ABB:n sormenjälki prosessiteollisuuden energiatehokkuudessa
Fossiilisen energian riittävyys, jatkuva energiankulutuksen kasvu sekä ilmastonmuutokseen havahtuminen muokkaavat ajatteluamme nykypäivänä. Raaka-aineista loppukuluttajalle ulottuvan energiaketjun hallinta ja ohjaus ovat tärkeimpiä toimenpiteitä nykyaikaisiin energiatehokkaisiin ratkaisuihin ja optimaaliseen energiankäyttöön pyrittäessä. Nyt vain ominaisuuksiin perustuva laitteiden ostaminen ei riitä, laite pitää mieltää osaksi kokonaisjärjestelmää ja huomioida laitteen koko elinkaari. Laitteen vaikutus koko järjestelmään on siis huomioitava investointipäätöksen perustaksi. Jatkossa tarvitaan huomattavasti parempi järjestelmän älykkyys, jotta koko systeemin toimintatila ja tehokkuus olisi hetkellisesti tiedossa. Uusi teknologia älykkäine sovelluksineen ja laitteineen mahdollistavat järjestelmän käytön optimaalisella tehokkuudella ja ympäristöä säästävästi. Yleinen mielipide on muuttunut, se pitää epäeettisenä käyttää vain huonon hyötysuhteen ja suuria päästöjä aiheuttavia halvempia laitteita, kun myös selvästi parempia laitteita on saatavilla. Pelkän rahan tai hankintakustannuksen ei tulisi olla määräävä, koska koko elinkaarikustannusten (jossa myös ympäristövaikutukset ovat yhä merkityksellisempiä) perusteella jälkimmäinen vaihtoehto on usein kannattavampi. Viranomaisohjaus ja säätely Ilmastomuutoksen vastainen taistelu jatkuu. Hiilidioksidipäästöjä pyritään pienentämään siirtymällä yhä lisääntyvässä määrin fossiilisista energialähteistä uusiutuvan energian käyttöön. Päästökauppa yhdessä sähkö- ja muiden energiamuotojen kasvavien kustannustasojen kanssa tekevät energiatehokkuuden lisäämisestä ja energian säästöratkaisuista houkuttelevimpia keinoja päästöjen ja energiakustannusten hillitsemiseksi. Kansallisten viranomaisten nykyiset ja tulossa olevat ohjeet ja määräykset kehittyvien EU direktiivien kanssa ohjaavat meitä myös huomioimaan nämä asiat investointi- ja kehityspäätöksiä tehdessämme. Loppuasiakas maksaa viime kädessä päästökaupan tuoman lisälaskun. Nykyiset ja suunnitteilla olevat verotusratkaisut (haittavero) rasittavat myös ei toivottua energiantuotantoa tekemällä uusiutuvasta energiantuotannosta ja energiansäästöratkaisuista yhä kiinnostavampia. Biomassapohjaisen uusiutuvan sähköenergian tuotannon kilpailukyvyn paraneminen on metsäteollilisuuden kasvava mahdollisuus. Kokonaisuudessaan suurempi oman energiantuotannon määrä lisää joustavuutta ja ennustettavuutta kasvavien energiakustannusten oloissa. EU on toteuttanut ja suunnitellut lukuisia energiaa kuluttavia tuotteita, rakentamista ja palveluita koskevia määräyksiä sekä vaatimuksia. Uudet sitovat sähkölämmitystä ja jäähdytystä sekä hyviä toiminta- ja ohjausmalleja koskevat tehokkuusvaatimukset ovat työn alla. Niillä haetaan korkeampaa energiantuotannon hyötysuhdetta (nykyinen 40%, tavoite 60%) sekä alhaisempia sähkön siirto- ja jakeluhäviöitä (alle nykyisen 10%) [1]. Työt muuntajien enegiatehokkuusvaatimusten määrittämiseksi ovat käynnissä sekä EU- että IEC-tasolla. Sähkömoottoreihin on kiinnitetty erityistä huomiota. EU direktiivi 2005/32/EC määrittelee pienjännitemoottoreille 7.5 375 kw kokoluokissa nykyiset pakolliset teholuokat kiristämällä vaatimuksia toisessa vaiheessa vuoden 2015 alusta lähtien (ks. enemmän kohdasta