Jaakko Rantamäki Teknologiateollisuuden energiatehokkuuden parantaminen hukkalämmön talteenottojärjestelmän avulla Case: ABB Oy, IEC LV Motors – MM-rakennus Vaasa 2024 Tekniikan ja innovaatiojohtamisen yksikkö Diplomityö Energiatekniikka 2 VAASAN YLIOPISTO Tekniikan ja innovaatiojohtamisen yksikkö Tekijä: Jaakko Rantamäki Tutkielman nimi: Teknologiateollisuuden energiatehokkuuden parantaminen hukka- lämmön talteenottojärjestelmän avulla : Case: ABB Oy, IEC LV Mo- tors – MM-rakennus Tutkinto: Energiatekniikan DI Oppiaine: Energiatekniikka Työn valvoja: Anne Mäkiranta Työn ohjaajat: Birgitta Martinkauppi ja Pertti Alamartimo Valmistumisvuosi: 2024 Sivumäärä: 107 TIIVISTELMÄ: Tämä diplomityö on tehty ABB Oy, IEC LV Motorsille. Työn tarkoituksena on selvittää, millainen merkitys hukkalämmön talteenotolla on case-yrityksen MM-rakennuksen energiatehokkuuteen. Lisäksi työssä tutkitaan kaukolämpöverkon paluuveden lämpötilan optimoinnin mahdollisuutta suhteessa ulkolämpötilan funktioon sekä järjestelmän kannattavuutta muuttuvilla sähkön- ja kaukolämmön hinnoilla. Hukkalämmön talteenottojärjestelmä on osa ABB Oy:n tavoitetta vas- tata ilmastonmuutokseen Carbon Neutral Operations (CNO) eli hiilineutraalin toimintahankkeen voimin. Työn kohteena olevan talteenottojärjestelmän suunnittelijana toimi Granlund Oy ja ra- kennusautomaatiosta vastasi Schneider Electric Finland Oy. Energiatehokkuuden parantaminen on yksi keskeinen tavoite energiapolitiikassa. Vaikka edis- tystä onkin saavutettu, teollisuuden energiankulutusta ja päästöjä on vielä mahdollista vähen- tää. Hukkalämmön talteenotto tarjoaa lupaavan keinon tehostaa energiatehokkuutta ja alentaa tuotantokustannuksia teollisuudessa, vähentäen samalla ympäristövaikutuksia. Euroopan ko- mission energiatehokkuusvaatimukset kannustavat innovaatioihin teollisuudessa, mikä edistää tasapuolista kilpailukykyä ja talouskasvua. Tämä työ toteutettiin hyödyntämällä toimintatutki- musmenetelmää ja energiatehokkuuden tutkimisessa pääpaino oli hukkalämmön energiatehok- kaassa hyödyntämisessä rakennuksen ja teollisuuden prosessien lämmitys- ja viilentämistarpei- den optimaaliseen täyttämiseen. ABB Oy, IEC LV Motors hyödynsi kaksisuuntaista kaukolämpö- mallia hukkalämmön talteenottojärjestelmässään. Talteen otettu hukkalämpö pumpattiin ABB:n aluelämpöverkkoon ja sieltä MM-rakennuksen toimistotiloihin, tuotantotiloihin, teolli- suusuunien ja erilaisten prosessien viilennys- sekä lämmitysenergia tarpeiden täyttämiseksi. Työn tuloksien perusteella voitiin todeta talteenottojärjestelmän tuovan merkittävän edun energiatehokkuuden parantamisessa. Ideaalisessa tilanteessa talteenottojärjestelmän lämmi- tyspiiri kasvatti MM-rakennuksen energiatehokkuutta keskiarvollisesti 625 MWh/kk, joka kattoi 43 % lämmitysenergian tarpeesta kuukausittain syyskuu-maaliskuu välillä. Järjestelmän jäähdy- tyspiiri kasvatti energiatehokkuutta keskiarvollisesti 424,88 MWh/kk, mikä oli yli 15-kertainen jäähdytysenergia tarpeeseen nähden. Kaukolämpöverkon paluuveden lämpötilan optimointi saavutti keskiarvollisesti optiolla 1 noin 245,57 MWh/kk ja optiolla 2 noin 361 MWh/kk parem- mat lämpöenergian hyödyt, kuin ilman optimointia. Optio 1 viittasi kaukolämpöverkon menove- den lämpötilaan 75 °C ja optio 2 menoveden lämpötilaan 80 °C. Kannattavuuslaskelmien perus- teella järjestelmää oli kannattavaa hyödyntää, kun sähkön hinta vaihteli syyskuu-maaliskuu ai- kavälillä 5–130 €/MWh, jolloin sähköllä tuotetun lämmön todellinen hinta osui välille 18,64– 65,05 €/MWh. AVAINSANAT: Hukkalämpö, energiatehokkuuden parantaminen, energiankulutuksen normi- tus, lämpöpumpputeknologia, kaukolämpö teollisuudessa, kaksisuuntainen kaukolämpö- verkko, kaukolämmön paluuveden optimointi, älykäs rakennusautomaatio, kannattavuus 3 UNIVERSITY OF VAASA School of technology and innovation management unit Author: Jaakko Rantamäki Title of the Thesis: Improving the energy efficiency of the technology industry using a waste heat recovery system : Case: ABB Oy, IEC LV Motors – MM- building Degree: Master of Science in Energy Technology Programme: Energy Technology Supervisor: Anne Mäkiranta Instructors: Birgitta Martinkauppi and Pertti Alamartimo Year: 2024 Number of pages: 107 ABSTRACT: This master’s thesis is made for ABB Oy, IEC LV Motors. The purpose of the thesis is to investigate the significance of waste heat recovery on the energy efficiency of the case company’s MM- building. Additionally, the thesis examines the possibility of optimizing the return water temper- ature of the district heating network in relation to the outdoor temperature function and the profitability of the system with varying electricity and district heating prices. The waste heat recovery system is part of ABB’s goal to address climate change through the Carbon Neutral Operations (CNO) initiative. Granlund Oy was the designer of the recovery system under study, and Schneider Electric Finland Oy was responsible for building automation. Improving energy efficiency is a key goal in energy policy. Although progress has been made, it is still possible to reduce industrial energy consumption and emissions. Waste heat recovery offers a promising way to enhance energy efficiency and reduce production costs in industry while also mitigating environmental impacts. The European Commission's energy efficiency re- quirements encourage innovation in industry, promoting fair competitiveness and economic growth. This work was carried out using action research methodology, with a focus on the effi- cient utilization of waste heat to meet the heating and cooling needs of buildings and industrial processes optimally. ABB Oy, IEC LV Motors utilized a bidirectional district heating model in their waste heat recovery system. The recovered waste heat was pumped into ABB's district heating network and then distributed to the MM-building's office spaces, production areas, industrial furnaces, and various processes to meet cooling and heating energy demand. Based on the results of the work, it could be observed that the recovery system brought a sig- nificant advantage in improving energy efficiency. In an ideal situation, the heating circuit of the recovery system increased the energy efficiency of the MM-building by an average of 625 MWh/month, covering 43% of the heating energy demand monthly between September and March. The cooling circuit of the system increased energy efficiency by an average of 424.88 MWh/month, which was over 15 times the cooling energy requirement. The optimization of the district heating network's return water temperature achieved, on average, approximately 245.57 MWh/month with option 1 and approximately 361 MWh/month with option 2 in better thermal energy benefits compared to without optimization. Option 1 referred to the supply wa- ter temperature of the district heating network at 75 °C, and option 2 to the supply water tem- perature at 80 °C. Based on profitability calculations, it was profitable to utilize the system when the electricity price varied between 5–130 €/MWh from September to March, resulting in a real cost of electricity-produced heat ranging from 18.64–65.05 €/MWh. KEYWORDS: Waste heat, improving energy efficiency, energy consumption standardization, heat pump technology, district heating in industry, bidirectional district heating network, dis- trict heating return water optimization, smart building automation, profitability 4 Alkusanat Tämä diplomityö toteutettiin Vaasassa sijaitsevalle yritykselle ABB Oy, IEC LV Motors. Toi- mintaympäristönä toimi alueen MM-rakennus, joka oli työn kohteena. Työssä tehtiin yh- teistyötä Granlund Oy:n ja Schneider Electric Finland Oy:n kanssa. Haluan kiittää esimies- täni Johan Kalanderia työn mahdollistamisesta, sekä mielenkiintoisista ja haastavista tehtävistä, joiden parissa olen työn ohella saanut toimia. Haluan myös kiittää erityisesti ABB Oy:n työni ohjaajaa Pertti Alamartimoa innostavista ideoista ja hyvin kohdistetuista neuvoista työssäni. Lisäksi haluan osoittaa kiitokset mahtavalle tuotannonkehitys tiimille viihtyisästä työskentely-ympäristöstä. Kiitän Vaasan yliopiston henkilökuntaa hyvästä opetuksesta. Erityisesti kiitokset työni valvojalle yliopistonlehtori Anne Mäkirannalle ja ohjaajalle yliopistonlehtori Birgitta Mar- tinkaupille työni ansiokkaasta ohjaamisesta. Löysitte aina aikaa työn ohjaamiselle. Kiitok- set myös opiskelujen aikaisista kurssien tuomista haasteista ja opeista, jotka innostivat minua perehtymään energiatekniikkaan. Lopuksi haluan kiittää opiskelukavereitani iki- muistoisista opiskeluajoista ja vanhempiani heidän korvaamattomasta tuestansa läpi opintojen. Vaasassa, 17.5.2024 Jaakko Rantamäki 5 Sisällys 1 Johdanto 14 1.1 Työn tavoitteet ja rajaus 15 1.2 Aineisto 16 1.3 Työn eteneminen 16 1.4 Yritysesittely 17 2 Teollisuuden hukkalämpö 18 2.1 Yleistä hukkalämmöstä 19 2.2 Hukkalämmön lähteet 20 2.2.1 Teknologiateollisuus 20 2.2.2 Metsäteollisuus 21 2.2.3 Kemianteollisuus 21 2.2.4 Metalliteollisuus 22 2.2.5 Elintarviketeollisuus 22 2.3 Hukkalämmön hyödyntämiseen vaikuttavat tekijät 23 2.4 Vaikuttavat tekijät kiinteistötasolla 24 2.5 Potentiaali 25 2.6 Hukkalämmön energiamarkkina-arvo 29 3 Kaksisuuntainen kaukolämpöverkko 30 3.1 Toimintamalli yleisesti 30 3.2 Älykäs kaukolämpöjärjestelmä – 4GDH 31 3.3 Maanalainen lämpövarasto 33 4 Hukkalämmön talteenottojärjestelmä 34 4.1 Innovatiiviset lämmönvaihdin teknologiat 36 4.1.1 Levylämmönvaihdin 39 4.1.2 Vaippa-putkilämmönvaihdin 40 4.1.3 Kaksoisputkilämmönvaihdin 41 4.1.4 Spiraalilämmönvaihdin 42 4.2 Nanofluidi-seoksen hyödyntäminen lämmönsiirron tehostamisessa 43 6 4.3 Teollisuuden energiatehokkaat lämpöpumput 45 4.3.1 Toiminta 46 4.3.2 Mekaaninen lämpöpumppu 46 4.3.3 Absorptiolämpöpumppu 47 4.3.4 Kustannuskorrelaatio 48 4.3.5 Lämpökerroin 49 4.3.6 Kylmäaineet 49 5 Energiatehokkuuden parantaminen teollisuusympäristössä 51 5.1 ISO 50001 energiatehokkuuden johtamisjärjestelmä 53 5.2 Energiatehokkuusdirektiivi (EED) 54 6 Hukkalämmön hyödyntäminen MM-rakennuksessa 55 6.1 Hukkalämmön lähteet 56 6.2 Hukkalämmön käyttökohteet 56 6.3 Hukkalämmön talteenottojärjestelmä 57 6.3.1 Lämmityspiiri 58 6.3.2 Jäähdytyspiiri 60 7 Tulokset ja tarkastelu 62 7.1 Herkkyys- ja virhetarkastelu – energiankulutuksen normitus 62 7.2 Kaukolämmön kulutus ennen LTO-järjestelmän käyttöönottoa 64 7.3 LTO-järjestelmän käyttöönoton tulokset 66 7.3.1 Lämmityspiirin tuoma energiankulutuksen vähentyminen 69 7.3.2 Jäähdytyspiirin tuoma energiankulutuksen vähentyminen 70 7.4 Kaukolämpöverkon paluuveden lämpötilan optimointi – skenaario 71 7.5 LTO-järjestelmän energiatehokkuuden toteuman analysointi 76 7.6 LTO-järjestelmän kannattavuus 79 7.7 Lämmityksen epäsuora sähköistäminen – vaikutukset 83 8 Pohdinta 85 8.1 MM-rakennuksen energiatehokkuuden parantuminen 85 8.2 Kaukolämpöverkon paluuveden lämpötilan optimoinnin vaikutukset 87 7 8.3 LTO-järjestelmän hyödyntämisen kannattavuus 88 8.4 Hyödyntämismahdollisuudet alueen muissa kohteissa 89 8.5 Jatkotoimenpiteet ja suositukset tulevaisuudessa 89 9 Johtopäätökset 91 10 Yhteenveto 93 Lähteet 95 Liitteet 105 Liite 1. Teollisuuden energiankäyttö Suomessa (Motiva, 2019, s. 16) 105 Liite 2. Oilon lämpöpumppujärjestelmän tekniset tiedot 106 Liite 3. Lämmitystarveluvut 2018–2024 (°Cvrk) (ilmatieteenlaitos, 2024) 107 Kuvat Kuva 1. Levylämmönvaihtimen rakenne ja toimintaperiaate (mukaillen Alfalaval, 2024). 40 Kuva 2. Vaippa-putkilämmönvaihdin; yksi kuoripolku ja yksi putkipolku (mukaillen Zohuri, 2017). 41 Kuva 3. Kaksoisputkilämmönvaihtimen rakenne ja toimintaperiaate (mukaillen Zwirner, 2021). 42 Kuva 4. Spiraalilämmönvaihtimen rakenne (mukaillen, Towler & Sinnott, 2013). 43 Kuva 5. Kokeellinen malli eräästä mikrokanava lämmönvaihtimesta (mukaillen, Chalermsinsuwana ja muut, 2022, s. 243). 45 Kuva 6. Hukkalämmön talteenottojärjestelmän lämmityspuolen pääkuva (Schneider Electric, 2024a). 60 Kuva 7. Hukkalämmön talteenottojärjestelmän jäähdytyspuolen ja MM403 VJK01 vedenjäähdytyskoneen pääkuva (Schneider Electric, 2024a). 