Höyryjärjestelmän optimoinnin edut
Miksi nykyiseen keskittyminen on tärkeää huomisen kannalta?
Muutaman viime vuoden ilmastonmuutoksen etenemistä käsittelevissä raporteissa ei ole juuri syytä juhlaan. Tiedämme panokset; jos emme onnistu rajoittamaan planeettamme lämpötilan kohoamista, se vaikuttaa suoraan meihin kaikkiin. Kuitenkaan nettonollatavoitteiden saavuttamiseksi tarvittavia nopeita toimenpiteitä ei toteuteta. Jos kiirehdimme ”nollaa kohti”, miksi se tuntuu enemmänkin kolmijalkaisten kompuroinnilta kuin pikajuoksulta?
Palaa mielessäsi vuoden 2022 alkuun. Maailma toipui musertavasta pandemiasta, ja talouksia rakennettiin uudelleen. Mutta jos luulimme asioiden olevan parempaan päin mitä ilmastonmuutokseen tulee, oli olemassa myös huonompi puoli. Sähkön ja lämmityksen hiilidioksidipäästöt olivat nousseet kaikkien aikojen korkeimmalle tasolle, ja siksi Kansainvälinen energiajärjestö (IEA) antoi selkeän toimintaohjeen.
Maailman on nyt varmistettava, että päästöjen maailmanlaajuinen piikki vuonna 2021 oli poikkeus – ja että kestävät sijoitukset yhdessä puhtaiden energiateknologioiden nopeamman käyttöönoton kanssa vähentävät hiilidioksidipäästöjä vuonna 2022...¹
Haaste oli heitetty, ja taas kului vuosi. Nyt eurooppa kuohui ja syntyi globaali energiakriisi. Sen vaikutus ilmastonmuutostavoitteisiin oli selvä. Viime maaliskuussa IEA raportoi ”Globaalit energiantuotannon ja teollisuuden hiilidioksidipäästöt (CO2) kasvoivat 0,9 % eli 321 Mt vuonna 2022 uuteen kaikkien aikojen 36,8 Gt:n ennätyslukemaan.”
Ainoa hyvä asia oli, että puhtaan energian käyttöönotto jatkoi kasvuaan, ja ilman sitä "CO2-päästöt olisivat olleet lähes kolminkertaiset."²
Onko lasi puoliksi tyhjä vai puoliksi täysi?
Mistä tahansa kulmasta katsottuna tämä näkymä on masentava. Kuin saisi kerta toisensa jälkeen koulutodistuksen, jossa vaaditaan aina vain kovempaa yrittämistä. Ei auta, että katselemme jatkuvasti olkamme yli sitä, mikä olisi voinut olla sen sijaan, että katsoisimme eteenpäin optimistisena ja kunnianhimoisesti.
Se on klassinen esimerkki tämänlaajuisesta ongelmasta. Kun kohtaamme ongelmia, jotka ovat valtavan paljon suurempia kuin yksittäiset tekomme, motivaatio usein laskee. Avuttomuuden tunne saattaa dominoida tai vaihtoehtoisesti odotamme ratkaisuja teknologialta.
Huomaat tämän silloin, kun työskennellään ilmastonmuutosta vastaan visionäärisellä lähestymistavalla. Kyllä, odotamme innolla näkevämme vihreän vedyn laajan käyttöönoton, jotta hiilidioksidi voidaan poistaa lopullisesti yhtälöstä, ja toivotamme tervetulleeksi kaikki uraauurtavat prosessit, joiden ansiosta se poistuu tuotannosta.
Kuvitelmamme ovat lupaavia silloinkin, kun pilvien hopeareunukset ovat varsin vähissä. Innovaatiot ovat aina yhtä tärkeitä ilmastonmuutoksen monimutkaisten ja laajojen ongelmien ratkaisussa. Ajan myötä niistä tulee meille arkipäivää. Aika ei kuitenkaan ole meidän puolellamme.
Aikaa on vain seitsemän vuotta pitää 1,5 °C vielä saavutettavissa.
