21.1 Energianvändning

Energianvändning avser i detta kapitel främst köpt energi. Lagstiftaren, svenska staten, mäter och definierar energianvändning som levererad energi (in till gjuteriet), vilket i praktiken innebär att den är köpt. Gjuteriets energianvändning är därmed i princip synonymt med köpt mängd av olika energislag så som elektricitet, olika drivmedel och fjärrvärme.

En spillvärmedriven process har med ovan definition ingen energianvändning alls, så länge inte spillvärmen är levererad från grannen vill säga.

Beroende på energianvändningens storlek (mängd levererad energi till gjuteriet) omfattas gjuteriet av olika lagkrav. Om gjuteriet använder mer energi än:

• 2,8 GWh/år, krav på energikartläggning eller på energiledningssystem (alternativt miljöledningssystem med tillägg för energikartläggning).
• 23,6 GWh/år, krav på energiledningssystem (alternativt miljöledningssystem med tillägg för energikartläggning).

Se vidare kap 21.2 som handlar om energiledning, energikartläggning och lagkrav.

I Sverige använder gjuterier främst elektricitet, till skillnad från stora delar av världen där fossil gas är dominerande. Under åren 2018-2020 utgjordes cirka fem sjättedelar av den levererade köpta energin av elektricitet, medan resterande sjättedel främst utgjordes av fossila bränslen. I figuren nedan redovisas officiell statistik från Statens Energimyndighet för SNI-koden ”Gjuterier och övriga metallverk”.

Figur 1: Nationell statistik för energianvändning, inom kategorin ”Gjuterier och övriga metallverk” [Källa: SCB].

Tårtdiagrammet till vänster i figuren ovan visar hur dominant elektricitet är. På andra plats följer bränngaserna propan/butan (ljuslila) respektive naturgas (mörklila) på tredje plats.

Not 1: Elektricitet är nerskalad faktor 10 i stapeldiagrammen till höger och är alltså en faktor tio kortare än övriga staplar.

Not 2: Sten- och brunkol fick förmodligen inte vara med år 2018 och år 2020 därför att för få företag använde bränslena. De är därför (förmodligen) manuellt satta till noll i statistiken av sekretesskäl, fastän verklig användning kanske är kring 2019 års nivå även år 2018 och år 2020. Motsvarande kan gälla för tunn eldningsolja år 2020.

Not 3: Inga (fasta) biobränslen köptes alls eller bara av ett fåtal gjuterier, så att statistiken manuellt satts till noll även här.

Not 4: Naturgasnätet innehåller förutom fossil metan även inblandad bio-metan.

På sikt skall hela samhället bli fossilfritt, vilket bland annat innebär att bränslen och elektricitet i framtiden inte kommer kunna vara baserat fossila källor på samma sätt som idag. Redan nu finns fossilfria bränngaser och fossilfri elektricitet att köpa, vilket i princip leder till en fossilfri energianvändning. Övergången bedöms inte bli alltför tekniskt komplicerad för gjuterierna (med avseende på energi), även om olika teknikers kostnadseffektivitet kommer att förändras och andra tekniker kanske bli mer konkurrenskraftiga i framtiden än vad de är idag.

Fördjupning:

Det är svårt att förutspå framtiden. På lång sikt kommer förmodligen förbränningsbaserade tekniker att konkurreras ut av elektriska, så som redan skett och sker i hushållen med till exempel: fotogenlyktor, fotogenkylskåp, oljepannor, förbränningsbilar och förbränningscigaretter.

ELEKTRICITET: De allra flesta större förbränningsdrivna gjuteriprocesser kan elektrifieras redan idag, med några få undantag där el ännu har tekniskt svårt att komma åt. Elektriska lösningar är i regel mer energieffektiva än förbränningsbaserade, de har till exempel inga heta avgaser och har ofta bättre precision att leverera värmen där den behövs.

Ett exempel på ovan tekniska svårighet kan vara att nå riktigt höga temperaturer för härdning via värmning i ugn till ca 1200°C. Här är det svårt för elektricitet. Däremot finns eldriven härdning via induktionsvärmning: Då bildas inga heta avgaser och någon ugnskropp behöver inte värmas upp och precisionen är så hög att inte ens hela godset värms upp, utan enbart ytan på godset kan värmas (sedan finns så klart anledningar till att inte allt gods induktionshärdas).

Poängen är att elektriska lösningar ofta skiljer sig åt i produktionsprestanda, process och i behov av distributionssystem, med mera, vilket gör att de för det mesta inte enbart går att jämföra pris per kilowattimme för levererad energi, eller investeringskostnad.

