Kävimme Karelia-ammattikorkeakoulun 2. vuoden energia- ja ympäristötekniikan opiskelijoiden kanssa ekskursiolla pääkaupunkiseudulla, jossa pääsimme tutustumaan tuliterään Vuosaaren biolämpölaitokseen. Biolämpölaitoksen investointi on yksi toimenpide Helsingin energian eli Helenin hiilineutraalisuustavoitteen saavuttamiseksi, mutta mielenkiintoiseksi hankkeen tekevät erityisesti absorptiolämpöpumput, joilla laitoksen energiatehokkuutta ja hyötysuhdetta saadaan parannettua.
Kivihiiltä korvataan biomassalla
Helen on sulkenut Hanasaaren hiilivoimalan ja Salmisaaren hiilivoimala suljetaan huhtikuussa 2025. Näiden hiilivoimaloiden lämmöntuottoa korvataan useilla erilaisilla ratkaisuilla, kuten lämpöpumpuilla ja Vuosaareen rakennetulla biolämpölaitoksella, joka sijoittuu maakaasuvoimalaitosten kanssa samalle tontille. Polttoaineen muutoksen ohella myös energiantuotantorakenne muuttuu, koska biolämpölaitos tuottaa jatkossa vain lämpöä. (Helen.)
Biolämpölaitoksen kaukolämpöteho on noin 260 MW. Pääpolttoaineena lämpölaitos hyödyntää metsähaketta, joka hankitaan pääasiassa noin 100 km:n säteeltä laitokselta. Tämän ohella laitoksessa hyödynnetään metsäteollisuuden sivutuotteita, kuten purua ja kuorta. Koska polttoaine laitokselle saapuu kumipyörillä, tarkoittaa se 12 000 saapuvaa rekkaa vuositasolla.
Energiatehokkuus huipussaan
Fysiikan tunneilla opiskelijat ovat oppineet, että kattilan hyötysuhde on aina vähemmän kuin 100 %, koska kaikkea energiaa ei saada muutettua haluttuun muotoon. Opintojen edetessä törmätään kuitenkin lämpö- ja voimalaitoksiin, joiden hyötysuhteeksi ilmoitetaan yli 100 %. Onkin hyvä paneutua hetkeksi hyötysuhteen määrittämiseen.
EU-standardin mukaisella laskentamenetelmällä voidaan hyötysuhteessa päästä yli 100 prosenttiin, koska laskennassa huomioidaan lämmöntalteenotto savukaasuista. Lämmöntalteenottoa varten tarvitaan savukaasupesuri, jonka avulla saadaan piipusta ilmakehään päästettävien savukaasujen lämpötilaa alennettua esimerkiksi reilusta 100 asteesta noin 50 asteeseen. Talteenotettu lämpö saadaan hyödynnettyä esimerkiksi kattilan palamisilman esilämmityksessä. Lämmöntalteenottoa ja hyötysuhdetta saadaan edelleen tehostettua lämpöpumppujen avulla. Tällöin savukaasujen lämpötilaa saadaan tiputettua reilusti alle 20 asteeseen.
Vuosaaren biolämpölaitoksessa on savukaasupesurin ohella otettu käyttöön kaksi absorptiolämpöpumppua. Näillä toimenpiteillä laitoksen kokonaishyötysuhteeksi saadaan jopa 122 % ja savukaasujen lämpötila alennettua jopa 12 asteeseen. Vuosaaren lämpölaitos on Suomen energiatehokkain ja ensimmäinen Pohjoismaissa, jossa hyödynnetään absorptiolämpöpumppuja. Euroopassa absorptiolämpöpumput tulivat osaksi kaukolämpöjärjestelmää jo 1990-luvulla.
Vuosaaren biolämpölaitokselle savukaasujen lauhdutusjärjestelmän toimitti Valmet. Biolämpölaitoksessa on Sumimoton toimittama kiertoleijuteknologiaa (CFB, circulating fluidized bed) hyödyntävä kattila, josta otetaan savukaasut talteen lauhduttamalla niiden kosteus märkäpesurissa. Savukaasujen kosteuspitoisuutta saadaan lisättyä kostuttamalla kattilaan menevää palamisilmaa. Lämmöntalteenotto savukaasuista kasvattaa laitoksen kaukolämmöntuotantokapasiteettia 69 megawattia, joka vastaa yli 30 prosenttia polttoainetehosta perustuen teholliseen lämpöarvoon. (Valmet 2020.)
Mikä ihmeen absorptiolämpöpumppu?
Lämpöpumpun toimintaperiaatteena on siirtää lämpöä matalammasta lämpötilatasosta korkeammalle lämpötilatasolle. Jos asiaa tarkastellaan termodynamiikan toisen pääsäännön avulla, voidaan todeta, että lämpö ei voi siirtyä itsestään matalammasta lämpötilasta korkeampaan, vaan siihen vaaditaan työtä.