Se oli Ilmastonmuutoksen hallitustenvälisen paneelin raportin lopputulos. Todellakin herätyshuuto, mutta kirjoittajan sanoin: ”Teollisuuden C02-nettonollapäästöt ovat haastava saavuttaa, mutta mahdollisuuksien rajoissa.”
Yli 2 000 sivun laajuinen IPCC-raportti tarkastelee ilmastokriisiä joka kulmasta. Käsitellessään kasvihuonekaasujen (GHG) vähentämistä koko energiasektorilla, siinä todetaan, että se ”vaatii suuria muutoksia, mukaan lukien fossiilisten polttoaineiden käytön merkittävää vähentämistä, matalapäästöisten energianlähteiden käyttöönottoa ja siirtymistä vaihtoehtoisiin energiansiirtomenetelmiin sekä energiatehokkuuteen ja -säilyttämiseen.”³
IPCC:n viestiä heijastelleen Tieteeseen pohjautuneiden tavoitteiden (SBTi) toimitusjohtaja Luis Amaral huomautti, että jotta ilmaston lämpeneminen saadaan rajoitettua 1,5 °C -asteeseen, huippu on saavutettava ennen vuotta 2025 ja päästöjen on vähennyttävä 43 % vuoteen 2030 ja 60 % vuoteen 2035 mennessä ja nettonolla on saavutettava vuoden 2050 alussa.
Siitä ei tule helppoa, mutta oikealla asenteella voidaan edetä merkittävästi kohti kestävämpää tulevaisuutta.
Organisaatioilla, joilla on vahvistetut, tieteeseen perustuvat tavoitteet, ovat todistaneet valtavien vähennysten olevan mahdollisia, leikkaamalla laajuuden 1- ja 2 päästöjä keskimäärin 12 % vuodessa vuosi toisensa jälkeen, mikä on suurempi vähennys kuin 7,6 % päästövähennys vuodessa, mitä Pariisin ilmastosopimuksen 1,5 °C tavoite vaatii.⁴
Miksi tehokkuuden optimointi on edelleen tärkeää...
On rohkaisevaa nähdä, millaista edistystä 2 731 yritystä, joilla on tieteeseen perustuvat tavoitteet, meidät mukaan lukien, ovat saaneet aikaan. Edistystä saadaan aikaan, kun keskitytään nykyhetkeen eikä anneta nykytilanteen sanella ehtoja. Yrityksillä on erilaisia tapoja saavuttaa tavoitteensa, mutta tehokkuus on niille yhteinen nimittäjä.
Tämä oli Bidenin-Harrisin hallinnon viime vuoden syyskuussa julkaistun Teollisuuden hiilipäästöjen vähentämisen keinojen tärkeimpiä viestejä. Maana, jonka C02-päästöt ovat maailman toiseksi suurimmat, kaikki tiedot siitä, kuinka se aikoo tarttua ongelmaan, ovat tervetulleita. Tunnistamalla, että 30 % Yhdysvaltojen energiaan liittyvistä hiilidioksidipäästöistä saavat alkunsa teollisuudessa, se keskittyy viiteen suurimpaan hiilidioksidipäästöjä synnyttävään teollisuudenalaan: öljynjalostukseen, kemianteollisuuteen, rauta- ja terästeollisuuteen, sementti ja elintarvike- ja juomasektoreihin.
Yksi neljästä tärkeimmästä teknologiapilarista määritellään näin:
”Energiatehokkuus on perustavanlaatuinen, halkileikkaava hiilipäästöjen vähentämisstrategia ja se on kustannustehokkain GHG-päästöjen vähennysvaihtoehto lähitulevaisuudessa.”⁵
Yhdysvaltojen hallitus ei ollut ainoa, joka näki tehokkuuden osana ilmastokatastrofin välttämissuunnitelmaa. IEA julkaisi energiatehokkuuden seurantaraporttinsa samassa kuussa, painottaen:
”Energiatehokkuus on suurin yksittäinen toimenpide, jolla välttää energiavajetta Nettonollapäästöt vuoteen 2050 -skenaariossa yhdessä siihen läheisesti liittyvien sähköistämis-, toimintatapojen muutos -, digitalisaatio- ja materiaalitehokkuustoimien kanssa.”⁶
Saatatte ajatella, että mikään ei ole enempää yritystoimintaa kuin tehokkuuden lisääminen. Se mainitaan jokaisessa asialistassa. Miksi meitä sitten muistutetaan koko ajan sen tärkeydestä?
