1. No category

AALTO-YLIOPISTON TEKNILLINEN KORKEAKOULU
Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta
Koneenrakennustekniikan laitos
Jaakko Niemensivu
ENERGIATEHOKKUUDEN PARANTAMISMAHDOLLISUUDET KONEPAJOISSA
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten
17.5.2010
Espoo
Työn valvoja: Professori Esko Niemi
Työn ohjaaja: Kauppatieteiden tohtori Timo Airaksinen
AALTO-YLIOPISTON TEKNILLINEN KORKEAKOULU
Tekijä:
Jaakko Niemensivu
Työn nimi:
Energiatehokkuuden parantamismahdollisuudet
konepajoissa
Päivämäärä:
Tiedekunta:
17.5.2010
Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta
Laitos:
Koneenrakennustekniikan laitos
Professuuri:
Työn valvoja:
Kon-15 Tuotantotekniikka
Professori Esko Niemi
Työn ohjaaja:
Kauppatieteiden tohtori Timo Airaksinen
DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ
Sivumäärä:80+1
Energiatehokkuuden parantaminen on noussut tärkeäksi kehityskohteeksi yrityksissä, niin myös
konepajoissa. Työn tavoitteena oli selvittää, miten energiankulutus konepajoissa jakautuu sekä millaisin
toimin konepajojen energiatehokkuutta voitaisiin parantaa nykyisestä. Työ painottuu konepajan
tuotantokoneiden (työstökoneet) energiankulutukseen sekä energiatehokkuuden parantamismahdollisuuksiin,
sillä huolimatta siitä, että tuotantokoneet muodostavat suuren osuuden energian kokonaiskulutuksesta, on
näiden osuus tyypillisesti jäänyt pieneksi tähän mennessä suoritetuissa energiatehokkuuden
parantamisprojekteissa.
Kirjallisuuden ja aiemmin suoritettujen tutkimusten kautta on pyritty selvittämään, mihin energia
tyypillisesti tuotantolaitoksissa kuluu, miten kulutus koneilla jakautuu, ja minkälaisin parannuksin säästöjä
olisi mahdollista saavuttaa. Työtä varten myös haastateltiin pitkään alan koneiden kanssa työskennelleitä
asiantuntijoita heidän näkemyksistään energiatehokkuuden parantamisesta ja kokemuksistaan teollisuudessa
suoritetuista energiatehokkuuden parannusprojekteista. Tämän lisäksi on tutustuttu konepajoissa
suoritettuihin energiakatselmuksiin sekä -analyyseihin, joista on saatu tilastotietoa energiankulutuksen
jakautumisesta konepajoissa sekä tietoa ja esimerkkitapauksia konepajoissa suoritetuista parannuksista.
Voidaan todeta, että koneiden ja laitteiden osalta energiatehokkuus on parantunut viime vuosina selvästi.
Nykyiset markkinoilla olevat työstökoneet ja olemassa olevat moottorit sekä muut komponentit tarjoavat
mahdollisuuden parantaa konekannan energiatehokkuutta runsaasti verrattuna nykytilanteeseen. Näiden
koneiden yleistyessä konepajoissa tulee energiatehokkuus parantumaan merkittävästi. Uusien laitteiden ja
koneiden suurten hankintakustannuksien vuoksi olisi kuitenkin ensisijaisesti pyrittävä vähentämään nykyisin
käytössä olevien koneiden energiankulutusta esimerkiksi minimoimalla koneiden tuotannossa ja seisoessaan
kuluttama energiamäärä. Käytännön tasolla hyödyn saavuttaminen ja energiatehokkuuden huomioiminen
konepajassa vaatii yritykseltä itseltään vahvaa pyrkimystä jatkuvaan energiatehokkuuden parantamiseen,
jottei energiatehokkuuden parantuminen jää muiden tuotantotavoitteiden jalkoihin.
Avainsanat: energiansäästö, energiatehokkuus, konepaja, lastuava työstö, työstökone
AALTO UNIVERSITY
SCHOOL OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
ABSTRACT OF THE MASTER'S THESIS
Author:
Jaakko Niemensivu
Title of the thesis:
Possibilities of Improving Energy Efficiency in
Machine Shops
Date:
Faculty:
17 May 2010
Faculty of Engineering and Architecture
Department:
Department of Engineering Design and Production
Professorship:
Supervisor:
Kon-15 Production Engineering
Professor Esko Niemi
Instructor:
Timo Airaksinen, D.Sc.(Econ.)
Number of pages: 80+4
Improvement of energy efficiency has emerged as an important area where the companies including machine
shops can achieve savings. The objective of this thesis was to examine how the energy consumption is
typically distributed in the machine shops and how the energy efficiency of the machine shops could be
improved. The thesis focuses on the energy consumption of the machine tools and other production
machines.
Literature and former researches have been used as a base for the research. The typical distribution of the
energy consumption for production machines and the typical ways to achieve savings are presented. Based
on the results of the literature research interviews were arranged with professionals working daily with
machining and sheet metal machinery. The interviewed persons presented their ideas of how energy
efficiency in machine shops can be improved and their experiences of implementation of improvements in
the area of energy efficiency. Energy inspections done in the machine shops were also used to provide
statistical information about the distribution of energy consumption in machine shops. The inspections have
also been a source of information about typical improvements that have been implemented in the machine
shops so far.
The energy efficiency of the machines and the components used in the machines has improved a lot in recent
years. The machine tools, motors and all the other components on the market today offer a way to improve
the current energy efficiency of machine shops by a lot. When the machine shops start to utilize these
modern machines and components it will result in an improvement of energy efficiency. Though as the
purchasing prices of the new machinery and the new components are high, the principal method to achieve
some savings should be cutting down the energy consumption of the machinery currently in use. In order to
gain some results in the field of energy consumption there is a need for a long-term commitment. Instead of
single actions and projects the aim should be continuous improvement in the area of energy efficiency.