61 Kuviot Kuvio 1. Kysynnän ja tarjonnan vaikutukset hintaan ja tuotantoon (mukaillen, Alberta, 2024). 25 8 Kuvio 2. Hukkalämmön potentiaalityypit (mukaillen, Agathokleous ja muut, 2017, s. 337). 26 Kuvio 3. Ehdotettu hukkalämmön potentiaalityyppien määritys (mukaillen, Agathokleous ja muut, 2017, s. 337). 27 Kuvio 4. Hukkalämpöjen tekniset potentiaalit vuoden 2010 ja Motivan tekemien selvityksen pohjalta (mukaillen, Motiva, 2019). 28 Kuvio 5. Kaksisuuntaisen kaukolämmön toimintaperiaate (mukaillen Pöyry, 2016, s. 14). 31 Kuvio 6. Mekaanisen lämpöpumpun toimintaperiaate (mukaillen He ja muut, 2016, s. 4). 47 Kuvio 7. Paine-entalpiakaavio termodynaamiselle kierrolle (mukaillen He ja muut, 2016, s. 4). 47 Kuvio 8. Absorptiolämpöpumpun toimintaperiaate (mukaillen Koljonen & Sipilä, 1998, s. 13). 48 Kuvio 9. MM-rakennuksen normitettu kaukolämmön kulutus vuosilta 2018–2024 (EnerKey, 2024). 66 Kuvio 10. Hukkalämmön talteenottojärjestelmän lämpöenergian tuotto elokuu- maaliskuu väliltä vuosina 2023–2024 (Schneider Electric, 2024b). 68 Kuvio 11. Hukkalämmön talteenottojärjestelmän jäähdytysenergian tuotto elokuu- maaliskuu väliltä vuosina 2023–2024 (Schneider Electric, 2024b). 68 Kuvio 12. Hukkalämmön talteenottojärjestelmän lämpöenergian tuotto ja kohteet sekä vajaaksi jäänyt lämpöenergian määrä elokuu-maaliskuu väliltä vuosina 2023–2024. 70 Kuvio 13. Hukkalämmön talteenottojärjestelmän jäähdytysenergian tuotto ja kohteet sekä yli jäänyt jäähdytysenergian määrä elokuu-maaliskuu väliltä vuosina 2023–2024. 71 Kuvio 14. Paluuveden lämpötilan optimoinnin vaikutukset LTO-järjestelmälle lämpöenergian kasvun suhteen elokuu-maaliskuu välillä vuosina 2023–2024. 75 Kuvio 15. Hukkalämmön talteenottojärjestelmän lämpöenergian energiatehokkuuden toteuma suhteessa teoreettisen maksimiarvon lämpöenergiaan. 78 9 Kuvio 16. Hukkalämmön talteenottojärjestelmän jäähdytysenergian energiatehokkuuden toteuma suhteessa teoreettisen maksimiarvon jäähdytysenergiaan. 78 Kuvio 17. ABB Oy, IEC LV Motorsin energiankulutus käyttäytymisen arvioidut muutokset vuosina 2019–2026 (mukaillen, ABB Ability, 2024b). 84 Taulukot Taulukko 1. Ylijäämälämmön lämpötilatasot ja ylijäämälämmön lähteet (mukaillen, Motiva, 2019, s. 18). 19 Taulukko 2. Neljännen sukupolven kaukolämpöverkon tekniset tiedot (mukaillen, Lund ja muut, 2014, s. 5). 33 Taulukko 3. Teollisuuslämpöpumppujen kylmäaineiden perusominaisuudet (mukaillen, IEA-Industry, 2014, s. 11–12). 50 Taulukko 4. Hukkalämmön lähteet ja arvioitu potentiaali (Parkkamäki, 2021). 56 Taulukko 5. Hukkalämmön käyttökohteet (ABB, 2024c). 57 Taulukko 6. Lämpimän käyttöveden laskennassa käytetyt parametrit (Mäkelä ja muut, 2022, s. 178; Kalander, 2024b). 65 Taulukko 7. Meno- ja paluuveden lämpötilan optimoinnin mitoitusarvot. 73 Taulukko 8. Kuukausittaiset keskiarvot tilavuusvirrasta lämmityspuolella (Schneider Electric, 2024b). 73 Taulukko 9. Hyödynnettävissä olevat lämpöenergian määrät optioilla 1 ja 2. 74 Taulukko 10. Keskimääräiset lämpö- ja sähköenergiat sekä keskimääräiset COP kertoimet (Schneider Electric, 2024b). 79 Taulukko 11. Sähkön ja kaukolämmön hintaan vaikuttavat muuttujat (ABB, 2024d; Vaasan Sähkö, 2024; Vaasan Sähköverkko, 2024). 80 Taulukko 12. Sähkön hinta suhteessa sähköllä tuotetun lämmön todelliseen hintaan. 82 Taulukko 13. Kaukolämmön todelliset hinnat vuosien 2016–2023 aikana (ABB, 2024d). 83 10 Symboli- ja lyhenneluettelo Symboliluettelo 𝐴 Sähköllä tuotetun lämmön todellinen hinta [€/MWh] 𝑎′ Takaisinmaksuaika [mitaton] 𝐵 Sähkön muuttuva hinta kyseisellä ajanhetkellä [€/MWh] 𝐶 Veroluokka 1 [€/MWh] 𝐶, 𝑚 𝑗𝑎 𝑛 Kertoimet [mitaton] 𝐶B Kapasiteettia sisältävän laitteen peruskustannus (𝑄B) [€] 𝐶E Laitekustannukset laitteelle, jonka kapasiteetti (𝑄) [€/kW] 𝑐p Hukkalämmön tai nesteen ominaislämpökapasiteetti [kJ/kg∙K] 𝑐p,vesi Veden ominaislämpökapasiteetti [kJ/kg∙ ℃] 𝑐v Lämmönlähteen tilavuuslämpökapasiteetti [MJ/m3K] 𝐷 Sähkön siirtomaksu [€/MWh] 𝐷v Virtaus kaarevan kappaleen ympärillä [kg/s] 𝐸 Perusmaksu [€/kk] 𝐸heating Lämmönlähteen lämmittämiseen käytetty energia [MJ/m3] 𝐸total Kokonaislämpönä tuotettu energia [MJ/m3] 𝐹 Tehomaksu [€/kW] 𝑓 Taajuus [Hz] 𝑓M Korjauskerroin 1 [mitaton] 𝑓p Korjauskerroin 2 [mitaton] 𝑓r Korjauskerroin 3 [mitaton] ℎ Konvektiivinen lämmönsiirtokerroin [J/m2K] 𝐻̇x Entalpiavirran suuruus 𝐼 Investointikustannukset [€/kW] 𝑖 Korkotaso [%/100] 𝑘 Nesteen lämmönjohtavuus [J/m∙K] 𝐿t Lämpöhäviöt ympäröivään ympäristöön [MJ/m3yr] 𝑀 Eksponenttivakio [mitaton] 11 𝑚̇ Hukkalämmön tai nesteen massavirta [kg/s] 𝑛 Vuosien lukumäärä 𝑁𝑢 Dimensioton Nusseltin luku [mitaton] 𝑃elect Sähköteho [kW] 𝑃elect,avg Keskimääräinen kulutettu sähköenergia [MWh] 𝑃𝑟 Prandtlin luku [mitaton] 𝑄 Kapasiteetti [kW] 𝑄cold Kylmäteho [kW] 𝑄heat Lämpöteho [kW] 𝑄heat,avg Keskimääräinen tuotettu lämpöenergia [MWh] 𝑄kok Rakennuksen kokonaislämmitysenergiankulutus [kW] 𝑄lämmin käyttövesi Käyttöveden lämmittämisen vaatima energia [kW] 𝑄norm Rakennuksen normitettu lämmitysenergiankulutus [kW] 𝑄out Lämpöpumpun tuottama lämpöteho tai kylmäteho [kW] 𝑄toteutunut Rakennuksen tilojen lämmittämiseen kuluva energia [kW] 𝑅𝑒 Reynoldsin luku [mitaton] 𝑆𝑁 vpkunta Normaalivuoden tai -kuukauden (1991–2020) lämmitystarveluku vertailupaikka- kunnalla [℃vrk] 𝑆toteutunut vpkunta Toteutunut lämmitystarveluku vuosi- tai kuukausitasolla vertailupaikkakunnalla [℃vrk] 𝑇 Lämpötilataso [℃] ∆𝑇 Hyödynnettävän lämpöenergian lämpötilaero [K] 𝑇alaraja Jäähdytyspuolen höyrystimen tuottolämpötilan alaraja [℃] 𝑇asetusarvo Lämmityspiirin lämpötilanmittauksen asetusarvo [℃] ∆𝑇avg−peak Huippu keskimääräinen lämpötilaero [K] ∆𝑇i Lämpötilan nousun kokonaismäärä lämmönlähteen osuudelle [K] ∆𝑇ln Logaritminen lämpötilaero [K] ∆𝑇max Suurempi kylmän ja kuuman virran lämpötilamuutoksista [K] 𝑇optio1 Kaukolämpöverkon menoveden lämpötila optiolla 1 [℃] 𝑇optio2 Kaukolämpöverkon menoveden lämpötila optiolla 2 [℃] 12 𝑇tod,1 Kaukolämpöverkon menoveden hetkellinen huippulämpötila [℃] 𝑇tod,2 Kaukolämpöverkon menoveden hetkellinen alaraja [℃] ∆𝑇v Lisäys lämmönlähteen lämpötilan noususta [K] 𝑇out Lämmityspuolen tuottolämpötila [℃] 𝑇1 Lämmitettävän veden lämpötila [K] 𝑇2 Lämmitetyn veden lämpötila [K] ∆𝑇1 Virtojen lämpötilaero lämmönvaihtimen loppupäästä katsottuna [K] ∆𝑇2 Virtojen lämpötilaero lämmönvaihtimen alkupäästä katsottuna [K] 𝑈 Lämmönvaihtimen kokonaislämmönsiirtokerroin [W/K] 𝑉 Muuttuvat kustannukset [€/MWh] 𝑉̇ Tilavuusvirta [m3/s] 𝑉k Vedenkulutus [m3] 𝑊in Lämpöpumpun vaatima sähköteho eli työ [kW] 𝑥1 Tuotannon tasapaino piste [mitaton] 𝑦1 Hinnan tasapaino piste [€] 3600 𝑠 ℎ Yksikkömuunnoskerroin Kreikkalaiset symbolit 𝜌vesi Veden tiheys [kg/m3] 𝜀 Rekuperaatioaste 𝛩0 Suurimman ja pienimmän lämpötilan välinen erotus [K] 𝜙 Hukkalämmön lämpöteho [kW] Lyhenneluettelo 4GDH 4th Generation District Heating CNO Carbon Neutral Operations COP Coefficient of Performance (lämpökerroin) CTES Cavern Thermal Energy Storage 13 DPHE Double Pipe Heat Excharger EED Energiatehokkuusdirektiivi GWP Global Warming Potential IEC LV International Electrotechnical Commission Low Voltage IHP Industrial Heat Pump LTO Lämmön talteenotto MCHE Micro Channel Heat Exchanger PHE Plate Heat Exchangers SHE Spiral Heat Excharger STHE Shell-and-Tube Heat Exchanger THP Thermo-Hydraulic Performance VFD Variable Frequency Drive WHRS Waste Heat Recovery System 14 1 Johdanto Luotettavan, taloudellisen ja kestävän energiamuodon varmistaminen sekä ilmaston- muutoksen ehkäiseminen ovat suuria 2000-luvun globaaleja haasteita. Samaan aikaan yritysten energiaturvallisuus ja omavaraisuus ovat nousseet entistä vahvemmin esille. Uusiutuva energia ja energiatehokkuuden parantaminen ovat tärkeimpiä askeleita ener- giapolitiikan tavoitteiden saavuttamiseksi. Tutkimukset ovat osoittaneetkin, että viimei- sen kahden vuosikymmenen aikana on saavutettu merkittäviä tehokkuushyötyjä ja inno- vatiivisia ratkaisuja, mutta siitä huolimatta eri teollisuusalojen energiankäyttöä ja CO2- päästöjä voitaisiin vähentää edelleen (IEA-Industry, 2014, s. 17–18). Tämän tavoitteen vastaamiseksi on ehdotettu monia innovatiivisia ratkaisuehdotuksia. Teollisuus on ala, joka käsittää laajan kirjon erilaisia tuotanto- ja valmistusprosesseja. Nämä prosessit vaativat usein merkittäviä määriä energiaa, ja prosessien sivutuotteena syntyy huomattava määrä hukkalämpöä (Johnson, Choate & David, 2008). Monet yrityk- set eivät hyödynnä tuotantoprosessissa syntyvää arvokasta hukkalämpöä, vaan se ohja- taan usein pois rakennuksesta jäähdytysveden tai putkiston välityksellä ulkoilmaan, koska hukkalämmön talteenotto ei ole kaikissa kohteissa aina taloudellisesti kannattavaa. Samaan aikaan ilmastonmuutoksen hillitseminen vaatii yhä enemmän teollisuuden pa- nosta ja kestäviä ratkaisuja ympäristön hyväksi. Kuitenkin Rämän ja Klobutin (2020, s. 25) mukaan energiatehokkuuden parantamiseen tähtäävät järjestelmät, kuten hukkaläm- mön talteenotto, tarjoavat merkittävän mahdollisuuden vähentää energiankulutusta ja tuotantokustannuksia teollisuusprosesseissa. Etenkin viime aikoina hukkalämmön tal- teenotto on erottunut lupaavana teknologiana sekä energiakriisin että ympäristön saas- tumisen torjumista estäväksi tekijäksi. Hyödyntämällä hukkalämpöä, voidaan lisätä teol- listen prosessien kokonaistehokkuutta ja samalla voidaan vähentää ympäristövaikutuk- sia (Rämä & Klobut, 2020, s. 22–23). Lisäksi viime aikoina maapallon lämpenemisen seurauksesta ympäristönäkökohdat ovat nousseet keskeiseen asemaan ja ilmastonmuutoksen torjunta nähdään tärkeämpänä kuin koskaan, jonka takia teollisuuden panos kestävien ratkaisujen edistämisessä on 15 korvaamaton. Esimerkiksi Euroopan komission 2019 asettamat vaatimukset rakennusten energiatehokkuudesta teollisuudessa ovat merkittävä askel kohti kestävämpää tulevai- suutta. Vaatimus pakottaa teollisuuden parantamaan rakennusten energiatehokkuutta, mikä puolestaan rohkaisee uusien innovaatioiden ja teknologioiden käyttöönottoa ener- giatehokkuuden lisäämiseksi eri teollisuuden toimialoilla (European Commission, 2019). Tämä luo mahdollisuuksia teollisuuden tasapuolisen kilpailukyvyn parantamiseen. Näin ollen energiatehokkuus on yksi tärkeimmistä parametreista, joka kuvastaa tietyn alan vaikutusta vallitsevan alueen talouskasvuun ja ympäristön saastumiseen. 1.1 Työn tavoitteet ja rajaus Diplomityö on toteutettu yritykselle ABB Oy, IEC LV Motors. Työn tutkimusstrategiana käytetään toimintatutkimusmenetelmää, jonka tarkoituksena on vaikuttaa tutkittavaan kohteeseen, sen toimintaan ja ympäristöön kehittävästi ja parantavasti (Jyväskylän yli- opisto, 2015). Työn päätavoitteena on selvittää, kuinka Vaasan Strömberg Parkissa sijait- sevan MM-rakennuksen energiatehokkuutta parannetaan hukkalämmön talteenottojär- jestelmän avulla. Painotus on hukkalämmön energiatehokkaassa hyödyntämisessä ra- kennuksen ja teollisuuden prosessien lämmitys- ja viilennystarpeiden optimaaliseen täyttämiseen. Työssä on tarkoitus vastata yrityksen antamaan tavoitteeseen ja tutkimus- kysymyksiin: • Millainen merkitys hukkalämmön talteenottojärjestelmän käyttöönotolla on case-yrityksen energiatehokkuuteen? o Voidaanko kaukolämpöverkon paluuveden lämpötila optimoida suh- teessa ulkolämpötilaan? o Kuinka sähkön ja kaukolämmön muuttuvat hinnat vaikuttavat järjestel- män kustannuksiin ja kannattavuuteen? 16 1.2 Aineisto Toimintatutkimuksen aineistona käytetään tieteellisiä ja vertaisarvioituja tutkimuksia, raportteja, kirjoja ja verkosta löytyviä materiaaleja. Työn laskelmissa ja kuvioissa esite- tyissä lukuarvoissa käytetään ABB Oy, IEC LV Motors, MM-rakennuksesta saatuja aineis- toja, jotka ovat peräisin hukkalämmön talteenottojärjestelmän (LTO-järjestelmä) raken- nusautomaation datapankista. Työn aikana on kerätty yhtäjaksoisesti tietoa hukkaläm- mön kertymisestä kuukausitasolla. Laskentaa varten on kerätty tietoa hukkalämmön vir- tausnopeuksista, tilavuusvirrasta ja lämpötilajakaumista. Lisäksi on kerätty tietoa kauko- lämmön kulutuksesta MM-rakennuksessa vuosilta 2018–2023 ennen hukkalämmön tal- teenottojärjestelmän käyttöönottoa. Tätä tietoa verrataan vuosiin 2023–2024, jolloin talteenottojärjestelmä on otettu käyttöön. Kaikki yrityksiltä saatu aineisto on salattu yri- tyssalaisuuksien säilyttämiseksi. Salattu aineisto on merkattu [Rajattu pääsy] mukaisesti. Työssä on tehty yhteistyötä Granlund Oy:n ja Schneider Electric Finland Oy:n kanssa. 