Liiketoimintaa lämmöstä – energian talteenottojärjestelmillä häviöt hyödyksi
Tehoton energiankäyttö on merkittävä yhteiskunnallinen ongelma. Esimerkiksi tyypillinen raskaassa ajoneuvossa tai työkoneessa käytettävä dieselmoottori toimii parhaimmillaan vain noin 40 prosentin hyötysuhteella.
Näin yli puolet polttoaineen muodossa moottoriin syötetystä energiasta vapautuu lämpöenergiana ympäristöön. Hukkaenergian talteenottojärjestelmät ovat kiintoisa kehityskohde mm. ajoneuvo- ja työkoneteollisuuden näkökulmasta. Turun AMK:n energiateknologian tutkimusryhmä seuraa tutkimustrendien kehitystä mielenkiinnolla.
Polttomoottorien yhteydessä energian talteenotolla tarkoitetaan niitä teknisiä menetelmiä, joilla moottorin hukkatehovirtoja (esimerkiksi pakokaasut, jäähdytysneste, ahtoilman jäähdytys) voidaan valjastaa hyödylliseen käyttöön. Esimerkiksi pakokaasujen lämpöenergiasta voidaan sopivaa teknologiaa hyödyntäen tuottaa sähköä ajoneuvon apulaitteiden tarpeisiin, jolloin polttoaineen kulutus vastaavasti pienenee.
Moottorin kokonaishyötysuhdetta voidaan parantaa kahta eri reittiä: Siinä missä perinteisempi moottorituotekehitys tähtää moottorin sisäisen palamisprosessin optimointiin, energian talteenottojärjestelmät ottavat hyödyn irti varsinaisen moottoriprosessin jälkeisistä häviötehovirroista. Molemmissa tapauksissa tavoitteena on mahdollisimman vähän kuluttava, vähäpäästöinen moottori, joka kuitenkin täyttää myös maksavan asiakkaan suorituskykyvaatimukset.
Kuva 1. Energian talteenotto kasvattaa hyötysuhdetta pureutumalla häviötehovirtoihin (Kuva: Energiateknologian tutkimusryhmä).
Lämmöstä sähköksi
Tyypillisesti ylimääräinen lämpöenergia jatkohyödynnetään juuri generoimalla siitä sähköä. Perinteinen tapa tähän on ollut höyryturbiiniprosessi, jossa kiertoaineena oleva vesi höyrystyy lämmön vaikutuksesta pyörittäen vaihtovirtageneraattoriin akseloitua turbiinia. Vesi on mm. hyvän saatavuutensa, edullisuutensa ja ympäristöystävällisyytensä vuoksi suosittu kiertoaine, joka kuitenkin vaatii verraten suuren määrän lämpöenergiaa höyrystyäkseen. Tämä tekee siitä haastavan työaineen nimenomaan pienitehoisten järjestelmien näkökulmasta.
Nykyään kiinnostuksen kohteena ovat erityisesti niin sanotut ORC-järjestelmät, joissa työaineena käytetään veden sijaan hiilivetypohjaista nestettä, esimerkiksi tolueenia tai pentaania. Niiden termodynaamiset ominaisuudet mahdollistavat järjestelmän kompaktin ja kustannustehokkaan suunnittelun myös matalaenergiaisissa sovelluksissa, kuten ajoneuvon pakokaasuja hyödynnettäessä.
Energian talteenottojärjestelmien yleistymistä ajoneuvo- ja muissa pienitehoisissa sovelluksissa on aikaisemmin hidastanut laitteiston monimutkaisuus, suuri koko ja hinta. ORC:n ja muiden vastaavien tekniikoiden myötä alan tutkimus on ottanut uutta tuulta alleen, ja monilla valmistajilla on jo tuotteistamisprojekteja vireillä.
-”Polttoaineiden korkea hintataso. Esimerkiksi BMW julkaisi viime vuonna henkilöautokokoluokan prototyypin, joka maantienopeuksilla ajettaessa kykenee tuottamaan pakokaasuista kylliksi sähköenergiaa koko auton sähköjärjestelmän tarpeisiin”, toteaa energiateknologian tutkimusryhmän päällikkö Pekka Nousiainen viitaten BMW:n Turbosteamer-kauppanimellä kulkevaan teknologiaan.
Muuallakin kuin rekoissa – bisnesmallien puute kompastuskivenä
Energian talteenoton periaate toimii kaikissa sovelluksissa, joissa on ylimääräistä lämpöä saatavilla. Potentiaalisia käyttökohteita löytyy ajoneuvojen lisäksi teollisuudesta, maataloudesta ja kotitalouksistakin. Tulevaisuuden trendinä yhteiskunnan energiantuotannossa lienee siirtyminen entistä enemmän kohti hajautettua energiantuotantotapaa, jossa yhä useampi energian kuluttaja voi samalla toimia myös energian tuottajana. Ennen kuin tämä voi toteuta, vaaditaan kuitenkin lisää joustavuutta energia-alan liiketoimintamalleihin sekä lainsäädäntöön.
-”Liiketoimintapotentiaali on huomattava. Esimerkiksi kaupallisia ORC-paketteja on saatavilla ja Keski-Euroopassa niille on jo markkinat olemassa. Kotimaassa teknologian yleistymistä on hidastanut paitsi käyttökokemusten puute, myös kankea lainsäädäntö ja toimintamallien puute. Teoriassa sähkön pientuotannon liittäminen valtakunnan verkkoon on mahdollista, mutta byrokratiaprosessi vie esimerkiksi monen pienyrittäjän investointihalut”, toteaa Nousiainen.
Kuva 2. Biokaasupohjaiset sovellukset tarjoavat mielenkiintoisen mahdollisuuden hajautettuun energiantuotantoon maataloudessa (Kuva: Arvind Balaraman / freedigitalphotos.net)
Uusia mahdollisuuksia T&K-toiminnalle
Nousiaisen mukaan uudentyyppisen tutkimuksen kysyntään on energiateknologian tutkimusryhmässä varauduttu. Toimintaa on jo lähdetty ajamaan ylös erilaisin esiselvityksin ja tutkimuksin, ja ensimmäiset asiakasprojektit ovat parhaillaan käynnissä:
-”Olemme teettäneet muutaman opinnäytetyön oman laboratorio-infastruktuurimme energiatehokkuuden parantamiseen liittyen, ja syksystä 2013 alkaen käynnistämme ensimmäisen tähän tutkimushaaraan kuuluvan yhteistyöprojektin yritysasiakkaan kanssa. Tarkoituksena on laajentaa tiimimme osaamistarjontaa uusille urille, edelleen vahvistaen perinteisemmän moottori- ja jälkikäsittelylaitetutkimuksen osaamista”, Nousiainen päättää.
