Energy efficiency development and assessment of waste heat recovery in an industrial facility
Höfer, Telma (2026)
Diplomityö
2026
School of Energy Systems, Ympäristötekniikka
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20260618100451
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20260618100451
Tiivistelmä
This master’s thesis examined measures to improve the energy efficiency of an industrial facility. The work was carried out as a case study at Metso’s Lappeenranta unit, which has several production, office and warehouse buildings of different ages. The research focused on two of the site’s older buildings, where the energy-saving potential was found to be greatest. The aim was to identify quick measured to enhance the energy efficiency of the buildings and to investigate the safe use of process waste heat to reduce the need for purchased heating energy. Research methods included a literature review, factory visits, semi-structural interviews and computational analyses supported by measurements carried out at the plant.
The results showed that at the Lappeenranta site most of the energy consumption is related to heat and particularly the old brick building and beach hall are significant consumption points. Based on the literature review and observations at the factory visits, the most effective quick measures were additional insulation of walls and roofs, replacement of old industrial doors, increasing automation in lighting and heating and targeted ventilation.
Based on the measurements and calculations it was determined that approximately 86 MWh of heat energy is released annually from the examined waste heat source, which is currently discharged directly to the environment with exhaust air. Because the exhaust air contains nitric and hydrofluoric acids, safety and corrosion resistance were emphasised in selecting a heat recovery system. According to these criteria, the most suitable systems were found to be a liquid-circulation heat exchanger and a plate heat exchanger.
To assess feasibility of the system, the amount of recoverable heat energy the resulting cost savings and the impact of reduced energy consumption on carbon dioxide emissions were calculated. The analysis was carried out for three different heat recovery efficiencies. The results showed that with a heat recovery efficiency 40 % almost 35 MWh of heat energy can be recovered annually. This would generate annual cost savings of approximately 1 866 € and reduce carbon dioxide emissions by 657 kgCO2 per year. With a recovery efficiency 60 % the amount of recovered energy increases to 52 MWh per year, resulting in annual cost savings of approximately 2 800 € and emission reduction of 985 kgCO2 per year. In the best-case scenario with a recovery efficiency of 80 % hat energy can be recovered annually even 69 MWh. In this case annual cost savings increase to approximately 3 733 € and carbon dioxide emissions are reduced by 1 314 kgCO2 per year.
After determining the savings potential, the maximum investment cost required for a profitable system was also calculated for different payback periods. The results indicate that implementing a heat recovery system can provide significant energy saving, reduce operating costs and lower the building’s operational carbon dioxide emissions. Tässä diplomityössä tarkasteltiin toimenpiteitä teollisen toimipisteen energiatehokkuuden parantamiseksi. Työ toteutettiin tapaustutkimuksena Metson Lappeenrannan yksikössä, jossa on useita eri-ikäisiä tuotanto-, toimisto- ja varastorakennuksia. Työ keskittyi alueen kahteen vanhaan rakennukseen, joissa energian säästöpotentiaali todettiin suurimmaksi. Työn tavoitteena oli selvittää, millaisilla nopeilla toimenpiteillä rakennusten energiatehokkuutta saadaan tehostettua sekä tutkia prosessihukkalämmön turvallista hyödyntämistä ostetun lämmitysenergiatarpeen pienentämiseksi. Tutkimusmenetelminä hyödynnettiin kirjallisuuskatsausta, tehdasvierailuja, puolistrukturoituja haastatteluja sekä laskennallisia analyyseja, joita varten suoritettiin tarvittavia mittauksia tehtaalla.
Tulokset osoittivat, että Lappeenrannan kohteessa suurin energiankulutuksen osa kohdistuu lämpöenergiaan ja erityisesti alueen vanhat tiili- ja rantahallirakennukset ovat merkittäviä kulutuspisteitä. Kirjallisuuskatsauksen ja tehtaalla tehtyjen havaintojen perusteella tehokkaimmiksi nopeiksi toimenpiteiksi havaittiin sienien ja kattojen lisäeristykset, huonokuntoisten teollisuusovien vaihtaminen, valaistuksen ja lämmityksen automaation lisääminen sekä kohdennettu ilmanvaihto.
Suoritettujen mittausten ja laskelmien avulla selvitettiin, että tarkasteltavasta hukkalämpölähteestä vapautuu vuosittain noin 86 MWh lämpöenergiaa, joka nyt johdetaan suoraan ympäristöön poistoilman mukana. Koska poistoilma sisältää typpi- ja fluorivetyhappoja lämmön talteenottojärjestelmän valinnassa painotettiin turvallisuutta ja korroosionkestävyyttä. Kriteerien pohjalta kohteeseen soveltuvimmiksi lämmöntalteenottojärjestelmiksi todettiin nestekiertoinen lämmönsiirrin ja levylämmönsiirrin.
Järjestelmän kannattavuuden arvioimiseksi laskettiin talteen otettavalle lämpöenergian määrä, siitä syntyvät kustannussäästöt sekä energiankulutuksen vähenemisen vaikutus hiilidioksidipäästöihin. Tarkastelu tehtiin kolmelle eri lämmöntalteenoton hyötysuhteelle. Tulosten perusteella 40 % hyötysuhteella saadaan energiaa talteen vuosittain lähes 35 MWh, mikä tuottaa noin 1 866 € vuotuiset kustannussäästöt sekä pienentää hiilidioksidipäästöjä 657 kgCO2 vuodessa. Kun hyötysuhde on 60 %, talteen saatavan energian määrä kasvaa 52 MWh:iin vuodessa, jolloin kustannussäästöt ovat noin 2 800 € ja päästövähennys 985 kgCO2 vuodessa. Parhaassa tarkastellussa tapauksessa 80 % hyötysuhteella, talteen saadaan jo 69 MWh lämpöenergiaa vuodessa. Tällöin kustannussäästöt kasvavat 3 733 € vuodessa ja hiilidioksidipäästöt pienenevät 1 314 kgCO2 vuodessa.