Keywords: energy efficiency, energy savings, machine shop, machine tool
ALKUSANAT
Haluan kiittää työn ohjaajiani Timo Airaksista ja Veli-Matti Kuismaa Teknologiateollisuus
ry:stä kärsivällisyydestä työn välillä tuskallisen hitaan etenemisen kanssa.
Kiitokset myös työn valvojalle professori Esko Niemelle sekä koko Tuotantotekniikan
laitoksen henkilökunnalle tuen ja työpisteen tarjoamisesta.
Haluaisin esittää myös suuret kiitokset kaikille työhön osallistuneille haastateltaville sekä
yrityksille, jotka antoivat energiakatselmuksiaan käytettäväksi tutkimuksessa.
Haastatteluista kertyi sekä aineistoa työtä varten että myös kannustusta työn
tarpeellisuudesta.
Suurkiitokset menevät vanhemmilleni, jotka ovat tukeneet ja kannustaneet minua niin
diplomityön kuin myös koko opintojeni ajan.
Helsingissä 16.5.2010
Jaakko Niemensivu
Lyhenneluettelo
AC
Alternating Current, vaihtovirta
BAT
Best Available Techniques, paras käytettävissä oleva tekniikka
CNC
Computerized Numerical Control, tietokoneistettu numeerineen ohjaus
EEI
energiatehokkuusindeksi
EFF
sähkömoottoreiden hyötysuhdeluokitus
ESCO
Energy Service Company, energiansäästömalli
EK
elinkeinoelämä
KTM
kauppa- ja teollisuusministeriö
NC
Numerical Control, numeerinen ohjaus
PK-yritys
pieni ja keskisuuri yritys
SEC
ominaisenergiankulutus
SECref
ominaisenergiankulutuksen referenssiarvo
TEM
työ- ja elinkeinoministeriö
Sisällysluettelo
Lyhenneluettelo
1
2
Johdanto ................................................................................................................ 1
1.1
Tutkimuksen tausta ......................................................................................... 1
1.2
Tutkimusongelma............................................................................................ 2
1.3
Tutkimuksen tavoitteet .................................................................................... 2
1.4
Tutkimuksen rajaus......................................................................................... 3
1.5
Tutkimusmenetelmät ....................................................................................... 3
Energiatehokkuus konepajoissa.......................................................................... 5
2.1
Energiatehokkuus ........................................................................................... 5
2.1.1 Energiatehokkuuden mittaristot.................................................................. 7
2.1.2 Energiatehokkuuden parantaminen ............................................................ 8
2.1.3 Teollisuuden energiakatselmukset............................................................ 10
2.1.4 ESCO- toiminta ........................................................................................ 12
2.2
Lastuavat työstökoneet ................................................................................. 13
2.2.1 Työstökoneiden rakenneosat .................................................................... 15
2.2.2 Lastuamisarvot ......................................................................................... 15
2.2.3 Lastuavan työstökoneen elektroniikka ..................................................... 18
2.3
Lastuavien työstökoneíden energiankulutus................................................. 21
2.3.1 Energiankäytön jakautuminen lastuamisprosessissa ................................ 22
2.3.2 Lastuamisprosessin vaiheet ...................................................................... 24
2.3.3 Jyrsimisen energiankäytön tutkimus ........................................................ 26
2.4
Levytyökoneet ja -keskukset.......................................................................... 29
2.4.1 Levytyökoneiden elektroniikka ja sähköiset osat..................................... 30
2.4.2 Laserleikkauskoneissa jatkuvaa kehitystä ................................................ 31
2.4.3 Särmäyspuristimen energiankulutus......................................................... 34
2.5
Tuotannon energiatehokkuuden parantaminen............................................ 36
2.5.1 Energiatehokkuutta parantavat tuotannonjärjestelylliset toimenpiteet..... 38
2.6
Energiaa säästävät ratkaisut työstökoneissa................................................ 42
2.6.1 Seisova kone kuluttaa energiaa ................................................................ 43
2.6.2 ”Stand by” -valmiustilat ........................................................................... 44
2.6.3 Uusilla teknologioilla energiatehokkuutta ja kustannussäästöjä .............. 46
2.6.4 Koneiden käyttötapojen muutoksilla energiatehokkuutta ........................ 48
2.6.5 Muita energiaa säästäviä ratkaisuja .......................................................... 49
3
Tutkimustulokset................................................................................................ 50
3.1
Kysely konepaja-alan asiantuntijoille .......................................................... 50
3.1.1 Kysymysten tausta.................................................................................... 50
3.1.2 Haastatteluiden tulokset............................................................................ 52
3.1.3 Yhteenveto haastatteluista ........................................................................ 54
3.2
Konepajojen energiakatselmukset ................................................................ 55
3.2.1 Energiankulutuksen jakautuminen kohteissa ........................................... 56
3.2.2 Kattavan mittariston merkitys energia-analyyseissa ................................ 59
3.2.3 Katselmuskohteissa havaitut säästöpotentiaalit........................................ 62
3.3
Analyysi työstökoneen energiakustannuksista.............................................. 65
3.3.1 Työstökoneiden energiakustannukset esimerkkikohteessa ...................... 67
3.3.2 Energiatehokkuuden merkitys uutta konetta hankittaessa........................ 69
4
Johtopäätökset .................................................................................................... 71
5
Yhteenveto........................................................................................................... 76
Lähdeluettelo............................................................................................................... 77
Liite 1 Työstökoneiden jaottelu
Liite 2 Kyselylomake konepaja-asiantuntijoille
1 Johdanto
1.1 Tutkimuksen tausta
Teollisuusyritykset pyrkivät nykyään jatkuvasti tehostamaan toimintaansa sekä
hakemaan
säästöjä
kaikilla
toimintansa
osa-alueilla.
