SWEREA IVF MÖLNDAL
Energieffektivisering vid ytbehandlingsprocesser
- en fallstudie av LaRay AB
Sofie Osbeck
2010/2011
Mastersprogrammet
Maskinteknik
Linköpings tekniska högskola
Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling
Avdelningen Energisystem
Sammanfattning
Med fokus på ökande energikostnader har en ny utmaning uppstått hos den svenska industrin – att minska energianvändningen. Den pulverlacktekniska ytbehandlingsindustrins energianvändning på 525 GWh per år motsvarar 0,4 % av den svenska industrins totala energianvändning. Denna bransch har länge haft ett intresse för miljöteknik och agerat framgångsrikt. Däremot har de inte prioriterat energisnåla investeringar. Anläggningarna drivs ofta av el och gasol vars kostnader förutspås öka med 50 – 60 % vid år 2020.
För att undersöka energibesparingspotentialen inom den svenska pulverlacktekniska ytbehandlingsindustrin har civilingenjörsstudenten Sofie Osbeck från Linköpings universitet utfört en fallstudie hos företaget LaRay AB. Detta arbete har fortgått parallellt med civilingenjörsstudenten Charlotte Bergek från Chalmers tekniska högskola och hennes fallstudie hos QPC AB. Deras mål har varit att visa hur energianvändningen kan effektiviseras och minska med hjälp av energismarta lösningar.
Arbetets genomförande delades in i fyra faser: fakta-‐ och datainsamling, energikartläggning, åtgärdsberäkning och avslutningsvis benchmarking. Energikartläggningen visade att LaRay:s energianvändning är ungefär 1 GWh per år och fördelas på 77 % i produktionsprocesser och 23 % i stödprocesser. Med energieffektiva åtgärder kan användningen minska med ungefär 265 MWh per år. Tre fall av pinchtekniska analyser har arbetats fram med hänsyn till maximalt utnyttjande av befintlig värme, produktionsplanering samt investeringsmöjligheter. Dessa påvisar en potentiell energibesparing på ytterligare 121–198 MWh per år.
Den totala årliga energibesparingen beräknas bli drygt 385 MWh, vilket är 38 % av dagens energianvändning. Energikostnaden minskar med ungefär 287 000 kr per år och investeringarnas payoff-‐tid varierar mellan 1,5 -‐ 5 år. Resultaten från QPC visar en energibesparing på drygt 20 %. Baserat på dessa två fallstudier uppskattas en årlig energiminskning hos den svenska pulverlacktekniska ytbehandlingsindustrin på minst 25 %, vilket är likvärdigt med 130 GWh.
Abstract
A new challenge in reducing energy use has emerged in the Swedish industry due to increasing energy costs. The powder coating technology industry currently accounts for approximately 525 GWh per year, which is equal to 0,4 % of the total Swedish industrial energy usage. This industry has long had an interest in environmental engineering and acted successfully. However, they have not given priority to energy saving investments. The plants are often powered by electricity and liquefied petroleum gas and those costs are predicted to increase by 50 – 60 % within the year of 2020.
To investigate the energy savings potential in powder coating technology industry engineering student Sofie Osbeck from Linköping University has conducted a case study of the company LaRay AB. This work has proceeded in parallel to engineering student Charlotte Bergek from Chalmers University of Technology and her case study of QPC AB. Their aim has been to show how energy use within the Swedish technical powder coating industry can and be reduced through energy smart solutions.
The implementation of the thesis was divided into four phases with facts and data collection, energy audit, measure calculation and finally benchmarking. The energy audit showed that LaRay's energy usage is about 1 GWh per year and distributed by 77 % in production processes and 23 % of the support processes. Energy efficient measures can reduce usage by almost 265 MWh per year. Three cases of pinch analysis have been developed taking into account the maximum use of existing heat production, production planning and investment opportunities. These can provide annually energy savings of 121 -‐ 198 MWh.
The total energy savings per year are expected to be 38 % responding to 385 MWh. Energy costs can be reduced by about SEK 287 000 per year and the investment payoff period varies between 1.5 -‐ 5 years. The result from QPC shows an energy saving of 20 %. The Swedish technical powder coating industry has a potential annual energy reduction of at least 25 % responding to 130 GWh.
Förord
Mitt examensarbete har varit givande, lärorikt och engagerande. Jag har samlat på mig en hel del människor att tacka för hjälp och support. För att denna lista inte ska bli för lång har jag sorterat ut de som haft en avgörande roll under arbetet.
Min handledare Patrik Thollander, forskarassistent vid avdelningen Energisystem LiU, som har varit ett stort stöd och inbringat en stor tilltro till mitt arbete.
Anders Klässbo, forskaringenjör inom ytbehandlingar vid Swerea IVF, som har varit min handledare och tveklöst ställt upp med både tid och engagemang.
Detta har även produktionsansvarig Lars Ruud vid LaRay AB gjort vid frågor kring deras verksamhet, vilket har varit till stor hjälp och underlättat arbetet.
Charlotte Bergek från Chalmers har genomfört sitt examensarbete parallellt inom liknande ämne och varit till stor hjälp för att nå ett gott resultat och gett en god arbetsmiljö.
Anders Jansson, anläggningskonstruktör vid Greiff AB, har bidragit till en större förståelse för lackeringsanläggningar och kunnat ge de parametrar som inte har varit mätbara under fallstudien. Jag vill även ge ett stort tack till Jakob Rosenqvist, avdelningen Energisystem LiU, och Jerry Börjesson, Swerea IVF, som varit till stor hjälp vid elmätningar.
Under arbetets gång har många fler personer involverats för att ge svar på frågor – dessa aktörer inom näringslivet vill jag rikta ännu ett tack till.
Till sist vill jag även tacka min fina familj som har varit ett stort stöd under arbetets gång.
