Aine-, energia- ja rahataseet prof. Olli Dahl Puhtaat teknologiat tutkimusryhmä Sisältö Johdanto Aine- ja energiatase Reaaliset rahavirrat, yritystaso rahatase Esimerkkejä: Kemiallisen massan eli sellun valmistus Puuhiilen valmistus Yhteenveto 1
Johdanto Jotta uusia prosesseja voidaan suunnitella ja jo olevien prosessien toimintaa voidaan ymmärtää, mallintaa ja optimoida tulee ymmärtää ainakin seuraavat asiat: Aineen häviämättömyyden laki ja termodynamiikan pääsäännöt Lisäksi tulee ymmärtää miten yksikköprosessit toimivat (ilmiötasolla) ja mistä yksikköprosesseista prosessikokonaisuus muodostuu Nykyisin prosessisuunnittelussa korostuvat materiaalitehokkuus ja energiatehokkuus ns. puhtaat teknologiat valtaavat alaa hyvinkin nopeasti (Clean Technologies) Onko teollinen tuotanto kannattavaa vai ei ja mitkä tekijät vaikuttavat kannattavuuteen eniten? Ainetase ja energiatase Termodynamiikan ensimmäisen lain mukaan järjestelmään tulevan ja sieltä poistuvan energian tulee tasapainotilassa olla yhtä suuret. Samalla aineen häviämättömyyden laki määrää järjestelmään tulevan ja sieltä poistuvan massan yhtä suuriksi. Termodynamiikan toisessa laissa todetaan suljetun systeemin entropian kasvavan, eli lämpöenergian muuttaminen täydellisesti työksi ei ole mahdollista. 2
Aine- ja energiatase Rajatun systeemin yksinkertaistettu aineja energiatase (Hukkanen 2009). Aine- ja energiatase ENERGIA LISÄAINEET ILMAPÄÄSTÖT MELU RAAKA-AINE PROSESSI LOPPUTUOTE ENERGIA VESI JÄTEVESI KIINTEÄT JÄTTEET Periaatekuva prosessin aiheuttamasta ympäristökuormasta 3
Reaaliset rahavirrat, yritystaso - rahatase Myynti Muut tulot Lyhennykset Teollisuusyritys Lainat Annit Korot Osinko Verot Muuttuvat kust. Kiinteät kust. Korvausinvest. Uusinvestoinnit Kemiallisen massan eli sellun valmistuksen perustaseet yksikköprosessit ja niiden merkitys Kuitulinja Raaka-aineet Lisäaineet (Kemikaalit) Keittokemikaalien valmistus Lopputuote / toisen prosessin raaka-aine Energian tuotanto Prosessikokonaisuus: sellutehdas Osaprosessit: Puunkäsittely, kuitulinja ja kemikaalikierto Yksikköprosessit: satoja erilaisia (sulatus, kuorinta, haketus. 4
Kemiallisen massan eli sellun valmistuksen perustaseet yksikköprosessit ja niiden merkitys Puunkäsittely Kuitulinja Kemikaalien talteenotto (Lipeälinja) Kemiallisen massan eli sellun valmistuksen kokonaistaseet, ainetase ja energian tuotto Sellutehtaan ainetase (erittäin karkealla tasolla) Tuotanto, ADt/y 250 000 Käytetyn puun määrä kuorellisena - puunkulutusluku 5,8 m 3 /ts 1 450 000 - kuoren määrä, m3/a osuus 12,2 % 176 900 - kuoren määrä, tn-ka/a tiheys 320 kg/m 3 56 608 - puun määrä, m3/a 1 273 100 - puun kuiva-aine, tn-ka/a tiheys 400 kg/m 3 509 240 Kuorikattilan energian tuotanto, lämpöarvo 18 MJ/kg 4,08 GJ/Adt hyötysuhde 85 % - Höyryn tuotanto, GJ/Adt 2,43 - Sähkön tuotanto, GJ/Adt 1,04 Tärpätin tuotanto, tn/a 4 kg/ts 1 000 Raaka-mäntyöljyn tuotanto, tn/a 60 kg/ts 15 000 Saanto (havu), % puusta 46,00 Kuiva-ainesuhde, t ka/adt 1,65 Keitossa liuennut org, t ka org./adt 1,06 Lämpöarvo, MJ/kg ka 13,50 GJ/Adt 22,28 Soodakattilan energian tuotanto, t ka/d hyötysuhde 75 % - Höyryn tuotanto, GJ/Adt 13,37 - Sähkön tuotanto, GJ/Adt 3,34 5