Energiankulutuksen
vähentäminen ja energiatehokkuuden parantaminen muodostavat tärkeän osa-alueen,
jolla säästöjä voidaan hakea. Energiankulutuksen vähentämistä on viime vuosina
pyritty edistämään myös useilla valtiollisilla päätöksillä sekä sopimuksilla.
Teknologiateollisuus on osaltaan sitoutunut elinkeinoelämän (Elinkeinoelämän
keskusliitto,
EK)
ja
Kauppa-
ja
teollisuusministeriön
(nykyään
Työ-
ja
elinkeinoministeriö, TEM) välisessä sopimuksessa vähentämään energiankäyttöä
aikavälillä 2008-2016. Sopimukseen liittyneet yritykset, mukaan lukien konepajat,
tavoittelevat vuoteen 2016 mennessä vähintään sopimuksen mukaista yhdeksän
prosenttiyksikön suuruista energiankulutuksen leikkausta. Sopimukseen liittyminen on
kuitenkin ollut yrityksille vapaaehtoista.
Lukuisat
yritykset
pyrkivätkin
näin
ollen
jatkuvasti
parantamaan
energiatehokkuuttaan. Energiatehokkuus on tuottamista mahdollisimman pienellä
energiankulutuksella. Energiankulutuksen vähentäminen sekä pienentää yrityksen
ympäristölleen
tuottamaa
energiahintojen
jatkuvasti
kuormaa
että
kasvaessa.
aiheuttaa
selviä
Kustannussäästöt
kustannussäästöjä
ovatkin
useimmiten
välttämättömiä, jotta ensisijaisesti ympäristölliset tai energiansäästölliset toimenpiteet
tulevat käyttöön teollisuudessa.
Myös työstökonevalmistajat ovat osaltaan markkinoiden vaatimuksesta alkaneet
panostamaan koneidensa energiankulutuksen minimointiin, ja markkinoille onkin jo
tullut koneita, joiden energiatehokkuus on perinteisiä koneita merkittävästi parempi.
Uusien koneiden energiansäästö syntyy usein uudesta tekniikasta koneiden
moottoreissa sekä edistyneemmästä ohjaustekniikasta, jonka vuoksi työstöradat
paranevat ja työstöajat lyhenevät. Teknologiateollisuus on myös osaltaan osallistunut
työstökonealan
ekologiseen
tuotekehitystoimintaan,
1
olemalla
mukana
yhteiseurooppalaisessa
työstökonevalmistajien
ja
-käyttäjien
sekä
tutkimusorganisaatioiden Prolima-projektissa. Prolimassa on pyritty kehittämään
menetelmiä ja työkaluja elinkaarikustannuksiltaan optimoitujen työstökoneiden
suunnittelemiseksi.
1.2 Tutkimusongelma
Konepaja-alan yritykset ovat sitoutuneet valtiolliseen energiansäästösopimukseen,
jolla tavoitellaan yhdeksän prosenttiyksikön energiankulutuksen leikkaamista vuoteen
2016 mennessä. Energiaa konepajoissa kuluu pitkälti tuotantokoneisiin sekä
talotekniikkaan.
Konepajan
energiatehokkuuden
parantamismahdollisuudet
tuotantokoneiden osalta eivät ole olleet kovin hyvin tiedossa, ja näin ollen esimerkiksi
jo
kohteissa
tehdyissä
kiinteistötekniikkaa
koskeviin
parantamispotentiaalin
mahdollista
energiakatselmuksissa
parannuksiin.
tunteminen
on
on
Konekannan
välttämätöntä,
kokonaissäästöpotentiaalia
yleisesti
sekä
jotta
selvittää
keskitytty
vain
energiatehokkuuden
voidaan
arvioida
osa-alueet,
joilta
energiankulutuksen säästöä on mahdollista ja kannattavinta hakea.
1.3 Tutkimuksen tavoitteet
Tutkimuksen päätavoitteina olivat
1. Selvittää,
miten
suuren
energiamäärän
tuotantokoneet
tyypillisesti kuluttavat.
2. Selvittää, millaisin parannuksin energiankäyttöä voitaisiin
vähentää ja näin ollen parantaa energiatehokkuutta.
3. Antaa yleistä ohjeistusta konepajoille energiatehokkuuden
parantamiseksi.
Tutkimuksella
halutaan
selvittää,
kuinka
suuren
energiamäärän
tuotannon
työstökoneet tyypillisesti kuluttavat. Tutkimuksella halutaan myös selvittää, miten
energiatehokkuutta olisi syytä mitata yksittäisen koneen kohdalla, sillä perinteisesti
ongelmana on ollut, että tuotannon energiasäästöjä on ollut vaikea kohdistaa millekään
yksittäiselle toimenpiteelle. Toimintaympäristön muutoksista johtuen vaihteluita
energiankäytössä on usein vaikea kohdistaa mihinkään energiansäästötoimenpiteeseen,
sillä energiankäyttö kasvaa yleisesti toiminta-asteen kasvaessa sekä päinvastoin. Näin
ollen varsinaisia syitä sekä säästökohteita on usein ollut vaikea erotella.
Tavoitteena on myös selvittää, miten yrityksissä on huomioitu energiatehokkuus ja
onko tämän parantamiseksi jo tehty toimenpiteitä sekä toimenpiteet, joilla
työstökoneiden energiatehokkuuden parantaminen on vielä mahdollista. Tutkimuksen
tavoitteena on pyrkiä ohjeistuksen ja neuvojen antamiseen säästöjen saavuttamiseksi
työstökoneiden ja levytyökoneiden energiankäytön osalta.