Göteborg, februari 2011
Innehållsförteckning
1. Inledning ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Styrmedel mot industrin ... 1
1.2.1 Elcertifiering ... 1
1.2.2 Programmet för energieffektivisering i energiintensiva företag (PFE) ... 2
1.2.3 Utsläppsrätter ... 2
1.2.4 Energieffektiviseringsprogram och ENIG ... 2
1.2.5 Energikartläggningschecken ... 2
1.3 Klimatfrågan ur ett globalt perspektiv ... 2
1.3.1 Svensk industri – låga kostnader men hög elanvändning ... 3
1.3.2 Energianvändning i världen ... 3
1.3.3 Koldioxidutsläppen och kolkraftverk ... 4
1.4 Examensarbete hos Swerea IVF ... 5
1.5 Syfte ... 5
1.6 Hypotes ... 5
1.7 Omfattning och avgränsningar ... 5
1.8 Felkällor ... 6
1.9 Disposition ... 6
2. Företagspresentationer ... 7
2.1 Swerea IVF ... 72.2 LaRay AB ... 8
2.3 QPC AB ... 8
3. Metod ... 9
3.1Genomförande ... 9
3.2
Faktainsamling ... 10
3.2.1 Litteraturstudie ... 10
3.2.2 Fallstudie ... 10
3.3
Datainsamling ... 10
3.3.1 Givna data ... 10
3.3.2 Elmätningar ... 11
3.3.3 Flödes-‐ och temperaturmätning ... 11
3.4
Analys ... 11
3.4.1 Ekonomi ... 11
3.4.2 Benchmarking ... 12
3.5
Antaganden ... 12
3.5.1 Produktion ... 12
3.5.2 Energikartläggning ... 12
3.5.3 Beräkningar och pinchteknisk analys ... 13
4. Nulägesbeskrivning ... 14
4.1 Pulverlacktekniska ytbehandlingsprocesser ... 14
4.1.1 Förbehandling ... 14
4.1.3 Pulverbox ... 14
4.1.4 Härdugn ... 15
4.1.5 Varma strömmar ... 15
4.2 Produktionsplanering ... 15
5. Teori ... 16
5.1Pulverlacktekniska ytbehandlingsprocesser ... 16
5.2
Energikartläggning ... 16
5.2.1 Top-‐down approach ... 17
5.2.2 Mänskliga faktorn ... 17
5.2.3 Enhetsprocesser ... 17
5.2.4 Värmebehov ... 17
4.2.5 Effekt för elanvändning ... 18
5.3
Energieffektivisering ... 19
5.3.1 Värmeväxling ... 19
5.3.2 Pinchteknisk analys ... 19
5.4
Ekonomi ... 21
5.4.1 Nuvärdesmetoden ... 21
5.4.2 Payoff-‐metoden ... 22
5.4.3 Känslighetsanalys ... 22
6. Resultat ... 23
6.1 Energikartläggning ... 236.1.1 Enhetsprocesser ... 23
6.1.2 Energianvändning ... 23
6.1.3 Nyckeltal och benchmarking ... 26
6.2 Energieffektivisering ... 26
6.2.1 Energieffektiva åtgärder ... 26
6.2.2 Mass-‐ & energibalanser ... 27
6.2.3 Pinchteknisk analys ... 28
6.2.4 Utesluten energieffektivisering ... 30
6.2.5 Total energiminskning ... 30
6.3 Ekonomi ... 31
6.4 Känslighetsanalys ... 32
7. Diskussion och analys ... 33
7.1 Drifttid ... 33
7.2 Godsens påverkan ... 33
7.3 Produktionsplanering ... 33
7.4 Nyckeltal ... 33
7.5 Benchmarking ... 33
7.7 Total energiminskning ... 34
7.8 Kalkylränta och känslighetsanalys ... 34
7.9 Framtida arbete ... 34
8. Slutsatser ... 35
BILAGOR
Bilaga 1 Examensarbetets beskrivning
Bilaga 2 Frågeställningar inför examensarbetet
Bilaga 3 Frågeställningar vid det första företagsbesöket Bilaga 4 Mejlkontakt och svar från aktörer inom näringslivet Bilaga 5 Produktionsplanering för standardvecka
Bilaga 6 Diagram från QPC AB för benchmarking
Bilaga 7 Ritning över produktionsprocesserna och deras värmebehov Bilaga 8 Värmebehov, flöden, temperaturer och energibalanser
DIAGRAM
Diagram 1.1 Månatliga elpriser på den svenska marknaden 3 Diagram 1.2 Sammanställning av världens energianvändning 4
Diagram 6.1 Eleffekten per timme 23
Diagram 6.2 Eleffektbalans under produktion 24
Diagram 6.3 Elenergi per år 24
Diagram 6.4 Energibalans per år 24
Diagram 6.5 Energifördelning 25
Diagram 6.6 Energianvändning 25
Diagram 6.7 Energikostnad 25
Diagram 6.8 Sammanställning av enhetsprocesserna 31
FIGURER
Figur 1.1 Huvudkällorna till 45-‐50 % av människans CO2-‐utsläpp 5 Figur 2.1 Sammanställning av moderbolaget Swerea AB 7 Figur 2.2 Schematisk ritning över LaRay:s anläggning 8
Figur 3.1 Tidsplan som illustrerar examensarbetets aktiviteter 9
Figur 3.2 Arbetets fyra genomföringsfaser 9
Figur 3.3 Strömtång med filmburk en s.k. daglogger 11 Figur 4.1 Motströmsprincipen för förbehandlingen hos LaRay 14
Figur 5.1 Metodik bakom energikartläggning 17
Figur 5.2 Schematisk bild över termodynamikens första huvudsats 17 Figur 5.3 De olika effektvektorerna vid elmätning. 19
Figur 5.4 Det maximala fallets kompositkurvor 20
Figur 5.5 I huvudsak använda pinchregler vid pinchteknisk analys 20
Figur 5.6 Exempel på ett investeringsförlopp 21
Figur 6.1 Fall 1 28
Figur 6.2 Fall 2 29
Figur 6.3 Fall 3 29
TABELLER
Tabell 4.1 Sammanställning av ugnarnas varma strömmar 15 Tabell 4.2 De tre största kundtypernas produktionsplanering 15 Tabell 5.1 Jämförelse mellan tre investeringsmodeller 21 Tabell 6.1 Nyckeltal från LaRay AB och QPC AB 26
Tabell 6.2 Energieffektiva åtgärder 27
Tabell 6.3 Mass-‐ och energibalanser över produktionsprocesserna 27 Tabell 6.4 Data för att utföra pinchteknisk analys 28 Tabell 6.5 De tre fall som genererats av pinchanalysen 30 Tabell 6.6 Total potentiell energibesparing hos LaRay AB 30 Tabell 6.7 Kostnader för investeringar samt drift 31 Tabell 6.8 Ekonomiska resultat från de tre fallen 32
INLEDNING 1
1. Inledning
I detta kapitel presenteras väsentlig bakgrund till examensarbetet. Kapitlet beskriver även frågeställningar, arbetets omfattning och avgränsningar samt förklarar kortfattat felkällor och redovisar dispositionen.