Kemiallisen massan eli sellun valmistuksen kokonaistaseet energiataseet Sellutehtaan energiataseet Lämpötase GJ/ADt Kulutus Puunkäsittely 0,15 Keitin, happivalkaisu, lajittamo ja valkaisu 3,02 Haihduttamo 4,71 Muu talteenotto 0,20 Massan kuivaus 2,85 Muut 1,00 Kulutus yhteensä 11,93 Tuotto yhteensä (soodakattila ja kuorikattila) 15,79 Ylimääärä höyry 3,86 Sellutehtaan sähkötase kwh/adt Kulutus Kuorimo 55 Keitin, happivalkaisu, lajittamo ja valkaisu 294 Talteenotto 150 Satunnaiset kulutukset 100 Sähköenergian muut kuluttajat 20 Jäteveden käsittely 20 Massan kuivaus 105 Kulutus yhteensä 744 Tuotto yhteensä (soodakattila ja kuorikattila) 277,8 1217 Ylimääärä sähkö 473 Esimerkki yrityksen rahalaskelmasta kemiallisen massan valmistus Kustannusten perustavanlaatuisin jakoperuste on jako kiinteisiin ja muuttuviin kustannuksiin. Kiinteinä pidetään kustannuksia, jotka eivät lyhyellä aikavälillä muutu tuotannon määrän mukaan. Tyypillisiä kiinteitä kustannuksia ovat rakennukset, koneet ja hallinto sekä muuttuvia kustannuksia materiaalin hankintakustannukset Valmistuksen työvoimakustannukset lasketaan usein muuttuviin kustannuksiin, vaikka niidenkin sopeuttaminen tuotannon laskuun kestää monissa tapauksissa viikkoja tai kuukausia. 6
Esimerkki yrityksen rahalaskelmasta kemiallisen massan valmistus 250 000 ts/a tuottava tehdas; sellun hinta 600 /tn Myyntitulot Sellun myynti, 150 000 000 Sivutuotteet myynti, 5 472 053 Energian myynti, 13 251 262 Yhteensä, /ts 168 723 315 250 000 ts/a tuottava tehdas; sellun hinta 400 /tn Myyntitulot Sellun myynti, 100 000 000 Sivutuotteet myynti, 5 472 053 Energian myynti, 13 251 262 Yhteensä, /ts 118 723 315 Muuttuvat kustannukset Esikäsittely, 68 324 063 Prosessi, 12 046 524 Valmistuspalkat, 12 591 806 Yhteensä, 92 962 393 Myyntikate, /ts 75 760 921 Myyntikate-% myynn. 44,9 Kiinteät kustannukset, 27 981 791 Käyttökate, 47 779 131 Käyttökate-% myynn. 28,3 Muuttuvat kustannukset Esikäsittely, 68 324 063 Prosessi, 12 046 524 Valmistuspalkat, 12 591 806 Yhteensä, 92 962 393 Myyntikate, /ts 25 760 921 Myyntikate-% myynn. 21,7 Kiinteät kustannukset, 27 981 791 Käyttökate, -2 220 869 Käyttökate-% myynn. -1,9 Suunn. poistot, 10 000 000 Lask. korot, 2 000 000 Lask. verot, 500 000 Operattiivinen tulos, 35 279 131 Suunn. poistot, 10 000 000 Lask. korot, 2 000 000 Lask. verot, 500 000 Operattiivinen tulos, -14 720 869 Onko investointi kannattava vai ei? Investoinnin tavoitteet Investoinnin tarkoituksena on yleensä tuotannon aloittaminen tai lisääminen. Muitakin tavoitteita voi olla, kuten tuotannon tehostaminen, työnteon helpottaminen, ympäristökuormituksen vähentäminen tai viranomaisen säännöksen noudattaminen. Investointi on yleensä suuri sijoitus, jonka oletetaan maksavan itsensä pitkällä aikavälillä takaisin. 7
Grillihiilen valmistus: ainetase abs. Kuivaa havupuuta tuottaa seuraavat jakeet 100 kg 32 kg Hiiltä 8kg A-tervaa 40 kg Puuhappoa 33kg Vettä 2 kg etikkahappo 0,7 kg metanoli 0,6 kg tärpätti 3,7 kg B-terva 20 kg lauhtumattomia kaasuja 12 kg Hiilidioksidi 6 kg Hiilimonoksidi 2 kg Vety ja hiilivedyt Laboratoriokokeet 1900-luvun alussa Grillihiilen valmistus: ulkopuolisen energian tarve 8
Grillihiilen valmistus: prosessiin kohdistuvat rahavirrat Grillihiilen valmistus: alustava talouslaskelma / investoinnin kannattavuus Investointien arviointimenetelmät kts. Erillinen excel Takaisinmaksuaika Herkkyysanalyysi Investoinnin hinta 15 milj. Johtopäätös: Voi olla kannattavaa, mutta investointiin liittyy useita epävarmuustekijöitä 9
Yhteenveto Aine ja energiataseiden muodostaminen perustuu yksinkertaisiin sääntöihin Insinöörin tulee ymmärtää yksikköprosessien toiminta ilmiötasolla Insinöörin tulee ymmärtää prosessikokonaisuuksia ja osata muodostaa näille aine- ja energiataseet ja tarvittaessa hyödyntää ylimäärä aine- ja energiavirrat muissa prosesseissa (teollinen symbioosi) Insinöörien tulee ymmärtää onko olemassa oleva tuotanto kannattavaa ja mitkä tekijät siihen vaikuttavast eniten Insinöörin tulee osata myös laskea ja arvioida uusien prosessien kannattavuutta riittävällä tarkkuudella, jotta vältyttäisiin vääriltä investoinneilta 10