1.3 Työn eteneminen Työn alussa johdanto luvussa (luku 1) lukijalle annetaan yleiskuva diplomityön aiheesta ja kerrotaan työn tutkimusstrategiasta, tavoitteista ja rajauksista, aineistosta sekä yritys- esittelystä. Tämän jälkeen perehdytään kirjallisuuskatsaukseen (luvut 2–5), joissa ilme- nee järjestelmään liittyvä kirjallisuus ja hyödynnetyt teoriat sekä laskelmissa käytettävät laskentayhtälöt. Kirjallisuuskatsauksessa kerrotaan hukkalämmön lähteistä ja potentiaa- lista teollisuusympäristössä. Samalla johdatellaan kaksisuuntaisen kaukolämpöverkon integroimiseen hukkalämmön talteenottojärjestelmässä. Tämän jälkeen kerrotaan huk- kalämmön talteenottojärjestelmästä sekä lämpöpumpuista ja niiden merkityksestä jär- jestelmässä sekä suorituskertoimen (COP) vaikutuksesta energiatehokkuuteen. Työn me- netelmä osiossa (luku 6) siirrytään lämmönlähteiden paikallistamiseen ja hyödyntämis- kohteiden kartoitukseen sekä kerrotaan talteenottojärjestelmän toiminnasta. Tämän jäl- keen siirrytään tutkimaan, kuinka hukkalämmön talteenottojärjestelmän käyttöönotto on parantanut MM-rakennuksen energiatehokkuutta. Tulokset ja pohdinta luvuissa (lu- vut 7–8) kerrotaan työn tuloksista ja saavutuksista sekä pohditaan niiden merkitystä työn 17 kontekstissa. Johtopäätökset luvussa (luku 9) kerrotaan työn anti. Lopuksi yhteenveto luvussa (luku 10) käydään läpi diplomityön keskeisimmät lopputulokset. 1.4 Yritysesittely ABB Oy, International Electrotechnical Commission Low Voltage (IEC LV) Motors keskit- tyy korkean hyötysuhteen sähkömoottorien valmistukseen, tuotekehitykseen ja tutkimi- seen (ABB, 2024a; ABB, 2024b). Vaasan ABB Oy valmistaa LV moottoreita kaikille teolli- suuden osa-alueille asiakkaan vaatimuksien mukaisesti. Yritys tarjoaa laajan valikoiman tuotteita ja palveluita, jotka tekevät energiajärjestelmistä ja teollisuusprosesseista en- tistä tehokkaampia, kestävämpiä ja älykkäämpiä. ABB Oy, IEC LV Motors tukee kestävää kehitystä ja yksi sen kestävän kehityksen hankkeista on Carbon Neutral Operations (CNO) (ABB, 2024b). Granlund Oy on yritys, joka tarjoaa monipuolisia ja innovatiivisia suunnittelu- ja konsul- tointipalveluita rakennus-, kiinteistö-, ja energia-alalla (Granlund, 2024a). Yritys on pe- rustettu vuonna 1960 ja sillä on vahva kokemus erilaisten kiinteistöprojektien parissa. Granlund Oy keskittyy tarjoamaan kestäviä ja energiatehokkaita ratkaisuja asiakkailleen. Palveluihin kuuluu muun muassa rakennusten suunnittelu, kiinteistöjen hallinta, si- säilma- ja energia-analyysi sekä teknisen järjestelmän suunnittelu (Granlund, 2024a). Schneider Electric Finland Oy on osa maailmanlaajuista Schneider Electric -konsernia ja se tarjoaa energiahallinnan ja automaation ratkaisuja Suomessa (Schneider, 2024). Schneider Electric on sitoutunut tarjoamaan innovatiivisia ja kestäviä teknologioita asi- akkailleen eri toimialoilla. Sen palvelut ja tuotteet kattavat laajasti sähkö- ja automaatio- ratkaisuja, jotka linkittyvät energiatehokkuuden parantamiseen, älykkäisiin rakennusrat- kaisuihin sekä teollisuusautomaatioon (Schneider, 2024). 18 2 Teollisuuden hukkalämpö Hukkalämpö eli tässä kontekstissa teollisuuslämpö määritellään (Entrain, 2021, s. 3–4; Johnson, Choate & David, 2008) mukaan väistämättömäksi lämpöhukaksi, jota syntyy te- ollisuustuotteista, laitteista ja prosesseista johtumisen, konvektion ja säteilyn kautta siir- tyvän lämpöhäviön sekä polttoprosesseista vapautuvan lämmön välityksellä. Valitetta- van usein sivutuotteena syntyvää lämpöenergiaa ei hyödynnetä uusiokäyttöön tuotan- non prosesseissa, vaan se ohjataan suoraan ympäristöön. Teollisuuden valmistusprosessien energiatehokkuuden parantaminen on välttämätöntä, kuten monet tutkimukset ovat osoittaneet. Teollisuuden osuus maailmanlaajuisesta energian kysynnästä on merkittävä, kattaen noin kolmanneksen kokonaiskulutuksesta (IEA, 2012). Tulevaisuudessa odotettavissa oleva energiankulutuksen kasvu ja fossiilisten polttoaineiden väheneminen asettavat haasteita, jotka on otettava huomioon energia- käyttäytymisessä. Lisäksi teollisuuden nopea kasvu ja elintason nousu ovat johtaneet ti- lanteeseen, jossa hukkaan menevän energian määrä tulee kasvamaan väistämättä lähi- vuosien aikana. IPCC (2022, s. 66) raportin mukaan todetaan, että teollisuuden suorat ja epäsuorat päästöt nousevat nopeammin kuin muilla toimialoilla metsä- ja kemianteolli- suudessa. IPCC:n raportin mukaan 24 % maailman suorista kasvihuonekaasupäästöistä syntyi teollisuudesta vuonna 2019. Kun otetaan huomioon suorat ja epäsuorat päästöt, kasvihuonekaasupäästöjen osuus vuonna 2019 kasvaa peräti 34 %:iin. Vertailukohteena tilastokeskuksen (2018) mukaan Suomessa teollisuuden energiankäyttö oli noin 144 TWh vuonna 2017. Tästä osuudesta käytettiin noin 68 % polttoaineisiin, 22 % sähköön ja loput 10 % lämpöön. Tilanne asettaa paineita teollisuudelle etsiä kestäviä ratkaisuja energiankulutuksen ja hukkalämmön hallintaan. Tehokkaammalla lämmön talteenotolla ja uusiutuvien energia- muotojen käytön lisäämisellä voitaisiin vähentää sekä energiankulutusta että ympäristö- vaikutuksia. Tulevaisuudessa teollisuuden rooli kestävän energiantuotannon edelläkävi- jänä voikin olla ratkaisevaa maailmanlaajuisten ilmastotavoitteiden saavuttamisessa. 19 2.1 Yleistä hukkalämmöstä Hukkalämmön hyödyntämispotentiaalia määrittäessä ensimmäinen vaihe on hukkaläm- mön lähteiden tunnistaminen ja kartoittaminen tutkittavassa kohteessa. Lisäksi tulee huomioida käytettävä hyödyntämisteknologia. Hukkalämmön hyödyntämisteknologiat jaetaan pääasiassa kahteen luokkaan: passiiviseen ja aktiiviseen teknologiaan. Aktiivinen teknologia hyödyntää lämpöä suoraan käyttöön ja passiivinen teknologia hyödyntää alemman lämpötilatason hukkalämpöä, muuttaen sen korkeamman tason lämpötilaksi lämpöpumppujen avulla (Brückner ja muut, 2015, s. 158). Hukkalämpö luokitellaan lämpötilatasojen mukaan pääsääntöisesti matalan, keskitason ja korkean tason hukkalämpöön (Motiva, 2019, s. 18). Matalan tason hukkalämpöä on alle 50 °C, keskitason hukkalämpö vastaavasti 50–100 °C välillä ja korkean tason hukka- lämpö yli 100 °C. Taulukon 1 mukaisesti työn case-kohteena olevalla MM-rakennuksella syntyy pääsääntöisesti matalan tason hukkalämpöä prosessien jäähdytysvedestä, ko- neellisista ilmanvaihtokoneista ja prosessien poistoilmavirtojen kautta, joista koneelli- nen ilmanvaihto on merkittävin hukkalämmön lähde. Taulukossa 1 on listattu yleisimmät teollisuuden ylijäämälämmön lähteet sekä prosesseista syntyvät lämpötilat Motivan (2019, s.18) tutkimuksen mukaan. Taulukko 1. Ylijäämälämmön lämpötilatasot ja ylijäämälämmön lähteet (mukaillen, Motiva, 2019, s. 18). Lämpötilataso Ylijäämälämmön lähteet < 50 °C • Erilaiset prosessien jäähdytysvedet ja jätevedet • Koneellisen jäähdytyksen lauhde-energia • Prosesseihin liittyvät poistoilmavirrat 50–100 °C • Erilaiset prosessien jäähdytysvedet • Erilaiset lämpövirrat tai poistohöyryt • Öljyvoideltujen paineilmakompressoreiden jäähdytys >-100 °C • Savukaasut • Prosessien kuumat poistokaasut esimerkiksi sulatusuuneilta 20 2.2 Hukkalämmön lähteet Seuraavassa osiossa tarkastellaan Suomen teollisuudenalojen erityispiirteitä ja tyypillisiä hukkalämmönlähteitä sekä saatavilla olevan hukkalämmön lämpötilatasoja ja teollisuus- alojen tyypillisiä prosessilämpötiloja pääpiirteittäisesti. 2.2.1 Teknologiateollisuus Teknologiateollisuuden erityispiirteenä on huomattava hiilikädenjälki, mikä tekee hukka- lämmön talteenotosta positiivisesti merkittävää ympäristön näkökulmasta. Energianku- lutuksen näkökulmasta kiinteistötekniikka ja teollisuuden prosessit ovat merkittävin osa teknologiateollisuuden energian kokonaiskulutuksessa (Motiva, 2021, s. 42–43). Tyypil- lisesti teknologiateollisuuden prosessien lämpötilat vaihtelevat 100–200 °C välillä, ja kor- keimmat lämpötilat voivat ylittää lämpökäsittelyprosesseissa jopa 150 °C. Tämä tekee hukkalämmöistä peräisin olevista lämmönlähteistä moninaisia, kuten maalaus- ja läm- pökäsittelyuunit, kuivausprosessit sekä erilaiset poistoilmat ja savukaasut (Motiva, 2021, s. 42–43; Motiva, 2019, s. 18). Koska hukkalämpöjen lämpötilat vaihtelevat paljon eri prosessien mukaan, voidaan huk- kalämpöä hyödyntää monissa prosesseissa teollisuuden energiatehokkaiden lämpö- pumppujen avulla. Lämpöpumpuilla on mahdollista hyödyntää myös matalan lämpötilan hukkalämpöjä (Motiva, 2021, s. 42–43). Ainoastaan korkean lämpötilan lämpökäsittely- prosesseja ei voida hyödyntää lämpöpumppujen avulla, vaan ne hyödynnetään aktiivi- sella teknologialla suoraan käyttöön teollisissa prosesseissa. Lisäksi teknologiateollisuu- dessa on tarve kiinteistöjen jäähdytykselle ja lämmitykselle, mikä avaa merkittävän mah- dollisuuden hyödyntää hukkalämpö virtoja näissä kohteissa. Kiinteistötekniikka tarjoaa- kin parhaimmat käyttökohteet hukkalämpö virtojen tehokkaaseen hyödyntämiseen, ku- ten Motivan (2021, s. 42–43) tutkimukset ovat osoittaneet. 21 2.2.2 Metsäteollisuus Metsäteollisuus toimii Suomen merkittävimpänä energiankäyttäjänä teollisuudenaloista, kuten liitteestä 1 käy ilmi. Noin 80 % energiankulutuksesta kohdistuu polttoaineiden käyttöön. Toimialalla suoritetaan useita vedenpoisto- ja kuivausprosesseja, joiden läm- pötila-alue vaihtelee riippuen lopputuotteen laatuvaatimuksista. Erityisesti sellunkeitto, kartongin kuivaus, vanerin, viilun ja paperin valmistus edellyttävät lämpötila-alueita, jotka vaihtelevat 95–125 °C välillä (Agathokleous ja muut, 2017, s. 339–340). Vaikka met- säteollisuudessa tarvittavat kuivauslämpötilat voivat olla hieman matalampia esimer- kiksi sahateollisuudessa noin 70–80 °C, tietyissä prosesseissa tarvitaan jopa 800–1100 °C lämpötiloja (Agathokleous ja muut, 2017, s. 339–340). Hukkalämpö virtojen käyttökelpoisuutta voidaan arvioida myös Brückner ja muut (2015) tutkimuksen perusteella, joka määritteli metsäteollisuuden hukkalämpö virtojen olevan tyypillisesti saatavilla 50–120 °C lämpötiloissa. Esimerkiksi prosessin lauhdehöyry on 50– 90 °C välillä (Brückner ja muut, 2015, s. 160). 2.2.3 Kemianteollisuus Kemianteollisuus on Suomen toiseksi suurin energiankäyttäjä teollisuudenaloista, kuten liitteestä 1 nähdään. Kemianteollisuudessa valtaosa käytetyistä polttoaineista on vielä fossiilisia, jonka takia alalla on kasvava tarve siirtyä pois fossiilisista polttoaineista ja mah- dollisesti sähköistää prosesseja (Motiva, 2021, s. 36–37). Kemianteollisuudessa prosessien lämpötilat vaihtelevat tyypillisesti noin 50–1500 °C vä- lillä. Kuitenkin suurin osa kemianteollisuuden prosesseista tapahtuu 100–300 °C väli- maastossa (Arpagaus ja muut, 2018, s. 2). Esimerkiksi erotusprosesseissa, joita ovat haih- dutus, tislaus ja kuivaus, käytettävät lämpötilat voivat olla melko matalia. Haihdutuk- sessa vaaditaan usein vain noin 95–105 °C lämpötiloja (Brückner ja muut, 2015). Osa kemianteollisuuden hukkalämmöistä liikkuvat myös 50–300 °C lämpötila-alueella, kuten prosesseissa syntyvät lauhdevedet ja jäähdytysvedet. Vastaavasti kuivausprosesseista 22 peräisin olevat hukkalämmöt liikkuvat välillä 90–230 °C (Brückner ja muut, 2015, s. 160– 162). 