1.1 Bakgrund
Med fokus på ökande energikostnader uppstår en ny utmaning för den svenska industrin – att minska energianvändningen. Detta brukar man i första hand projicera mot de energiintensiva industrierna, men större delen branscher kan göra vinster av att kartlägga sin energianvändning och finna åtgärder. I dagsläget står den svenska industrin för 40 % av Sveriges totala energianvändning, vilket förutspås att öka pga. större industriell efterfrågan. Men i takt med att miljötekniska investeringar samt energieffektiviseringar träder i kraft kan denna istället visa sig minska [1].
Inom den pulverlacktekniska ytbehandlingsindustrin har det länge funnits ett intresse för miljöteknik. De har framgångsrikt minskat sina utsläpp och uppvärmda förbehandlingsbad, men sällan kunnat ta hand om den värme som produktionsprocesserna skapar. Anläggningarna drivs ofta av kombinationen el och gasol (propan). Även om pulverlackindustrin är mottaglig för förändringar prioriteras sällan energisnåla investeringar om det inte ställs lagkrav på dem. Därför är det först nu i takt med ökande energipriser som behovet av att undersöka möjlig energieffektivisering har uppkommit [2].
1.2 Styrmedel mot industrin
EU:s 20-‐20-‐20-‐mål har utvecklats i enighet med deras energipolitiska vision; konkurrenskraft, hållbarhet samt försörjningstrygghet. Målen står för 20 % minskad energianvändning gentemot år 2005, minst 20 % förnyelsebar energianvändning och 20 % minskade växthusgaser gentemot år 1990. Nyckelområden i EU:s målsättning ligger i el-‐ och gasmarknaderna, förnyelsebara energikällor, konsumentbeteende och fördjupat internationellt samarbete. Alla länder inom EU uppmanas att agera och insatserna samordnas för att försöka fördela bördan men även dess framtida utdelningar. En effekt från satsningarna är att möjligheten till nyföretagande ökar men även forskning inom området har fått ett uppsving [3].
Enligt Energimyndighetens energirapport Energiläget 2009 har den svenska riksdagen på förslag från regeringen beslutat att andelen förnyelsebar energi år 2020 ska vara minst 50 % av den totala energianvändningen. Inkluderat i detta beslut ligger även mål om effektivisering. Detta uttrycks som ett sektorsövergripande mål med en minskad energiintensitet om 20 % mellan åren 2008–2020. För att nå dessa uppsatta mål inom energi-‐ och klimatpolitiken används styrmedel för att vägleda energianvändningen i en hållbar riktning samt utsläppsrätter för att minska klimatpåverkan. Styrmedlen omfattar energi-‐, koldioxid-‐ och svavelskatt men även elcertifikatsystemet, programmet för energieffektivisering (PFE), energikartläggningsstödet, teknikupphandling, styrmedel för byggnader och transporter och informationsinsatser. De mest väsentliga ges i följande kapitel [3].
1.2.1 Elcertifiering
Elcertifikat för förnyelsebar elproduktion delas ut till den som, i en godkänd anläggning, producerat och uppmätt 1 MWh el från förnyelsebara energikällor eller torv. Detta inkluderar el producerad från
vindkraft, solenergi, vågenergi, geotermisk energi, vissa biobränslen och viss vattenkraft. Elcertifikatsystemet ingår sedan nyligen i regeringens mål om att uppnå minst 50 % förnyelsebar energi till år 2020 och denna skall innan dess innefatta 25 TWh [3].
1.2.2 Programmet för energieffektivisering i energiintensiva företag (PFE)
Programmet för energieffektivisering i energiintensiva företag (PFE) infördes 1 januari 2005. Detta ger nollskattad el (0,5 öre/kWh) till de tillverkningsföretag som under de första två åren lyckas införa ett energiledningssystem samt genomföra energikartläggning. Därefter måste effektiviserande åtgärder införas inom en femårsperiod[3].
1.2.3 Utsläppsrätter
För att till lägsta kostnad minska utsläppen av växthusgaser har ett handelssystem för rätten att släppa ut koldioxid utvecklats. Detta pågick för första gången mellan åren 2005–2007 där en utsläppsrätt tillät innehavaren att släppa ut ett ton koldioxid under angiven handelsperiod. Eftersom utsläppsrätter kan säljas görs minskningarna av koldioxidutsläpp i de företag och länder där kostnaderna för att åtgärda utsläpp är som lägst. Utsläppsrätternas handel omfattar ett begränsat antal sektorer inom den energiintensiva industrin samt el-‐och värmeproducenter. Totalt innefattas omkring 40 % av växthusutsläppen inom EU, för Sverige är den siffran 35 % [3].
1.2.4 Energieffektiviseringsprogram och ENIG
För att främja riksdagens önskade mål att minska energianvändningen med 20 % till år 2020 har regeringen tagit fram ett energieffektiviseringsprogram som ges 300 miljoner kr/år. Syftet med programmet är att nå ut och stödja lokala och regionala aktörer inom energi-‐ och klimatarbetet. Fokus ligger hos de små och medelstora företagen (SME) som inte inkluderas i PFE för att kunna ge dem information och rådgivning [3].