AC moottorit ) [2]. Säästöpotentiaali Nykyisin käytetystä sähköenergiasta jopa 80% kuluu energialähteestä kuluttajalle tapahtuvassa energiaketjussa erilaisissa tuotannon, siirron ja muuntotoiminnoissa. Siksi näihin häviöihin tulisi puuttua tehokkaampaan energiankäyttöön pyrittäessä. Eri osa-tekijät huomioiden uusien modernien teknologisten ratkaisujen käyttö on välttämätöntä. Energiatehokkuus on osa älykästä energiankäyttöä, jossa primäärienergia pyritään hyödyntämään mahdollisimman tehokkaasti älykkäitä energiansäästöratkaisuja, helppokäyttöisyyttä ja kestäviä kustannussäästötoimenpiteitä yhdistämällä [3] Kuva 1. Nykyisin täysin uudet teollisuuslaitokset suunnitellaan ja rakennetaan nykyaikaisimpia tekniikoita ja ratkaisuja hyödyntäen. Olemassaolevissa teollisuuslaitoksissa sitä vastoin on suuret energiankäytön tehostamismahdollisuudet. Laitokset ja niiden prosessien energiankulutukset poikkeavat kuitenkin toisistaan erittäin merkittävästi. Kuva 2. Energiatehokkuuden parantamismahdollisuudet. Useat tekijät kuten itse prosessi, raaka-aine sekä valittu toteutusteknologia vaikuttavat energiankulutukseen. Kanadalaisissa sanomalehtipaperitehtaissa energiankulutus vaihteli välillä 1220... 3660 kw/adt. Siksi energiankulutuksen kannalta ei ole yhdentekevää, minkä prosessin, raaka-aineen ja modernin teknologian valitsee uutta laitosta toteuttaessaan. (Kuva 3. [4]) 2 ABB I Energian säästö
Kuva 5. Kaavio laitoksen energian ohjautumisesta eri kulutukseen Prosessiteollisuuslaitoksen sähköenergian käytössä esiintyviä säästökohteita voidaan nähdä kuvassa 5. Itse prosessi käyttää pääosan energiasta jossa nykyaikaiset prosessinohjaus ja prosessivalinnat voivat aikaansaada säästöjä. Sen lisäksi myös muut esitetyt energiavirrat ovat minimoitavissa. Sähköenergian häviöt voidaan jakaa karkeasti kuvan 6 mukaisesti. Kuva 3. Prosessihöyryn ja sähkön kulutus / sanomalehtipaperitehdas. Energiaketjusta löytyy useita energiansäästökohteita. Kuvassa 4 nähdään, missä energiaketjun kohdassa energiaa kuluu ja mitkä ovat sen osan säästömahdollisuudet. Kuva 6. Sähköiset häviöt teollisuuden energiaketjun eri osissa. energiansäästö Energiatehokas ratkaisu on usein perinteistä kalliimpi investointi, mutta koko elinkaaren ja sen kustannusten huomiointi puoltavat kuitenkin sen valitsemista jopa tämän päivän alhaisen korkokannankin aikana. Vanhat laitokset ovat yksilöllisiä, joten niissä ensivaiheessa tarvitaan energiatehokkuusarvio suurimpien ja tehokkaimpien säästöpotentiaalien paikantamiseksi. Arviossa huomioidaan lämpö, höyry, paineilma ja sähkö koko prosessissa käsittäen energiantuotannon (muuntamisen), siirron, jakelun sekä prosessienergian käytön. ABB sitoumus ABB:n ratkaisut ja teknologia voivat energiankulutuksen ja häviöiden pienentämisellä, tuottavuuden lisäämisellä ja sähkölaitteiden tehokkaalla hallinnalla pienentää energian tuhlausta sekä yli kaksinkertaistaa nykyisen energiaketjun tuottavuuden. Sähköenergian osalta voidaan todeta 40 % koko energiasta kuluvan teollisuusprosessissa, eli prosessissa sisäisesti, sulatussuuneissa ja pyörivissä moottoreissa. Tässä useat toiminnot lämmitys, sulatus, materiaalin kuljetus, muokkaaminen sekä aliprosessit paineilma, ilmastointi, jäähdytys, pumppaus, leikkaus, kuivatus tarvitsevat oman osuutensa energiasta. Itse teollisuuden