2.2.4 Metalliteollisuus Metalliteollisuus muodostaa Suomen kolmanneksi suurimman energiankäyttäjän teolli- suudenaloista, joka nähdään liitteestä 1. Energiankulutus metalliteollisuudessa jakautuu tasaisesti sähkön (n. 45 %) ja polttoaineiden (n. 55 %) välillä. Fossiilisten polttoaineiden, erityisesti hiilen merkittävä käyttö metalliteollisuudessa vaatii kehittämistä kohti kestä- vämpiä vaihtoehtoja. Metalliteollisuuden prosessit, kuten esilämmitysuunit ovat jo säh- köistettyjä. Metalliteollisuudelle on tyypillistä energiaa vievät prosessit, erityisesti teräs- teollisuudessa, jotka heijastuvat koko maan energiankäyttöön (Motiva, 2021, s. 38–39). Metalliteollisuuden prosessien lämpötilat vaihtelevat huomattavasti. Teollisuudenalalla on korkealämpöisiä prosesseja, kuten hehkutus, sulatus, valu ja karkaisu, joissa lämpöti- lat voivat nousta jopa 500–1000 °C (Agathokleous ja muut, 2017, s. 336–337). Toisaalta on myös prosesseja, joiden vaatimat lämpötilat ovat melko matalia, liikkuen 50–200 °C välimaastossa. Näitä matalalämpöisiä prosesseja ovat muun muassa erilaiset kuivaus- prosessit, peittaus, esilämmitys, fosfatointi sekä maalausprosessit. 2.2.5 Elintarviketeollisuus Elintarviketeollisuus on Suomen neljänneksi suurin energiankuluttaja teollisuudenaloista, kuten liitteestä 1 käy ilmi. Vaikka sen osuus koko teollisuuden energiankulutuksesta on suhteellisen pieni, vain n. 3 %, on elintarviketeollisuus merkittävä kohde hukkalämpöjen hyödyntämisen näkökulmasta. Elintarviketeollisuudessa lämpö muodostaa (n. 50 %) energiankulutuksesta ja sähkö vastaavasti (n. 35 %). Loput (n. 25 %) kuluu muihin ener- gianmuotoihin (Motiva, 2021, s. 40–41). Elintarviketeollisuuden prosessien lämpötilat ovat yleensä alhaisempia verrattuna mui- hin suuriin teollisuudenaloihin. Tyypillisesti prosessien lämpötilat vaihtelevat välillä 20– 23 250 °C. Korkeimmat lämpötilat saavutetaan uuneissa, kun taas suurin osa prosesseista vaatii lämpötiloja 50–150 °C. Näihin kuuluvat esimerkiksi kuivaus- ja haihdutusprosessit (Arpagaus ja muut, 2018, s. 2–3). Muita esimerkkejä ovat liuottamis- ja alkalointiproses- sien lämpötilat 45–130 °C sekä jäähdytysjärjestelmistä saatavan lämmöntalteenoton lämpötilat, jotka ovat tyypillisesti 50–60 °C välillä (Agathokleous ja muut, 2017, s. 339– 340). 2.3 Hukkalämmön hyödyntämiseen vaikuttavat tekijät Hukkalämmön hyödyntämiseen vaikuttavia tekijöitä voidaan tarkastella hyvinkin laajalla skaalalla. Ne voivat olla esimerkiksi teknisiä, taloudellisia tai lainsäädännöllisiä. Tässä ta- pauksessa on perusteltua tarkastella ainoastaan teknisiä rajoitteita. Alla on listattuna päätekijät, jotka vaikuttavat hukkalämmön hyödyntämiseen ja sen kannattavuuteen enimmäkseen teknisellä tasolla (Heikkilä & Kiuru, 2014, s. 10–13): • lämpötilataso (𝑇) • entalpiavirran suuruus (𝐻̇x) • lämpövirran väliaine ja faasi (kaasu, höyry, neste ja ilma) • väliaineen kemialliset ominaisuudet • väliaineen puhtaus. Mikäli jokin yllä mainituista tekijöistä on epäsuotuisa, vaikuttaa tämä hukkalämmön hyö- dyntämismahdollisuuksiin (Heikkilä & Kiuru, 2014, s. 10–13). Tutkimukset ovat osoitta- neet, että vaikka potentiaalia hukkalämmön hyödyntämiseen olisi runsaasti, se ei välttä- mättä ole taloudellisesti kannattavaa, jos yksi yllä mainituista tekijöistä on epäsuotuisa. Tässä tapauksessa hukkalämmön hyödyntäminen saattaa olla mahdotonta. Yksi yleisin tekijä on riittämätön lämpötilataso suoraan hukkalämmön hyödyntämiseen teollisuuden prosesseissa. Lämpötilatasoa voidaan kuitenkin helposti nostaa esimerkiksi lämpöpump- pujen avulla. Tämä parantaa kokonaisuuden energiatehokkuutta ja investoinnin kannat- tavuutta merkittävästi (Heikkilä & Kiuru, 2014, s. 10–13). 24 2.4 Vaikuttavat tekijät kiinteistötasolla Hukkalämmön optimaalinen hyödyntäminen vaatii tasaisuutta ja ennustettavuutta tuo- tannossa suhteessa kysyntään. Mitä vaihtelevampaa hukkalämmön tuotanto on suh- teessa kysyntään, sitä haastavampaa sen hyödyntäminen on (Entrain, 2021, s. 7–8). Tämä lisää varastoinnin tarvetta ja vaihtoehtoisten lämmönlähteiden käyttöä, erityisesti silloin kun hukkalämmön tuotanto on epäsäännöllistä tai sen määrää on vaikea arvioida. Tämä voi tehdä hukkalämmön hyödyntämisestä taloudellisesti kannattamatonta. Sekä hukka- lämmön talteenoton että varalämmöntuotannon kustannukset kasvavat yleensä liian suuriksi, jotta niiden käyttö olisi kannattavaa (Bröckl ja muut, 2014, s. 17–20). Kuviossa 1 on esitetty kysynnän ja tarjonnan vaikutuksista hintaan ja tuotantoon. Tuotanto ja hinta ovat tasapainossa, kun kysynnän ja tarjonnan käyrät leikkaavat kuvion 1 kohdissa 𝑥1 ja 𝑦1 (Alberta, 2024). Suurimmat rajoitteet liittyvät hukkalämmön lämpötilatasoon, sen saatavuuden varmuu- teen ja ajalliseen sopivuuteen suhteessa kulutukseen (Bröckl ja muut, 2014, s. 17; Heik- kilä & Kiuru, 2014, s. 11–12). Teollisuusprosessit eivät aina tuota hukkalämpöä tasaisella tahdilla, ja tuotanto voi keskeytyä, mikä voi vaatia varalämmönlähteen käyttöä lisäkus- tannuksilla ja saattaa tehdä hukkalämmön hyödyntämisestä kannattamatonta. Jos huk- kalämpöä voidaan hyödyntää samassa prosessissa, sen ajallinen yhteensopivuus yleensä paranee ja häiriötilanteiden riski pienenee. Lämmön varastointi voi myös parantaa ajal- lista yhteensopivuutta ja hukkalämmön toimintavarmuutta. Lisäksi on tärkeää arvioida syntyvän hukkalämmön tehoa ja lämpötilaa suhteessa kulutuskohteen lämmöntarpeisiin. Hukkalämmön lähteen sijainnilla on merkitystä lämmön tuotantoprosessissa. Hukkaläm- pöä voi syntyä pieniä määriä monissa eri kohdissa prosessia tai suurempia määriä muu- tamissa keskitetyissä kohdissa (Entrain, 2021, s. 7). Investointikustannukset 𝐼 ovat yleensä pienemmät jälkimmäisessä vaihtoehdossa, sillä lämmöntalteenottoa vaativaa teknologiaa tarvitaan vähemmän. 25 Kuvio 1. Kysynnän ja tarjonnan vaikutukset hintaan ja tuotantoon (mukaillen, Alberta, 2024). 2.5 Potentiaali Brueckner ja muiden (2014, s. 165) mukaan hukkalämmön potentiaali arvioidaan kol- mella potentiaalityypillä: teoreettinen ja fysikaalinen potentiaali, tekninen potentiaali sekä mahdollinen potentiaali, joka viittaa taloudelliseen näkökulmaan. Potentiaalityypit ovat esitettynä kuviossa 2 ja sen mukaan teoreettinen ja fyysinen potentiaali huomioi fyysiset rajoitukset eli ympäristön lämpötilan yläpuolella olevan lämmön, joka on sitou- tunut johonkin väliaineeseen. Esimerkiksi säteilyn kautta diffuusisti eli tasaisesti vapau- tuva lämpö jätetään arvioimatta. Nämä rajoitukset määrittelevät teknisen potentiaalin eli potentiaali riippuu hyvin paljon käytetyistä tekniikoista. Tekniset rajoitukset voivat liit- tyä esimerkiksi järjestelmän toiminnan mahdollistavaan vähimmäislämpötilaan tai läm- mönsiirron aiheuttamiin lämpöhäviöihin ja siten vaikuttaa potentiaalin määrään (Brueckner ja muut, 2014, s. 165). Hukkalämmön käytön tekniset mahdollisuudet määritellään kahdella suureella, jotka oleellisesti hallitsevat rajoituksia: käytetyn teknologian reunaehdot ja kohteen välttämä- tön lämmitys- tai jäähdytystarve (Agathokleous ja muut, 2017, s. 336–337). Lopuksi ku- viossa 2 mahdollisen potentiaalin näkökulma ottaa huomioon taloudellisen potentiaalin, 26 jota kutsutaan usein myös toteutettavissa olevaksi potentiaaliksi. Siinä tarkastellaan ra- hallisia parametreja, kuten energianhintoja [€/MWh], korkotasoa 𝑖 ja takaisinmaksuai- koja 𝑎′ (Agathokleous ja muut, 2017, s. 336–337; Brueckner ja muut, 2014, s. 165). Kuvio 2. Hukkalämmön potentiaalityypit (mukaillen, Agathokleous ja muut, 2017, s. 337). Agathokleous ja muiden (2017, s. 336–337) mukaan kuviosta 2 on esitetty toinen mah- dollinen hukkalämmön potentiaalin määrittäminen. Tämä on esitetty kuviossa 3 ja siinä hukkalämmön teoreettinen ja fyysinen potentiaali määritellään kuvion 2 mukaisesti. Vastaavasti tekninen potentiaali jaetaan teoreettiseen ja sovellettavissa olevaan. Mene- telmä poikkea siinä määrin, että kuviossa 2 tekninen potentiaali lasketaan käyttämällä teoreettista tai yleiseen prosessiin liittyvää analyysia, kun taas kuvion 3 mukaan laske- taan käyttämällä paikan päällä olevia tarkkoja tietoja koko laitoksesta ja otetaan huomi- oon mallinnetut parametrit, jolloin kyseessä on paikkasidonnainen analyysi. Kuvion 3 menetelmillä saavutetaan täten luonnollisesti realistisemmat tulokset ja teknologian to- teutettavuus voidaan analysoida taloudellisten kriteerien avulla, kuten myös kuviossa 2. Kuviossa 3 niin ikään mahdollisen potentiaalin näkökulma ottaa huomioon taloudellisen potentiaalin, jota kutsutaan usein myös toteutettavissa olevaksi potentiaaliksi. 27 Kuvio 3. Ehdotettu hukkalämmön potentiaalityyppien määritys (mukaillen, Agathokleous ja muut, 2017, s. 337). Suomen teollisuudella on suuri rooli energian loppukulutuksessa. YIT:n laatimassa selvi- tyksessä vuonna 2010 arvioitiin, että Suomen teollisuuden ylijäämälämmön teknisesti hyödynnettävissä olevan hukkalämmön määrä olisi n. 19 TWh vuodessa, joka on esitetty kuvion 4 vasemmassa pylväskaaviossa (Motiva, 2019, s. 15). Arvio perustui Suomen vuo- den 2008 energiankulutus tietoihin. Kuitenkin Motivan vuonna 2019 tekemän tutkimuk- sen mukaan käyttämällä vuoden 2017 teollisuuden energiankäytön tilastoja, Suomen te- ollisuuden hukkalämpöjen teknisen potentiaalin arvioitiin olevan vain n. 16 TWh vuo- dessa, joka on esitetty kuvion 4 oikeassa pylväskaaviossa. Arvion todetaan olevan hyvin lähellä vuoden 2010 selvityksen laskennallista potentiaalia, mutta sen pieneneminen pohjustetaan Suomen teollisuuden energiankäytön yleisen vähentymisen kautta 2010- luvulla. Motivan selvityksen mukaan metsäteollisuudessa olisi edelleen suurin potenti- aali hukkalämmöille, joka on n. 7 TWh (Motiva, 2019, s. 15–16). Hukkalämpöjen teknisen potentiaalin arvioinnissa on otettu huomioon lämpöpumppu- jen rooli. Tutkimuksissa oletetaan, että lämpöpumput ovat merkittäviä mahdollistajia hukkalämpöjen tehokkaassa hyödyntämisessä. Erityisesti matalien hukkalämpöjen hyö- dyntämisessä lämpöpumput ovat keskeisessä roolissa, sillä lämpöpumppujen avulla voi- daan nostaa lämpötilatasoa tehokkaasti ylöspäin. Motivan tutkimuksessa käytettiin 28 teollisuuslämpöpumppujen tuottamien maksimaalisten lämpötilojen arviointia, joka oli n. 80 °C (Motiva, 2021, s. 29–30). Lämpötila perustuu siihen olettamukseen, että Suo- men kaukolämpöverkon keskimääräinen lämpötila on välillä 65–115 °C, jolloin 80 °C on kokemusperäisesti hyväksi todettu välimaasto. Nykyään on jo mahdollista saavuttaa yli 100 °C:n lämpötiloja teollisuuslämpöpumpuilla. Tämän vuoksi Motiva on esittänyt uusia arvioita hukkalämpöjen teknisestä potentiaalista olettaen lämpöpumppujen maksimaa- listen tuottolämpötilojen olevan 100 °C ja jopa 150 °C (Motiva, 2021, s. 30). Maksimaa- lisen tuottolämpötilan ollessa 100 °C, tekninen potentiaali kasvaisi noin 2,5 TWh vuo- dessa, saavuttaen jopa noin 18,5 TWh teknisen hyödyntämispotentiaalin. Vastaavasti 150 °C:n lämpötilalla tekninen hyödyntämispotentiaali nousisi 20 TWh:iin (Motiva, 2021, s. 30–31). Lämpötilojen kasvun odotetaan avaavan uusia sovelluskohteita ja polkuja te- ollisuuden prosessien hukkalämpöjen hyödyntämiseen, mikä selittää hukkalämpöjen hyödyntämispotentiaalin korkeaa kasvumarginaalia. Kuvio 4. Hukkalämpöjen tekniset potentiaalit vuoden 2010 ja Motivan tekemien selvityksen pohjalta (mukaillen, Motiva, 2019). 29 2.6 Hukkalämmön energiamarkkina-arvo Hukkalämmön hyödyntäminen voidaan suunnata keskitetysti erityisesti niihin energia- markkinoilta hankittuihin energioihin, kuten lämpöenergiaan ja sähköenergiaan, joita te- ollisuusyritys ensisijaisesti hyödyntää prosesseissaan. Hukkalämmön käytöstä syntyviä säästöjä voidaan mitata suorassa energianhankinnassa energiamarkkinoilta tai vastaa- vasti vähentyneessä tarpeessa hankkia polttoaineita omalle energiantuotannolle. Näin ollen voidaan yksityiskohtaisesti arvioida hukkalämmön tuottamaa taloudellista arvoa eri näkökulmista, kuten säästettyä energiaa kohden [€/MWh] (Energiateollisuus, n.d.). Esimerkiksi, kun hukkalämmön talteenottojärjestelmällä tuotettu lämpöenergia pumpa- taan kaksisuuntaiseen kaukolämpöverkkoon, se vähentää oleellisesti yrityksen ostetta- van kaukolämmön tarvetta, jolloin luonnollisesti muuttuvien kustannuksien 𝑉 määrä las- kee. Toisaalta GNF (2020, s. 10) loppuraportin mukaan hukkalämmön arvoa voidaan tarkas- tella myös sen perusteella, kuinka paljon hiilidioksidipäästöjä kohde pystyy vähentämään [t/CO2], ja tämä voidaan mallintaa hyödyiksi päästökaupassa [€/t/CO2], joka on merkit- tävässä roolissa erityisesti globaaleissa yrityksissä. Hukkalämmön arvoa nostaa päästö- kauppadirektiivi, joka astui voimaan 2021 Euroopan unionin sisäpuolella (GNF, 2020, s. 34–35). Lisäksi hukkalämmön arvoa voidaan arvioida myös energiayhtiön näkökulmasta, joka voisi ostaa hukkalämpöä [€/MWh] suoraan sen tuottajilta. Tämä voisi tapahtua ti- lanteessa, jossa teollisuusyritys tuottaa hukkalämpöä yli tarpeiden ja tarjoaa hukkaläm- pöä energiayhtiölle. Haittapuolena ilmenee kesäaika, jolloin syntyy merkittävää hukka- lämpöä, eikä tälle lämpöenergialle ole esimerkiksi MM-rakennuksessa riittävästi käyttö- kohteita, kuten kiinteistöjen lämmityksessä (Pöyry, 2016, s. 13–15). Laajemmassa mittakaavassa hukkalämpöpotentiaalin hyödyntämisellä voi olla vaiku- tusta tarvittavien voimalaitosinvestointien määrään valtakunnallisella tasolla. Tämän to- teutuksen saavuttaminen tarvitsee kuitenkin poliittisia muutoksia, koska hukkalämmön talteenottojärjestelmien investointikustannukset 𝐼 ovat vielä merkittävät, eikä kaikilla yrityksillä ole voimavaroja investoida talteenottojärjestelmiin. 