Nätverket ENIG (nätverk för energieffektivisering) finansieras under uppbyggnaden av programmet. Det är ett samarbete mellan Swerea IVF, Swerea SWECAST samt FSEK (Föreningen Sveriges Regionala Energikontor). De vill med hjälp av energinyckeltal ta fram grundslag åt företag. En målsättning är att skapa ett allmänt intresse och visa på hur mycket de olika branscherna kan tjäna på att bli mer energieffektiva [4].
1.2.5 Energikartläggningschecken
För att kunna införa en starkare energirådgivning har regeringen infört energikartläggningscheckar. Dessa kan sökas t o m år 2014 av små och medelstora företag (SMF) som använder mer än 500 MWh/år. Checken täcker mer än 50 % av kostnaden för energikartläggningen (max 30 000 kr) [8]. ENIG är ett nätverk med en liknande ambition som energikartläggningschecken [4].
1.3 Klimatfrågan ur ett globalt perspektiv
För att lyfta klimatfrågan internationellt togs FN:s klimatkonvention fram under toppmötet i Rio de Janeiro 1992. Dess mål är att förhindra den globala klimatförändringen och uppmanar parterna att vidta förebyggande åtgärder för att förutse, förhindra eller minimera orsakerna till klimatförändringen. Partnerländerna träffas numer årligen för att förhandla vidare.
För att göra klimatkonventionen genomförbar är den uppdelad i åtagandeperioder, där Kyotoprotokollet tillhör den första perioden. Det är en internationell överenskommelse som upprättades i Kyoto (Japan) vid 1997 och sedan trädde i kraft 2005. Till skillnad från klimatkonventionen är dess syfte att kräva en bindande förändring [13].
INLEDNING 3
1.3.1 Svensk industri – låga kostnader men hög elanvändning
Den svenska elproduktionen är jämförelsevis billig och har stora miljöfördelar gentemot andra länder på kontinenten. Detta har genererat låga elpriser som lett till att den svenska elförbrukningen i dag är tre gånger större än på kontinenten per capita. Den svenska elmarknaden avreglerades i januari 1996 efter direktiv om en avreglerad europeisk marknad. Detta för att skapa en mer rättfärdig och konkurrenskraftig elmarknad [7].
Den europeiska elmarknaden dröjde till 2004 innan den avreglerades för industriella konsumenter. Sveriges kraftproducenter med sina kunskaper kring avreglering har sedan dess köpt upp andelar i utländska kraftbolag [6]. Eftersom försäljningspriset utomlands är högre än i Sverige, ger det producenterna ett högre pris för den kraft som exporteras. Detta rättfärdigar att dagens prisnivå i Sverige närmar sig den dubbelt så höga prisnivån i Europa, prisutvecklingen visas i diagram 1.1 [7].
Diagram 1.1: Månatliga elpriser på den svenska marknaden [Nord Pool, Thollander, P. 2010].
1.3.2 Energianvändning i världen
Energianvändningen varierar i världen beroende på olika länders förutsättningar i energitillgång, ekonomisk utveckling, infrastruktur och klimat. Dess marknad är känslig och om tillgång och efterfrågan hamnar i obalans sprider prissystemet snabbt denna påverkan och ger avkall på angränsande energimarknader [9].
I dagsläget har fossila energislag en huvudroll i världens energiförsörjning och står totalt för 87 % av tillförd energi. Detta trots deras ofta begränsade men stora lager och låga nybildningshastighet. Olja (33 %), kol (27 %) och naturgas (21 %) är huvudaktörerna men eftersom kärnbränslet uran inte kan återbildas hamnar även kärnkraften (6 %) under kategorin fossila energislag. De förnyelsebara energislagen (13 %) inkluderar vatten-‐, vind-‐, våg-‐ och solkraft. Alla energislagen är sammanställda i diagram 1.2 nedan [9, 10].
Diagram 1.2: Sammanställning av världens energianvändning [Energikunskap, 2010].
Sett ur ett världsdelsbaserat perspektiv har energianvändningen ökat markant i Asien med Kina i framkant de senaste åren. År 2008 gick Kina om EU i sin elanvändning och stod då för hälften av världens ökade energianvändning. I dag står de även för 47 % av världens kolanvändning, även om USA fortfarande använder mer energi per invånare än något annat land. Kina bidrar dock för den procentuellt största ökningen per invånare [9].
1.3.3 Koldioxidutsläppen och kolkraftverk
Växthuseffekten eller global uppvärmning är resultatet av att vissa växthusgaser har en förmåga att absorbera den långvågiga värmeutstrålningen från jorden. Den är naturlig och är en förutsättning för liv på jorden och utan gaserna skulle medeltemperaturen vara betydligt lägre. Problemet är att människans utsläpp från fossil energianvändning, ökat antal tamboskap samt arealer för spannmålsodlingar genererar en ökning utöver naturliga halter. Detta tros leda till en högre medeltemperatur på jorden. Konsekvenserna av global uppvärmning är svåra att förutspå och världens klimatforskare har sedan flera år debatterat kring de olika scenarier som tros inträffa. Människans bidrag till den globala uppvärmningen är inte längre ifrågasatt utan istället fokuserar man på hur man skall lösa de problem som uppstår och hindra uppvärmningen.
Koldioxidhalten i atmosfären har under de senaste 200 åren ökat med 77 ppm som motsvarar 165 miljarder ton kol. I dagsläget förutspås en fördubbling av halten koldioxid i atmosfären mellan åren 2030 – 2050 vilket skulle kunna öka medeltemperaturen under dessa 20 år med 1, 5 -‐ 4, 5 oC. Detta kommer främst från tre huvudkällor som står för 45 -‐ 50 % av människans utsläpp, se sammanställt i figur 1.1. 33% 27% 21% 13% 6%
Världens energianvändning
Olja Kol Naturgas Förnyelsebar energi KärnkrapINLEDNING 5
Figur 1.1: Huvudkällorna till 45-‐50 % av människans CO2-‐utsläpp [Brandt, N. Gröndahl, F. 2000].
