiden paperikoneiden kaikesta sähkömoottorikäyttöjen installoidusta tehosta ohjataan tasavirtakäytöillä. Taulukon 15 mukaan paperi- ja kartonkikoneiden kokonaiskulutus vuonna 2007 oli noin 10 11 TWh/a, josta sähkömoottorien osuus on noin 9 TWh. Jos oletetaan, että 60 % tästä sähköenergiasta kuluu näissä vanhemmissa paperi- ja kartonkikoneissa, saadaan lasketuksi tasavirtakäyttöjen kulutusarvio 1 TWh (9 TWh x 0,6 x 0,19). Muiden teollisuuden alojen kuin massa- ja paperiteollisuuden erityyppisten sähkömoottorien kulutusjakaumaksi muodostuu nyt seuraava: epätahtimoottorit 13,6 TWh, tahtimoottorit 0,7 TWh ja tasavirtamoottorit 0,9 TWh. Suuri osa näistä tahti- ja tasavirtamoottoreista on käytössä metalliteollisuudessa. 2.2 Sähkömoottorien pyörimisnopeussäätö Teollisuuden sähkömoottorien jännitetasot riippuvat tarvittavasta tehosta. Pienjännitemoottorien pääjännite on joko 400 V tai 690 V. Suuritehoiset sähkömoottorit liitetään keskijänniteverkkoon; pääjännite on joko 6 kv tai 11 kv. Sähköverkkoon liitännän ja pyörimisnopeussäädön kannalta epätahti-, tahti- ja tasavirtamoottorit eroavat toisistaan. Vaihtovirtatekniikkaan perustuvat epätahtija tahtimoottorit voidaan liittää suoraan kolmivaiheverkkoon ilman erillistä ohjausyksikköä, mikäli ei tarvita pyörimisnopeussäätöä. Tasavirtamoottorien yhteydessä tarvitaan aina tasasuuntaava tehonohjausyksikkö. Käytännössä lähes kaikki teollisuuden tasavirtakäytöt ovat pyörimisnopeussäädettyjä, joita syötetään kolmivaiheverkosta tyristoriohjatuilla tasasuuntausyksiköillä. Näillä saavutetaan erittäin hyvät säätöominaisuudet. Esimerkiksi kaikki paperikoneiden säädetyt linjakäytöt ja metalliteollisuuden valssikäytöt, jotka vaativat hyvää säätötarkkuutta, toteutettiin vielä 1970-luvulla tasavirtakäytöillä. 1980-luvun puolivälistä lähtien niitä alettiin toteuttaa vaihtovirtamoottorikäytöillä. Taajuusmuuttajia voidaan käyttää ainoastaan epätahtimoottorien pyörimisnopeuden säätöön. Taajuusmuuttajien kehittämisessä Suomi on ollut yksi johtava maa maailmassa. Yksittäisiin moottorikäyttöihin taajuusmuuttajia alettiin

10 asentaa jo 1970-luvulla. Säädöltään vaativiin teollisuuden moottorien linjakäyttöihin taajuusmuuttajilla syötettyjä oikosulkumoottoreita alettiin asentaa 1980-luvun puolivälistä alkaen. Puolijohdeteknologian ja säätöalgoritmien kehittymisen myötä taajuusmuuttajalla ohjattu epätahtimoottorikäyttö on saatu vastaamaan säätöominaisuuksiltaan tasavirtamoottorikäyttöä. Tämän vuoksi uusia tasavirtamoottorikäyttöjä ei juurikaan enää asenneta ja vanhat korvataan taajuusmuuttajilla ohjatuilla epätahtimoottoreilla. Taajuusmuuttajia valmistetaan sekä pien- että keskijännitteelle. Pienjännitteiset ovat suhteessa halvempia suurempien tuotantomäärien vuoksi. Pienjännitteisinä voidaan taajuusmuuttajilla ohjattuja moottorikäyttöjä toteuttaa aina 4 MW:n tehoihin asti. Taajuusmuuttajien hyötysuhde on jatkuvasti parantunut, ja se on nykyään nimellisteholla parhaimmillaan jopa 98 %. Perusvarusteilla taajuusmuuttajien hintataso Suomen markkinoilla yksittäishankinnoissa kesällä 2008 eri teholuokissa on keskimäärin seuraava: noin 200 /kw (0,75 kw <4 kw), noin 100 /kw (4 kw <10 kw), noin 75 /kw (10 kw <30 kw), noin 60 /kw (30 kw <70 kw), noin 50 /kw (yli 70 kw). Teollisuussovellutuksen toteutuksessa tarvittavat lisävarusteet (esim. kenttäväyläliitännät yms.) tuovat lisäkustannuksia noin 5 10 /kw. Suurissa projektihankinnoissa kustannukset ovat edellä mainittuja alemmat. Taajuusmuuttajan sähkömoottorille syöttämä jännite ei ole täysin sinimuotoista. Tällä on vaikutusta sähkömoottorin käämityksiin. Tämä on otettava huomioon erityisesti taajuusmuuttajien jälkiasennuksissa olemassa olevien sähkömoottorien tapauksissa. Laitetoimittajan mukaan taajuusmuuttajan jälkiasennus olemassa olevaan 400 V:n sähkömoottorin yhteyteen on useimmiten mahdollista ilman erityisiä suotimia. 690 V:n sähkömoottorin tapauksessa suositellaan lähes aina du/dt -suodinta ja vanhempien moottorien kyseessä ollen myös sinisuodinta. Näiden aiheuttama lisäkustannus samoin kuin asennus-, tila- ja kaapelointikustannukset on otettava huomioon kokonaiskustannusten laskennassa ja investoinnin kannattavuuden arvioinnissa. Viitteen [5] mukaan vuonna 2000 Keski-Euroopassa keskimääräinen taajuusmuuttajan asennuskustannus oli noin 30 % laitekustannuksista tehoalueella 70 kw <130 kw ja noin 25 % tehoalueella 130 kw 500 kw. Teollisuudessa käytettyjen tahtimoottorien tehot ovat suuria ja käyttökohteina sovellutukset, joissa ei tarvita pyörimisnopeussäätöä (esim. jauhinkäyttö). 2.3 Korkeahyötysuhteiset sähkömoottorit EU:ssa on otettu käyttöön hyötysuhdeluokitus, jossa kolmivaiheiset oikosulkusähkömoottorit jaetaan kolmeen ryhmään (EFF1, EFF2, EFF3) hyötysuhteensa mukaan. Hyötysuhdeluokitus kattaa tehoalueen 1,1 90 kw. Hyötysuhdeluokituksen ulkopuolelle jäävät erikoismoottorit (esim. kemian teollisuudessa käytetyt räjähdyspaineen kestävät moottorit). Hyötysuhdeluokituksen on toteuttanut Euroopan sähkömoottorivalmistajien liitto CEMEP EU:n komission aloitteesta vuonna 1999. Hyötysuhde-ero on suurimmillaan luokkien EFF1 ja EFF3 välillä pienillä alle 37 kw:n moottoreilla. EFF1 moottorien hyötysuhde on tällä tehoalueella keskimäärin 3 4 prosenttiyksikköä EFF3 moottorien hyötysuhdetta parempi. Tehoalueella 37