...ja miksi höyryjärjestelmien optimointi on edelleen prioriteetti
Useat teollisuudenalat tunnustavat höyryn välttämättömyydeksi ja kestäväksi osaksi prosessejaan, sillä höyry on luonnollisen tehokas lämpöenergian muoto. Se ei tarkoita sitä, että höyryjärjestelmiä ei voida parantaa, mutta asiantuntemuksen ja kokemuksen ansiosta tiedämme, kuinka tehdä se.
On olemassa valikoima hyväksi havaittuja, kustannustehokkaita toimia, joilla parantaa höyryjärjestelmää. Se, miksi niitä ei ole otettu käyttöön yleisesti on eri tekijöiden summa, ja monet niistä eivät liity kustannusesteisiin.
Ensimmäinen ja yksinkertaisin syy on tiedon ja tietämyksen puute. Vaikka äskettäiset korkean tason raportit ovat osoittaneet tehokkuuden olevan ensimmäinen askel hiilinegatiivisuutta kohti, höyryjärjestelmät ovat monimutkaisia, usein ala- tai jopa tehdaskohtaisia. Jotta tiedetään missä optimoida, kuinka tehdä se tehokkaasti ja ymmärtää sen hyödyt tarkasti, vaaditaan asiantuntijan apua.
Eri tekijöiden ansiosta tehokkuus on edelleen useiden yritysten ”vielä tekemättä” -listalla. Taloudellisten resurssien puute tekee usein jopa itsensä lyhyessä ajassa takaisinmaksavien toimenpiteiden käyttöönotosta hankalaa (varsinkin pk-yrityksille). Korkean johdon tuen puute, epävarmuus uusia teknologioita kohtaan, tuotannon häiriintymisen pelko sekä hallituksen aloitteiden puute yhdessä hallituksen säädösten antaman vahvistuksen puutteen kanssa ovat syitä, jotka kaikki aiheuttavat toimien lykkäämistä.
Yleisten parannuksia hidastavien esteiden lisäksi höyryjärjestelmillä on omat tietynlaiset hankaluutensa, jotka on ylitettävä. Perinteisesti useat yritykset ovat keskittyneet höyrykattiloihin, eivät koko höyryjärjestelmään, johon sisältyy höyryntuotanto (kattilat), jakelu, palautusjärjestelmät ja se, kuinka höyryä käytetään.
Vaikka järjestelmien optimointi voi olla vaikeampaa kuin vain yhden osan vaihtaminen, sillä se vaatii yleisempää tietämystä järjestelmästä ja sen arviointia, sillä saavutetaan usein paljon suurempi energiansäästö verrattuna yhden osan vaihtamiseen tehokkaampaan.⁷
Ja jos vain höyrykattilan vaihtaminen energiatehokkaampaan näyttää järkevältä, se ei välttämättä tarkoita koko teollisen höyryjärjestelmän muuttumista tehokkaammaksi. Höyryn tarpeen ali- tai yliarviointi, järjestelmän hallinnassa epäonnistuminen ja järjestelmän käyttäminen optimaalista tehokkuutta heikommalla teholla ovat yleisiä tekijöitä, joiden takia koko järjestelmän tehokkuus kärsii.
Höyryjärjestelmän optimoinnin arviointi
Lähes vuosikymmen sitten YK:n teollisuuden kehittämisorganisaation (UNIDO) raportissa tarkasteltiin teollisuuden höyryjärjestelmien energiatehokkuuspotentiaaleja.⁷ Tavoite oli osoittaa, mitkä tehostustoimenpiteet olivat kustannustehokkaita ja arvioida niiden arvo. Koetapaukseksi valittiin Kiina.