30 3 Kaksisuuntainen kaukolämpöverkko Nykyinen kaukolämpöverkon toimintamalli ilmentää rajoitettua joustavuutta tulevaisuu- den kulutusprofiilien ja kokonaiskulutuksen muutoksille. Toimintaympäristön muutokset, erityisesti rakennusten energiatehokkuuden parantaminen, aiheuttavat muutoksia sekä kaukolämmön kokonaiskulutuksessa että kulutusprofiilissa (Lund ja muut, 2014, s. 1). On todennäköistä, että tulevaisuudessa huipunkäyttöajat vähenevät, mikä vaikuttaa läm- möntuotannon rakenteeseen ja huipputehon optimaaliseen mitoitukseen. Tämä painot- taa tarvetta kehittää kaukolämpöinfrastruktuuria, joka hyödyntää tehokkaasti jo ole- massa olevaa infrastruktuuria rakennelman perustana (Lund ja muut, 2014, s. 2–3). Tämä edellyttää älykkyyden integroimista verkkoon, jotta eri osa-alueet tukisivat toisiaan ku- lutuksen ja tuotannon vaihtelun välimaastossa (Pesola ja muut, 2011, s. 4). Tutkimuksien mukaan esille nousee kaksisuuntainen kaukolämpöverkko, joka yhdistää kaukolämmön ja kiinteistökohtaiset energiantuotantoratkaisut. Yhdistetyllä järjestelmällä saadaan hyö- dynnettyä tehokkaasti teollisuudessa ja kiinteistöissä syntyviä hukka- ja ylijäämälämpöjä halutuissa kohteissa (Pöyry, 2016, s. 4–5). 3.1 Toimintamalli yleisesti Kaksisuuntainen kaukolämpöverkko on lämmitysmarkkinoille luotu järjestelmä, joka mahdollistaa kaukolämpöverkkoa käyttävien asiakkaiden kaukolämmön ostamisen tai vastaavasti mahdollisuuksien mukaan oman lämpötuotannon tai ylijäämälämmön myy- misen kaukolämpöyhtiölle (Energiateollisuus, 2016, s. 1). Kaksisuuntainen kaukolämpö- verkko on integroitu kokonaisuus, joka mahdollistaa kaukolämmön tuotannon ja ha- jautettujen lämmöntuotantoratkaisujen liittämisen kaukolämpöverkkoon. Esimerkiksi teollisuuden hukkalämpö on potentiaalinen lämmönlähde liitettäväksi kaukolämpöverk- koon (Energiateollisuus, 2016, s. 1–2). Kaksisuuntaiset kaukolämpöverkot parantavat oleellisesti teollisuuden tai pienien tuo- tantokohteiden kannattavuutta integroida järjestelmänsä kaukolämpöverkkoon (Pöyry, 2016, s. 4–12). Tuotantokohteissa syntyvä hukkalämpö voi olla kannattavaa siirtää 31 kaukolämpöjärjestelmiin. Tuotantokohteista saatu hukkalämpö vähentää kaukolämpö- yhtiön polttoaineiden käyttöä ja hyöty ympäristölle on merkittävä, koska kasvihuonekaa- supäästöjen määrä vähenee. Samaan aikaan kaukolämpöyhtiön lämmöntuotannon tarve pienenee (Pöyry, 2016, s. 4–12). Kuitenkin usein kaksisuuntainen kaukolämpö- verkko edellyttää asiakkaalta suuria muutoksia lämmitysjärjestelmiin, jotka vaativat mit- tavat investointikustannukset. Tästä syystä muutos toteutetaan lähes aina uudisraken- nuksien yhteydessä. Kuviossa 5 on esitetty kaksisuuntaisen kaukolämmön periaatekuva. Kuvion 5 esimerkkitapauksessa nähdään, että verkkoa syötetään perinteisillä menetel- millä sekä lämpöpumpuilla, jotka pumppaavat kiinteistön ylijäämälämpöä verkkoon muille käyttäjille. Lisäksi verkkoon päin syötetään lämpöä kiinteistöistä sekä teollisuus- ympäristöistä saatavaa hukkalämpöä. Lämpöä saadaan myös ulkopuolisilta kuluttajilta. Kuvio 5. Kaksisuuntaisen kaukolämmön toimintaperiaate (mukaillen Pöyry, 2016, s. 14). 3.2 Älykäs kaukolämpöjärjestelmä – 4GDH Älykkäällä kaukolämpöjärjestelmällä viitataan useisiin määritelmiin, joissa korostuvat erityisesti kysyntäjousto ja hajautettu energiantuotanto. Pesolan ja muiden (2011, s. 17– 18) mukaan älykäs kaukolämpöverkko on kokonaisuus, jossa lämpöenergiaa tuotetaan joustavalla tuotantorakenteella, yhdistäen hajautetun ja keskitetyn lämmöntuotannon. 32 Kulutushuippuja pyritään ohjaamaan lämpövarastoilla ja kulutuksen ohjauksella, ja tuo- tannossa hyödynnetään mittaustietoja sekä reaaliaikaista ohjausta. Hinnoittelumallit tu- kevat älykkään teknologian mahdollisuuksia, kuten asiakkaiden palkitsemista rahallisesti kysyntäjouston perusteella (Pesola ja muut, 2011, s. 17; Lund ja muut, 2014, s.1–2). Lund ja muut (2014, s. 1–2) määrittelevät älykkään kaukolämpöjärjestelmän perustuvan sähkön ja kaukolämmön verkostojen integrointiin sekä niiden optimaaliseen toteutusku- vaan. Siinä keskitetty ja hajautettu lämmöntuotanto ovat osa järjestelmää, ja uusiutuvat energiamuodot ovat keskeinen osa järjestelmän tuotantoprofiilia. Asiakkaat voivat osal- listua markkinoille omalla panoksellaan esimerkiksi pumppaamalla verkkoon tuotettua hukkalämpöä lämpöpumppujen avulla. Haasteita ovat kuitenkin matalan lämpötilan lämmönlähteiden hyödyntäminen ja mittausdatan laajamittainen kerääminen erilaisiin datapankkeihin (Lund ja muut, 2014, s. 2–3). Kaukolämpöverkko sisältää jo nyt älykkyyttä eri osa-alueilla, kuten lämmön tuotantolaitteisto, jakeluverkosto, lämmönsiirtimet, läm- pövarastot ja käytönvalvonta. Verkon älykkyydellä pyritään erityisesti optimoimaan eri lämmöntuotantomuotojen ajojärjestystä, käytön optimointia ja kysynnän joustoa (Pe- sola ja muut, 2011, s. 4–6). Neljännen sukupolven kaukolämpöverkko eli 4th Generation District Heating (4GDH) viit- taa älykkääseen uuden sukupolven kaukolämpöverkkoon. Neljäs sukupolvi kuvaa tule- vaisuuden kaukolämpöä, jossa korostetaan matalan lämpötilan kaukolämpöä, kompo- nenttien kehitystä ja joustavia putkimateriaaleja, jotka kestävät maaperän tuottamaa routa- ja maankohoamisrasitusta paremmin. Kaukolämpöverkkojen on tarkoitus vastata haasteisiin, kuten lämmittää matalan lämpötilan tuotannolla sekä olemassa olevaa että uutta rakennuskantaa taulukon 2 mitoitustietojen mukaisesti, vähentää häviöitä ja hyö- dyntää paremmin hukkalämpö virtoja. Neljännen sukupolven verkkojen odotetaan myös kykenevän vuorovaikutukseen muiden älykkäiden energiaratkaisujen kanssa kokonais- järjestelmän optimoimiseksi (Lund ja muut, 2014, s. 2–3). Taulukossa 2 on eriteltynä Lun- din ja muiden (2014, s. 5) tunnistamat tekijät neljännen sukupolven kaukolämpöverkosta. 33 Taulukko 2. Neljännen sukupolven kaukolämpöverkon tekniset tiedot (mukaillen, Lund ja muut, 2014, s. 5). Sukupolvi 4. sukupolvi Kuvaus 4GDH Aikakausi 2020–2050 Lämmön siirtoaine Matalan lämpötilan neste (70 °C / 30 °C) Lämmönsiirrin tyyppi Levylämmönsiirrin ja lämmönjakokeskus Rakennukset - Uudisrakennukset (< 25 kWh/m2) - Olemassa olevat rakennukset (50–150 kWh/m2) Lämpöpatterityypit - Lattialämmitys - Matalan lämpötilan (50 °C) lämpöpatterit - Epäsuora kaukolämpöveden hyödyntäminen 3.3 Maanalainen lämpövarasto Kaukolämpöä voidaan varastoida maanalaisiin lämpövarastoihin myös lämmityskauden ulkopuolella. Esimerkiksi Vaasan alueella toimivan Vaasan Sähkön yksi keskeinen tavoite on kaukolämpövarastojen avulla energiatehokkuuden maksimointi ja energiaturvallisuu- den varmistaminen. Vuonna 2020 käyttöönotettu Vaasan Vaskiluodon maanalainen kau- kolämpövarasto eli Cavern Thermal Energy Storage (CTES) on suunniteltu siten, että sii- hen voidaan varastoida esimerkiksi teollisuuden hukkalämpöä silloin, kun lämmöntarve on yleisesti alhainen (GNF, 2020, s. 17). Lämpövaraston lataus- ja purkuteho on peräti 100 MW, joka mahdollistaa merkittävän hyödyn. Vastaavanlainen järjestelmä on suun- nitteilla MM-rakennuksessa, mikäli käytöstä poistettu maanalainen öljysäiliö löydetään alueelta ja se kyetään integroimaan hukkalämmön talteenottojärjestelmän yhteyteen toimivaksi kokonaisuudeksi (Kalander, 2024a). Tällöin voidaan hyödyntää lämpövaraston lämpöenergiaa lämmitystarpeen kasvaessa ja vähentää riippuvuutta kalliimmista fossii- lisista polttoaineista. Lisäksi lämpövaraston avulla voidaan tasata lämmöntuotannon ja - kulutuksen välistä epätasaisuutta, mikä edelleen parantaa energiatehokkuutta. Kauko- lämpövarastojen ylläpidolla ja hallinnalla on myös merkittävä rooli kaukolämpöjärjestel- män tehokkaassa toiminnassa (GNF, 2020, s. 17). 34 4 Hukkalämmön talteenottojärjestelmä Energiatehokkuutta pidetään yhtenä keskeisimmistä strategioista hillitä kasvavaa maail- manlaajuista energian kysyntää ja siten vähentää kasvihuonekaasupäästöjen vapautu- mista ilmakehään. Energiatehokkuus liittyy kykyyn tuottaa tai kuluttaa energiaa tehok- kaasti, minimoiden energiahävikit ja optimoiden energiankäyttö-prosessit. Kasvava ym- märrys ympäristövaikutuksista on lisännyt paineita etenkin teollisuudelle ryhtyä toimiin energiatehokkuuden parantamiseksi. Hukkalämmön talteenottojärjestelmät ovat yksi keskeinen tekniikka energiatehokkuuden lisäämiseksi erityisesti teollisissa prosesseissa ja energiantuotannossa. Tämän lisäksi teollisuuden hukkalämmön talteenottosovelluk- sien teknologisia kehityksiä ohjaa tietyt strategiset tekijät, kuten kannattavuus, taloudel- lisuus ja lämmönlähteen lämpötila sekä saatavuus (Rämä & Klobut, 2020, s. 10–11). Hukkalämmön talteenottojärjestelmä eli Waste Heat Recovery System (WHRS) mahdol- listaa lämmön talteenoton tuotannon prosesseista tai laitteista, joissa lämpöä muodos- tuu ja perinteisesti menetetään ilmakehään (Almahmoud ja muut, 2018, s. 269). Talteen otettu hukkalämpö siirretään kaasun tai nesteen välityksellä takaisin järjestelmään yli- määräisenä energialähteenä. Järjestelmät voivat kattaa laajan kirjon sovelluksia, kuten teollisuuden uunit, jäähdytysjärjestelmät ja muut lämmönlähteet kuten ilmanvaihtoko- neet ja porakaivoveden hyödyntäminen. Ylimääräistä energialähdettä voidaan käyttää lämmitys- ja jäähdytystarpeisiin tai sähköisen ja mekaanisen tehon tuottamiseen (Park- kamäki, 2021; Reddy & Naidu, 2017). Erityisesti tässä työssä tutkitaan case-kohteen eli MM-rakennuksen hukkalämmön käyttöä lämmitys- ja jäähdytystarpeiden täyttämiseen. Rämän ja Klobutin (2020, s. 10–11) mukaan hukkalämmön talteenottojärjestelmä kyke- nee hyödyntämään korkean-, keskitason- ja matalan tason hukkalämpöä. Tämä tarkoit- taa sitä, että mitä korkeampi lämpötila sitä korkeampi hukkalämmön laatu. On tärkeää löytää tuotannon prosessissa mahdollisimman korkeatasoinen lämmönlähde (Rämä & Klobut, 2020, s. 10–11). Lämmönlähteen laatuun vaikuttavat lämpötilan lisäksi kohteen potentiaali ja saatavuuden vaihtelu. Esimerkiksi MM-rakennuksen ilmanvaihtokoneiden poistoilman ja paineilmakompressorien hyödyntäminen lämmönlähteenä ovat 35 potentiaalisia vaihtoehtoja (Parkkamäki, 2021). Ilmanvaihtokoneet ja paineilmakomp- ressorit toimivat ympäri vuorokauden, joten lämmönlähteen saatavuus on tasaista. Li- säksi kohteet takaavat riittävän lämpötilatason ja merkittävän potentiaalin. Energiatehokkuuden edistäminen ei vähennä vain energiakustannuksia ja ympäristövai- kutuksia, vaan se parantaa myös yritysten kilpailukykyä ja kestävyyttä pitkällä aikavälillä. Hukkalämmön talteenottojärjestelmien käyttöönotto edustaa käytännön lähestymista- paa tavoitteen saavuttamiseksi, edistäen samalla kestävää ja vastuullista liiketoimintaa (Almahmoud ja muut, 2018, s. 284–285). Alla olevassa kaavassa (1) on esitetty lasken- tayhtälö hyödynnettävissä olevalle teoreettiselle häviölämpövirralle, joka hukkaläm- möstä saadaan teollisuuden määritetyssä prosessissa: 𝜙 = 𝑐p ∙ 𝑚̇ ∙ ∆𝑇, (1) missä 𝜙 = Hukkalämmön lämpöteho [kW] 𝑐p = Hukkalämmön lähteen ominaislämpökapasiteetti [kJ/kg∙K] 𝑚̇ = Hukkalämmön lähteen massavirta [kg/s] ∆𝑇 = Hyödynnettävän lämpöenergian lämpötilaero [K]. Hukkalämmön tuotantoarvot voidaan laskea käyttämällä Yesiller ja muut (2005) lähesty- mistapaa kaavassa (2). Menetelmä perustuu siihen olettamukseen, että jokaisessa läm- mönlähteessä vakaan enimmäislämpötilan saavuttaneet kohteet valitaan laskelmiin, jol- loin tulos saadaan osumaan mahdollisimman hyvin toivottujen raja-arvojen välille. Tuo- tettu lämpöenergia lasketaan seuraavasti: 𝐸heating = ∑ ∆𝑇v ∙ 𝑐v ,n i=1 (2) missä 𝐸heating = Lämmönlähteen lämmittämiseen käytetty energia [MJ/m3] 36 ∆𝑇v = Lisäys lämmönlähteen lämpötilan noususta [K] 𝑐v = Lämmönlähteen tilavuuslämpökapasiteetti [MJ/m3K]. Lämmitys edustaa sitä lämpöenergiaa, joka tarvitaan nostamaan tietyn lämmönlähteen lämpötilaa määrällä, joka vastaa huippu keskilämpötilaeroa. Huippu keskimääräistä läm- pötilaeroa ∆𝑇avg−peak tietylle paikalle käytettiin lämpötilan nousun ∑ ∆𝑇i kokonaismää- rää lämmönlähteen osuudelle (Yesiller ja muut, 2005). Lopuksi yllä esitetyn kaavan (2) avulla voidaan määrittää kokonaislämmöntuotanto muilta kuin yhden vuoden ajalta. Lisäksi kaavan avulla voidaan määrittä lämmönlähtei- den tuottamat kokonaislämpöhäviöt ympäröivään ympäristöön tai tilaan. Kokonaisläm- pönä tuotettu energia voidaan laskea käyttämällä kaavaa (3): 𝐸total = 𝐸heating + 𝑛 ∙ 𝐿t , (3) missä 𝐸total = Kokonaislämpönä tuotettu energia [MJ/m3] 𝐸heating = Lämmönlähteen lämmittämiseen käytetty energia [MJ/m3] 𝑛 = Vuosien lukumäärä 𝐿t = Lämpöhäviöt ympäröivään ympäristöön [MJ/m3yr]. 