11 kw 90 kw vastaava hyötysuhde-ero on pienempi vaihdellen alueella 1 1,5 % (kuva 1). Suomen moottorimarkkinoilla suurimmilla moottorivalmistajilla ei ole enää tarjolla heikoimpaan EFF3-luokkaan kuuluvia moottoreita, vaan niiden tarjonta on keskittynyt EFF2- ja EFF1-luokan koneisiin. Moottorien hinta on sidoksissa moottorimalliin ja materiaaliin. Hintaero EFF1- ja EFF2- hyötysuhdeluokan moottorien välillä on alhaisimmillaan suuritehoisilla ( 75 kw) moottoreilla noin 5 %. Korkeimmillaan hintaero on pienillä ( 3 kw) moottoreilla jopa 40 %. Yleisimmin hintaero saman valmistajan moottoreissa on välillä 10-30 % [2]. Kuva 1. Epätahtimoottorien hyötysuhdeluokitus. Viitteessä [2] yrityksille laaditun korkeahyötysuhteisten sähkömoottorien hankintasuosituksen pääperiaate on seuraava: Sähkömoottorit hankitaan pääsääntöisesti hyötysuhdeluokasta EFF1. Jos hankintatilanteeseen pätee jokin seuraavista kohdista, hankinnan kannattavuutta tarkastellaan erikseen laskentamallin avulla (laskelmat perustuvat moottorien hintatasoon vuonna 2004). moottorin käyttöaika on alle 3000 h/a ja sähkön hinta 70 /MWh moottorin käyttöaika on alle 4000 h/a ja sähkön hinta 50 /MWh moottorin käyttöaika on alle 6000 h/a ja sähkön hinta 30 /MWh Mikäli moottorivalmistajien listahinnoista on saatavissa alennusta, käyttötuntirajat asettuvat alemmiksi. Lisäksi tapauksissa, joissa moottorikäyttö ei ole pyörimisnopeussäädetty, vaan suora puhallinkäyttö tai kuristettu pumppukäyttö, tarkistetaan, onko EFF1-moottorin kierrosnopeus suurempi kuin vaihtoehtoisen moottorin. Suurempi kierrosnopeus kasvattaa suorakäyttöisen puhaltimen/pumpun tuottoa, mutta myös tehonottoa ja energiankulutusta ja korkeahyötysuhteisen moottorin hankinnan kannattavuus on selvitettävä erikseen.

12 Tämän selvityksen yhteydessä haastateltiin yhtä Suomessa toimivaa moottorivalmistajaa ja yhtä moottoreita maahan tuovaa yritystä koskien korkeahyötysuhteen sähkömoottoreita. Näissä haastatteluissa tuli esille mm. seuraavia näkökohtia: EFF1 sähkömoottorien kysyntä on kasvussa Suomessa, myynti on kuitenkin pienempää kuin muissa Pohjoismaista Hämmennystä hankinnoista vastaaville on aiheuttanut jo käyttöönotettu uusi hyötysuhdemittausmenetelmä, joka laskee hyötysuhdelukuja. Tämän vuoksi moottoriluetteloissa ilmoitetaan nyt kaksi hyötysuhdetta. Syksyllä 2008 odotetaan tapahtuvan myös vastaava EFF1, EFF2, EFF3 hyötysuhderajojen muuttuminen. Epätahtimoottoreita koskeva uusi IEC standardi (IEC-60034-30) on todennäköisesti tulossa voimaan 1.1.2010 alkaen (tehoalue kasvaa, yläraja 200 kw) [3]. Hyötysuhdeluokkia tulee lisää; Premium (***, uusi), High (**, vastaa EFF1), Standard (*, vastaa EFF2). Luokat määritetään edellä mainitulla uudella hyötysuhdemittausmenetelmällä. Suhteessa eniten eri teollisuuden aloista EFF1 moottoreita hankkii massa- ja paperiteollisuus; noin 80 % prosessikäyttöön menevistä moottoreista EFF1-luokassa. Kemian teollisuuteen hankittavien sähkömoottorien ensisijainen suunnittelukriteeri on turvallisuus (räjähdysvaaralliset tilat), mikä mm. suurempien ilmavälien vuoksi johtaa huonompaan hyötysuhteeseen. Tämän vuoksi niissä on vaikeampi saavuttaa EFF1 hyötysuhdetasoa. Suuritehoisilla sähkömoottoreilla hyvällä mitoituksella myös Exsuojatuilla moottoreilla päästään lähelle EFF1 hyötysuhdetta (katso case esimerkki, luku 6.2). Tämän hetkisen käsityksen mukaan erikoismoottorit (räjähdyspaineen kestävät moottorit) jäävät pois myös uudesta IEC standardista. Laitteistotoimittajat hankkivat usein vielä EFF2 moottoreita muun muassa, koska haluavat pitää kokoamiensa laitteistojen myyntihinnat mahdollisimman alhaisina. Suurin osa teollisuuden moottorihankinnoista (arviolta 70 80 %) tehdään epäsuorasti laitteistotoimittajien kautta. Valmiina kokonaisuuksina hankittaviin osajärjestelmiin, tuotantolinjojen osiin ja koneikkoihin sisältyy yleensä myös sähkömoottoreita, joihin yrityksen erillishankintojen kriteerit eivät aina ulotu. Korkeahyötysuhteisten moottoreiden hankintaperiaate tulisikin ulottaa myös välillisesti hankittaviin moottoreihin ja sisällyttää tällaisten laitteistojen tarjouspyyntöihin.

