Lämpöpumppuratkaisut teollisuuden hukkalämpöjen hyödyntämiseen

Abstract

Suomessa ja EU:ssa teollisuuden energiankulutus on merkittävässä roolissa, jonka lisäksi Suomessa teollisuus aiheuttaa noin 10 % kasvihuonekaasupäätöistä ja EU:ssa noin 20 %. Teollisuuden prosessit perustuvat usein polttotekniikkaan, joka tuotetaan esimerkiksi fossiilisilla polttoaineilla. Lisäksi teollisuusprosesseista syntyy paljon hukkalämpöjä, joita ei hyödynnetä mihinkään. Hukkalämmöillä on monia käyttökohteita, kuten omissa prosesseissa tai kaukolämmön tuotannossa. Hukkalämmöt voidaan hyödyntää esimerkiksi lämpöpumppujen avulla, nostamalla matala hukkalämpö korkeampaan lämpötilaan, jolloin hukkalämpöjen hyödyntämismahdollisuudet ja laitosten energiatehokkuus paranevat.

Tässä diplomityössä on tarkoitus käsitellä Suomen ja EU:n teollisuudessa syntyvää hukkalämpöpotentiaalia, hukkalämpöjen hyödyntämismahdollisuuksia sekä lämpöpumpputekniikkaa ja tyypillisiä lämpöpumppusysteemejä, jonka avulla teollisuuden hukkalämpöjä voidaan hyödyntää. Diplomityössä on tarkoituksena laskentaosion avulla vertailla kolmea eri tyypillistä lämpöpumppusysteemiä keskenään hyötysuhteiden osalta sekä tutkia millainen vaikutus systeemien hyötysuhteisiin prosessin alijäähdyttämisellä on. Lisäksi työssä vertaillaan muutamien ympäristöystävällisten ja luonnollisten kylmäaineiden vaikutusta systeemien hyötysuhteisiin ja pohditaan kylmäaineiden tulevaisuutta.

Diplomityön laskennan tuloksena saatiin, että lämpöpumppusysteemit soveltuvat todella hyvin teollisuuden hukkalämpöjen hyödyntämiseen korkeilla hyötysuhteilla (noin 2,5–4,6). Tulosten perusteella, ammoniakki on kaikista tehokkain kylmäaine ja sillä saavutettiin korkeimmat hyötysuhteet. Perinteinen yksivaiheinen lämpöpumppusysteemi on hyötysuhteeltaan parhain ammoniakkia käytettäessä, mutta muilla kylmäaineilla kaksiasteinen lämpöpumppusysteemi ja kaskadisysteemi ovat tehokkaampia. Lisäksi alijäähtymisen lisääminen parantaa hyötysuhdetta noin 2–8 % riippuen alijäähtymisen suuruudesta. Kylmäaineiden tulevaisuus voidaan nähdä olevan luonnollisissa kylmäaineissa.

In Finland and the EU, the energy consumption of industry is significant, and industry causes about 10% of greenhouse gas emissions in Finland and about 20% in the EU. Industrial processes are often based on combustion technology, which is produced with, for example, fossil fuels. In addition, industrial processes generate a lot of waste heat that is not used for anything. Waste heat has many uses, such as in own processes or in the production of district heat. Waste heat can be used, for example, with the help of heat pumps, by raising the low waste heat to a higher temperature, which improves the possibilities of utilizing the waste heat and energy-efficiencies of the facilities.

In this diploma thesis, it is intended to deal with the waste heat potential generated in Finnish and EU industry, the possibilities of utilizing waste heat, as well as heat pump technology and typical heat pump systems, which can be used to utilize industrial waste heat. The purpose of the diploma thesis is to compare three different typical heat pump systems with each other in terms of efficiencies and to investigate the effect of subcooling the process on the efficiencies of the systems. In addition, the thesis compares the effect of a few environmentally friendly and natural refrigerants on the efficiency of the systems and considers the future of the refrigerants.

As a result of the calculation, it was found that heat pump systems are very suitable for utilizing industrial waste heat with high efficiency ratios (around 2.5–4.6). Based on the results, ammonia is the most effective refrigerant and achieved the highest efficiencies. A traditional single-stage heat pump system is the most efficient when using ammonia, but with other refrigerants, a two-stage heat pump system and a cascade system are much more efficient. In addition, increasing the subcooling improves the efficiency by about 2–8%, depending on the magnitude of the subcooling. The future of refrigerants can be seen to be in natural refrigerants.