Den ökande koldioxidhalten i luften stör den naturliga jämvikten mellan luft och hav. Detta genererar ett ökat koldioxidflöde från luften till havet, men havets upptagningsförmåga är begränsad. Om luftens koldioxidhalt ökar med 10 % räcker det med 1 % ökning av kolhalten i havet för att slå ut jordens självreglerande system och en ny så kallad kemisk jämvikt kan ställa in sig [11].
1.4 Examensarbete hos Swerea IVF
I Sverige finns ett 350-‐tal företag inom sektorn industriell lackering, vissa är så kallade legolackerare andra lackerar sina egna produkter. Den här industrin gör årligen av med stora mängder energi, totalt ca 525 GWh/år, trots detta är energibesparande åtgärder ovanliga. För att kunna föreslå tekniska lösningar med bäring på teknisk robusthet och ekonomi utifrån en energikartläggning utlyste Swerea IVF om två examensarbetare, se bilaga 1 och 2,med fokus på att undersöka två svenska legolackerare [2]. Denna plats tillsattes i september 2010 av Sofie Osbeck från Linköpings universitet. Osbeck har genomfört en fallstudie hos legolackeraren LaRay AB. Parallellt och i tätt samarbete harexamensarbetare Charlotte Bergek från Chalmers tekniska högskola utfört en fallstudie hos Quality Powder Coating AB (QPC).
1.5 Syfte
Syftet med examensarbetet är att undersöka energibesparingspotentialen inom den svenska pulverlacktekniska ytbehandlingsindustrin samt ge åtgärdsförslag för befintliga processer som kan genomföras med ekonomisk vinst.
1.6 Hypotes
”Energianvändningen inom den svenska pulverlacktekniska ytbehandlingsindustrin kan effektiviseras och minska med 25 % med hjälp av energismarta lösningar”.
1.7 Omfattning och avgränsningar
Arbetet omfattar ett svenskt mindre pulverlacktekniskt ytbehandlingsföretag och ger specifika åtgärdsförslag som sedan jämförs med industrin i sin helhet och generaliseras. Kartläggningen fokuserar på produktionsprocesserna för att främst undersöka produktionsrelaterade åtgärdsförslag. Stödprocesserna inkluderas för att undersöka den totala energibesparingspotentialen. På grund av
Frigörande av CO2 från fossiler vid förädling av kalksten
(10 miljarder ton) Minskad CO2-‐upplagring vid avskogning och frigörande av CO2.
(100-‐150 miljarder ton)
Förbränning av fossila bränslen som kol, olja och naturgas. (220 miljarder ton)
explosionsrisken som en underdimensionerad ventilation hos pulverboxen kan medföra undersöks inte dessa fläktar för ändringar av dimensionering och energieffektivisering.
1.8 Felkällor
Energikartläggningen har utgått från en veckas kontinuerlig elmätning i skiftet mellan september och oktober. Denna agerar standardvecka sett ur ett produktionsperspektiv, men kan öka under
vinterhalvåret sett ur ett energianvändarperspektiv. Därför har hänsyn även tagits till debiterad el från leverantör samt gasolleverantör för en mer omfattande energianvändaranalys. En del av
mätutrustningen för temperatur kan hantera temperaturer upptill 350oC [14]. Loggutrustningen från Linköpings universitet har ett intervall av osäkerhet på 2,5 % [29].
1.9 Disposition
I kapitel 1 ges bakgrund och syfte till examensarbetet för att göra läsaren införstådd i arbetet och varför det är av intresse att genomföra. Även vilka frågeställningar som ska besvaras, arbetets omfattning, avgränsningar samt felkällor beskrivs.
I kapitel 2 ges information om uppdragsgivarens moderbolag Swerea med fokus på aktuellt dotterbolag Swerea IVF. Därefter ges en verksamhetsbeskrivning av legolackeraren LaRay AB samt benchmarkingsföretag QPC AB.
Kapitel 3 är tillägnat metod och illustrerar genomförande, data-‐ och faktainsamling, analys samt antaganden.
I kapitel 4 redovisas teorin bakom arbetet och kopplar samman metod med resultatdelen, uppdelat i energikartläggning, energieffektivisering samt ekonomi.
Kapitel 5 ger nulägesbeskrivning av LaRay AB:s produktionsprocesser och produktionsplanering. Kapitel 6 är resultatkapitlet där varje delmoment redovisas: kartläggning, effektivisering, ekonomi och känslighetsanalys.
I kapitel 7 hålls en diskussion kring resultatet och det analyseras ur trovärdighetssynpunkt samt om det kunnat undersökas vidare och i så fall hur.
Kapitel 8 knyter samman syftet, metoden och resultatet och ger slutsatserna av arbetet. Därefter redovisas alla referenser mer utförligt än vad siffrorna i parantes ger i löpande text.
FÖRETAGSPRESENTATIONER 7
2. Företagspresentationer
I detta kapitel presenteras moderbolaget till uppdragsgivaren Swerea IVF samt lackeringsföretaget LaRay AB som har blivit kartlagt och där åtgärder arbetats fram.
2.1 Swerea IVF
Swerea AB är ett aktiebolag som ägs med 53 procent av sex ägarföreningar och med 47 procent av RISE Holding AB. Ägarföreningarna representeras av ca 450 industriföretag och RISE Holding är statens holdingbolag för delägande av svenska industriforskningsinstitut. Swerea AB är moderbolag som i sin tur består av fem helägda dotterbolag, se figur 2.1. Dessa har tillsammans nära 500 anställda, omsätter ca 550 Mkr. per år och har ca 550 medlemsföretag med 3000 kunder per i år i 15 olika länder. Swerea samarbetar även med 60 olika institut och 70 olika lärosäten och högskolor i 20 olika länder.