13 3 Sähkönsäästö moottorikäyttöjen pyörimisnopeussäädöllä 3.1 Pumppu- ja puhallinkäytöt 3.1.1 Energiahäviöiden muodostuminen Pumppu- ja puhallinkäytön energiahäviöt muodostuvat mitoitus- ja säätöhäviöistä. Sähkönsäästöä syntyy, kun toista näistä komponenteista tai molempia pienennetään. Mitoitushäviöt minimoituvat silloin, kun sekä moottori että toimilaite, esimerkiksi pumppu tai puhallin, on sovitettu optimaalisesti prosessin tarpeisiin. Tämä tarkoittaa sitä, että laite toimii prosessissa parhaan hyötysuhteen alueellaan. Moottorin osalta optimointitehtävä on yksinkertainen tarkoittaen oikeankokoisen hyvän hyötysuhteen moottorin valintaa. Pumpun ja puhaltimen osalta optimointi on oleellisesti vaikeampaa, koska ne on sovitettava samanaikaisesti sekä prosessin tarvitseman paine-eron että virtauksen osalta. Prosessia suunniteltaessa paine-ero- ja virtausarvot ovat yleensä vasta summittaisesti tiedossa. Koska alimitoitus on virhe, jota ehdottomasti halutaan välttää ja joka prosessia käynnistettäessä aina myös tulee esille, pumput ja puhaltimet käytännössä ylimitoitetaan reilusti. Ylimitoitus huonontaa aina pumppauksen hyötysuhdetta. Vaikka pyörimisnopeussäädöllä voidaan rajoitetusti korjata myös ylimitoitusta, mitoituksen korjaamiseen on yleensä käytettävissä oleellisesti tehokkaampia ja taloudellisempia keinoja. Säätöhäviöt syntyvät tarpeesta säätää moottorikäyttöjen tekemää työtä. Pumppujen ja puhaltimien tapauksessa on kysymys yleensä virtauksen säätämisestä prosessin tarpeiden mukaan. Virtauksen vanha ja edelleenkin eniten käytetty säätötapa on sen kuristaminen säätöventtiilillä. Mitä enemmän venttiilillä kuristetaan, sitä enemmän energiaa menetetään säätöventtiilissä tapahtuvan painehäviön kautta. 3.1.2 Sähkönsäästö pyörimisnopeussäädöllä Pyörimisnopeussäädössä virtausta ja paine-eroa pienennetään pumpun tai puhaltimen kierrosnopeutta pienentämällä ja vältetään siten kuristushäviöt. Virtaus muuttuu likimain suhteessa pyörimisnopeuden muutokseen ja paine-ero suhteessa sen neliöön. Pyörimisnopeussäätö on erikoisen energiatehokas säätötapa silloin, kun staattinen vastapaine on pieni, koska tällöin pumpun tai puhaltimen hyötysuhde ei yleensä paljoa huonone virtauksen pienentyessä. Jos staattinen vastapaine on suuri, huononee pumpun ja puhaltimen hyötysuhde yleensä merkittävästi virtauksen pienentyessä. Korvaamalla kuristussäätö pyörimisnopeussäädöllä säästetään yleensä aina energiaa. Säästön suuruus ja kannattavuus riippuvat säätöalueen laajuudesta, virtauksen pysyvyyskäyrän muodosta, toimilaitteen ominaiskäyrästä sekä virtausprosessista, lähinnä staattisesta vastapaineesta. Tiettyjä selviä tapauksia lukuun ottamatta säästön kannattavuutta on vaikea luotettavasti määrittää ilman positiokohtaisia riittäviä ja tarkkoja mittaustuloksia.

14 3.2 Muut käytöt Muista moottorikäytöistä lähinnä vain paineilmajärjestelmien kompressorit ovat sellaisia, joissa voidaan säästää sähköä pyörimisnopeussäädön avulla samaan tapaan kuin pumpuilla ja puhaltimilla. Muut sähkökäytöt ovat sellaisia, että niihin ei liity säätötarpeita (mm. jauhimet ja sekoittajat) tai sitten niissä on jo pyörimisnopeussäädöt (esimerkiksi erilaiset kuljettimet, paperikoneiden linjakäytöt).