Tutkimuksessa kuultiin seitsemää höyryasiantuntijaa Yhdysvalloista, Euroopasta ja Kiinasta, jotta voitiin määrittää, mitä tavallisia energiatehokkuustoimenpiteitä pitäisi ottaa mukaan, niiden energiansäästöt ja niiden toteuttamiskustannukset.
Toisin kuin useiden maiden, Kiinan energiankulutusta hallitsee teollisuus. Vuonna 2019 teollisuus kulutti noin 55 % Kiinan koko energiankulutuksesta, ja 59,6 % teollisuussektorin energiasta tuotettiin hiilellä.⁸
Sovittuaan yhdeksästä teknisesti mahdollisesta toimenpiteestä asiantuntijat tulivat tulokseen, että vain kaksi olisivat kustannustehokkaita ja johtaisivat 201,23 CO2 Mt:n vuosittaiseen hiilidioksidipäästöjen vähenemiseen. Kun kaikki toimenpiteet otetaan huomioon, tekninen kokonaispolttoaineensäästöpotentiaali olisi noin 26 % kaikesta höyryn tuottamiseen käytetystä polttoaineesta.
Tuo polttoaineensäästö oli suurempi kuin yli 160 maan primäärinen energiankäyttö.
Tässä taulukossa on lueteltu yhdeksän höyryjärjestelmän tehostamistoimenpidettä sekä valitut arvot:
Vuosittainen kumulatiivinen polttoaineensäästö ja CO₂-päästöjen vähennys, tehokkuuden parannus prosentteina sekä teollisten höyryjärjestelmien käyttöiän potentiaali tehokkuustoimenpiteillä Kiinassa lueteltuna niiden lopullisen CCE-arvon (säästetyn energian hinta) mukaan
| Tyypillinen energiatehokkuuden parannus% matalalla teholla käytettäessä | Vuosittainen kumulatiivinen polttoaineensäästöpotentiaali alalla (PJ/y) | Vuosittainen kumulatiivinen CO₂-päästöjen vähennyspotentiaali alalla (ktCO2/v) | Tyypillinen toimenpiteen kesto (vuotta) | |
| 1: Liian ilman hallinta: olemassa olevan asennon säätämisen hallinta (tai yksinkertainen hallinta) | 5.0% | 348 | 34,177 | 0.5 |
| 2: Palamisen optimointi | 3.5% | 572 | 56,227 | 12 |
| 3: Höyryputkien, venttiileiden, sovitusosien ja kattiloiden eristeiden optimointi | 5.0% | 868 | 85,368 | 10 |
| 4: Höyrykattiloiden ulospuhalluksen optimointi ja lämmöntalteenotto |
2.8% | 1,025 | 100,769 | 12 |
| 5: Tehokkaan lauhteenpoistinten huolto-ohjelman toteuttaminen | 2.2% | 1,140 | 112,049 | 7 |
| 6: Lauhteenpalautuksen optimointi |
4.1% | 1,346 | 132,304 | 12 |
| 7: Savukanavan lämpöenergian talteenotto (ekonomaiseri ja/tai ilmalämmitin) |
7.4% | 1,687 | 165,817 | 16 |
| 8: Hönkähöyryn talteenotto |
3.9% | 1,851 | 181,953 | 10 |
| 9: Hehkutushäviön (LOI) optimointi | 5.0% | 2,047 | 201,231 | 10 |
Ajattele taas niitä seitsemää vuotta, jotka on aikaa saada aikaan todellista edistystä nettonollaa kohti, ja näiden toimien elinikä osoittaa, kuinka höyryjärjestelmien optimoinnilla voi olla todellista vaikutusta. Yhdelläkin parannuksella voi olla selkeä vaikutus, mutta optimoitaessa koko järjestelmä, edut ovat merkittäviä.
Useimmat näistä toimenpiteistä sopivat kaikille höyryjärjestelmille tuotantotavasta riippumatta. Päämuuttuja on selkeästi vaikutus CO2-päästöihin.
Kiinan presidentti Xi Jinping on tunnistanut puhtaamman energian tarpeen ja ilmoittanut maan olevan hiilineutraali vuoteen 2060 mennessä. Jo nyt se sijoittaa eniten maailmassa puhtaaseen energiaan siirtymiseen, käyttäen vuonna 2021 266 miljardia dollaria, mikä on enemmän kuin kolmannes koko maailman yhteissummasta (755 miljardia dollaria).