BRÄNSLEN: Fossila gaser går redan nu att ersätta med beprövade fossilfria alternativ. Exempel på fossilfria gaser är biogas, det vill säga bio-metan, liksom bio-propan, eller blandningen bio-gasol. Även DME (dimetyleter) kan vara ett framtida fossilfritt alternativ som kan tillverkas både med elektricitet och biomassa. DME påminner om LPG (liquid petroleum gas) och är i vätskeform vid 5 bars tryck. Beroende på vilken gas ställs lite olika krav på distributionssystem, brännare, med mera, vilket innebär att ett bränslebyte till annan sort eller kvalitet kan vara kostsamt oavsett om det är fossilt eller biologiskt ursprung på gasen. Utöver gasformiga biobränslen så finns flytande biobränslen så som alkoholerna bio-metanol, bio-etanol och bio-butanol och fastbränslen så som bio-kol och bio-koks.

BIOBRÄNSLEN vs ELEKTROBRÄNSLEN: I framtiden kommer biomassa (inklusive bio-avfall) att ersätta fossil olja som råvara till material och kemikalier. Många tror att betalningsviljan för material och kemikalier kommer att vara högre än för bränsle, det vill säga att biobränslen kommer att bli för dyra. Elektriskt tillverkade kemikalier och bränslen, så som e-vätgas, e-metanol, e-DME, e-ammoniak, kanske blir billigare än biobaserad motsvarighet. Dessa kommer oavsett alltid att kosta mer än den elektricitet de är producerade med. Elektrolys av vatten till vätgas är startpunkten för samtliga dessa e-bränslen och e-kemikalier. Vätgas är dock svårt att lagra och distribuera. Ytterligare omvandling till andra kemikalier/e-bränslen kan därför bli aktuellt, trots ökade produktionskostnader genom att addera kol, kväve och/eller syre till vätet. År 2024 är el-verkningsgraden för vätgaselektrolys i storleksordning 75%.

BILLIG ENERGI: De senaste hundra årens ökade välstånd har till stor del varit drivet av billig fossil energi och billiga fossila råvaror. En framtid utan fossil energi behöver dock inte innebära dyr energi. Redan idag är antingen sol- eller vindkraft det billigaste kraftslaget att bygga globalt och inom Europa inklusive att subventioner räknas in i kostnaden (med undantag för ett fåtal länder globalt) och dessa faller dessutom snabbare i kostnad än övriga redan dyrare kraftslag. Mycket lite talar för att förbränningsbaserad kraft så som gas-, biobränsle-, eller oljekraft ska få ett så betydande tekniskt genombrott att de kommer kunna ta kampen. Mycket tyder alltså på fortsatt tillgång till billig energi på längre sikt, däremot kan energimarknaden se annorlunda ut i framtiden. El kan till exempel bli billigare än bränslen i stället för tvärt om.

De köpta energislagen används av produktionsprocesser respektive stödsystem. Tårtdiagrammen nedan åskådliggör i vilka huvudsakliga processer de köpta energislagen förbrukas. Dessa ska inte tas för bokstavligt, då spridningen mellan gjuterier är stor och diagrammen är baserat på ett fåtal gjuterier.

SANDGJUTERI:

Figur 2: Fördelning av energianvändning som medelvärde från sex stycken sandgjuterier. Värme avser stödprocessen komfortvärme/lokalvärme, medan varmvatten avser tappvarmvatten.

PRESSGJUTERI:

Figur 3: Fördelning av energianvändning som medelvärde från sex stycken pressgjuterier. Värme avser stödprocessen komfortvärme/lokalvärme, medan varmvatten avser tappvarmvatten.

Produktionsprocessernas energianvändning.

Produktionsprocesserna står normalt för halva energianvändningen eller mer på ett gjuteri. Smält- och värm- och varmhållningsprocesserna är de i särklass mest energikrävande processerna i ett gjuteri. Totalt sett använder gjuteribranschen ett stort antal olika ugnstyper, för olika ändamål så som smält-, varmhållnings- och värmebehandlingsugnar för kontinuerlig respektive satsvis produktion. Många smältugnar är eldrivna induktionsugnar (se degelugnar/elektriska degelugnar i kapitel 13.2) även om tekniken med kokseldad kupolugn är tonnagemässigt stor för gjutjärn. Övriga ugnsystem bygger främst på användning av gas (så som naturgas, gasol och propan).

Främst smältning, men även värmebehandling, är processer som genererar stora värmeförluster, både i och efter processen. I praktiken blir 40-60% av tillförd energi värmeförluster vid smältning som inte kommer smältan till del. För de återstående 60-40% som kommer till nytta i form av smält metall, tas inte svalningsvärmen till vara i någon större omfattning i efterföljande processteg. Tvärt om används ytterligare köpt energi för att kyla bort det mesta av denna värme, inte minst via ventilations-, utsugs- och kylfläktar.

En effektivisering av ugnsprocesser i kombination med värmeåtervinning kan därför starkt bidra till en reduktion av det gjutna godsets resurspåverkan.

Stödsystemens energianvändning.