prosessienergiaketju, jokainen aliprosessi sekä niihin liittyvät laitteet alistetaan CE turvallisuusmerkinnän tarkastusprosessin kaltaisen energiatehokkuuden arviointimenettelyyn. Tällaisen arvioinnin tulosten ja siinä havaittujen paranparannuskohteiden lisäksi myös muilla energiatehokkuuden parantamistoimenpiteillä varmistetaan, että kaikki nykytiedolla käsiteltävät energiankäytön tehostamiskohteet ja -mahdollisuudet on huomioitu ja toimenpidesuunnitelmat tehty. Kuva 4. Nykyaikaisilla tehokkailla laitteilla ja ratkaisuilla saavutettavissa oleva ABB I Energian säästö 3
Toimintamalli kattaa mm. polttoaineet, lämmön ja sähkön tuotantopolitiikan, laitoksen jakeluverkkojen rakenteet, jänniteportaiden valinnan, laitemitoitukset, muuntajat, kiskostot, kaapelit, kojeistot, mittarit ja mittausmenetelmät, ohjaus- ja valvontajärjestelmän, yksittäis- AC käytöt, linjakäytöt yms. Jokaisessa yksittäisessä kohdassa yksinkertaisia ja tehokkaita menetelmäratkaisuja, pienhäviöisiä sekä korkean hyötysuhteen laitteita pyritään käyttämään. Kuva 7 erittelee kohteina olevia aliprosesseja. ABB tukee voimakkaasti EU:n pyrkimyksiä tehostaa energian käyttöä lisäämällä taajuusmuuttajakäyttöjä. Nykyisin taajuusmuuttajalla syötetään arviolta vain 5... 15 Liquid% teollisuudessa käytetyistä moottoreista, joten energiansäästömahdollisuudet ovat valtaisat. Muita kannatettavia suuntauksia ovat elinkaarikustannusten ymmärryksen lisääminen (hankintahinta ja energiankulutus sekä ympäristölle aiheutuvat rasitukset huomioiden) ja järjestelmä tasoisen ajattelun esilletuominen, missä laitteet nähdään koko järjestelmän toiminnan energiatehokkuutta parantavana ja kustannuksia alentavana osatekijänä. Energiatehokkuuden parannuskeinoja Sähkönjakelukonsepti Hyvin suunniteltu sähkönjakelu- ja prosessisähköjärjestelmä ovat energiatehokkuuden kannalta keskeiset perustekijät. Jakeluverkon rakenne, laitetyypit ja niiden tarvittava määrä sekä elinkaarikustannukset (hankinta- ja käyttökustannukset) ovat riippuvaisia jänniteportaitten valinnoista. Nykyään 690 V on yleisin jakelujännitetaso suurimmissa teollisuuslaitoksissa. Toimilaitteissa esiin tulevien etujen lisäksi 690V jännitetasolla on yhteys myös edistykselliseen verkostorakenteeseen. Nykyaikaiset älykkäät moottorikeskukset ovat osa kehittynyttä teollisuuslaitoksen sähkö- ja jakeluverkkoa. Älykkäät moottorilähdöt suoriutuvat perinteisiä ratkaisuja paremmin moottoreiden käyttöön liittyvistä vaativistakin ohjaus-, kunnonvalvonta- ja suojaustoiminnoista sekä mitattujen ajantasaisten tietojen välittämisestä myös järjestelmätasoista prosessinhallintaa varten. Jokaisesta moottorista saadaan tieto käytetystä energiamäärästä ja kun ne käyttävät suurimman osan sähköenergiasta tätä tietoa voidaan hyödyntää prosessinohjauksessa. Uusien tuoteratkaisujen ansiosta suurempia ja hyötysuhteelteeltaan parempia taloudellisia moottorikäyttöjä voidaan hyödyntää. Aiemmat järjestelmät koostuivat usein yhdistelmästä jännitteen alennusmuuntaja pienjännitetaajuusmuuttaja jännitteennostomuuntaja, koska keskijänniteinvertterit olivat hinnaltaan kalliita ja suurihäviöisiä. Nyt uudet keskijänniteinvertterit ovat täysin vertailukelpoisia ominaisuuksiltaan pienjännitelaitteiden kanssa, näin täysin keskijännitelaitteilla ilman muuntajia toteutettu ratkaisu on kilpailukykyinen. Tämän