4.1 Innovatiiviset lämmönvaihdin teknologiat Lämmönvaihdin on laite, joka siirtää lämpöenergiaa kahden tai useamman eri lämpöti- lassa olevan neste- tai kaasuvirran välillä konvektiivisen lämmönsiirron periaatteiden mukaisesti. Lämmönvaihtimia käytetään yleisesti nesteiden lämmittämiseen ja jäähdyt- tämiseen sekä yksittäisten tai monikomponenttisten liuosten haihduttamiseen ja kon- densointiin (Shah & Sekulić 2003, s. 32–33). Niitä hyödynnetään myös lämmön talteen- otossa, joka on tutkimuskohteena tässä työssä. Hukkalämmön hyödyntämiseen läm- mönvaihtimien avulla vaaditaan lämpötilatasoltaan käyttökohteeseen sopiva 37 hukkalämpövirta ja riittävä lämpötilaero. Mikäli riittävää lämpötilaeroa ei saada, voidaan sitä korvata kasvattamalla hukkalämmön lämpötilatasoa lämpöpumppujen avulla. Useimmiten lämmönvaihtimessa olevat nesteet ovat eristettyinä toisistaan väliaineella, joka toimii lämmönsiirtopintana. Tätä tyyppiä kutsutaan rekuperaattoriksi. Joissakin läm- mönvaihtimissa kylmä ja kuuma neste syötetään vuorotellen lämmönvaihtimeen, mikä mahdollistaa lämpöenergian siirron ensin kuumasta nesteestä lämmönvaihtimen raken- teisiin ja sieltä edelleen kylmään nesteeseen. Tällaisissa tapauksissa käytetään lämpöä varaavia komponentteja lämmönsiirtopintoina, ja tällaista laitetta kutsutaan vastaavasti regeneraattoriksi (Shah & Sekulić 2003, s. 33–36; Motiva, 2017, s. 3–4). Lämmönvaihtimen toiminta perustuu lämpötilaeroihin eli vaihtimien nesteiden sisään- tulolämpötilat eroavat niiden ulostulolämpötiloista, jolloin lämpöä siirtyy termodynamii- kan toisen pääsäännön mukaisesti korkeammasta lämpötilasta matalampaan lämpöti- laan lämpötilagradientin suuntaisesti. Lämmönvaihtimen lämpöteho voidaan laskea, kun tiedetään virtaavan nesteen massavirta, ominaislämpökapasiteetti ja sisään- sekä ulos- tulon lämpötilat (Motiva, 2017, s. 4). Lämmönvaihtimen lämpöteho lasketaan kaavan (4) mukaisesti: 𝜙 = 𝑐p ∙ 𝑚̇ ∙ ∆𝑇= 𝑈 ∙ ∆𝑇ln , (4) missä 𝜙 = Lämpöteho [kW] 𝑐p = Nesteen ominaislämpökapasiteetti [kJ/kg∙K] 𝑚̇ = Nesteen massavirta [kg/s] ∆𝑇 = Nesteen lämpötilanmuutos lämmönvaihtimen yli [K] 𝑈 = Lämmönvaihtimen kokonaislämmönsiirtokerroin [W/K] ∆𝑇ln = Logaritminen lämpötilaero [K]. Logaritminen lämpötilaero voidaan esittää seuraavasti kaavan (5) mukaan: 38 ∆𝑇ln = ∆𝑇1−∆𝑇2 ln ∆𝑇1 ∆𝑇2 , (5) missä ∆𝑇ln = Logaritminen lämpötilaero [K] ∆𝑇1 = Virtojen lämpötilaero lämmönvaihtimen loppupäästä katsottuna [K] ∆𝑇2 = Virtojen lämpötilaero lämmönvaihtimen alkupäästä katsottuna [K]. Lämmönvaihtimen tehokkuutta kuvastaa rekuperaatioaste, joka voidaan esittää seuraa- vasti kaavan (6) mukaan: 𝜀 = ∆𝑇max 𝛩0 , (6) missä 𝜀 = Rekuperaatioaste ∆𝑇max = Suurempi kylmän ja kuuman virran lämpötilamuutoksista [K] 𝛩0 = Suurimman ja pienimmän lämpötilan välinen erotus [K]. Rekuperaatioaste 𝜀 kuvaa sitä osuutta lämmöstä, mikä on teoreettisesti mahdollista ot- taa talteen. Paras energiatehokkuus saavutetaan, kun lämpötilaero ∆𝑇max on mahdolli- simman suuri. Tämä edellyttää hyvää lämmönsiirtoa virtauksen välillä, mikä saavutetaan hyvällä kokonaislämmönsiirtokertoimella 𝑈. Logaritminen lämpötilaero ∆𝑇ln määräytyy virtausten välisistä lämpötilaeroista. Vakionopeuksilla lämmönsiirtokertoimiin vaikuttaa merkittävästi lämmönsiirtopintojen puhtaus olemassa olevassa lämmönvaihtimessa. Tä- män takia lämmönvaihtimien säännöllinen puhdistus on energiatehokkuuden kannalta erityisen tärkeää. Ulkoinen prosessi voi myös asettaa rajoituksia lämmönvaihtimen ener- giatehokkuudelle, sillä virtausnopeuksien rajoittaminen voi alentaa lämmönsiirtokertoi- mia (Motiva, 2017, s. 4). On myös huomattava, että lämmönvaihtimen painehäviöt ovat osa vaihtimen energiatehokkuutta. Lisääntynyt tarve pumppaukseen tai puhallukseen kasvattaa yleensä sähköenergian tarvetta. Tämän lisäksi likaantuneet 39 lämmönsiirtopinnat heikentävät energiatehokkuutta kasvattaen samalla painehäviöitä (Motiva, 2017, s. 4). 4.1.1 Levylämmönvaihdin Levylämmönvaihdin eli Plate Heat Exchanger (PHE) koostuu useista ohuista ruostumat- tomista teräslevyistä, jotka on poimutettu eri tavoin optimaalisen lämmönsiirron saavut- tamiseksi. Levyjen poimuttaminen lisää lämmönsiirtopinta-alaa jopa 10 % verrattuna sa- mankokoiseen tasaiseen levyyn. Levyjen muotoilun tukipisteet pitävät levyt erillään, luo- den kanavia, joiden läpi neste virtaa lämmönvaihtimessa. Nestevirtaus tulee kanavaan ja poistuu levyjen kulmissa olevien aukkojen kautta. Kuvassa 1 on havainnollistettu, kuinka väliaineet kulkevat vastakkaisiin suuntiin levyjen eri puolilla. Joka toisen levyparin välissä virtaa kuuma väliaine ja joka toisen levyparin välissä vastaavasti kylmä väliaine. Levyjen ja niiden reikien reunustat on varustettu tiivisteillä estämään sisäisen sekoittumisen ja vuodot (Das ja muut, 2008, s. 1–6; Majstorović ja muut, 2017, s. 1–4). Levylämmönvaihtimet ovat suunniteltu neste–neste lämmön siirtämiseen. Niitä voidaan soveltaa myös muihin käyttötarkoituksiin, kuten nesteen ja kaasun väliseen siirtoon tai kaasun ja kaasun väliseen siirtoon. Parhaimmat toimintaolosuhteet levylämmönvaihti- mille ovat lämpötila-alueella (-195 – +220 °C), käyttöpaineella 0–25 bar ja virtausmäärillä 0,3–1000 kg/s (Das ja muut, 2008, s. 1–6; Majstorović ja muut, 2017, s. 1–4). Levylämmönvaihdin on erinomainen viskoosien aineiden käsittelyssä sen profiililevyjen ansiosta. Levyjen kuviointi parantaa virtauksen turbulenttisuutta, mikä edistää vaihti- mien puhdistettavuutta ja lämmönsiirtoa. Virtausperiaate perustuu vastavirtausperiaat- teeseen, mikä takaa optimaalisen lämmönsiirron. Levylämmönvaihdin on huomattavasti vähemmän altis likaantumiselle verrattuna putkilämmönsiirrintyyppiin. Se soveltuu eri- tyisen hyvin tilanteisiin, joissa lämpötilaero aineiden välillä on pieni (Das ja muut, 2008, s. 2–4). 40 Kuva 1. Levylämmönvaihtimen rakenne ja toimintaperiaate (mukaillen Alfalaval, 2024). 4.1.2 Vaippa-putkilämmönvaihdin Yksi yleisimmistä lämmönsiirrintyypeistä teollisissa sovelluksissa on putkilämmönvaih- din, erityisesti vaippa-putkilämmönvaihdin eli Shell-and-Tube Heat Exchanger (STHE). Vaippa-putkilämmönvaihdin koostuu kuoresta, joka toimii paineastiana (Cengel & Ghajar, 2011, s. 629–635). Kuoren sisällä on huomattava määrä putkinippuja ja kuoren sisällä olevan vaipan ja putkinippujen akselit ovat samansuuntaisia. Lämmönsiirto tapahtuu ku- van 2 mukaisesti siten, että ensimmäinen väliaine virtaa putkien sisällä samalla, kun toi- nen väliaine virtaa putkien ulkopuolella vaipan läpi. Väliaine syötetään säiliöön etupää- tykappaleen kautta, mistä se jakautuu muihin putkiin. Putkista väliaine jatkaa säiliön toi- selle puolelle takapäätykappaleeseen, mistä se poistuu säiliöstä ulostuloaukon kautta kuvan 2 mukaisesti. Ohjauslevyt vaippapuolella ohjaavat väliaineen virtausta säiliön poikki, parantaen lämmönsiirron tehokkuutta. Putkilämmönsiirtimet voidaan luokitella rakenteensa mukaan kaksoisputki-, vaippaputki- ja ripaputkilämmönvaihtimiin (Cengel & Ghajar, 2011, s. 629–635). Yleisimpiä käyttökohteita vaippa-putkilämmönvaihtimille ovat hydrauliöljyn ja -nesteen jäähdytys moottoreissa, vaihteistoissa ja hydraulijärjestelmissä (Cengel & Ghajar, 2011, s. 629–635). Kuvassa 2 havainnollistetaan vaippa-putkilämmönvaihtimen yleistä toimin- taperiaatetta. 41 Kuva 2. Vaippa-putkilämmönvaihdin; yksi kuoripolku ja yksi putkipolku (mukaillen Zohuri, 2017). 4.1.3 Kaksoisputkilämmönvaihdin Yksinkertaisimmillaan kaksoisputkilämmönvaihdin eli Double Pipe Heat Excharger (DPHE) muodostuu kahdesta putkesta, jotka ovat sisäkkäin. Kuvan 3 mukaan toisessa putkessa virtaa ensimmäinen väliaine, kun taas toisen putken sisällä on tila toista väliainetta var- ten. Väliaineet ovat samaa fluidia ja ne virtaavat vastakkaisiin suuntiin suhteessa toisiinsa nähden, mikä mahdollistaa optimaalisen lämmönsiirtotehon käytetyllä lämmönsiirto- pinta-alalla (Dhirgham & Mustafa, 2021, s. 2–7). Kaksoisputkilämmönvaihtimia hyödyn- netään yleisesti matalilla virtaamilla ja laajoilla lämpötila-alueilla. Ne soveltuvat erityisen hyvin kohteisiin, joissa toinen tai molemmat aineista virtaavat korkeassa paineessa. Niitä käytetään tilanteissa, joissa tarvitaan enintään 50 m² lämmönsiirtopinta-alaa. Sisempi putki voi koostua useammasta putkesta (Dhirgham & Mustafa, 2021, s. 2–7). Kaksoisputkilämmönvaihtimien haittapuolina ovat niiden suurempi koko ja kustannukset suhteessa lämmönsiirtopinta-alaan, kun verrataan tätä perinteiseen putkilämmönvaihti- meen. Kuvassa 3 on esitettynä kaksoisputkilämmönvaihtimen periaatekuva. 42 Kuva 3. Kaksoisputkilämmönvaihtimen rakenne ja toimintaperiaate (mukaillen Zwirner, 2021). 4.1.4 Spiraalilämmönvaihdin Spiraalilämmönvaihdin eli Spiral Heat Excharger (SHE) rakentuu kahdesta taivutetusta le- vystä, jotka muodostavat yhdessä spiraalin ja säilyttävät keskinäisen etäisyyden vakiona suhteessa toisiinsa. Lämmönvaihtimessa kuumat ja kylmät nestevirtaukset kulkevat ka- navissa vastakkaisiin suuntiin, jota on havainnollistettu kuvassa 4. Towler ja Sinnott (2013, s. 928) mukaan spiraalilämmönvaihtimen erityispiirteenä on tiivisteiden puuttuminen, mikä mahdollistaa lämmönvaihtimen käytön jopa 400 °C:n lämpötilassa ja 25 bar. Spiraa- lilämmönvaihdin osoittaa erinomaista soveltuvuutta prosesseihin, joissa lämpötilaero virtausten välillä on pieni (Towler & Sinnott, 2013, s. 928; Danfoss, 2024). Spiraalilämmönvaihdin soveltuu erityisesti likaantumista ja kuitujen läsnäoloa sisältäville virtausaineille, koska sillä on itsensä puhdistava ominaisuus. Lisäksi lämmönvaihdin so- veltuu erittäin likaisille prosessinesteille ja lietteille, joita syntyy esimerkiksi teollisuus- ympäristöissä. Itsensä puhdistava ominaisuus perustuu siihen, että likaavan aineen ker- tyessä johonkin kohtaan, lämmönvaihtimen virtauspoikkipinta-ala pienenee, mikä lisää virtausnopeutta ja irrottaa kertyneen aineen nopeasti. Spiraalilämmönvaihdin on erin- omainen lauhtuville prosesseille, joissa tarvitaan lauhtuvan aineen alijäähtymistä. Lisäksi se mahdollistaa pienen painehäviön, joka on yleensä vaikeampi saavuttaa esimerkiksi 43 putkilämmönvaihtimella (Towler & Sinnott, 2013, s. 928; Danfoss, 2024). Kuvassa 4 on esitetty spiraalilämmönvaihtimen rakenne sekä kuuman ja kylmän ainevirran suunnat (Towler & Sinnott, 2013, s. 928; Danfoss, 2024). Kuva 4. Spiraalilämmönvaihtimen rakenne (mukaillen, Towler & Sinnott, 2013). 