15 4 EU:ssa ja USA:ssa tehdyt tutkimukset Kirjallisuusselvityksen pohjalta tarkastellaan EU:ssa ja USA:ssa teollisuuden sähkömoottorikäytöistä tehtyjä tutkimuksia ja arvioidaan niistä saatujen tuloksien soveltuvuutta Suomeen. Erityisesti tutkimuksia tarkastellaan Suomen massa- ja paperiteollisuuden näkökulmasta, koska sen sähköenergiankulutusosuus Suomen koko teollisuuden sähkönkulutuksesta on noin 56 % ja sen kokonaissähköstä erittäin suuri osuus kuluu sähkömoottorikäytöissä (arviolta noin 90 %). Massa- ja paperiteollisuuden sähkömoottorikäytöt ovat keskimäärin muuta teollisuutta selvästi suurempia ja käsittävät paljon pumppukäyttöjä. Näin tällä toimialalla yksittäisillä sähkönsäästötoimenpiteillä on mahdollista saada suurin mahdollinen vaikutus, kun ne tehdään oikein perustein määritettyihin kohteisiin. 4.1 EU:n SAVE ohjelman sähkömoottorikäyttötutkimukset 4.1.1 Sähkömoottorikäyttöjen kulutusjakauma EU:n SAVE ohjelmassa on tutkittu sähkömoottorikäyttöjen sähkönsäästömahdollisuuksia teollisuudessa ja palvelusektorilla 1990-luvun jälkipuoliskolla. Tulokset on julkaistu kahdessa tutkimusraportissa: Improving the Penetration of Energy Efficient Motors and Drives [4] ja VSDs for Electric Motor Systems [5]. Päätekijä kummassakin raportissa on ollut University of Coimbra (Portugali) ja siellä vastuullisena tutkimusten vetäjänä on ollut professori Anibal T. De Almeida. Euroopan Komission puolella tutkimusta on valvonut Paolo Bertoldi. SAVE ohjelman tutkimusten säästölaskelmat perustuvat eri teollisuuden aloilla vuonna 1996 tehtyihin kenttäselvityksiin lähinnä Keski- ja Etelä-Euroopassa sijaitsevilla tehtailla. Näiden kenttäselvitysten tulokset on sitten laajennettu koskemaan kaikkia EU-maita IEA -statistiikan avulla. Esimerkiksi massa- ja paperiteollisuuden tehdasselvitykset on tehty Portugalissa ja Ranskassa. Raportissa ei kerrota, miten edustavaa kenttätutkimusotosta on käytetty. Raportissa ei ole esitetty kenttätutkimusten kohteina olleiden tehtaiden lukumääriä, kokoja eikä tuotantosuuntia. Kenttäselvitysten avulla saatuja tuloksia on taulukossa 2, jossa on esitetty eri sähkömoottorikäyttöjen kulutusosuudet eri teollisuuden aloilla. Massa- ja paperiteollisuuden sähkömoottorikäytöt kuluttavat raportin mukaan 75,1 % koko toimialan sähköstä, joka verrattuna Suomen metsäteollisuuden sähkömoottorikäyttöihin on huomattavasti alle sen todellisen arvon (arviolta noin 90 %). Taulukon 2 luvuista massa- ja paperiteollisuuden osalta voidaan todeta, että ne eivät kuvaa Suomen tilannetta oikein. Taulukossa 3 on esitetty Suomen massa- ja paperiteollisuuden sähkönkulutusjakauma vuonna 1995 [6]. Sen mukaan pumput, puhaltimet ja paineilmakompressorit kuluttivat kokonaissähköstä vain 36 % eli Suomen kaikkien massa- ja paperiteollisuuden sähkömoottoreista noin 40 %:n osuuden. Vastaavasti taulukon 2 mukaan kyseiset taajuusmuuttajille parhaiten soveltuvat käytöt kuluttavat 92,2 % EU:n massa- ja paperiteollisuuden sähköstä, mikä kasvattaa sähkönsäästöpotentiaalin suureksi. Lukuja tarkastelemalla voi vetää sen johtopäätöksen, että kenttäkartoituksesta on todennäköisesti kokonaan jäänyt ulkopuolelle pohjoismaisissa tehtaissa yleinen

16 mekaanisen massan valmistus, koska sarakkeen muut osuus (6,9 %) on jäänyt pieneksi. Mikäli näin on tapahtunut niin, silloin EU-laajennusta tehtäessä mekaanisen massan valmistuksen suuri sähkönkulutus (pääasiassa jauhinmoottorikäytöt) on suurentanut pumppujen, puhaltimien ja paineilman sähkönkulutusosuutta. Vuonna 1996 Suomen massa- ja paperiteollisuuden sähkönkulutuksen suuruus (20,8 TWh) oli 19,5 % EU:n massa- ja paperiteollisuuden kulutuksesta (106,8 TWh). Mekaanisen massan valmistukseen Suomessa vuonna 1996 kului sähköä noin 9 TWh. Taulukko 2. Sähkömoottorien sähkönkulutusjakauma (%) eri käyttöihin teollisuusaloittain EU:ssa SAVE tutkimuksen mukaan [4]. pumput puhaltimet paineilma jäähdytys kompressori kompressori kuljettimet muut yhteensä massa- ja paperi 56,9 21,7 13,2 0,4 0,9 6,9 100 kemia 26,4 10,6 28,1 5,7 2,6 26,6 100 metallien 8,5 15,0 14,1 0,0 5,3 57,1 100 jalostus elintarvike 9,8 11,5 8,7 30,3 0,0 39,7 100 mineraali 6,8 21,4 16,8 0,0 6,2 48,8 100 koneiden valmistus 1,4 18,3 17,2 0,0 0,0 63,1 100 Taulukko 3. Suomen massa- ja paperiteollisuuden sähkönkulutusjakauma vuonna 1995. Luvut laskettu lähteeseen [6] perustuen. Prosessointi (GWh) Pumput Sekoittimet (GWh) Puhaltimet Kompressorit (GWh) Valaistus + muut (GWh) Kokonaiskulutus v. 1995 (GWh) Mekaaninen massa Kemiallinen massa Kierrätys Massa Sellun kuivatus Paperit kartongit Kaikki Yhteensä 8183 92,2 % 911 23,5 % 56 45,8 % 233 57,3 % 3347 43 % 12730 60,5 % 503 5,7 % 2387 61,6 % 57 46,7 % 58 14,2 % 1932 25 % 4937 23,5 % 133 1,5 % 294 7,6 % 3 2,5 % 116 28,5 % 2011 26 % 2557 12,2 % 58 0,6 % 281 7,3 % 6 5 % 465 6 % 810 3,8 % 8877 100 % 3873 100 % 122 100 % 407 100 % 7755 100 % 21034 100 % 4.1.2 Sähkönsäästöpotentiaalit Sähkönsäästöpotentiaalin laskenta taajuusmuuttajien osalta on viitteen [4] mukaan tehty niin, että taulukon 2 lukujen avulla on laskettu eri teollisuuden alojen erityyppisten sähkömoottorikäyttöjen sähkönkulutukset. Nämä luvut on kerrottu taulukossa 4 esitetyillä oletusarvoilla ja skaalattu vastaamaan vuotta 2015 olettamalla 25,4 %:n kulutuskasvu vuodesta 1996. Esimerkiksi EU:n massa- ja