ratkaisun etuna on myös yhä suurempia moottoreita käyttävien prosessiosien suora käynnistys ilman häiritseviä syöttöverkon häiriöitä. Kuva 7. Energiatehokkuuden arvoketjun kehittämiskohteita Teollisuuden energian optimointiin liittyvät esimerkiksi Taloudelliset tavoitteet/kohteet (sähköntuotannon hyötysuhde, höyryn lämpötilat, turpiiniparametrit, kuormanjako yms.) Höyryntuotannon hyötysuhteen parantaminen ja polttoainekustannusten pienentäminen (polttoaineen hintaoptimointi, yhdistelmätuotanto, kattilanoptimointi yms.) Oman energiantuotannon ja energian oston optimointi (oman energiantuotannon sopeuttaminen vallitsevan markkinan ja hintatason suhteen) Sähkönjakelun ohjaus- ja energianhallintajärjestelmät Teollisuuden jakeluverkon älykkyys lisääntyy nopeasti. Yhä yleisemmin toteutuksessa käytetään mm. älykkäitä moottorilähtöjä. Koko järjestelmä on tilannekohtaisesti paremmin hallinnassa prosessiin ja syöttävään jakeluverkkoon lisättyjen antureiden ja mittalaitteiden sekä muista älykkäistä laitteista saatavan tiedon ansiosta. Laitosten käyttöastetta sekä käytävyyttä voidaan näiden ajantasaisten lisätietojen perusteella nostaa. Myös kunnossapitotietoja voidaan hyödyntää kunnossapitojärjestelmissä. Ajantasainen prosessinohjaus ja analysointi sekä mahdollinen häiriötilanteiden selvitys on mahdollista saatujen mittaustulosten avulla. Energiatehokkuus arviointi menettelyssä suoritetaan arviointi ja toteutetaan parannusehdotuksia kuten Asiantuntevat suunnittelupalvelut Laitoksen hallinta- ja optimointiohjelmistot Turpiinisäätäjien modernisointi Ohjaus-, valvonta- ja mittausjärjestelmien uusinnat Nykyaikaiset älykkäät moottorikäytöt ja moottorit Sähkön, lämmön- ja höyryntuotanto sekä oman sähköntuotannon osuus, verkkoon takaisin syötetyn energian määrä Jos käytössä on kaksisuuntainen tiedonsiirtoyhteys (esim. IEC61850), palvelee se myös älykkään järjestelmän toimintoja ja ohjausta. Monikriteeriset useaan tietoon perustuvat suojaus- ja ohjaustoiminnot ovat olennainen osa älykästä ja tehokasta sähkönjakelujärjestelmää. 4 ABB I Energian säästö
Nopea hätäkuormanerotus on erittäin tärkeä toiminto silloin, kun teollisuuslaitoksella on merkittävästi omaa energiantuotantokapasiteettia. Jos ulkopuolinen syöttöyhteys (esim. valtakunnan verkko) häiriintyy tai menetetään äkillisesti, koko laitos täytyy muuttaa toimimaan väliaikaisesti täysin itsenäisesti saarekkeena. Saarekekäyttöön siirtyminen on välttämätöntä, jotta laitoksen prosessin kannalta elintärkeät toiminnot voidaan säilyttää. Energiatasapainon säilyttämiseksi sekä saarekekäytön onnistumiseksi kaikki vähemmän kriittiset kuormitukset ja toiminnot kytketään tilapäisesti pois nopeasti. Kriittisten toimintojen säilyttäminen ja saarekekäyttö mahdollistaa prosessin nopean toipumisen heti häiriötilanteen loputtua, vähentää häiriöstä johtuvaa tuotannonmenetystä, säilyttää energiatehokkuuden sekä mahdollisimman hyvän sähkön laadun poikkeavassa tilanteessa. Normaali kuormanerotustoiminto vähentää tarvittaessa kuormitusta, kun energiansaannin niukkuus tai uhkaava ylikuormitustilanne voidaan etukäteen ennustaa. Tällöin prosessivalvoja voi valvomosta kytkeä vähemmän tärkeitä prosesseja pois ennalta määritellyn matriisi ohjeen mukaan tai manuaalisesti yksitellen. Tyypillisesti voidaan saavuttaa noin 30% energiansäästö. Silloin