1.4 Tutkimuksen rajaus
Tutkimuksessa keskitytään konepajoissa käytössä oleviin lastuaviaan työstökoneisiin
sekä levytyökoneisiin. Jotta toimenpiteet, joilla säästöä voidaan saavuttaa, saadaan
selville, edellyttää tutkimus näin ollen myös perehtymistä koneiden käyttämiin
moottoreihin, ohjauspiireihin sekä muihin komponentteihin, jotka oleellisesti
vaikuttavat työstökoneiden ja levytyökoneiden energiankulutukseen. Tällaisiin
kuuluvat
olennaisesti
myös
työstökoneiden
yhteyteen
liitetyt
lisälaitteet.
Pintakäsittelylaitteet sekä muut vastaavat eivät kuulu tutkimuksen piiriin. Myöskään
talotekniikka ei varsinaisesti kuulu tutkimuksen sisältöön.
1.5 Tutkimusmenetelmät
Tutkimuksen tutkimusmenetelminä on käytetty kirjallisuustutkimusta, haastatteluita
sekä tilastollista analyysia. Tutkimuksen pohjana on tehty kirjallisuustutkimus.
Kirjallisuustutkimuksella on yritetty löytää jo tehtyjä tutkimuksia työstökoneiden
energiakulutuksesta ja -tehokkuudesta. Kirjallisuuslähteistä on etsitty myös käytännön
ratkaisuja ja sovelluksia, joita hyödyntämällä olisi mahdollista saavuttaa säästöä
konepajan energiakuluissa.
Tutkimuksen osana on suoritettu myös haastatteluita konepaja-alan asiantuntijoille
(konekauppiaat 4 kappaletta sekä yksi työstökoneen huoltojen parissa työskentelevä
henkilö).
Konekauppiaat
olivat
pääryhmänä
haastateltavia
hankittaessa,
ja
haastateltavien hankinta perustettiin pitkälti Teknisen kaupan liiton jäsenyrityksiin.
Haastatteluilla oli pyrkimys saada kvantitatiivista aineistoa tutkimusta varten, mutta
haastateltavien hankkiminen osoittautui vaikeaksi. Haastatteluiden määrän jäädessä
vähäiseksi, eivät haastatteluiden perusteella saadut tiedot ole tilastollisesti kovinkaan
merkittäviä. Tämän vuoksi haastatteluiden merkitys muodostui pitkälti vahvistamaan
jo tehdyissä tutkimuksissa ilmi tulleita näkemyksiä sekä antamaan kuvaa konepajojen
tämän hetken energiatehokkuusajattelusta. Viimeisenä merkittävänä osana analysoitiin
konepajoissa tehtyjä energiakatselmuksia. Katselmuksista oli tarkoituksena saada
tilastollista tietoa konepajojen energiankäytöstä sekä esimerkkitapauksia mahdollisista
parannuskohteista.
Kirjallisuuslähteinä on käytetty pääosin työstökoneiden energiankäytöstä aiemmin
tehtyjä tutkimuksia ja artikkeleita sekä alan yrityksien tuotteistaan tuottamaa
materiaalia. Empiirisenä materiaalina on käytetty konepajoissa suoritettujen
energiakatselmusten raportteja sekä haastatteluissa kertynyttä dataa.
2 Energiatehokkuus konepajoissa
2.1 Energiatehokkuus
Tuotantoprosessin
energiankulutus
koostuu
kahdesta
osasta:
perus-
energiankulutuksesta sekä vaihtuvasta energiankulutuksesta (Kuusinen et al 2002).
Perusenergiankulutukseen lasketaan kiinteistön energiankulutus sekä energiamäärä,
jonka tuotantolaitteet kuluttavat, kun ne eivät tuota. Vaihtuva energiankulutus sisältää
kaiken tuotantolaitteiden tuotannon aikana kuluttaman energian. Teollisuustuotannon
vaihtuva energiankulutus on yleensä selvästi perusenergiankulutusta suurempaa, mutta
pienellä
käyttöasteella
tuotettaessa
perusenergiankulutuksen
merkitys
kokonaisenergiankulutuksen osana kasvaa.
Tuotantoympäristö on vuorovaikutteinen ja tuotantolaitoksen energiatehokkuuteen
vaikuttavat monet eri tekijät (kuva 1). Kaikki energian käyttö ei ole suoraan
johdettavissa
tuotantokoneille,
vaan
iso
osa
energiankäytöstä
tuotantoympäristön välttämättömiin taustaprosesseihin (Herrmann 2008).
kuluu
myös
Kuva 1.
Tuotantoympäristön energiankulutus (Hesselbach et al. 2008).
Energiatehokkuus on tuottamista mahdollisimman pienellä energiankulutuksella.
Fyysinen
energiatehokkuus
on
energiatehokkuuden
suhteuttamista
tuotettuun
yksikköön (Suomen ympäristökeskus 2008). Energiatehokkuutta on mitattu yleensä
ominaisenergian kulutuksena (SEC), joka voidaan laskea jakamalla energian kulutus
tietyllä
aikavälillä
samanaikaisesti
tuotettujen
tuotteiden
määrällä.
Eri
tuotantoyksikköjen SEC-lukujen vertaaminen on ollut hankalaa, sillä tuotteet ja
tuotantoprosessit vaihtelevat runsaasti. Ominaisenergia voidaan määritellä (Suomen
ympäristökeskus 2008):
SEC =
energiamäärä
valmistusmäärä
 MWh 
=
 t 
(1)
Vertaaminen referenssiarvoon ( SECref ) tapahtuu Energiatehokkuusindeksin (EEI)
avulla (Suomen ympäristökeskus 2008):
EEI =
SEC ref
SEC
(2)
SECref arvona voidaan käyttää BAT (Best Available Techniques) arvoa, tietyllä
ajanjaksolla toteutunutta arvoa tai muiden alan toimijoiden benchmark-arvoa (Suomen
Ympäristökeskus 2008).