I tårtdiagrammen ovan står ventilation och (komfort-)värme, tillsammans för knappt en fjärdedel av total köpt energi. Dessa två stödsystem syftar till att främja arbetsmiljön och inte gjutningen, medan deras energianvändning är till stor del en direkt följd av gjutningen. Om hälften av köpt energi går till gjutning, så åtgår alltså ytterligare nästan en fjärdedel till att föra bort föroreningar och övervärme från gjutningen, totalt nästan tre fjärdedelar av köpt energi. Detta beror delvis på att avgjutning i regel inte sker i ett avgränsat slutet utrymme, vilket får som följd att ventilationsbehovet för att människor ska kunna vistas i samma utrymme blir stort. Detta ger i sin tur ett betydande behov av elektricitet till fläktdrifter. Som följd av ventilationsbehovet blir det även ett betydande komfortvärmebehov (trots all spillvärme från produktionsprocesserna) för att motverka utkylda lokaler och inte minst kalldrag som kan uppstå i en helt annan ände av lokalen än den där det finns överskottsvärme.

Förutom stödprocesserna ovan är tryckluft ofta en relativt stor el-användare. Tryckluft används bland annat till blästring. Övriga stödsystem är relativt små, så som belysning, tappvarmvatten, kontorsapparater, etc. Därmed inte sagt att det inte finns lönsamma åtgärder eller att användningen i dessa system är låg i absoluta tal.

Figuren nedan åskådliggör ungefärlig fördelning mellan de tre stora spillvärmekällorna på ett sandgjuteri. Värmen i smältan är inte direkt åtkomlig med dagens teknik, utan först vid /uppslag då den dels spätts ut i sanden och i formen, dels ”förlorats” mot omgivningen. Spridningen mellan gjuterier stor, i synnerhet gällande fördelning mellan sand, form och gods.

Figur 4: Fördelning av stora spillvärmekällor på ett sandgjuteri. Figuren är baserad på ”Värmeåtervinning från svalnande gjutgods, SWEREA SWECAST rapport Swerea Swecast rapport 2011-003 som finns här (https://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ri:diva-54735)

Pressgjutning har motsvarande spillvärmekällor, där värme delvis kyls bort via vatten- eller oljekylsystem i stället för via sand. Verktyget tar emot mycket av värmen i smältan. Nedan återfinns ett exempel på energibalans för själva verktyget, där smälta in utgör 84% av tillförd energi och godset tar med sig 25% av tillförd energi när det stöts ut. Bilden finns även i kapitel 10.6.6. som handlar om verktygstemperatur.

Figur 5: Värmeflödesdiagram (Sankey-diagram) för ett verktyg i en varmkammarmaskin tagen från kapitel 10.6.6. Värden i figuren är fördelningen i %.

A. Rörelseenergi
B. Smälta
C. Uppvärmning av munstycke
D. Smörjning
E. Kylning
F. Temperaturstyrning
G. Gjutgods
H. Termisk strålning
I. Värmeledning och konvektion

Fördjupning kring spillvärme

Enligt fysikens lagar kan energi inte förbrukas utan bara byta form. Bränsle kan förbrukas, men inte dess energiinnehåll. Det byter bara form från bränsle, till värdefull het processvärme, heta avgaser och till mer eller mindre värdelös spillvärme. Jämför med att späda ut en kopp svart kaffe med vatten. Allt kaffe finns fortfarande kvar i koppen, men det har blivit ett utspätt blask. Exakt så fungerar det med spillvärme, det köpta energislagets energi har blivit utspädd. Värdet beror bl.a. på temperatur (°C), mängd (kWh), tillgänglighet (kapacitetsfaktor, när på dygnet, etc.), åtkomlighet och så klart på mottagarens preferenser som ska använda värmen. Även för mottagaren är temperatur, mängd, tillgänglighet och åtkomlighet avgörande.

Fyra aspekter för värdeskapande och lönsam värmeåtervinning:

• Kylsystem är byggda för att kyla så billigt som möjligt. De är inte byggda för att ta vara på temperatur och värme. De späder därför vanligtvis ut värmen till låg temperatur. Ta reda på det verkliga behovet hos det som kyls och fundera på om det går att ändra på kylning och kylare så att högre temperatur erhålls på kylvatten/kylluft.
• Vattenkylda processer har värmen väl samlad i ett koncentrerat flöde som är lätt att värmeväxla, distribuera och lagra.
• Processer där värmevattnet går att få upp till över 75°C är i regel mer värdefulla än kallare värmevatten, eftersom värmebehov (kunder till spillvärmen) så som tappvarmvattenberedare och komfortvärmesystem ofta behöver ca 60-70°C. Fjärrvärme vill helst ha ca 90°C men klarar sig ibland med ca 75°C eller lägre.
• Luft är en mycket sämre energibärare än vatten, den tar stor plats (mer än 1 000 gånger så stor plats som vatten) och kan därför inte enkelt lagras, men den kan så klart användas väldigt lokalt och omedelbart, eller så kan den mot en kostnad och temperaturförlust värmeväxlas till ett värmevatten.

För vidare läsning rekommenderas ”GRETA – Värdeskapande värmeåtervinning – huvudrapport”, RISE rapport 2023:95, som finns här.