Kun säästöpotentiaalit olivat tiedossa, määriteltiin lisäksi investoinnin kannattavuuden edellyttämä enimmäiskustannus eri takaisinmaksuajoilla. Tulokset osoittavat, että lämmöntalteenottojärjestelmän toteuttamisella voidaan saavuttaa merkittäviä energiasäästöjä, pienentää käyttökustannuksia sekä vähentää rakennukset käytönaikaisia hiilidioksidipäästöjä.
The results showed that at the Lappeenranta site most of the energy consumption is related to heat and particularly the old brick building and beach hall are significant consumption points. Based on the literature review and observations at the factory visits, the most effective quick measures were additional insulation of walls and roofs, replacement of old industrial doors, increasing automation in lighting and heating and targeted ventilation.
Based on the measurements and calculations it was determined that approximately 86 MWh of heat energy is released annually from the examined waste heat source, which is currently discharged directly to the environment with exhaust air. Because the exhaust air contains nitric and hydrofluoric acids, safety and corrosion resistance were emphasised in selecting a heat recovery system. According to these criteria, the most suitable systems were found to be a liquid-circulation heat exchanger and a plate heat exchanger.
To assess feasibility of the system, the amount of recoverable heat energy the resulting cost savings and the impact of reduced energy consumption on carbon dioxide emissions were calculated. The analysis was carried out for three different heat recovery efficiencies. The results showed that with a heat recovery efficiency 40 % almost 35 MWh of heat energy can be recovered annually. This would generate annual cost savings of approximately 1 866 € and reduce carbon dioxide emissions by 657 kgCO2 per year. With a recovery efficiency 60 % the amount of recovered energy increases to 52 MWh per year, resulting in annual cost savings of approximately 2 800 € and emission reduction of 985 kgCO2 per year. In the best-case scenario with a recovery efficiency of 80 % hat energy can be recovered annually even 69 MWh. In this case annual cost savings increase to approximately 3 733 € and carbon dioxide emissions are reduced by 1 314 kgCO2 per year.
After determining the savings potential, the maximum investment cost required for a profitable system was also calculated for different payback periods. The results indicate that implementing a heat recovery system can provide significant energy saving, reduce operating costs and lower the building’s operational carbon dioxide emissions.
Tulokset osoittivat, että Lappeenrannan kohteessa suurin energiankulutuksen osa kohdistuu lämpöenergiaan ja erityisesti alueen vanhat tiili- ja rantahallirakennukset ovat merkittäviä kulutuspisteitä. Kirjallisuuskatsauksen ja tehtaalla tehtyjen havaintojen perusteella tehokkaimmiksi nopeiksi toimenpiteiksi havaittiin sienien ja kattojen lisäeristykset, huonokuntoisten teollisuusovien vaihtaminen, valaistuksen ja lämmityksen automaation lisääminen sekä kohdennettu ilmanvaihto.
Suoritettujen mittausten ja laskelmien avulla selvitettiin, että tarkasteltavasta hukkalämpölähteestä vapautuu vuosittain noin 86 MWh lämpöenergiaa, joka nyt johdetaan suoraan ympäristöön poistoilman mukana. Koska poistoilma sisältää typpi- ja fluorivetyhappoja lämmön talteenottojärjestelmän valinnassa painotettiin turvallisuutta ja korroosionkestävyyttä. Kriteerien pohjalta kohteeseen soveltuvimmiksi lämmöntalteenottojärjestelmiksi todettiin nestekiertoinen lämmönsiirrin ja levylämmönsiirrin.
Järjestelmän kannattavuuden arvioimiseksi laskettiin talteen otettavalle lämpöenergian määrä, siitä syntyvät kustannussäästöt sekä energiankulutuksen vähenemisen vaikutus hiilidioksidipäästöihin. Tarkastelu tehtiin kolmelle eri lämmöntalteenoton hyötysuhteelle. Tulosten perusteella 40 % hyötysuhteella saadaan energiaa talteen vuosittain lähes 35 MWh, mikä tuottaa noin 1 866 € vuotuiset kustannussäästöt sekä pienentää hiilidioksidipäästöjä 657 kgCO2 vuodessa. Kun hyötysuhde on 60 %, talteen saatavan energian määrä kasvaa 52 MWh:iin vuodessa, jolloin kustannussäästöt ovat noin 2 800 € ja päästövähennys 985 kgCO2 vuodessa. Parhaassa tarkastellussa tapauksessa 80 % hyötysuhteella, talteen saadaan jo 69 MWh lämpöenergiaa vuodessa. Tällöin kustannussäästöt kasvavat 3 733 € vuodessa ja hiilidioksidipäästöt pienenevät 1 314 kgCO2 vuodessa.
Kun säästöpotentiaalit olivat tiedossa, määriteltiin lisäksi investoinnin kannattavuuden edellyttämä enimmäiskustannus eri takaisinmaksuajoilla. Tulokset osoittavat, että lämmöntalteenottojärjestelmän toteuttamisella voidaan saavuttaa merkittäviä energiasäästöjä, pienentää käyttökustannuksia sekä vähentää rakennukset käytönaikaisia hiilidioksidipäästöjä.