investoinnilla on alle vuoden takaisinmaksuaika. Vielä parempi energiatehokkuus saavutetaan, kun käytetään korkean hyötysuhteen moottoreita. Energiansäästö syntyy nopeasti, sillä moottorin elinaikana kuluttaman energian arvo on tyypillisesti satakertainen investointikustannuksiin nähden. Pumppauksen ja puhalluksen energiantarvetta voidaan kokonaisuudessaan pienentää mekaanisten komponenttien tehokkuutta parantamalla sekä korvaamalla kuristussäädöt taajuusmuuttajakäytöillä. Taajuusmuuttajakäyttöjen yhteydessä vältytään myös prosessessilaitteiden turhalta ylimitoitukselta, koska käytöt ylläpitävät hyvää energiatehokkuutta ja toimintavarmuutta myös poikkeuksellisissa käyttötilanteissa. Kuluneiden pumppujen vaihtamisella, ylimitoituksesta luopumisella ja yli 50 kw moottoreiden taajuusmuuttajasyötöllä metsäteollisuuslaitoksessa (paperi ja sellutehtaissa) voidaan saavuttaa jopa 30% alhaisempi energiankulutus. Kuormitushuippujen tasaustoiminto auttaa laitosta pitämään tehonkulutuksen sallitun huipputehon rajoissa. Jos kulutus laitoksella kasvaa liian suureksi, leikkaustoiminto pienentää kuormitusta sallittuihin arvoihin. Edellä esitettyjä toimintoja tarvitaan tulevaisuuden älyverkkoja (Smart Grid) rakennettaessa. Ne vaikuttavat osaltaan huomattavasti sähkön laadunohjaukseen, syöttövarmuuteen ja luotettavuuteen sekä myös energiatehokkuuteen. Loistehonsäädöllä voidaan pienentää ja säätää jakeluverkossa esiintyvää loistehon siirto- ja käyttötarvetta. Säätö on siis eräs tärkeimmistä keinoista parantaa verkon energiatehokkuutta. Lisäksi säätöä tarvitaan pitämään loistehon otto/syöttö syöttöverkon rajapinnassa sovitussa rajoissa, sillä energiayhtiöt rankaisevat rajojen ylityksistä merkittävästi. Loistehojärjestelmä valvoo ja pitää loistehon ennalta määritellyllä tasolla laitoksen jakeluverkon eri puolilla määritetyissä kohdissa. Jokaisella loisteholähteillä (tahtimoottorit yms.) on omat, sen loistehon tuotantokyvystä riippuvat asetteluarvonsa. Energianhallinta perustuu mitatun ajantasaisen prosessidatan valvontaan ja ohjaukseen ja niiden vertailuun laitoksen tuotantojärjestelmästa saataviin arvoihin. Energianhallinta käsittää energian tuotannon ja käytön optimointiin käytettävät työkalut, energiatasapainon reaaliaikaista ohjausta ja valvontaa varten, sekä energiankulutuksen, kustannusten, tehokkuuden ja muiden energiankäyttöön liittyvien tietojen raportointityökalut. Taajuusmuuttajakäytöt Nykyaikaisilla taajuusmuuttajakäytöillä saavutetaan merkittäviä energiansäästöjä erityisesti perinteisissä pumppu- ja puhallinsovelluksissa. Vain tarpeellinen energia käytetään taajuusmuuttajilla syötetyissä moottoreissa. Kuva 8. Taajuusmuuttajakäyttöjen edut pumppu- ja puhallinsovelluksissa vakionopeuskäyttöihin verrattuna Nykyaikaisen tehoelektroniikkatekniikan ansiosta keskijännitetaajuusmuuttajien energiatehokkuus (tyypillinen hyötysuhde 97,5%) on vastaavien pienjännitelaitteiden tasolla. Siksi keskijännitetaajuusmuuttajat ovat varsin soveliaita erityisesti suurten moottoriyksiköiden yhteydessä. ABB I Energian säästö 5