17 paperiteollisuuden pumppukäytöissä taajuusmuuttajilla saavutettavissa oleva tekninen sähkön säästöpotentiaali E vuonna 2015 on viitteessä [4] laskettu seuraavasti: E = 1,254 (kulutuksen kasvu 1996 2015) x 106,8 TWh (EU-15 massa- ja paperiteollisuuden sähkönkulutus vuonna 1996) x 0,751 (moottorien kulutusosuus) x 0,569 (pumppujen kulutusosuus) x 0,51 (tekninen potentiaali) x 0,35 (keskimääräinen säästö) = 10,2 TWh. Samalla tavalla on laskettu potentiaalit muille massa- ja paperiteollisuuden sähkökäytöille ja yhteenlaskulla tulokseksi saatu tekninen kokonaispotentiaali 15,4 TWh. Taulukko 4. Taajuusmuuttajien sähkönsäästön perusolettamukset eri käytöissä SAVE tutkimuksissa koskien vuotta 2015 [4]. Käyttösovellutus Keskimääräinen säästö % Taajuusmuuttaja soveltuu % Taajuusmuuttaja käytössä % Tekninen Potentiaali % Pumput 35 60 9 51 Puhaltimet 35 60 7 53 Ilmakompressorit 15 30 5 25 Jäähdytyskompressorit 15 40 4 36 Kuljettimet 15 60 8 52 Muut moottorit 15 60 5 55 Molemmissa raporteissa ([4], [5]) tekninen säästöpotentiaali edustaa sitä säästöpotentiaalia, joka voidaan saavuttaa, jos kaikki mahdolliset sovelluskohteet varustetaan taajuusmuuttajilla taloudellisesta kannattavuudesta riippumatta. Taloudellinen potentiaali vastaavasti edustaa sitä sähkönsäästöpotentiaalia, joka voidaan saavuttaa, kun investointikohteet täyttävät taloudellisesti kannattavan investoinnin kriteerit. Investoinnin kannattavuuskriteeri täyttyy, kun sähköenergian säästämisen kustannus on pienempi kuin sähköenergian keskimääräinen hinta teollisuudessa. Tällöin on kannattavaa investoida tarkastelun kohteena olevaan sähkökäyttöön taajuusmuuttaja. Teollisuusasiakkaiden sähkön hintana EU:n SAVE-tutkimuksessa on käytetty 55 /MWh. Säästetyn sähköenergian kustannus on laskettu seuraavasta yhtälöstä: Sähköenergian säästämisen kustannus = (K x I)/(E x (1-(1+I) -T )), missä K = toteutuskustannukset I = korkokanta (10 %) E = säästetty sähköenergia T = investoinnin elinikä Edellä mainituilla perusolettamuksilla EU SAVE tutkimuksessa on saatu EU:n massa- ja paperiteollisuuden taajuusmuuttajilla saavutettavissa olevaksi taloudelliseksi säästöpotentiaaliksi 11,1 TWh/a vuonna 2015, joka on noin 72 % teknisestä säästöpotentiaalista 15,4 TWh/a.

18 Edellisestä riippumaton taloudellisesti kannattava sähkönsäästöpotentiaali korkeahyötysuhdemoottoreilla EU:n massa- ja paperiteollisuudessa vuonna 2015 on raportissa arvioitu olevan 4,4 TWh/a. EU SAVE tutkimuksessa [4] on arvioitu EU:n teollisuuden sähkömoottorien kulutuksen olevan noin 721 TWh vuonna 2015. Taloudellisesti kannattavaa säästöpotentiaalia korkeahyötysuhteen moottoreilla on arvioitu saavutettavan 24 TWh/a (3,3 % moottorien kokonaiskulutuksesta) ja taajuusmuuttajia jälkikäteen asentamalla 45 TWh/a (6,2 % moottorien kokonaiskulutuksesta). 4.1.3 EU:n SAVE-ohjelman tuloksista suoraviivaisesti johdettu arvio Suomen säästöpotentiaaliksi Suoraviivaisessa menetelmässä Suomen luvut johdetaan SAVE tutkimuksista muuntokertoimilla, jotka saadaan jakamalla Suomen kunkin teollisuussektorin vuosikulutus vuodelta 1996 vastaavilla EU:n kokonaiskulutuksilla. Massa- ja paperiteollisuuden kohdalla tämä menetelmä antaa taloudellisesti kannattavaksi säästöpotentiaaliksi korkeahyötysuhdemoottorien osalta noin 800 GWh/a ja taajuusmuuttajien osalta noin 2200 GWh. Vastaavat luvut kemianteollisuuden osalta ovat noin 115 GWh ja noin 260 GWh sekä metallien jalostuksen kohdalta noin 110 GWh ja noin 200 GWh. Suomen osalta saadut potentiaalit ovat merkittävästi yliarvioituja (vrt. taulukko 21) ja johtavat vääriin päätelmiin. 4.2 USA:n teollisuuden sähkömoottorikäyttötutkimus USA:n teollisuuden sähkömoottorikäyttöjä ja niiden sähkönsäästöpotentiaalia on kartoitettu laajassa tutkimuksesssa: United States Industrial Electric Motor Systems Market Opportunities [7]. Kenttäkartoituksia tehtiin 254 tehdaslaitoksessa vuonna 1997. Näistä 39 kpl oli massa- ja paperitehtaita, joista pieniä oli mukana 16 kpl, keskikokoisia 6 kpl ja suuria 17 kpl. Eniten tehdaskartoituksia tehtiin kemian tehtaissa, yhteensä 50 kpl. Kenttäkartoitusten perusteella laskettiin sähkömoottorien lukumääriä, sähkönkulutuksia ja arvioitiin eri menetelmillä saavutettavia säästöpotentiaaleja. Tutkimuksessa on kartoitettu laajasti valmistavan teollisuuden (17 eri toimialaa) sähkömoottorikäyttöihin liittyviä sähkönsäästökeinoja ja potentiaaleja. Tärkeimmät tarkastellut säästökeinot olivat seuraavat: nykyistä parempi hyötysuhteisten moottorien käyttöönotto, moottorien uusintakäämitykseen liittyvien käytäntöjen parantaminen, moottorien ylimitoittamisen korjaaminen, eri sähkömoottorikäyttöisten järjestelmien kokonaishyötysuhteiden parantaminen (pumppaus, puhaltimet ja paineilma). Tutkimuksessa taloudellisesti kannattavan investoinnin kriteerinä pidettiin kolmen vuoden suoraa takaisinmaksuaikaa. Potentiaaliarviot suoritettiin asiantuntijaarvioina. Lopputulos oli se, että valmistavan teollisuuden (kokonaiskulutus 918 TWh/a) sähkömoottorikäytöissä (kokonaiskulutus 541 TWh/a) taloudellisesti kannattavaa sähkönsäästöpotentiaalia vuonna 1997 oli saatavissa korkeahyötysuhteen sähkömoottoreilla noin 20 TWh/a (3,7 % moottorien kokonaiskulutuksesta) ja taajuusmuuttajaohjatuilla käytöillä noin 19 TWh/a (3,5 % moottorien kokonaiskulutuksesta). Taajuusmuuttajia koskeva arvio on