”Koncernen skapar, förädlar och förmedlar forskningsresultat inom material-‐, process-‐, produkt-‐ och produktionsteknik. Målet är att skapa affärsmässig nytta för medlemmar och kunder och att stärka
konkurrens-‐ och innovationsförmågan hos näringslivet i Sverige”. [Swerea, 2010].
Moderbolag Swerea AB
Swedish researchEkonomi och administration
Marknadskommunikation
Swerea IVF Industriell produkt-‐ utveckling. Textiler, polymerer, keramer, process-‐ och materialutveckling Swerea KIMAB Materialanvändning material-‐ och processutveckling, korrosion Swerea MEFOS Process-‐metallurgi, värmning, miljöteknik och energieffektiv Swerea SICOMP Kompositmaterial, process-‐ och produktutveckling Swerea SWECAST Gjutna metaller-‐, produkt-‐, material-‐, process-‐ och miljöutveckling
Figur 2.1: Sammanställning av moderbolaget Swerea AB [Swerea, 2010].
2.2 LaRay AB
Informationen är baserad på fyra besök inklusive intervjuer och mejlkontakt med produktionsansvarig Lars Ruud och handledare Anders Klässbo under september-‐december 2010 samt via deras hemsida. LaRay AB är ett företag med verksamhet inom legolackering, beläget 50 km norr om Göteborg på Tjörn, med en fabrikslokal på 1700 m2 samt ett lager på 380 m2. Deras verksamhet startade år 2001 och de har idag 23 anställda och en omsättning runt 21 Mkr. De erbjuder våt-‐ och pulverlackering där godsen varierar i geometri, storlek och material men de har specialiserat sig på gods med högre krav, speciellt gjutgods. De vill kunna erbjuda kunden en helhetslösning där de förutom lackering även utför bearbetning i form av montage, sammansättning och trycktjänster och ser till kundens logistikbehov och kan leverera direkt till slutkund. Därför kör de i tvåskift med en årlig drifttid på drygt 4300 timmar [17].
Produktionsprocesserna innefattar ett uppvärmt förbehandlingsbad, torkugn, samt en härdugn. I dagsläget används denna värme indirekt som lokalkomfort och resterande värme släpps ut på baksidan av industrilokalen. Denna värme är ett uttalat problem som man önskar minska. Industrilokalen har byggts ut flera gånger då den från början inte var utformad för lackerings-‐ verksamhet. Anläggningen och industrilokalen illustreras nedan i figur 2.2 där produktions-‐ producerad värme är markerat rött och där kylt område innanför lagerport är markerat blått [17].
Figur 2.2: Schematisk ritning över LaRay:s anläggning [modifierad ritning: LaRay AB, 2010].
2.3 QPC AB
Kort introduktion för QPC AB och dess verksamhet har fastställts med hjälp av Charlotte Bergek. QPC AB ligger i Nässjö och utför i huvudsak pulverlackering. De har en energianvändning på 2 GWh per år med en drifttid på 2200 timmar per år. De omsätter 20 Mkr, har 16 anställda samt en lokalyta på 2500 m2 med ett lager på 1300 m2. Deras förbehandlingsbad värms av fjärrvärme medan torkugn, primerugn samt härdugn värms av gasol och primerbox, kylzon och pulverbox drivs av el.
METOD 9
3. Metod
Detta kapitel förklarar hur arbetet har planerats och genomförts. Insamlingen av data och fakta samt aktuella mätningar redovisas därefter och de antaganden som gjorts klargörs.
3.1 Genomförande
Examensarbetet startades med att en rapportstruktur togs fram och en tidsplan fastställdes, se figur 3.1. Målsättningen var att projektera arbetet effektivt, ge tydliga inlämningstider samt samla in fakta och data i ett tidigt skede för att kunna fokusera på analys och beräkningar i slutskedet.
Figur 3.1: Tidsplan som illustrerar examensarbetets aktiviteter
Arbetets genomförande delades in i fyra faser med en fakta-‐ och datainsamling, energikartläggning, åtgärdsberäkning och avslutningsvis benchmarking, vilket illustreras i figur 3.2. Fakta-‐ och datainsamlingen inkluderade en litteraturstudie kring pulverlacktekniska processer och en fallstudie hos LaRay där information, data och mätningar samlades in.
I den andra fasen genomfördes energikartläggningen med hjälp av den systematik som studerats vid LiU, där man samlar in och mäter relevanta data kring energianvändningen. Resultatet sammanställdes först i grafer för anläggningens elanvändning under ett genomsnittsdygn och el-‐ effektbalans. Även energibalans, energikällors fördelning, total energi-‐användning samt dess fasta och rörliga kostnader togs fram och sattes in i grafer. Den totala energianvändningen staplades upp i ett fiskbensdiagram med hjälp av loggningsresultat, energibalanser och Excel-‐tillägget EnSAM.
Under den tredje fasen av arbetet fastställdes och beräknades möjliga energieffektiviserande åtgärder för anläggningen. Den pinchtekniska analysen användes för att undersöka dessa möjligheter och en ekonomisk återbetalningsplan beräknades för de olika fallen. Avslutningsvis i den fjärde fasen genomfördes en jämförelse (benchmarking) mot QPC med resultatet från energikartläggningen samt beräknade åtgärder. Denna jämförelse genererade generella energieffektiviseringsåtgärder för ytbehandlingsindustrin.
Figur 3.2: Arbetets fyra genomföringsfaser
Parallellt utförde Charlotte Bergek en fallstudie vid QPC och en dialog fördes kontinuerligt under arbetet samt med handledare Anders Klässbo. Alla företagsbesök genomfördes tillsammans med Bergek eller Klässbo. Handledare Patrik Thollander uppdaterades främst via mejlkontakt men även under en halvtidsopponering vid LiU.