Energiatehokkuusindeksistä voidaan johtaa energiankäytön tehostamispotentiaalille:
Energiakäytön tehostamispotentiaali = 1 – EEI
2.1.1 Energiatehokkuuden mittaristot
Mittareita käyttöönotettaessa ensimmäinen tärkeä päätös on tarkasteltavana olevan
järjestelmän rajaus. On määritettävä mittarikohtaisesti koskeeko mittari laitetta,
osaprosessia, tuotantolinjaa, tehdasta (kuva 2) vai mahdollisesti koko tehdasaluetta
(Suomen ympäristökeskus 2008). Tämän lisäksi on päätettävä, mitä energialajeja
mittarilla seurataan (polttoaine, sähkö, höyry, kaukolämpö ja niin edelleen). Jotta
mittaristoa voitaisiin käyttää, tarvittavat tiedot on mitattava ja tallennettava
luotettavasti. Tuotannonohjausjärjestelmä toimii usein luontevana alustana mittareille.
Tästä on etua mahdollisia poikkeavuuksia määritettäessä, sillä energiankäytön
poikkeamat ovat usein helposti kytkettävissä tuotannon muutoksiin tai mahdollisesti
tapahtuneisiin häiriöihin. Tuotantoyksikön energian käytön mittaroinnin tavoitteena
tuleekin olla valvova järjestelmä, joka automaattisesti tuottaa vertailutietoa prosessin
energiankäytöstä ja -tehokkuudesta sekä automaattisesti hälyttää sekä puuttuu
mahdollisiin vikatilanteisiin ja poikkeamiin. Automaattiset seurantajärjestelmät
osaavat usein ottaa huomioon ulkoiset olosuhteet, kuten lämpötilan. Tämä voi auttaa
esimerkiksi tuotantoympäristön lämmitystarpeen optimoinnissa (Chua 2006).
Kuva 2.
Tehdastason mittarointi (Suomen ympäristökeskus 2008).
Mittareilla pitäisi prosessitasolla seurata yksittäisten laitteiden energiankulutusta ja
energiataseita ja verrata sitä referenssitasoon. Prosessitason mittarointi on perustana,
kun halutaan tehdä prosessitason energiatehokkuusanalyysi. Taloudelliset kriteerit
usein kuitenkin rajoittavat mittaroinnin laajuutta. Tuotantoyksikön tasolla olisi syytä
seurata energiankulutusta lopputuotetta kohden. Hyvänä referenssinä voidaan käyttää
esimerkiksi historiatietoa sekä muiden vastaavien koneiden ominaisenergiakulutusta
(Suomen Ympäristökeskus 2008).
2.1.2 Energiatehokkuuden parantaminen
Parantamalla energiatehokkuutta voidaan saavuttaa moninaisia tavoitteita (Suomen
Ympäristökeskus 2008):
•
vähentää kasvihuonepäästöjä
•
parantaa huoltovarmuutta
•
alentaa kustannuksia.
Energiatehokkuuden parantuminen voidaan saavuttaa monin tavoin (Suomen
ympäristökeskus 2008). Tällaisia parannuksia ovat saman tuotantomäärän tuottaminen
pienemmällä energiankulutuksella, suuremman tuotantomäärän tuottaminen samalla
energiankulutuksella tai tuotantomäärän suhteessa suurempi kasvu verrattaessa
energiankulutuksen kasvuun.
Teollisuustuotannossa energiatehokkuutta voidaan parantaa joko suoraan vähentämällä
prosessissa kuluvaa energiaa tai epäsuorasti lyhentämällä prosessin läpäisyaikaa (GE
Fanuc Automation 2007).
Energiatehokkuuden parantamisen mallit
Energiatehokkuuden parantamisprosessin läpiviemiseen on kehitetty useita erilaisia
malleja. Jatkuvan parantamisen mallissa (kuva 3) tärkeänä perustana on
mittausjärjestelmän luonti ja säännöllinen seuraaminen. Mittausjärjestelmän luomiseen
on syytä panostaa runsaasti aikaa, jotta mittaristosta saadaan tarpeeksi kattavaa tietoa
mahdollisten parannusten suunnitteluun.
Kuva 3.
Energiatehokkuuden jatkuvan parantamisen malli (Suomen Ympäristökeskus
2008).
2.1.3 Teollisuuden energiakatselmukset
KTM (nykyinen TEM) sekä Motiva ovat luoneet Suomen teollisuudelle ohjeistuksen
teollisuuskohteiden energiansäästöselvitysten tekemisestä. Katselmustoiminnan muut
osapuolet on esitetty kuvassa 4.
Kuva 4.
Energiakatselmustoiminnan osapuolet (Suomen Ympäristökeskus 2008).
Katselmustoimintamallit on kehitetty käytännön katselmustyöstä saatujen kokemusten
pohjalta.
Motiva-energiakatselmuksia
voidaan
suorittaa
teollisuuden
energiakatselmushankkeissa kahdella tasolla, katselmuksina sekä analyyseinä.
Katselmusprojekti tapahtuu kuvan 5 mukaisesti.
Kuva 5.
Motiva-energiakatselmusmalli (Suomen ympäristökeskus 2008).
Katselmustasoinen selvitys sisältää prosessia palvelevien käyttöhyödykkeiden sekä
kiinteistöjen energiatehokkuuden. Analyysitasoisen selvityksen keskeinen osa on
tuotantoprosessin energiansäästömahdollisuuksien selvittäminen. Energiakatselmus
sopii hyvin kohteille, joissa ei katsota tarvittavan tarkempaa prosessin energian käytön
ja tehokkuuden tarkastelua. Tuotantoprosessin energiankulutus erotellaan vain
kokonaiskulutuksen osana. Analyysi on katselmusta huomattavasti syvällisempi
tutkimus ja kattaa kohteen kaikki energiavirrat sekä energiansäästömahdollisuudet.
Analyysissä
tuotantoprosessin
tutkaileminen
on
suuressa
roolissa,
joten
teollisuuskohteen oman organisaation osallistuminen analyysin tekemiseen on
useimmiten tarpeellista (Motiva 2006).