19 huomattavasti pienempi kuin mitä Eurooppaa koskeva EU SAVE:ssa tehty arvio (6,2 % moottorien kokonaiskulutuksesta) vuodelle 2015. 4.2.1 Sähkömoottorien taajuusmuuttajakäytöt USA:n teollisuudessa Tutkimuksen mukaan taajuusmuuttajilla pyörimisnopeussäädettyjä käyttöjä oli 9 %:ssa kaikista sähkömoottorikäytöistä. Niillä ohjattiin 4 % kaikkien sähkömoottorien kuluttamasta sähköenergiasta. Lukumäärällisesti eniten 11 % niitä oli pienissä käytöissä (0,75-4 kw), jolloin tämän moottorikokoluokan sähköenergiasta ohjauksen piirissä oli 13 %. Pumppukäytöistä taajuusmuuttajilla säädettyjä oli 3,2 % (vastaa 2,9 % pumppujen kuluttamasta sähköstä). Vastaavat luvut puhaltimien kohdalla olivat 7,3 % (8,3 %), kompressorien osalta 1,7 % (3,7 %) ja muiden käyttöjen 11,4 % (4,3 %). Yli 80 % asennetuista taajuusmuuttajakäytöistä oli muita käyttöjä. Energian säästön kannalta parhaita kohteita tutkimuksen mukaan ovat pumput, puhaltimet ja kompressorit, mutta tutkimuksen mukaan erityisesti pumppujen ja kompressorien kohdalla taajuusmuuttajalla säädettyjen käyttöjen osuus oli alhainen. Taulukossa 5 on esitetty asiantuntijoiden arvio taajuusmuuttajilla saavutettavissa olevista sähkönsäästöistä eri sovellutuksissa. Taulukon 5 arvot kuvaavat koko valmistavan teollisuuden keskimääräisiä arvoja. Säästöjen saavuttamiseksi tarvittavat investoinnit oli arvioitu taloudellisesti kannattaviksi (kolmen vuoden suora takaisinmaksuaika). Taulukon mukaan suurimmat sähkönsäästöt on saavutettavissa pumppukäytöissä. Verrattaessa taulukon 5 arvoja taulukon 4 vastaaviin niin havaitaan taulukon 5 arvojen olevan huomattavasti pienempiä. Taulukko 5. Taajuusmuuttajien soveltuvuus ja saavutettavat sähkönsäästöt USA:ssa[7]. Käyttötyyppi Soveltuvuus Saavutettava Nettosäästö alin arvio keskimäärin ylin Säästö keskimäärin arvio Pumppukäytöt 15 % 35 % 45 % 30 % 10,5 % Puhallinkäytöt 5 % 10 % 15 % 20 % 2,0 % Paineilmakompressorit 15 % 25 % 40 % 10 % 2,5 % 4.2.2 USA:n massa- ja paperiteollisuus Tarkastellaan lähemmin USA:n metsäteollisuutta, jonka kokonaissähkönkulutus vuonna 1997 oli noin 122 TWh, josta sähkömoottorit kuluttivat 82 % eli noin 99 TWh. Metsäteollisuuden sähkönkulutuksesta 86 % kului massa- ja paperiteollisuudessa. USA:ssa massan valmistus perustuu pääasiassa kemialliseen prosessiin: vuonna 1994 massan tuotannosta 82 % oli kemiallista ja vain 9 % mekaanista. Lisäksi tuotanto on tehottomampaa (ominaiskulutukset suurempia), kun sitä verrataan Skandinavian tehtaisiin [8]. USA:ssa on suhteessa vähemmän integroituja tehtaita kuin Suomessa. Tämä on otettava huomioon tulkittaessa tutkimuksen tuloksia. Tulokset perustuvat kenttäkartoituksiin, joita tehtiin 39 USA:n massa- ja paperitehtaassa vuonna 1997. Näissä pieniä oli mukana 16 kpl, keskikokoisia 6 kpl ja suuria 17 kpl. Massa- ja paperiteollisuuden sähkökäytöistä taajuusmuuttajilla säädettyjä oli 5,5 % ja niillä ohjattiin 4,8 % kyseisen toimialan

käyttämästä sähköenergiasta. Moottorikäyttöjen sähkönkulutus jakaantui siten, että pumppaus kulutti 31,4 %, puhaltimet 19,8 %, paineilma 4,6 %, jäähdytysjärjestelmät 5,0 % ja muut moottorikäytöt 39,2 %. Yli 150 kw:n moottorit kuluttivat 58,8 % sähköenergiasta ja tasavirtamoottorit kuluttivat 9,5 % sähköenergiasta. 20

