Teollisen kokoluokan lämpöpumppukoneikon tekniikka ja talous

Abstract

Perinteisten polttoprosessien lämmöntuotantokulujen kasvava trendi on ajanut lämmöntuotantoa harjoittavat yritykset etsimään vaihtoehtoisia lämmöntuotantomuotoja. Pitkään jatkunut sähkön edullinen hintataso, erilaiset energiansäästöohjelmat ja valtion investointituet ovat tehneet lämpöpumpuista kilpailukykyisen vaihtoehdon perinteisten lämmöntuotantomuotojen rinnalle.

Tämän diplomityön tarkoituksena on ollut käsitellä teollisen kokoluokan lämpöpumppuja teknisestä ja taloudellisesta näkökulmasta. Työ on toteutettu esittelemällä erilaisten teollisuudessa käytössä olevien tai käytössä olleiden lämpöpumppujen tekniikkaa ja erityispiirteitä. Jotta onnistuttiin muodostamaan käsitys tarjolla olevasta tekniikasta, analysoitiin pohjoismaisia teollisen kokoluokan lämpöpumppumarkkinoita ja toteutuneita hankkeita. Koska viime aikoina sähköllä toimivat mekaaniset kompressiolämpöpumput ovat yleistyneet eniten, keskityttiin taloudellisessa tarkastelussa erityisesti kompressiolämpöpumppujen talouteen.

Käytännön osuudessa analysoitiin metsäteollisuusprosessin jätevesivirrasta kaukolämpöverkkoon energiaa siirtävää lämpöpumppukytkentää tavoitteena löytää eri tarkasteluvaihtoehdoista kannattavin. Eri vaihtoehtojen kannattavuuden arviointia varten rakennettiin dynaaminen laskentamalli, johon saatiin lähtötietona tarkat aikavaihtelutiedot ja niitä vastaavat sähkön ja vaihtoehtoisen polttoaineen hinnat. Laskentamallissa arvioitiin tarkkaan oheiskulut, jotta simuloitu tilanne vastaisi mahdollisimman tarkasti todellisuutta.

Tuloksista voitiin päätellä parhaan laskentavaihtoehdon korollisen takaisinmaksuajan olevan noin 2,8 vuotta ilman investointitukia. Mahdollisilla tuilla voidaan saavuttaa korkeampi kannattavuus. Investointi säästäisi toteutuessaan 19.1 GWh primäärienergiaa ja pienentäisi CO2-päästöjä 4 732 tonnia vuodessa.

Increasing costs of traditional combustion processes have forced companies to investigate alternative heat production methods. Recent low prices of electricity, different energy saving programs and investment subsidies offered by government have improved feasibility of industrial scale heat pumps compared to traditional processes.

In this thesis it has been studied feasibility of industrial scale heat pumps from both technological and economical perspectives. Existing industrial heat pumps were screened and their technologies and specialities are presented. In order to form comprehensive understanding about available technology and current local market, recent heat pump projects in Nordic Countries have been investigated. According market data, the most popular heat pump type recently has been mechanical compression heat pump, which has been chosen to in-depth economic analysis.

In the practical part of this work, there was a feasibility study carried out about heat pump connected to secondary heat flow of paper mill. The main goal of this study was to find the alternative with the best feasibility. In this case waste water including fibre particles was the heat source and the returning line of district heating network was the heat sink of the heat pump analysed. A dynamic calculation model with accurate time-related initial data was built for case evaluation purposes. All the additional costs corresponding the real world situation were included.

According the results, the discounted pay-back period was around 2.8 years without any investment subsidies for the best alternative. The feasibility of this alternative would increase when taking possible investment subsidies into account. The investment would save 19.1 GWh primary energy and decrease CO2 emissions by 4 732 tons annually, if implemented.