Kaikille katselmusmalleille yhteistä on (Suomen ympäristökeskus 2008), että Motivaenergiakatselmukset ovat aina kokonaisvaltaisia selvityksiä energian- ja vedenkäytöstä
sekä
näiden
kustannuksista.
tehostamispotentiaali
Katselmuksissa
kannattavuuslaskelmineen.
tulee
esille
Katselmuksiin
nykytila
saa
sekä
rahoitusta
TEM:ilta.
2.1.4 ESCO- toiminta
Yleinen käytetty malli energiansäästöprojekteissa on niin sanottu ESCO-malli (ESCO
= Energy Service Company), joka perustuu sen toteuttavan asiantuntijayrityksen
(=ESCO) sekä investointikohteena olevan yrityksen sopimukseen, jossa energia-alan
asiantuntija toteuttaa kohteessa investointeja energian säästämiseksi (Motiva 2000).
ESCO-palvelu perustuu ideaan, että kaikki kustannukset maksetaan säästöillä, jotka
syntyvät investointien seurauksena alentuneista energiakustannuksista (Motiva 2005).
ESCO-projekti ei välttämättä aiheuta kohdeyritykselle kustannuksia, joten se on
riskitön tapa yritykselle saavuttaa energiansäästöä.
ESCO-projektit alkavat katselmuksella, jonka analysoinnin jälkeen asiantuntijataho
asentaa mahdollisesti tarvittavat energiakustannuksia alentavat laitteet sekä suorittaa
muut energiansäästötoimenpiteet. Hankekohtaisesti laadittujen ESCO-projektien kesto
määritetään sopimuksessa, jonka jälkeen investoinnissa asennettu laitteisto ja välineet
siirtyvät pysyvästi ESCO-toteuttajalta kohdeyritykselle (Motiva 2000). Koska ESCOprojektit voivat olla kohdeyritykselle riskittömiä, ne sopivat hyvin yrityksille, joilla ei
välttämättä muuten ole tarvittavia resursseja suorittamaan mittavia toimenpiteitä
tilojen sekä laitteidensa energiatehokkuuden parantamiseksi (Motiva 2000).
2.2 Lastuavat työstökoneet
Valmistusmenetelmät (kuva 6) voidaan jakaa viiteen perusmenetelmään: valamiseen,
liittämiseen, lämpökäsittelyyn, sintraamiseen ja työstämiseen. Jaottelu kuitenkin
vaihtelee vähän lähteestä riippuen. Tässä työssä rajoitutaan pääosin käsittelemään
lastuavaa
työstöä
sekä
levytyömenetelmiä,
jotka
koostuvat
liittämisestä,
leikkaamisesta ja muovaamisesta. Nämä yleiset menetelmät nähtiin olennaisiksi
sisällyttää työhön. Muiden menetelmien syvällinen käsittely jätettiin pois, jotta työn
laajuus olisi paremmin hallittavissa ja työn tavoitteet saavutettaisiin valittujen
koneryhmien osalta.
Kuva 6.
Valmistusmenetelmien jaottelu (Aaltonen 1997).
Lastuavat menetelmät ovat yksi työstämisen osa, joka koostuu terällä sekä
hiomarakeella lastuavista menetelmistä. Lastuavaan työstöön käytettävät työstökoneet
voidaan jakaa vielä seuraaviin luokkiin (Kauppinen 2004):
•
sahat
•
sorvit
•
jyrsinkoneet
•
höyläkoneet
•
porakoneet
•
avarruskoneet
•
koneistuskeskukset
•
hiomakoneet
•
hammastuskoneet.
Tarkempi jaottelu on esitetty liitteessä 1, josta selviävät myös yleisimmät
työstökoneiden alatyypit.
Lastuavat työstökoneet ovat joustavia tuotantokoneita, ja tämän vuoksi niillä on usein
edullista
valmistaa
pieniä
sarjoja
(Kalpakjian
2006).
Koneet
ovat
viime
vuosikymmenten aikana uudistuneet ja kehittyneet huimasti, ja nykykoneet pystyvät
usein suoriutumaan tehtävistä, joihin ennen vaadittiin useampi kone tai vähintäänkin
useampi kiinnitys. Nykyisin käytössä olevat pitkälle automatisoidut työstökoneet
(monitoimisorvit, koneistuskeskukset) tukevat vaatimusta pienemmistä eräkoista sekä
nopeammista tuotannon läpäisyajoista.
2.2.1 Työstökoneiden rakenneosat
Työstökoneiden
perusrakenteet
ovat
pysyneet
pitkään
melko
samanlaisina.
Nykykoneet ovat useimmiten hyvin koteloituja ja niihin on liitetty runsaasti
lisälaitteita, mutta itse koneet ovat muuttuneet rakenteeltaan hyvin vähän.
Huomattavaa
kehitystä
on
tapahtunut
yksittäisillä
osa-alueilla,
esimerkiksi
käyttömoottoreiden ja johteiden osalla (Kauppinen 2004).
Työstökoneiden rakenneosat voidaan jakaa seuraaviin ryhmiin (Kauppinen 2004):
1. rungot
2. pääkäyttökoneistot
3. syöttöliikkeiden koneistot.
Useimmiten
uutta
konetta
ostettaessa
lähdetään
hankkimaan
konetta
pääkäyttökoneistosta saatavan maksimitehon mukaan. Koneen energiatehokkuuden
kannalta kuitenkin myös muilla energiaa käyttävillä osilla on suuri merkitys koneen
sähkönkulutukseen, kuten lukuisat viime vuosina tehdyt tutkimukset osoittavat.
Etenkin syöttöliikkeiden sähkönkulutus sekä muu energiankulutus (esimerkiksi
jäähdytyspumput) aikana, jolloin kone ei varsinaisesti poista lastuja ovat
osoittautuneet merkittäväksi osaksi koneen kokonaiskulutusta.