21 5 Massa- ja paperiteollisuus-sektorin tulokset 5.1 Kysely taajuusmuuttajista ja sähkömoottoreista Tämän selvityksen tekijät yhdessä Metsäteollisuus ry:n kanssa suorittivat taajuusmuuttajia ja sähkömoottorikäyttöjä koskevan kyselyn massa- ja paperiteollisuusyrityksille kesäkuussa 2008. Kyselyyn saatiin vastaukset 18 tehtaalta. Kyselyn tuloksia käytetään hyväksi eri kohdissa tätä selvitystä ja seuraavassa mm. tehtäessä kulutusjakaumaa ja arvioitaessa jäljellä olevaa sähkömoottorikäyttöjen sähkönsäästöpotentiaalia Kyselyssä tiedusteltiin eri tuotantolinjojen (mekaaninen massa, kemiallinen massa sekä paperin ja kartongin valmistus) pumppu/puhallin -käyttöjen kokonaismääriä ja taajuusmuuttajalla syötettyjen pumppu/puhallin -käyttöjen lukumääriä kolmessa eri teholuokassa (50 < 100 kw, 100 < 400 kw, 400 kw). Taulukoissa 6 ja 7 on esitetty kyselyn tulokset pumppu- ja puhallinkäyttöjen osalta. Suhteellisesti eniten taajuusmuuttajia on asennettu kemiallista massaa tuottaville linjoille. Kaikkiaan yli 50 kw:n pumppukäytöistä 19,2 % ja puhallinkäytöistä 18,1 % on varustettu taajuusmuuttajalla eli kaikki tuotantolinjat huomioiden keskimäärin lähes joka viides yli 50 kw:n pumppu- ja puhallinkäyttö on taajuusmuuttajaohjattu. Taulukko 6. Yhteenveto taajuusmuuttajakäyttöjen yleisyydestä (%-osuus kyseisen luokan kaikkien pumppukäyttöjen lukumäärästä) Suomen massa- ja paperiteollisuudessa vuonna 2008. Pumppukäytöt taajuusmuuttajilla 50 - <100 kw 100 - <400 kw 400 kw Mekaaniset massat 11,5 % 24,5 % 34,6 % Kemialliset massat 19,4 % 25,2 % 25 % Paperit, kartongit 14,2 % 21,8 % 21,5 % Taulukko 7. Yhteenveto taajuusmuuttajakäyttöjen yleisyydestä (%-osuus kyseisen luokan kaikkien puhallinkäyttöjen lukumäärästä) Suomen massa- ja paperiteollisuudessa vuonna 2008. Puhallinkäytöt taajuusmuuttajilla 50 - <100 kw 100 - <400 kw 400 kw Mekaaniset massat 9,5 % 18,8 % 9,1 % Kemialliset massat 21,4 % 47,8 % 84,6 % Paperit, kartongit 11,4 % 17,6 % 22,2 % Verrattaessa edellä esitettyjä tuloksia SAVE tutkimuksen taulukon 4 kohtaan taajuusmuuttaja jo käytössä, havaitaan Suomen massa- ja paperiteollisuudessa potentiaalisimmissa käytöissä taajuusmuuttajien määrän olevan jo nyt yli kaksinkertainen siihen nähden mitä SAVE tutkimuksessa on käytetty vuoden 2015 oletuksena.

22 Lisäksi tiedusteltiin taajuusmuuttajilla ohjattujen paineilmakompressorien yleisyyttä. Taajuusmuuttajilla ohjattujen paineilmakompressorien tehon osuus koko paineilman installoidusta tehosta oli 3 %. Joillakin tehtailla on käytössä säädettävät turbokompressorit, joilla ohjataan noin 25 % paineilman tuotosta. Sähkömoottoreista kysyttiin niiden kulutusosuutta suhteessa koko sähkönkulutukseen eri tuotantolinjoilla. Suurin kulutusosuuden arvioitiin olevan kemiallisen massan valmistuksessa yli 90 %. Mekaanisen massan sekä paperin ja kartongin valmistuksessa moottorikäyttöjen kulutusosuuden arvioitiin jäävän hieman alle 90 %:n. Lisäksi tiedusteltiin korkeahyötysuhteen EFF1-moottorien yleisyyttä eri tuotantolinjoilla. Keskimäärin EFF1 moottorien osuus nykyisissä alle 90 kw:n koneissa on noin 14 %. 5.2 Esimerkkituotantolinjojen sähkömoottorikäytöt Tämän selvitystyön käyttöön saatiin mekaanisen massanvalmistuslinjan sekä kahden paperikonelinjan tarkat sähkömoottorikäyttöjen tiedot. Vertailukohdat edustavat tekniseltä tasoltaan keskimääräisiä suomalaisia massan ja paperinvalmistuksen tuotantolinjoja. Seuraavassa esitetään yhteenveto esimerkkilinjojen sähkömoottorikäytöistä. 5.2.1 TMP-tuotantolinja Mekaanisen massan TMP tuotantolinja (Thermo Mechanical Pulping, kuumahierre) tuotanto edustaa noin 5,2 % Suomen vuoden 2007 mekaanisen massan koko tuotannosta. Sähkömoottorikäyttöjä TMP -linjassa on kaikkiaan 305 kpl. Näistä kolme on pienitehoisia tasavirtamoottorikäyttöjä. Taajuusmuuttajilla ohjattuja oikosulkumoottoreita on kaikkiaan 33 kpl eli 11,4 % koko oikosulkumoottorikannasta (290 kpl). Isoja jauhinmoottoreita on yhteensä 12 kpl, jotka kaikki ovat keskijänniteverkkoon liitettyjä vakionopeudella toimivia suuritehoisia tahtimoottoreita kokoluokassa 3 MW 32 MW. Taulukossa 8 on esitetty TMP-linjan sähkömoottorikäyttöjen erittely lukumäärän ja installoidun tehon suhteen. Suuret jauhinmoottorit edustavat yli 90 % installoidusta tehosta. Suuritehoisia taajuusmuuttajakäyttöjä on käytössä sekä pumppu- että kuljetinkäytöissä. Taulukossa 9 on tarkemmin esitetty pumppukäyttöjen kokojakauma ja taajuusmuuttajien yleisyys. Pumppukäyttöjen sähkötehosta pyörimisnopeuden säädettyä on 22 %. Yli neljännes pumppukäytöistä kokoluokassa 100 400 kw on ohjattu taajuusmuuttajalla.