Andra aktiviteter av betydelse har varit deltagande vid två ENIG-‐möten, SPF:s årliga medlemskonferens, företagsbesök hos Toyota Handling Material, vägledning från Bergek:s handledare Simon Harvey vid Chalmers samt möte med Anders Jansson från Greiff AB.
3.2 Faktainsamling
Faktainsamlingen visar hur litteraturstudien och fallstudien hos LaRay har genomförts.
3.2.1 Litteraturstudie
Lackeringsindustrin innehåller många energikrävande och avancerade processer där en viss grundläggande förståelse behövs för att kunna analysera dess potentiella energieffektivisering. Därför utfördes tidigt en litteraturstudie kring pulverlacktekniska processer, med inslag av dess historia samt hur industrin ser ut i dagsläget. Även relevanta energikällor, metoder för energi-‐ kartläggning, värmeväxlare, ventilationssystem, kompressormodeller samt pinchteknisk analys studerades.
Till stor del användes litteratur från Svensk Pulverlackteknisk Förening (SPF), Swerea IVF, Linköpings universitet, Chalmers tekniska högskola och Energimyndigheten. Utöver dessa har flertalet företag med anknytning till den här typen av produktion kontaktats och gett förklaringar för deras processer.
3.2.2 Fallstudie
En fallstudie utfördes hos LaRay genom att samla in information via intervjuer vid företagsbesök, telefon-‐ och mejlkontakt, deras hemsida samt sammanställd fakta från tidigare kartläggning utförd av Swerea IVF. Under första besöket fanns tid avsatt för rundvandring och frågor, se dessa i bilaga 3. Vid det andra, tredje och fjärde besöket samlades information om anläggningen, mätningar utfördes på produktionsprocesserna och hela anläggningen fotograferades.
3.3 Datainsamling
Datainsamlingen förklarar hur all data har samlats in i form av givna data från Swerea IVF, företagsbesök (se frågor i bilaga 3) samt kontakt med kunniga aktörer inom ytbehandlingsindustrin, se avgörande svar i bilaga 4.
3.3.1 Givna data
Befintlig kartläggning utförd av Klässbo under 2009 sammanställdes och analyserades. Denna kompletterades vid företagsbesök genom att få aktuella energipriser, drifttider, anläggningsritningar, processflöden och produktionsplanering av produktionsansvarig Lars Ruud.
Vid beräkning av åtgärdsförslag och analys av dess genomförbarhet kontaktades aktörer inom värmeväxlar-‐, kompressor-‐, härdugns-‐ och anläggningsmarknaden (Coiltech, Atlas Copco, Triab och Greiff) för att få specifikationer och prisuppgifter. Även Thollander och Harvey har kontinuerligt uppdaterats för att godkänna framtagna och beräknade data.
METOD 11
3.3.2 Elmätningar
För att fastställa egentlig energianvändning och kartlägga vilka processer som effektiviseras utfördes elmätningar hos produktionsprocesserna. Elmätningarna utfördes först momentant med utrustning från Swerea IVF för att se om de tre faserna var likvärdiga, få fram ett medelvärde på huvudspänningen och effektfaktorn cos ϕ. Dessa värden användes för att fastställa placering av loggutrustning samt jämfördes med märkeffekterna hos de olika komponenterna. Sju stycken strömtänger mätte strömmen i en fas och gjorde kontinuerliga elmätningar med dagloggers under perioden 28 september – 5 oktober 2010, se figur 3.3. Programmet EasyView 5.0 användes för att tömma dem. Av dessa tänger gav fem utslag var 1,5 minut och två av dem var 15 sekunder beroende på vilken process de mätte. Detta utfördes i samråd med Jakob Rosenqvist från Linköpings universitet och med medverkande elektriker Jerry Börjesson från Swerea IVF.
Figur 3.3: Strömtång med filmburk en s.k. daglogger [Foto: Göran Nilsson, Peter Karlsson, 2001].
3.3.3 Flödes-‐ och temperaturmätning
För att räkna fram mass-‐ och energibalanser mättes flöden (m3/h) och temperaturer (oC) ut ur härdugnens luftslussar och ugnsmynning. I första hand användes en kombinerad temperatur-‐ och flödesmätare från Swerea IVF. Dess maxtemperatur låg kring 100 oC enligt Dan Johansson på Swerea IVF och var uppbyggd med en liten propeller som gav ett flödesutslag samt en temperatursensor ihopkopplad till en analogskärm. Då denna inte kalibrerats under lång tid samt temperaturerna var högre än vad utrustningen klarade av gav den ett opålitligt utslag. Därför införskaffades en nykalibrerad temperaturmätare som klarade en högre maxtemperatur (350 oC).
För att mäta temperaturerna på produktionsprocessernas utsida och godsen samt se eventuella värmeförluster användes termografering med en värmekamera av märket Testo från år 2010. Även stora delar av anläggningen blev fotograferad för att mäta temperaturskillnader i lokalen samt illustrera dess uppbyggnad efter besöket. Godsets temperatur mättes med en temperatursensor som fästes på godset och följde med genom hela förbehandlingen och torkugnen. Data från tidigare godsmätningar i härdugn, godsens vikt och hastighet skickades från Lars Ruud.
3.4 Analys
All insamlad fakta och data har analyserats och använts för ta fram produktionsprocessernas värmebehov, investeringsmöjligheterna samt benchmarking.
3.4.1 Ekonomi
En ekonomisk analys utfördes med hjälp av nuvärdesmetoden och därefter beräkning av payoff-‐ tiden. Nuvärdesmetoden värderade grundinvesteringens lönsamhet med hänsyn till framtida in-‐ och
utbetalningar genom att använda sig av LaRay:s kalkylränta. Payoff-‐metoden genererade den tid det tar till investeringens inbetalningsöverskott täcker grundinvesteringsbeloppet.
3.4.2 Benchmarking
Benchmarking är enligt Nationalencyklopedin (2011) definierat som ett riktmärke där man mäter hur väl exempelvis ett företag eller en bransch presterar jämfört med andra företag eller branscher. Det kommer ursprungligen från företagsekonomin där man vill kunna jämföra sin verksamhet internt eller externt mot liknande konkurrerande aktörer, alternativt funktionsbaserat mot de externa aktörer som anses bäst [28].