4.2 Nanofluidi-seoksen hyödyntäminen lämmönsiirron tehostamisessa Perinteisellä lämmönvaihtimella on rajoituksia, kuten laitteiston koko, asennustila ja joustavuus. Mikrokanava lämmönvaihdin eli Micro Channel Heat Exchanger (MCHE) on yksi teknologia näiden rajoitusten ratkaisemiseksi. Chalermsinsuwanan ja muiden (2022, s. 240–241) mukaan tutkimukset ovat osoittaneet, että mikrolämmönvaihtimissa nano- fluidien käyttö parantaa lämmönvaihtimen lämmönsiirto hyötysuhdetta sekä vähentää lämmönvaihtimen massaa 26 % ja tilavuutta 60 %. Esimerkiksi 3 % painopitoisuuden omaava titaanioksidi-vesi nanoneste (TiO2/vesi) ky- keni korkeimman termohydraulisen suorituskyvyn eli Thermo-Hydraulic Performance (THP) arvoon määritellyissä käyttöolosuhteissa, eikä vaatinut yhtä paljon pumpun tehoa, kun tulosta verrattiin pelkän veden kanssa (Chalermsinsuwana ja muut, 2022, s. 240– 241). Vastaavasti alumiinioksidi-vesi nanoneste (AI2O3/vesi) saavutti 31 % korkeamman Nusselt-luvun sekä 14 % suuremman lämmönsiirtokertoimen verrattuna tulosta pelkän 44 veden kanssa. Pienen määrän nanokokoisia hiukkasia sisältävän nesteen lämmönsiirron parantamisen periaate on lämmönjohtavuuden ja turbulenssin lisääminen suspendoitu- neiden nanohiukkasten läpi. Tuckermanin tutkimus osoitti, että putkien pienentyneet halkaisijat lisäävät lämmönsiir- tokerrointa (Almomani, 2023). Myös Nusselt-luku pysyy vakiona erityisesti pinnan va- kiolämpötilassa täysin kehittyneellä alueella 𝑁𝑢 = 3,657, joka esitetään kaavassa (7): 𝑁𝑢 = ℎ∙𝐷v 𝑘 = 𝐶 ∙ 𝑅𝑒𝑚 ∙ 𝑃𝑟𝑛 , (7) missä 𝑁𝑢 = Dimensioton Nusseltin luku ℎ = Konvektiivinen lämmönsiirtokerroin [J/m2K] 𝐷v = Virtaus kaarevan kappaleen ympärillä [kg/s] 𝑘 = Nesteen lämmönjohtavuus [J/m∙K] 𝑅𝑒 = Reynoldsin luku [mitaton] 𝑃𝑟 = Prandtlin luku [mitaton] 𝐶, 𝑚 𝑗𝑎 𝑛 = Kertoimet [mitaton]. Kaava (7) osoittaa, että mikrokanavavaihtimien kanavan halkaisijan pienentäminen pa- rantaa lämmönsiirtonopeutta (Almomani, 2023). Nanohiukkaset seuraavat Brownin lii- kettä, jossa hiukkaset etenevät nesteessä törmäyksen seurauksena ja niitä pidetään läm- mönsiirtona kiinteästä kiintoaineeseen sekä hiukkasesta hiukkaseen, mikä lisää lämmön- johtavuutta prosessin aikana. Brownin liikkeen aiheuttama hiukkasten liike on hitaampaa siirtämään suuria lämpömääriä nanonesteiden läpi. Nanofluidi hiukkaset muodostavat kuitenkin klustereita, mikä parantaa lämmönjohtavuutta (Almomani, 2023). Kuvassa 5 on esitetty kokeellinen malli eräästä mikrokanava lämmönvaihtimesta. 45 Kuva 5. Kokeellinen malli eräästä mikrokanava lämmönvaihtimesta (mukaillen, Chalermsinsu- wana ja muut, 2022, s. 243). 4.3 Teollisuuden energiatehokkaat lämpöpumput Lämpöpumput ovat nousseet merkittäväksi teknologiaksi, koska ne parantavat energia- tehokkuutta ja hillitsevät hiilidioksidipäästöjen syntymistä ilmakehään (IEA-Industry, 2014, s. 7–8). Erityisesti teollisuuslämpöpumput eli Industrial Heat Pumps (IHPs) tarjoa- vat monipuolisia mahdollisuuksia erilaisissa valmistusprosesseissa ja -toiminnoissa. Hyö- dyntämällä prosessin hukkalämpöä ensisijaisena ja toissijaisena lämmönlähteenä läm- mitykseen, esilämmitykseen sekä teollisuuden tilojen lämmitykseen ja jäähdytykseen. Lämpöpumput tuottavat lämpöä korkeissa lämpötiloissa teollisuuden eri prosesseihin ja ovat optimoitavissa haluttuihin menoveden lämpötiloihin portaattomasti taajuusmuut- tajien eli Variable Frequency Drive (VFD) avulla (Kiiski, Niemelä & Paasalo, 2021). Teolli- suuden energiatehokkaat lämpöpumput eroavat perinteisistä lämpöpumpuista siinä, että ne pystyvät ottamaan lämpöä talteen suhteellisen matalissa lämpötiloissa, yleisesti lämpötila-alueella 5–35 °C (IEA-Industry, 2014, s. 11). Lämpöpumppujen käyttö voi vä- hentää merkittävästi fossiilisten polttoaineiden käyttöä ja kasvihuonekaasupäästöjä esi- merkiksi kuivauksessa, pesussa, haihdutuksessa ja tislauksessa monilla teollisuuden- aloilla, kuten teknologiateollisuudessa, elintarviketeollisuudessa, metsäteollisuudessa ja kemianteollisuudessa (IEA-Industry, 2014, s. 8). 46 4.3.1 Toiminta Tässä työssä käsitellään mekaaniset- ja absorptiolämpöpumput sekä niiden toiminnalli- nen käyttö jäähdytykseen. Työn menetelmät osuudessa käsitellään vain mekaanisia läm- pöpumppuja, koska ABB Oy, IEC LV Motors, MM-rakennuksen hukkalämmön talteenot- tojärjestelmä hyödyntää kyseistä pumpputyyppiä. Lämpöpumppu on laite, jonka avulla hyödynnetään tuotannon prosessissa syntyvää ma- talalämpöistä hukkalämpöä tehokkaasti (Kataikko & Maaskola, 2014, s. 17). Lämpöpum- pulla nostetaan hukkalämmön tasoa alemmasta lämpötilatasosta korkeammalle lämpö- tilatasolle, jotta lämpöä voidaan hyödyntää uudestaan teollisuuden prosesseissa, kiin- teistöjen lämmityksessä tai pumpatessa lämpö suoraan kaukolämpöverkkoon. Lämpö- pumppua voidaan käyttää lämmitys- ja jäähdytystarpeiden täyttämiseen, koska sen toi- minta perustuu järjestelmän sisällä kiertävän kylmäaineen faasimuutoksiin. (Kataikko & Maaskola, 2014, s. 17). Yksinkertaisimmillaan lämpöpumppu koostuu kompressorista, kuristusventtiilistä, lauhduttimesta ja höyrystimestä sekä järjestelmän sisällä kiertävästä kylmäaineesta, joka vaihtelee lämpöpumpun tyypin ja käyttötarkoituksen mukaan. 4.3.2 Mekaaninen lämpöpumppu Kuviossa 6 esitetään mekaanisen lämpöpumpun keskeiset komponentit ja niiden vaiheet p,h -kuvaajassa kuviossa 7. Höyrystimessä tapahtuu lämmönsiirto lämmönlähteen ai- neesta kiertävään kylmäaineeseen, joka kiertää lämpöpumpun sisällä. Kylmäaine höy- rystyy pisteissä (4–1) siirtyen lämmönlähteestä kiertävään järjestelmään. Kompresso- rissa kylmäaineen paine kasvaa ja samalla sen lämpötila nousee pisteiden (1–2) aikana. Lauhduttamisvaiheessa kylmäaine siirtää lämpöä lämpönieluun ja samalla kylmäaineen lämpötila laskee, aiheuttaen sen siirtymisen nestemäiseen olomuotoon pisteissä (2–3). Viimeisessä prosessin vaiheessa kylmäaine kulkee paisuntaventtiilin läpi, minkä seurauk- sena kylmäaineen paine laskee pisteissä (3–4) (He, Tao, Zhang & Zhang, 2016, s. 3–4; Amat-Albuixech ja muut, 2018, s. 229–230). 47 Kuvio 6. Mekaanisen lämpöpumpun toimintaperiaate (mukaillen He ja muut, 2016, s. 4). Kuvio 7. Paine-entalpiakaavio termodynaamiselle kierrolle (mukaillen He ja muut, 2016, s. 4). 4.3.3 Absorptiolämpöpumppu Kuviossa 8 esitetään absorptiolämpöpumpun pääkomponentit ja toimintaperiaate. Yk- sinkertainen absorptiolämpöpumppu koostuu neljästä päälämmönsiirtimestä: 48 lauhduttimesta, höyrystimestä, keittimestä ja imeyttimestä. Näiden lisäksi laitteistoon kuuluvat liuospumppu ja kaksi paisuntaventtiiliä. Hyvin usein keittimen ja imeyttimen välille sijoitetaan ylimääräinen liuoslämmönvaihdin, joka parantaa lämpöpumpun ener- giatehokkuutta oleellisesti. Absorptiolämpöpumpun kiertoprosessi perustuu korkean ja matalan paineen väliseen eroon, kuten perinteisessä lämpöpumpussa. Tämä paine-ero syntyy säätämällä työaineiden konsentraatioita lämpöpumpussa, mikä vaikuttaa edel- leen aineiden toimintapisteen muutoksiin (Xu & Wang, 2017, s. 415–422; Koljonen & Sipilä, 1998, s. 12–15). Kuvio 8. Absorptiolämpöpumpun toimintaperiaate (mukaillen Koljonen & Sipilä, 1998, s. 13). 4.3.4 Kustannuskorrelaatio Andreasen ja muiden (2016) mukaan lämpöpumpun investointikustannuksien 𝐼 [€/kW] suuruutta riippumatta lämpöpumpputyypistä, voidaan arvioida seuraavasti kaavalla (8): 𝐶E = 𝐶B ∙ ( 𝑄 𝑄B ) 𝑀 ∙ 𝑓M ∙ 𝑓p ∙ 𝑓r , (8) 49 missä 𝐶E = Laitekustannukset laitteelle, jonka kapasiteetti (𝑄) [€/kW] 𝐶B = Kapasiteettia sisältävän laitteen peruskustannus (𝑄B) [€] 𝑄 = Kapasiteetti [kW] 𝑀 = Eksponenttivakio [mitaton] 𝑓M = Korjauskerroin 1 [mitaton] 𝑓p = Korjauskerroin 2 [mitaton] 𝑓r = Korjauskerroin 3 [mitaton]. 4.3.5 Lämpökerroin Kerroin eli Coefficient of Performance (COP) kuvaa lämpöpumppujen energiatehok- kuutta (Kataikko & Maaskola, 2014, s. 19). COP kerroin määrittää, kuinka paljon lämmi- tysenergiaa tai jäähdytysenergiaa saadaan tietyllä määrällä sähköenergiaa. COP saadaan laskettua, kun jaetaan lämpöpumpun tuottama lämpöteho tai kylmäteho laitteen vaati- malla sähköteholla eli työllä, joka kuluu lämpöpumpun kompressorissa. Kaavassa (9) on esitetty kertoimen COP laskentayhtälö: 𝐶𝑂𝑃 = 𝑄out 𝑊in , (9) missä 𝐶𝑂𝑃 = Kerroin [mitaton] 𝑄out = Lämpöpumpun tuottama lämpöteho tai kylmäteho [kW] 𝑊in = Lämpöpumpun vaatima sähköteho eli työ [kW]. 4.3.6 Kylmäaineet Teollisuuslämpöpumppu teknologian viimeaikaisessa kehityksessä on edistytty erilaisten kylmäaineiden, kuten R-134a, R-245fa, R-717, R-744 ja hiilivetyjen käytössä (IEA-Industry, 2014, s. 11). Erityisesti R-744 ja luonnolliset kylmäaineet, kuten R-717 sekä hiilivedyt, erottuvat edukseen huomattavasti alhaisen ilmaston lämpenemispotentiaalinsa eli 50 Global Warming Potential (GWP) ansiosta, mikä vastaa ympäristövaikutusten minimoi- misen vaatimusten mukaista tasoa. R-134a ilmenee myös eräänlaisena freonina, jolla on negatiivisia ympäristövaikutuksia, kuten kasvihuoneilmiön voimakas lisääntyminen (Bell ja muut, 2019, s. 1–4). Lisäksi Freon R-134a:ssa on inerttejä molekyylejä, joita puolijoh- dekaasuanturien on vaikea havaita, mikä lisää ympäristöriskiä vuotojen sattuessa. Tällä hetkellä R-1234yf ja R-1234ze (E) ovat lupaavia R-134a:n korvaajia, kun taas R- 1234ze (Z) on potentiaalinen R-245fa:n korvaaja. R-365mfc, jota pidetään sopivana kyl- mäaineena hukkalämmöstä höyryä tuottaviin lämpöpumppuihin, on kuitenkin GWP-ar- voltaan poikkeuksellisen korkea (IEA-Industry, 2014, s. 11). Näin ollen R-365mfc:n kor- vaavien aineiden kehittämistä on välttämätöntä jatkaa. Alla olevassa taulukossa 3 esite- tään sekä nykyisten että tulevien teollisuuslämpöpumppujen kylmäaineiden perusomi- naisuudet lueteltuna. Taulukko 3. Teollisuuslämpöpumppujen kylmäaineiden perusominaisuudet (mukaillen, IEA-In- dustry, 2014, s. 11–12). 51 5 Energiatehokkuuden parantaminen teollisuusympäristössä Energiatehokkuus ja digitalisaatio teollisuusympäristöissä ovat nousseet keskeisiksi kä- sitteiksi, jotka muovaavat yritysten toimintaa ja vaikuttavat merkittävästi kilpailukykyyn. IEA:n (2017) Global Efficiency Report mukaan energiatehokkuus on noussut yhä tärke- ämmäksi strategiseksi painopisteeksi ympäristöhuolen sekä kustannusten optimoinnin näkökulmasta. Etenkin viime aikoina ilmastonmuutos toimenpiteisiin vastaaminen ja te- hokkuusetuihin linkittyminen ovat nostaneet osuuttaan energiatehokkuuden kehittämi- sessä globaaleissa teollisuusympäristöissä (Lian ja muut, 2022, s. 1–2). Samanaikaisesti digitalisaatio tarjoaa erilaisia linkitettyjä välineitä, joilla yritykset voivat tehostaa toimin- taansa, parantaa energiatehokkuutta ja tehdä parempia päätöksiä ympäristön hyväksi kohti ”vihreää” keskittymää. Energiatehokkuuteen liittyvät kriteerit vaihtelevat toimialoittain ja alueittain. Usein yri- tyksiltä edellytetään tarkkaa seurantaa ja raportointia energiankulutuksestaan, asetettu- jen tavoitteiden saavuttamista sekä jatkuvaa parantamista. Kriteereihin kuuluu myös energiatehokkaiden teknologioiden ja prosessien käyttöönotto sekä henkilöstön koulu- tus energiatehokkuuden parantamiseksi. Näin ollen digitalisaatio tarjoaa monipuolisia mahdollisuuksia parantaa energiatehokkuutta teollisuudessa. Älykkäät sensorit ja IoT- ratkaisut mahdollistavat reaaliaikaisen datan keräämisen ja analysoinnin, joka puoles- taan auttaa yrityksiä tunnistamaan energiankulutuksen kohteita entistä tehokkaammin (Lian ja muut, 2022, s. 3–4). Teollisen tuotannon digitalisaatiolla, joka tunnetaan myös nimellä ”Teollisuus 4.0”, voi olla merkittäviä ympäristövaikutuksia, jotka herättävät sekä toiveita että pelkoja valmis- tusprosessien ja tuotantoprosessien ympäristöystävällisyydestä sekä energiatehokkuu- desta (Beier, Dachrodt, Kunkel & Matthess, 2023, s. 1–2). Digitaalisen teknologian no- pean kehityksen ja yleistymisen myötä teollisen ketjun digitaalisesta transformaatiosta on tullut eri teollisuudenalojen yhteinen tavoite. Se viittaa teollisen ketjun kaikkien link- kien digitalisointiin ja älykkyyteen integroimalla uusia tietoteknologioita, kuten big dataa, IoT:ta, tekoälyä, lohkoketjua ja pilvilaskentaa. Yhdessä nämä varmistavat, että kaikki 52 teollisuusketjun kokonaisuudet voidaan luottaa reaaliaikaiseen kolmiulotteiseen datatie- toon tehokkaamman johtamisjärjestelmän muodostamiseksi (Lin & Teng, 2023, s. 1–2). Teollisuusketjun digitalisoitumistaso vaikuttaa useisiin