23 Taulukko 8. TMP -linjan sähkömoottorikäyttöjen jakauma. Lukumäärä kpl Installoitu teho kw Sähkömoottorikäytöt Taajuusmuuttajat kpl Installoitu taajuusmuuttajateho kw Jauhimet 41 139 000 6 83 Pumput 94 5543 7 1210 Kuljettimet 81 2955 14 1906 Lajittimet 12 1205 - - Sekoittimet 18 660 - - Koneikot 51 286 2 26 Puhaltimet 5 34 2 19 Muut 3 6 2 2 Yhteensä 305 149 689 33 3246 Taulukko 9. TMP -linjan pumppukäyttöjen lukumäärät ja tehot sekä taajuusmuuttajatilanne. 4 < 50 50 - < 100 100-400 Yhteensä Pumput kw kw kw 4 400 kw Lukumäärä kpl 61 12 21 94 Sähköteho yhteensä kw 673 820 4050 5543 Taajuusmuuttajat kpl % pumppukäytöistä Taajuusmuuttajat kw % pumppukäytöistä 5.2.2 Paperikonelinja - - - - 2 16,7 130 15,9 4 19,1 1080 26,7 6 9,2 1210 22,0 Paperikonelinjan tuotanto edustaa noin 2,4 % Suomen vuoden 2007 koko paperin tuotannosta. Paperikone on rakennettu 1960- ja 1970-lukujen vaihteessa ja myöhemmin sitä on nykyaikaistettu mm. sähkömoottorikäyttöjen osalta. Taulukossa 10 on esitetty paperikonelinjan sähkömoottorikäyttöjen ja niiden taajuusmuuttajien erittely lukumäärän ja installoidun tehon suhteen. Sähkömoottorikäyttöjä paperikonelinjassa on kaikkiaan 461 kpl. Näistä pyörimisnopeussäädettyjä tasavirtamoottorikäyttöjä on kaikkiaan 17 kpl, joiden yhteisteho on noin 4600 kw (noin16 % kokonaismoottoritehosta) eli keskiteho yhtä moottorikäyttöä kohden on 271 kw. Tasavirtavirtakäytöt ovat taulukon 10 mukaisessa ryhmittelyssä ryhmässä koneikot pyörittämässä paperikoneen erilaisia teloja. Taajuusmuuttajilla ohjattuja oikosulkumoottorikäyttöjä on kaikkiaan 112 kpl, joiden yhteisteho on noin 8500 kw (noin 29 % kokonaismoottoritehosta) eli keskiteho yhtä moottorikäyttöä kohden on noin 76 kw. Kaikkiaan paperikonelinjan moottorikäyttöjen installoidusta sähkötehosta pyörimisnopeussäädettyä (tasavirta- ja taajuusmuuttajakäytöt yhteensä) on noin 45 % eli 13100 kw. USA:n metsäteollisuudessa taajuusmuuttajilla ohjattujen sähkökäyttöjen osuus moottorien kuluttamasta sähköenergiasta oli 4,8 % vuonna 1997 (luku 4.2.2). Suomessa osuus on nykyään huomattavasti tätä suurempi kuten tämän esimerkkipaperikonelinjan taajuusmuuttajien 29 %:n osuus sähkökäytöistä osoittaa.

24 Taulukko 10. Yhden paperikonelinjan sähkömoottorikäyttöjen jakauma. Taajuusmuuttajat Sähkömoottorikäytöt kpl kw Lukumäärä Installoitu teho kpl Installoitu taajuusmuuttajateho kw Koneikot 195 8500 31 3000 Pumput 114 6143 27 3291 Jauhimet 16 6021 7 21 Tyhjöjärjestelmä 9 2475 - - Sekoittimet 41 2041 1 22 Puhaltimet 32 1856 8 859 Leikkuri 15 1252 13 1240 Lajittimet 12 763 2 22 Kuljettimet 27 60 19 45 Yhteensä 461 29111 108 8500 Taulukoissa 11 ja 12 on esitetty tarkemmat analyysit pumppu- ja puhallinkäytöistä. Suurimmat yli 400 kw:n tehoiset pumput, jotka kaikki ovat taajuusmuuttajilla säädettyjä, ovat pyörrepuhdistimen syöttöpumppu (800 kw) ja peränsyöttöpumput (2 kpl a 560 kw). Suurimmat puhaltimet ovat etuhuuvan korvausilmapuhallin (160 kw) ja infran jäähdytyspuhallin (160 kw). Kumpaakin säädetään taajuusmuuttajalla. Taulukko 11. Esimerkkipaperikonelinjan pumppukäyttöjen lukumäärät ja tehot sekä taajuusmuuttajatilanne. Pumput < 50 50 < 100 100 400 > 400 kw kw kw kw yhteensä Lukumäärä kpl 85 13 13 3 114 Sähköteho yht. kw 1253 980 1990 1920 6143 Taajuusmuuttajia Kpl % Taajuusmuuttajia kw % 17 20,0 314 25,1 3 23,0 185 18,9 4 30,8 872 43,8 3 100,0 1920 100,0 27 23,7 3291 53,6 Taulukko 12. Esimerkkipaperikonelinjan puhallinkäyttöjen lukumäärät ja tehot sekä taajuusmuuttajatilanne. Puhaltimet < 50 50 < 100 100 400 > 400 kw kw kw kw yhteensä Lukumäärä kpl 15 7 8-30 Sähköteho yht. kw 241 525 1090-1856 Taajuusmuuttajia Kpl % Taajuusmuuttajia kw % 1 6,7 15 6,2 2 28,6 150 28,6 5 62,5 694 63,7 - - - - 8 26,7 859 46,3 Verrattaessa edellä esitettyjen taulukoiden arvoja taulukkojen 6 ja 7 arvoihin havaitaan, että tässä paperikoneessa taajuusmuuttajia on keskimääräistä enemmän eli joka neljäs pumppu- ja puhallinkäyttö on pyörimisnopeussäädetty. Huomion arvoista on se, että tämä vastaa noin puolta pumppu- ja puhallinkäyttöjen installoidusta sähkömoottoritehosta. Muiden käyttöjen kohdalla taajuusmuuttajien