Den interna jämförelsen utfördes i form av en energikartläggning hos LaRay. För ökad förståelse fanns även den mindre lackeringsanläggningen hos Swerea IVF tillgänglig. Den konkurrensbaserade externa jämförelsen av energianvändningen utfördes kontinuerligt gentemot QPC där Bergek gjorde en fallstudie. QPC besöktes flertalet gånger för ökad förståelse för produktion, energianvändning och möjliga åtgärdsförslag.
I samband med SPF:s årliga medlemskonferens i Vadstena inkluderades ett besök hos Toyota Material Handling Sweden (tidigare BT Svenska). Deras nya lackeringsanordning presenterades, som har tagit hänsyn till energianvändningen vid planläggning. Detta utgjorde ett framstående exempel och gav en funktionsbaserad benchmarking. Under konferensen presenterades även examensarbetet och dess målsättning för större delen av de svenska aktörerna i den pulverlacktekniska ytbehandlingsbranschen.
3.5 Antaganden
De fakta och data som inte kunnat fastställas har istället antagits. De har därefter blivit jämförda gentemot med Bergeks resultat och kunniga ytbehandlingsaktörers erfarenheter.
3.5.1 Produktion
Drifttid antogs med hjälp av jämförelse med tidigare elanvändning under åren 2008 -‐ 2010, intervju med produktionsansvarig Lars Ruud och en veckas loggning av elanvändningen. Produktionen antogs ske 12 månader per år och 24 dagar per månad i tvåskift. Drifttiden antogs pågå från måndag till fredag under 17 timmar samt 5 timmar på söndagar, vilket gav en produktionstid på 4 320 timmar per år.
3.5.2 Energikartläggning
Den kontinuerliga elmätningen fick representera en standardvecka ur energianvändning. Amperen räknades om till kW med hänsyn till loggutrustningens faktorer, cos ϕ och om det var fas-‐skillnader. Medelvärden från loggningen användes framför momentanmätningar för att redovisa eleffekt och energianvändning. Elskåp 1 fördelades mellan förbehandling, torkugn och härdugn i samråd med Jerry Börjesson. Den loggade elanvändningen omräknat till ett år gav en total elanvändning på 755 MWh för 2010, vilket är 63 MWh per månad. Loggningen visar en produktionselanvändning på 10,8 MWh av debiterad el, vilket ger 70 % produktionsprocesser och 30 % stödprocesser. När alla fördelade processer adderades gavs ett värde som var likvärdigt alla tre elskåpens totala värde. Härdugnens elanvändning togs fram genom att ta bort förbehandling och torkugn ur elskåpets mellandel samt addera loggningen av de 6 värmefläktarna som inte ingick i ovan-‐ eller mellandelen. De totala produktionsprocessernas MWh per timme divideras med totalen för att få fram andelarna
METOD 13
av drift, standby, uppstart, natt och helg. El-‐effekten för uppstart antas vara densamma som loggningens medelvärde från dess veckas starter.
Pulverboxens loggutrustning drog konstant 0,97 A, vilket togs bort innan omräkning till kW. Stödprocesserna loggades inte utan tidigare sammanställd energikartläggning användes. I samråd med Johansson på Swerea IVF har torkugnens gasolförbrukning fastställts till 50 kW av sin potentiella 500 kW. Förbehandlingen anses använda total 46 kW av sina 270 kW.
Gasolanvändningen loggades kontinuerligt via leverantören och gav data åt standardveckan och en månadsanvändning där 12,8 MWh per ton [30]. Förhållandet mellan förbehandling och torkugn antogs genom att beräkna värmebehovet för förbehandlingen och torkugnen. Under loggningsveckan var gasolanvändningen 5,7 MWh men med en pikdag som höjer det totala värdet markant. Jämfört mer årlig gasolanvändning valdes ett medelvärde på 5 MWh per vecka.
Energikostnaderna baserades på el-‐, nät-‐ och gasolfakturor från juni, juli och augusti 2010.
3.5.3 Beräkningar och pinchteknisk analys
Flöden och temperaturer för ugnarna vid pulverlack var givna på ritningar över anläggningen. Vid våtlackering antogs härdugnens luftslussars temperaturer efter termograferade bilder och intervju med produktionsansvarig. Medelvärden på densitet och Cp inom aktuellt temperaturintervall användes i den pinchtekniska analysen. Luftslussarnas strömmar behölls sammanfogade för att uppnå högsta möjliga driv och värmeinnehåll. Godsflödet har beräknats för tre kunder A, B och C genom att veta antalet delar som lackeras under en specifik tidsperiod samt total vikt för gods och hängare. Godsens och omgivande ytors temperaturer är baserade på termograferade bilder.
Andelen utifrån kommande luft hos torkugnens luftslussar beräknas de vara 80 %. För härdugnen innebär den 60 % vid 200 oC pulverlackering, 70 % vid 140 oC våtlackering och 50 % vid 70 oC våtlackering. Transmissionsförlusterna beräknades för ugnarnas tak och väggar. Tjockleken hos stål och stenull antogs till en tjocklek på 200 mm i båda ugnarnas väggar samt torkugnens tak efter diskussion med Dan Johansson från Swerea IVF samt Lars Karlsson från Triab AB. Härdugnen antogs ha en isoleringstjocklek på 310 mm. Rsi och Rsy antogs kunna bortses ifrån. Godsens uppvärmningsbehov togs fram genom att fästa en temperatursensor på godset och köra den genom förbehandling och torkugn. Tidigare mätdata från härdugn gavs från produktionsansvarig. Dessa gav godsets temperatur beroende på typ av gods. Värden för en framtida kylzon antogs med värden på flöden och temperaturer efter rådfrågan med anläggningsexperten Anders Jansson från Greiff AB.