Mutta kun höyrykattilan keskimääräinen käyttöikä on yli 30 vuotta, siirtyminen pois fossiilisten polttoaineiden käytöstä vie aikaa. Keskittymällä tähän hetkeen ja varmistamalla, että kaikkia mahdollisia tehostustoimenpiteitä käytetään, päästöjen vähennys on saavutettavissa.
Höyryjärjestelmien tehokkaan optimoinnin saavuttaminen
Palataanpa takaiskin artikkelin alussa käsittelemiimme energiatilastoihin ja nettonollatavoitteiden saavuttamisen haasteisiin. On tärkeää ymmärtää, kuinka ”tehokkuuden” käsitteen yleistäminen voisi itse asiassa muuttua toimiksi.
Mikään näistä toimista ei vaadi lisäkehittelyä. Kaikki ovat teknisesti mahdollisia ja useimmissa tapauksissa kustannustehokkaita suhteellisen lyhyellä aikavälillä. Ja mikä tärkeintä, ne tuovat konkreettisia hyötyjä jo silloin kun muut, uudemmat teknologiat ovat vielä varhaisissa kehitysvaiheissaan.
Sen jälkeen kun UNIDO-raportti julkaistiin, myös höyryjärjestelmien optimointipotentiaali on edistynyt. Nyt kun digitalisaatiota tapahtuu nopeasti, tietomme siitä, missä optimointi on tehokkainta, on paljon kattavampaa. IPCC korosti sitä tämän vuoden raportissaan:
Digitaaliteknologiat voivat auttaa pienentämään ilmastonmuutosta ja saavuttamaan useita SDG-tavoitteita (suurella todennäköisyydellä). Esimerkiksi anturit, esineiden internet, robotiikka ja tekoäly voivat parantaa energianhallintaa kaikilla sektoreilla, lisätä energiatehokkuutta ja edistää useiden pienipäästöisten teknologioiden käyttöönottoa mukaan lukien hajautettu uusiutuva energia samalla, kun se luo taloudellisia mahdollisuuksia (suurella todennäköisyydellä).³
Mitä tehokkuuteen tulee, jokaisella maalla on huippusuoriutujansa, jotka täyttävät kaikki vaatimukset ja hännänhuiput, jotka eivät ole koskaan uhranneet optimoinnille ajatustakaan. Todennäköisyys on kuitenkin, että aina on vara parantaa.
Viimeisimpien digitaalisten näkemysten mukaan meillä ei ole koskaan aiemmin ollut parempaa mahdollisuutta saada yksityiskohtaista teknistä arviota höyryjärjestelmän tehostamismahdollisuuksista. Eivätkö panokset ole koskaan aiemmin olleet näin korkeat. Vaikka on mahdollista, että saamme lisää huonoja uutisia ilmastonmuutokseen liittyen, kuten Bill Gates kerran sanoi ”huonot uutiset rikkovat uutiskynnyksen, asteittainen parannus ei.”
¹: Global CO2 emissions rebounded to their highest level in history in 2021 - News - IEA
²: Global CO2 emissions rose less than initially feared in 2022 as clean energy growth offset much of the impact of greater coal and oil use - News - IEA
³: https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg3/downloads/report/IPCC_AR6_WGIII_FullReport.pdf
⁴: IPCC releases ‘final warning’ to keep 1.5°C within reach - Science Based Targets
⁵: DOE Industrial Decarbonization Roadmap | Department of Energy
⁶: Energy Efficiency – Analysis - IEA
⁷: Energy Efficiency Potentials in Industrial Steam Systems in China (unido.org)
When the study was written, coal-fired boilers accounted for around 80-85%, oil- and gas-fired boilers around 15%, and boilers that used other fuels (e.g. electricity, biomass, etc.) less than 5% of the total boiler capacity in China.
⁸: How Is China's Energy Footprint Changing? | ChinaPower Project (csis.org)
⁹: China - Countries & Regions - IEA