näkökohtiin, kuten tuotantoon, toimitusketjun hallintaan, myyntiin ja palveluihin. Digitaalisen teknologian avulla teolli- suusketjut voivat saavuttaa tuotantoprosessin automatisoinnin, älykkyyden ja visuali- soinnin, yhdistää ja verkottaa tuotteita sekä toteuttaa tuotantoprosessin reaaliaikaisen seurannan ja ohjauksen. Se voi auttaa yrityksiä saavuttamaan tehokkaampia, joustavam- pia ja älykkäämpiä toimintatapoja teollisen ketjun hallintavaiheessa kilpailukyvyn sekä markkina-aseman parantamiseksi (Lin & Teng, 2023, s. 3–4). Empiiriset tutkimukset ovat osoittaneet, että digitaalisen teknologian innovaatioilla on positiivinen vaikutus energiatehokkuuden parantamisessa. Digitaalinen innovaatio ku- vastaa prosessia, jossa digitaalitekniikkaa integroidaan teollisuuteen. Tämä innovaatio kiihdyttää digitaalista taloutta ja edustaa teknologista kehitystä sekä arvonluonnin tapaa. Sen vaikutus on edistänyt digitaalisen teknologian laajaa ja syvällistä soveltamista, tuke- nut teknologista kehitystä ja parantanut energia-alan tehokkuutta, joka toimii digitali- saation liikkeellepanevana voimana (Lian ja muut, 2022, s. 14–15). Digitaalinen innovaatio nopeuttaa perinteisten toimialojen digitaalista ja informatiivista luonnetta, samalla edistäen tuotannon ja toiminnan automaatiota sekä älykkyyttä. Se synnyttää uusia prosesseja, tuotteita ja palveluita sekä muovaa uusia liiketoimintamal- leja. Digitaaliset innovaatiot ovat yleensä tiiviimpiä, tehokkaampia ja tarkempia. Niiden myönteinen vaikutus energiatehokkuuteen ilmenee energian tuotanto- ja kulutuspäät- teissä. Tuotantopuolella ne voivat optimoida energiarakennetta ja edistää uusiutuvan energian käyttöä. Kuluttajat voivat edistää energiankulutuksen muutosta vähentämällä yksikköenergian kulutusta ja parantamalla energiatehokkuutta (Lian ja muut, 2022, s. 15–16). Erityisesti digitaalinen innovaatio avaa mahdollisuuksia energiajärjestelmän muutokseen. Energiajärjestelmän digitaalinen muutos on teollisuudessa tapahtuva 53 kehitys, jota ajavat nousevat digitaaliset teknologiat. Se vaatii kuitenkin digitaalisen tek- nologian innovaatiojärjestelmän tukea (Lian ja muut, 2022, s. 16). Tehtaiden automaatiojärjestelmä voi optimoida hukkalämmön talteenottojärjestelmän lämpöpumppujen käyntiaikoja ja energiankulutusta automaattisesti (Lin & Teng, 2023, s. 1–2). Lisäksi älykkäät järjestelmät voivat havaita häiriöitä ja ennakoida huoltoja, mikä vähentää tuotannon seisokkeja ja parantaa laitteiden käyttöikää. Pilvipalveluiden hyö- dyntäminen mahdollistaa teollisuuden yrityksille etävalvonnan ja -ohjauksen sekä tiedon datapankin, mikä säästää resursseja ja vähentää tarvetta fyysiselle läsnäololle (Lin & Teng, 2023, s. 1–2). Näin ollen energiatehokkuuteen viittaavat määräykset ja standardit luovat säännöt vastuulliselle toiminnalle, kun taas digitalisaatio tarjoaa konkreettisia työ- kaluja näiden tavoitteiden saavuttamiseksi (Lin & Teng, 2023, s. 1–2). IEA:n (2017, s. 29–31) tutkimuksen mukaan on arvioitu, että digitalisaatio voi vähentää energian kokonaiskulutusta asuin- ja liiketiloissa noin 10 % vuoteen 2040 mennessä. Nämä tehokkuuden lisäykset ovat suurimmat lämmityksen ja jäähdytyksen osalta, erityi- sesti älykkäiden termostaattien ja anturien avulla. Älykäs valaistus mahdollistaa merkit- täviä leikkauksia valaistusenergian tarpeesta. Teollisuus käyttää digitaalisia teknologioita parantaakseen turvallisuutta ja tuottavuutta. Näiden tekijöiden ansiosta digitalisaatio voi johtaa merkittäviin energiansäästöihin lyhyillä takaisinmaksuajoilla parannetun proses- sin ansiosta teollisuuslaitoksissa. Digitalisaatio voi olla siis tehokas keino lisätä tehok- kuutta, tuottavuutta ja energiansäästöjä asuinrakennuksissa sekä teollisuudessa. 5.1 ISO 50001 energiatehokkuuden johtamisjärjestelmä SFS-EN ISO 50001 -standardi on kansainvälisen ISO 50001 -standardin kansallinen toteu- tus Suomessa. Standardin päätarkoituksena on tukea organisaatioita rakentamaan jär- jestelmiä ja prosesseja, jotka luovat perustan energiatehokkuuden parantamiselle. Näi- hin sisältyvät muun muassa energiatehokkuus, energiankäyttö ja -kulutus. Standardin toimeenpanon keskeisenä päämääränä on systemaattisen energianhallinnan avulla 54 vähentää kasvihuonekaasupäästöjä, muita ympäristövaikutuksia ja energiakustannuksia (SFS, 2018). ISO 50001 -standardi soveltuu kaiken kokoisille ja tyyppisille organisaatioille, ottaen huo- mioon kaikki maantieteelliset, yhteiskunnalliset ja kulttuuriset olosuhteet (SFS-EN ISO 50001, 2011, s. 8–10). Standardin määrittämien järjestelmien ja prosessien toteutus edellyttää sitoutumista kaikilla organisaation tasoilla, erityisesti organisaation ylimmältä johdolta. Standardi perustuu jatkuvan parantamisen malliin, joka noudattaa niin sanot- tua suunnittele, toteuta, arvioi ja toimi periaatetta eli plan, do, check and act (PDCA). ISO 50001 -standardia voidaan käyttää sertifiointi- ja rekisteröintitarkoituksiin sekä organi- saation antamissa energianhallintajärjestelmään liittyvissä vakuutuksissa. Tärkeää on huomata, että standardi ei aseta ehdottomia energiatehokkuus tasovaatimuksia, jotka ylittäisivät organisaation energiapolitiikkaan sisältyvät sitoumukset tai velvoitteen nou- dattaa lainsäädäntöä sekä täyttää muita vaatimuksia (SFS-EN ISO 50001, 2011, s. 8–10). 5.2 Energiatehokkuusdirektiivi (EED) Euroopan parlamentin ja neuvoston direktiivi 2012/27/EU käsittelee energiatehokkuutta, sen edistämistä sekä aiempien direktiivien muuttamista ja kumoamista (Motiva, 2023). Jokaiselle jäsenvaltiolle on asetettu energiatehokkuustavoite, joka perustuu primääri- tai loppuenergian kulutukseen sekä säästöihin tai energiaintensiteettiin (Euroopan parla- mentin ja neuvoston direktiivi 2012/27/EU, 2012). Tämän direktiivin mukaisesti primää- rienergian kulutuksella tarkoitetaan kotimaista BKT:n kulutusta, eikä muuta energian- käyttöä oteta laskennassa huomioon. Energian loppukulutuksella puolestaan viitataan siihen kaikkeen energiaan, joka on toimitettu esimerkiksi teollisuudelle, maataloudelle, liikenteelle palveluille ja kotitalouksille. Energian loppukulutuksesta ei huomioida kuiten- kaan energiateollisuudelle ja energian muuntamisen alalle toimitettua energiaa (Euroo- pan parlamentin ja neuvoston direktiivi 2021/27/EU, 2012). 55 6 Hukkalämmön hyödyntäminen MM-rakennuksessa Tämän työn tarkoituksena oli selvittää, millainen merkitys hukkalämmön talteenottojär- jestelmän käyttöönotolla on MM-rakennuksen energiatehokkuuteen. Energiatehokkuu- den tutkimisessa pääpaino on hukkalämmön energiatehokkaassa hyödyntämisessä ra- kennuksen ja teollisuuden prosessien lämmitys- ja viilentämistarpeiden optimaaliseen täyttämiseen. Työn ohella käytiin läpi MM-rakennuksen hukkalämmön todelliset käyttö- kohteet, joissa hukkalämpöä olisi energiatehokasta hyödyntää. Lisäksi selvitettiin hukka- lämmön todellinen potentiaali kuukausitasolla saadun mittausdatan perusteella. Tulok- set sisälsivät herkkyys- ja virhetarkastelun. ABB Oy, IEC LV Motors hyödynsi älykästä kak- sisuuntaista kaukolämpömallia hukkalämmön talteenottojärjestelmässään. Talteen otettu hukkalämpö pumpattiin ABB:n omaan aluelämpöverkkoon, joka on yhteydessä Vaasan kaukolämpöverkoston kanssa. Aluelämpöverkosta lämpöä pumpataan MM-ra- kennuksen toimistotiloihin, tuotantotiloihin, teollisuusuunien ja erilaisten prosessien vii- lennys- sekä lämmitysenergia-tarpeiden täyttämiseksi. Työ toteutettiin hyödyntämällä toimintatutkimusmenetelmää, liittyen järjestelmän energiatehokkuuden parantumisen tutkimiseen hukkalämmön talteenottojärjestelmän käyttöönoton avulla. Energiatehokkuuden parantamisessa tutkittiin erityisesti MM-ra- kennuksen kaukolämmön kulutuksen kumulatiivisen trendin muuttumista pitkällä aika- välillä ja tätä tulosta verrattiin käyttöönoton jälkeiseen aikaan, kun hukkalämmön tal- teenottojärjestelmä oli käytössä. Tulokset ottivat myös kantaa teollisuusuunien ja Chil- ler-jäähdytysjärjestelmän energiatehokkaaseen hyödyntämiseen hukkalämmöllä. Kau- kolämmön kulutuksessa oli huomioitu teollisuusuunien vaatima vakio lämpöenergian tarve. Tarkemmat tiedot on esitetty kappaleen 6.2 taulukossa 5. Lisäksi tutkittiin viilen- nysenergian trendien suhdetta MARX 1–3 sulatusuunien jäähdytyslaitteissa, jotka ovat niin ikään esitetty taulukossa 5. Työssä haluttiin yllä mainittujen seikkojen lisäksi tutkia Strömberg Parkin alueen kauko- lämpöverkon paluuveden lämpötilan optimoinnin mahdollisuutta suhteessa ulkolämpö- tilaan, ja tässä tehtiin yhteistyötä Granlund Oy:n kanssa. Tarkoituksena oli tutkia, kuinka 56 optimointi vaikuttaisi talteenottojärjestelmän energiatehokkuuteen ja vallitsevan läm- pöenergian määrään. Lisäksi haluttiin selvittää talteenottojärjestelmän kannattavuus eri kuukausina, jotka olivat tässä työssä elokuu-maaliskuu välinen aikaikkuna. Kannattavuu- dessa otettiin kantaa sähkön ja kaukolämmön muuttuvaan hintatasoon, jotka määritet- tiin vuosien 2016–2023 hintatasojen perusteella. Tarkoituksena oli siis selvittää, milloin talteenottojärjestelmää on järkevää hyödyntää sähkön eri hintatasoilla. 6.1 Hukkalämmön lähteet MM-rakennuksen hukkalämmön lähteet on tunnistettu Granlund Oy:n (Parkkamäki, 2021) suorittaman energia-analyysin pohjalta. Energia-analyysin tulokset osoittavat, että hukkalämmön lähteistä peräisin oleva arvioitu potentiaali on merkittävä vuositasolta katsottuna ja sen hyödyntäminen on taloudellisesti kannattavaa. Energia-analyysin an- tamat tulokset on esitetty taulukossa 4. Taulukko 4. Hukkalämmön lähteet ja arvioitu potentiaali (Parkkamäki, 2021). Hukkalämmön lähde MWh/a Erillispoistopuhaltimet 6900 Paineilmakompressorit 1400 Porakaivovesi 800 Moottoreiden testaustilat 800 MARX 1-3 sulatusuunien jäähdytys (VJK-401 ja VJK-402) 750 Kokonaispotentiaali 10650 6.2 Hukkalämmön käyttökohteet MM-rakennuksessa toimii kolme teollisuusuunia: AL1A teollisuusuuni, AL2 pohjamaa- laus- ja pintamaalaus-uunit. Uuneilla kovetetaan maalattujen moottoreiden vastamaa- lattu pohjamaali ja pintamaali. Maalaamoiden teollisuusuuneja on suunniteltu esiläm- mitettävän lämpöpumppujen avulla hyödyntämällä energiatehokkaita lämmönvaihtimia, joita esitettiin luvussa 4.1 (ABB, 2024c; Parkkamäki, 2021). Tämän avulla pyrittiin elimi- noimaan tarve sähköenergialle lämmityksessä ja teollisuusuunit muodostivat keskeisen osan tässä järjestelmässä. Teollisuusuunien lämpöenergian tarpeessa huomioitiin 57 todellinen käyttöaika, joka on 16 tuntia viitenä päivänä viikossa. Lisäksi rakennuksessa on MARX 1–3 sulatusuunit, joiden jäähdytysveden viilentämiseen tarvitaan jäähdytys- laitteistoa. Jäähdyttämiseen käytetään Chiller-jäähdytyslaitteistoa, jonka tehtävänä on laskea jäähdytysveden lämpötilaa kiertoprosessin aikana. Tavoitteena oli käyttää ener- giatehokkaita lämmönvaihtimia MARX 1–3 sulatusuunien jäähdytysveden jäähdyttämi- seen, jolloin sulatusuunien jäähdytysvettä jäähdyttävän Chiller-jäähdytyslaitteiston säh- könkulutus voitiin poistaa kokonaan, kiertovesipumppua lukuun ottamatta (ABB, 2024c; Parkkamäki, 2021). Jäähdytyskäytössä huomioitiin niin ikään todellinen käyttöaika, joka on 24 tuntia vuorokaudessa seitsemänä päivänä viikossa. Viimeisenä käyttökohteena oli MM-rakennuksen kiinteistön lämmitys, joka kattoi suu- rimman osan lämmitystarpeesta. Rakennuksen lämmitys vaatii huomattavaa lämpöener- gian määrää, ja kulutus on jatkuvaa, mikä teki kohteesta merkittävän hukkalämmön käyt- tökohteen tässä konseptissa (Parkkamäki, 2021). Lisäksi hukkalämmön talteenottojärjes- telmässä oleellista on tasainen ja jatkuva kulutus, kuten todettiin luvussa 4. Alla olevassa taulukossa 5 on eritelty yllä mainitut MM-rakennuksen hukkalämmön talteenottojärjes- telmän käyttökohteet. Täten taulukon 5 yhteenlasketun tehon tarpeen ollessa 9392 MWh/a todetaan riittävän tässä konseptissa, kun tulosta verrataan taulukon 4 hukkaläm- pöpotentiaalin, joka on 10650 MWh/a. Taulukko 5. Hukkalämmön käyttökohteet (ABB, 2024c). 6.3 Hukkalämmön talteenottojärjestelmä MM-rakennuksen energianhallintajärjestelmään liitetty hukkalämmön talteenottojär