Vaihtovirtamoottorit Moottorit kuluttavat karkeasti ottaen 65% teollisuuden käyttämästä sähköenergiasta. Siksi moottoreiden hyötysuhteella on suuri merkitys. Jo pienikin ero hyötysuhteessa voi lisätä tai vähentää kustannuksia merkittävästi. Moottorin elinaikanaan kuluttaman energian arvo voi nousta satakertaiseksi moottorin hankintahintaan nähden. Korkean hyötysuhteen moottoreiden hinta on vakiomoottoreita korkeampi, mutta hankintahinta edustaa vain noin 1% sen elinikäisistä kustannuksista. Tämä on huomioitava hankinnan elinkaarikustannuksia arvioitaessa, vaikka voimassa ei olisikaan erityisiä asiaan liittyviä velvoittavia määräyksiä. Muuntajien optimointi Muuntajien elinkaarikustannukset muodostuvat myös hankintahinnasta ja käytön energiahäviöistä. Hankinnassa häviöt yleensä kapitalisoidaan. Suurmuuntaja (päämuuntaja, generaattorimuuntaja yms.) on yleensä räätälöity käyttötilanteeseen koska näin tarjouskyselyssä esitettyjen vaatimuksiin perustuvalla optimoinnilla saadaan aikaan isommat energiansäästöt. Käytössä olevien ikääntyneiden suurmuuntajien energiatehokkuutta voidaan myös parantaa aktiiviosien (sydän ja käämitykset) nykyaikaistamisella tai pienentämällä lisähäviöitä säiliön magneettisella vuorauksella. Molemmilla keinoilla energiansäästöt elinkaaren aikana ylittävät selvästi korjauskustannukset. Kuva 9. Faktatietoja LV moottoreiden energiatehokkuudesta. Pienjännitemoottoreiden Eurooppalaisia markkinoita ohjataan kuitenkin virallisilla määräyksillä. EU direktiivin 2005/32/EC mukaisesti teholuokkaan IE1 kuuluvia vakiomoottoreita ei tulisi enää olla EU markkinoilla. Uusien moottoreiden tulee täyttää korkeamman hyötysuhteen IE2 vaatimukset. Vuoden 2015 alusta täytyy 7.5... 375 kw moottoreiden täyttää vielä korkeammat IE3 luokan hyötysuhdevaatimukset, tai taajuusmuuttajakäytöissä voidaan käyttää edelleen IE2 luokan moottoreita. Julkaistut selvitykset osoittavat teollisuuden jakelumuuntajissa piilevän merkittävän energiansäästöpotentiaalin. Uusien muuntajatilausten yhteydessä teollisuuslaitosten on syytä kiinnittää huomiota häviöihin, koska muuntajan elinkaaren aikana voi säästää huomattavasti rahaa, energiaa ja hiilidioksidipäästöjä. Nämä säästöt ylittävät selvästi energiatehokkaamman muuntajan valinnasta aiheutuvat lisäkustannukset [5]. Nykyisin metsäteollisuuden laitoksissa on sekä pienihäviöisiä että vakiojakelumuuntajia. Pienihäviöisen 3150 kva jakelumuuntajan takaisinmaksuaika vakiomuuntajaan verrattuna on luokkaa 3 vuotta. Mikäli kaikki esimerkkilaitoksen jakelumuuntajat olisivat pienihäviöisiä vakiomuuntajien sijaan, laitoksen energian kokonaiskulutuksessa saavutettaisiin selvä säästö. Lisäksi tulisi CO 2 päästöissä saatava hyöty. Pienihäviöisen jakelumuuntajan 15:sta vuodelle lasketut elinkaarikustannukset ovat noin 30% pienemmät kuin vakiomuuntajan kustannukset [6]. Varsinaisten rahallisten hyötyjen lisäksi parempi hyötysuhde johtaa alhaisempiin käyttölämpötiloihin ja sitä kautta käyttövarmuuden lisääntymiseen. Nykyisin voimassa olevassa moottoriluokituksessa (kuva 10) jaetaan moottorit kolmeen luokkaan, IE1, IE2 ja IE3. Kaapeleiden optimointi Tähän asti investointikustannukset ovat pääasiallisesti teknisten reuna- ja suoritusehtojen puitteissa ohjanneet käytettyjen kaapeleiden mitoitusta ja valintaa. Uudemmille XLPE eristeisille kaapeleille sallitaan entistä suurempi kuormitus/ lämpeneminen ja virrantiheys, joten huomio kiinnittyy kaapelijärjestelmän kokonaishäviöihin ja niiden ilmeisiin pienentämismahdollisuuksiin varsinkin isommilla virtakuormituksilla. Virtateiden