2.2.2 Lastuamisarvot
Lastun irrotukseen käytetyt lastuamisarvot vaikuttavat paljon työstöprosessin
tehokkuuteen. Työstöön valittujen työkalujen terägeometrialla on suora vaikutus
lastuamisvoimiin ja prosessin tehontarpeeseen. Samalla maksimoimalla esimerkiksi
lastunirrotus voidaan koko prosessia nopeuttaa ja näin ollen vaikuttaa usein myös
koneen energiatehokkuuteen. Kuvissa on esitetty tärkeimpien lastuamisprosessien
jyrsinnän (kuva 7) ja sorvauksen (kuva 8) lastuamistapahtumat sekä näihin liittyvät
tärkeimmät lastuamisarvot.
Kuva 7.
Jyrsinnän havainnekuva (Seco tools 2009).
Tärkeimmät lastuamisarvot jyrsinnälle ovat (Seco Tools 2009):
a e = jyrsimenhalkaisija(mm)
a p = lastuamisyvyys(mm)
f z = syöttö / hammas
n = pyörimisnopeus
v f = syöttönopeus (mm/min)
v c = lastuamisnopeus
(m/s, m/min).
Jyrsinnälle saadaan teoreettiseksi tehontarpeeksi (kW) (Seco Tools 2009):
Pc =
a p ⋅ ae ⋅ v f
60000000 ⋅η
⋅ k c , missä
k c = lastuamisvoima
η = hyötysuhde .
η on tyypillisesti välillä 0,7-0,9 (Aaltonen 1997).
(3)
Kuva 8.
Sorvauksen havainnekuva (Seco Tools 2009).
Vastaavasti sorvauksen (kuva 8) tärkeimmät työstöarvot (Seco Tools 2009):
a p = lastuamisyvyys(mm)
f = syöttö / terän _ kierros (mm/kierros)
v c = lastuamisnopeus (m/min)
v f = syöttönopeus ( mm / s )
sekä tehontarve sorvaukselle:
Pc =
a p ⋅ f ⋅ vc
60000 ⋅ η
⋅ k c (kW), missä
(4)
k c = lastuamisvoima (materiaalivakio)
η = hyötysuhde .
Lastuamisvoimat on toinen merkittävä huomioonotettava asia, kun suunnitellaan
lastuavaa prosessia. Kyseiset voimat vaikuttavat myös lastuamisarvojen valintaan, sillä
lastuamisvoimat osaltaan rajoittavat lastuamisarvoja ja näin ollen arvoja valittaessa on
otettava huomioon esimerkiksi kappaleelle tarvittava kiinnitysvoima, jottei aihio irtoa
työstettäessä. Lastuamisvoimien tuntemusta tarvitaan myös prosessiin tarvittavan
tehon laskemiseen. Lastunirrotuksen nopeus halutaan usein maksimoida, mikä
kasvattaa lastuamisen tehontarvetta, sillä tehontarve on suoraan riippuvainen
lastuamissyvyydestä, syöttönopeudesta sekä lastuamisnopeudesta.
Koska lastuamisarvot vaikuttavat niin tarvittavaan lastuamistehoon kuin myös
lastuamisprosessin
kokonaisprosessin
energiankulutuksen
nopeuteen,
lastuamisarvoilla
energiatehokkuuteen.
optimoinnille
asettavat
voidaan
Rajoituksia
tietenkin
vaikuttaa
myös
lastunirrotuksen
vaatimukset
prosessin
tehokkuudesta ja läpimenoajasta.
2.2.3 Lastuavan työstökoneen elektroniikka
Nykyaikaiset lastuavat työstökoneet sisältävät runsaasti elektroniikkaa. Kuvassa 9 on
esitetty tyypillinen CNC-koneen sähköpiiri.
Kuva 9.
CNC-ohjauspiiri (Fanuc 2009).
NC-työstökoneet
toivat
uusia
vaatimuksia
työstökoneiden
käyttölaitteille.
Käyttölaitteilta vaaditaan muun muassa suurta luistien nopeuden säätövaraa, suurta
vääntömomenttia, nopeaa reagointikykyä, jäykkyyttä, välyksettömyyttä ja vähäistä
lämpenemistä
(Kauppinen
2004).
Syöttöjen
käyttölaitteina
käytettiin
ennen
useimmiten askelmoottoreita, tasavirtamoottoreita sekä hydraulisia käyttöjä.
2.2.3.1 Työstökoneiden moottorit
Työstökoneissa
käytettäville
sähkömoottoreille
asetetaan
suuret
vaatimukset
(Kauppinen 2004). Tehon ja momentin on pysyttävä riittävinä ja vakioina laajalla
nopeusalueella molemmissa pyörimissuunnissa. NC-koneissa käytettiin ennen
pääkäyttökoneina pääosin tasavirtamoottoreita.
Nykyään käytössä on enimmäkseen AC-servomoottoreita XYZ-akselien syöttöihin
sekä koneiden karamoottoreina. Käytettävien moottoreiden hyötysuhteet ovat
parantuneet viimeisen parinkymmenen vuoden aikana huomattavasti, mistä aiheutuu
energiasäästöä
suhteessa
maksimitehot
ovat
vanhoihin
kasvaneet,
koneisiin.
mikä
taas
Samalla
kuitenkin
osaltaan
on
koneiden
kasvattanut
kokonaisenergiankulutusta.
AC-servomoottori
on
rakenteeltaan
hyvin
samankaltainen
kuin
tavallinen
oikosulkumoottori (Halme & Parikka 2005). Erot liittyvät tyypillisesti ominaisuuksiin,
jotka ovat räätälöityjä moottorille servokäytön luonteesta johtuen. Näiden moottorien
nopeusalue on laaja, ja niiden pitää toimia koko alueella kuumenematta. Näin ollen
etenkin moottorin jäähdytyksen optimointi on noussut isoon rooliin. Kuvassa 10 on
esitetty tyypillinen kestomagnetoitu servomoottori.