Absorptiolämpöpumppu eroaa kompressorilämpöpumpusta siten, että sähkön sijaan lämmöntuotantoon hyödynnetään energiana lämpöä. Absorptiolämpöpumpussa keitin-imeytinlaitteisto korvaa kompressorin. Kompressorilämpöpumpun lämpökerroin on absorptiolämpöpumppua korkeampi. Absorptiolämpöpumppuja voidaan hyödyntää esimerkiksi lämmön talteenottoon ja jäähdytykseen. Niissä on vähän liikkuvia osia, ne ovat rakenteeltaan yksinkertaisia ja kestäviä.
Absorptiolämpöpumpun toiminta perustuu kylmäaineen ja absorbentin eli liuotinnesteen ominaisuuksiin vastaanottaa ja luovuttaa lämpöenergiaa. Tämän lisäksi tarvitaan ulkoinen lämmönlähde. Vuosaaressa ulkoisena lämmönlähteenä hyödynnetään matalapainehöyryä (Valmet 2020). Absorptiolämpöpumput soveltuvat suhteellisen matalalämpötilaisen hukkaenergian hyödyntämiseen. Alla olevassa kuvassa on esitetty absorptiolämpöpumpun pääkomponentit sekä energiavirrat, joista kerrotaan tarkemmin kuvan alla.
Absorptiolämpöpumpun toiminta edellyttää riittävän lämpimän käyttöenergian, lauhdutukseen käytettävän välijäähdytysvirran sekä jäähdytettävän virran. Absorptiolämpöpumpun pääkomponentit on esitelty tarkemmin alla.
1. Imeytin: Kylmäaine-höyry absorboidaan väkevään liuotinnesteeseen. Neste nostetaan korkeampaan painetasoon keittimelle. Absorptiossa vapautuva lämpö johdetaan välijäähdytyksen avulla pois.
2. Keitin: Kylmäaine höyrystyy käyttöenergian avulla ja siirtyy lauhduttimelle. Väkevöitynyt liuotinneste palaa keittimeltä imeyttimelle.
3. Lauhdutin: Höyrystynyt kylmäaine lauhtuu ja se ohjataan paisuntaventtiilin kautta matalammassa painetasossa toimivalle höyrystimelle. Lauhtumisesta vapautuva lämpö johdetaan välijäähdytyksen avulla pois.
4. Höyrystin: Kylmäaine höyrystyy jäähdytettävän nesteen sisältämän energian avulla. Jäähdytysneste jäähtyy. (Ramboll 2022.)
Absorptiolämpöpumput yleistynevät tulevaisuudessa
Toistaiseksi absorptiolämpöpumppuja on kaukolämmön sijaan hyödynnetty enemmän teollisuudessa prosesseissa muodostuvien hukkalämpöjen hyötykäyttöön. Tällaisina hukkalämpövirtoina voidaan pitää esimerkiksi savukaasujen, prosessien jäähdytysveden tai poistoilman mukana poistuvaa lämpöenergiaa.
Kuten edellä todettiin, absorptiolämpöpumppujen avulla voidaan parantaa prosessin kokonaishyötysuhdetta ja pienentää energiantuotannon ominaispäästöjä. Tämän ohella absorptiolämpöpumppuja voidaan kesäaikaan hyödyntää kaukokylmän tuotannossa. Niiden käyttö kaukolämpölaitoksilla tulee varmasti yleistymään tulevaisuudessa, mutta ainakin toistaiseksi kaukolämpöyhtiöt ovat investoineet enemmän kompressorilämpöpumppuihin, kuten Joensuun Iiksenvaaralla toimiva Savon Voiman yhteistuotantolaitoskin.
Lähteet:
Helen. Vuosaaren biolämpölaitos. Saatavilla: https://www.helen.fi/tietoa-meista/energia/tulevaisuuden-energia/biolampolaitokset/vuosaari. Viitattu 14.11.2023.
Ramboll. 2022. Prizztech – Hukkalämpöselvitys. Saatavilla: https://www.prizz.fi/media/energiaratkaisut/energiaratkaisut-materiaalit/ramboll_hukkalamposelvitys_loppuraportti.pdf. Viitattu 14.11.2023.
Valmet. 2020. Valmet toimittaa savukaasujen lauhdutusjärjestelmän Helenin Vuosaaren biolämpölaitokselle Helsinkiin. Saatavilla: https://www.valmet.com/fi/media/uutiset/lehdistotiedotteet/2020/valmet-toimittaa-savukaasujen-lauhdutusjarjestelman-helenin-vuosaaren-biolampolaitokselle-helsinkiin/. Viitattu 15.11.2023.
Kirjoittaja:
Anniina Kontiokorpi, lehtori, Karelia-ammattikorkeakoulu
Artikkelikuva: Ekskursiolla vierailtiin myös Vantaan Energian jätteenpolttolaitoksella, jossa tuotetaan merkittävä määrä kaukolämmöstä Vantaan alueelle.