osalta on myös syytä tarkastella investointia elinkaarikustannusten pohjalta. Tällainen tarkastelu johtaa yleensä suurempiin kaapelipoikkipintoihin kuin pelkkä juuri tekniset reunaehdot jännitteenalenema, lämpeneminen, vikavirtakestoisuus - täyttävä investointi. Kuva 10. Pienjännitemoottoreiden (hyötysuhde) tehokkuusluokat Vaikka moottorit kokonaisuudessaan edustavat perinteistä tekniikkaa, markkinoille on tullut uusia merkittävä hyötysuhdetta edelleen parantavia teknologisia innovaatioita. ABB:n kehittämä reluktanssimoottori on yksi näistä innovaatioista. Prosessisähköistyksen pienjännitekaapelointi perustuu yleensä ennalta valittuihin vakiopoikkipintoihin, minkä lisäksi varmuuden vuoksi valitaan tehoporrasta isomman moottorin syöttökaapeli. Tämä valinta mahdollistaa jatkossa prosessitarpeiden muuttuessa moottorin korvaamisen suuremmalla tai syöttömatkan kasvattamisen jännitteenaleneman puitteissa sillä isompi poikkipinta johtaa yleensä myös parempaan energiatehokkuuteen. 6 ABB I Energian säästö
Sähkölaitteiden tuuletus ja jäähdytys Jäähdytys ja tuuletus ovat paljon energiaa vaativia alaprosesseja. Niissä käytetään yleensä ilmajäähdytteisiä laitteita puhaltimineen ja paineilmajärjestelmineen. Jäähdytykseen tarvitaan yleensä suuritehoisia moottoreita (> 250 kw) joiden yhteisteho voi nousta kymmeniin megawatteihin, kokonaisuudessaan se edustaa huomattavaa osaa kokonaisenergian käytöstä. Järjestelmän tehohäviötkin voivat olla jopa 10% kokonaisenergiankulutuksesta ja vastaavista kustannuksista (kuva 5.) Suurin osa (60%) näistä häviöistä syntyy moottoreissa, loput syntyvät muissa jakeluverkon osissa (kaapelit, kojeistot yms.) ja toiminnoissa. Nämä häviöt osaltaan lisäävät kokonaishäviöitä. Nestejäähdytys voi paremman lämmönsiirtokykynsä ansiosta olla 7... 10 kertaa ilmajäähdytystä tehokkaampi. Kun kaikki merkittävät kustannustekijät (pumppujen ja puhaltimien energiantarve, jäähdytysaineet, nestejäähdytyksen rakentamiskuskustannukset yms.) huomioidaan, energiansäästömahdollisuudet ovat ilmeiset. Erityisesti suurten yksiköiden ja sähkötilojen nestejäähdytyksellä voidaan saavuttaa energiansäästöjä ilmajäähdytykseen verrattuna. Nykyisin suurten moottoreiden taajuusmuuttajakäyttöjen jäähdytys voidaan toteuttaa myös vesijäähdytyksenä. Energiansäästön lisäksi kokonaisjärjestelmän melutaso pienenee merkittävästi. Onnistuneita ratkaisuja Eräässä uudessa Skandinaavisessa tuotannon maailmanennätykseen yltäneessä SC paperitehtaassa koko henkilöstöstä aistii voimakkaan energiatehokkuuden kehittämisilmapiirin. Asiakkaan ja ABB:n yhteistyönä on toteutettu useita energiansäästöratkaisuja, viimeisenä suurten pumppujen energiatehokkuuden parantaminen juuri sopivilla pumpun siivillä. Laitoksen analysointi, resurssisuunnittelu, uusimmat tekniset ratkaisut yhdessä onnistuneen projektin toteutuksen ja laitoshenkilöstön koulutuksen kanssa johtavat onnistuneeseen lopputulokseen. Sähkönjakelujärjestelmän optimointi, vesijäähdytteiset, tilaa säästävät ja matalamman melutason taajuusmuuttajakäytöt yhdessä modernin linjakäyttöratkaissun kanssa myös energiansäästöt on saavutettavissa. Jopa prosenttiluokan säästöt ovat merkittäviä, koska tehdas käyttää karkeasti arvioiden 2% valtakunnan verkon kapasiteetista [7]. Energiatehokkuuden ja energian säästöjen lisäksi saadaan muita laadullisia ja ympäristöön liittyviä etuja. Puunkäsittelylaitoksen kehittäminen Sellutehtaan kuorimarummussa pöllien kuorintatulos oli epätyydyttävä, koska rummun pyörimisnopeutta ei voitu säätää eri tyyppisten pöllien kuoriutumisen edellyttämällä tavalla. Tehdas osti kuorimarummun moottoriin pyörimisnopeuden säätämiseksi taajuusmuuttajakäytön, jolloin kuorintatulos parani ja energiakustannukset leikkaantuivat. Vaativa asiakas korvaa vanhan puhallinkäytön Eräs vaativa asiakkaamme korvasi poistopuhallinta säätävän kaskadimuuntimen keskijännitetaajuusmuuttajakäytöllä. Korkea käyttöaste, alhaiset ylläpitokustannukset, nopea asennus ja käyttöönotto, pienentynyt energiankulutus (arviolta -20 %) ja laajempi säätöalue (0... 1000 rpm) olivat ratkaisun ehdottomia etuja. Yhteenveto Uusien velvoittavien viranomaismääräysten takia tulevaisuudessa on käytettävä yhä energiatehokkaampia ja ympäristöystävällisempiä prosesseja ja laitteita laitoksen energiaratkaisuja toteutettaessa. Siksi sähkölaitevalmistajien, järjestelmätoimittajien ja prosessiteollisuusasiakkaiden on jatkossa suosittava korkean hyötysuhteen älykkäitä tuotteita uusissa investointikohteissa. Suurimmat häviöt ja myös säästöt syntyvät prosessia käytettäessä. Prosessin taloudellisuuden kannalta toimintatila ja tasapaino ovat tärkeimmät tekijät. Siksi kokenut prosessinvalvoja voi säästää runsaasti energiaa ja rahaa. Energiatehokkuuden arviointi sitä seuraavine suunniteltuine toimenpiteineen on osa pyrkimyksestä keskittyä tärkeimpiin energiansäästöön tähtääviin parannuskohteisiin prosessissa. Kirjoittaja Ilmari Lepistö CoE EICP Development Manager ABB Pulp and Paper ABB Oy Process Industry Strömbergin Puistotie 4A 65320 Vaasa Puhelin: 050 334 1239 email: ilmari.lepisto@fi.abb.com Taustoja [1] Communication from the commission (EC): Action Plan for Energy Efficiency: Realising the Potential, COM(2006)545 [2] COMMISSION REGULATION (EC) No 640/2009 of 22 July 2009]: Directive 2005/32/EC of the European Parliament and of the Council with regard to ecodesign requirements for electric motors [3] Seibel Felix.: High-tech environmental and climate protection: The versatile contribution of process automation to improving energy efficiency. German Electrical and Electronic. Manufacturers Association ZVEI, 2009 [4] Francis, D.W. Towers, M.T, and Browne, T.C.: Energy Cost Reduction in the Pulp and Paper Industry An Energy Benchmarking Perspective. CIPEC, Canada, 2002 [5] Hulsthorst, W.T.J., Groeman, J.F.: Energy Saving in industrial Distribution Transformers. KEMA,May 2002 [6] Best Practice manual. Transformers. Bureau of Energy Efficiency, (under Ministry of Power, Government of India).2006 [7] Lars J. Nilsson, Eric D. Larson, Kenneth Gilbreath, and Ashok Gupta: Energy Efficiency and the Pulp and Paper Industry. ACEEE Summer Study on Energy Efficiency on August 1-4, 1995] ABB I Energian säästö 7
Contact Us ABB Oy Process Industry Strömbergintie 1 P.O.Box 94 FIN-00381 Helsinki, FINLAND Tel +358 (0) 10 22 11 Fax +358 (0) 10 22 24267 Copyright 2010 ABB.Kaikki oikeudet pidätetään, Teknisiä tietoja voidaan muuttaa ilman erillistä ilmoitusta. 3AFA 701913 / 18.1.2012 ABB Oy Process Industry Strömbergin Puistotie 4 A P.O.Box 644 FIN-65100 Vaasa, FINLAND Tel +358 (0) 10 22 11 Fax +358 (0) 10 22 43829 www.abb.com/pulpandpaper