Kuva 10.
Kestomagnetoitu servomoottori (Halme& Parikka 2005).
Lineaarimoottorit ovat olleet tulossa työstökoneiden syöttöliikkeiden moottoreiksi jo
jonkin aikaa. Ne tarjoavat erinomaisen tarkkuuden ja huomattavasti korkeammat
kiihtyvyydet sekä hidastuvuudet kuin aiemmin käytössä olleet tasavirtamoottorit.
Kuitenkaan vielä lineaarimoottorit eivät ole saavuttaneet valta-asemaa johtuen muun
muassa korkeasta hankintahinnasta sekä magneettisuuden aiheuttamista ongelmista.
Myös puhtaanapidolle lineaarimoottorit aiheuttavat uusia vaatimuksia (Kauppinen
2004).
Sähkömoottoreiden hyötysuhdeluokat
Moottorit voidaan jakaa EFF-luokkiin hyötysuhteensa mukaisesti. Korkeimman
hyötysuhdeluokan moottorit saavat EFF1 luokituksen. Esimerkiksi 11 kW moottorille
moottoriluokka EFF1:n hyötysuhde > 91%, kun luokan EFF3 hyötysuhde
samantehoiselle moottorille < 88,4 % (ABB 2009). Yleisesti voidaan todeta, että mitä
suurempi on moottorin teho (kW) sitä suuremman hyötysuhteen se vaatii kuuluakseen
korkeimpaan hyötysuhdeluokkaan (Motiva 2004).
Moottoriasiantuntija Arburgilta sanoo, että tehokkaimman luokan koneet maksavat
itsensä takaisin kolmessa vuodessa, jos koneen vuosittaiset käyttötunnit ylittävät 6000
tunnin rajan (Schäfer 2008). Hänen mukaansa vanhan moottorin rikkoutuessa on hyvä
miettiä sen korvaamista tehokkaimman luokan moottorilla, vaikka toimivaa moottoria
ei useimmiten kannata korvata uudella, koska sijoitus ei maksa itseään takaisin.
Sähkömoottori-investoinnin kannattavuutta voidaan vertailla eri moottorivaihtojen
kesken (Motiva 2004):
K=I +k⋅
P
η
⋅ A⋅ S ⋅T ,
(5)
missä K = kokonaiskustannukset (€) moottorin käyttöaikana
I = moottorin investointikustannukset (€)
k= moottorin osakuormakerroin
P= moottorin teho
A= vuotuinen käyttöaika (h/a)
S= sähkön hinta (€/kWh)
T= moottorin käyttöikä (a).
Sähkömoottoreihin liittyvä säästömahdollisuus riippuu monesta tekijästä. Uutta
moottoria
hankittaessa
energiatehokkaimman
on
kuitenkin
EFF1-luokan
syytä
aina
moottoreita
ensisijaisesti
(Envirowise
harkita
2006).
Energiatehokkaiden EFF1-luokan moottoreiden hankinta on kannattavinta, kun
(Motiva 2004):
2.3
•
Sähköenergian hinta on korkea.
•
Moottorin käyttötunnit ovat korkeat (> 4000 h/a tasolla).
•
Moottori on suuri (≈ kymmeniä kilowatteja).
•
Nykyisen moottorin hyötysuhde on huono (usein = vanha moottori).
Lastuavien työstökoneíden energiankulutus
Lastuavan työstökoneen energiankulutusta voidaan mitata eri tavoin. Helpoimmat
tavat mittaukseen tarjoavat yleismittari ja pihtiyleismittari. Kun yleismittarilla on
mitattava johdoista laitteen läpi kulkevaa jännitettä, niin pihtiyleismittarin käyttöä
puoltaa mahdollisuus mitata virta tai jännite koskematta itse johtoihin (Kordonowy
2003). Näin ollen pihtiyleismittarin käyttö tarjoaa turvallisen tavan työstökoneen
energiankulutuksen
mittaukseen.
Pihtiyleismittari
luo
johdon
ympärille
magneettikentän, jolloin mittarilla voidaan mitata johdossa kulkevaa virtaa. Kyseiset
mittausmenetelmät ovat sovellettavissa myös muiden tuotantokoneiden kuin
lastuavien työstökoneiden kohdalla.
2.3.1 Energiankäytön jakautuminen lastuamisprosessissa
Kuten
muidenkin
tuotantokoneiden,
niin
myös
lastuavien
työstökoneiden
energiankulutus koostuu kahdesta osasta: perusenergiankulutuksesta (vakiokulutus)
sekä
vaihtuvasta
energiankulutuksesta
Perusenergiankulutukseen
työstökoneiden
(Kuusinen
kohdalla
et
kuuluvat
al.
2002).
muun
muassa
ohjausyksikkö, pumput (öljynpaine, jäähdytys) sekä jäähdyttimet. Vaihtuva kulutus
koostuu työkalunkäsittelystä, asemoinnista sekä itse lastunirrotuksesta (Hesselbach &
Herrmannn 2008).
Tyypillistä
lastuamisprosesseille
on,
että
energiankulutuksen
perusosuus
kokonaiskulutuksesta on suuri. Tutkimusten mukaan jopa 75 prosenttia kulutuksesta
kuluu perusenergiankulutukseen (Frauenhofer Gesellschaft 2009). Japanilainen
autonvalmistaja
Toyota
on
panostanut
paljon
ympäristöystävällisiin
valmistusprosesseihin kehittäessään omaa Lean-tuotantoketjuaan. Osana prosessin
kehitystä
Toyota
on
panostanut
myös
työstöprosessin
energiankulutuksen
tutkimukseen. Toyotan selvityksistä ilmenee (kuva 11), että suuren automatisoidussa
linjassa toimivan esimerkkikoneistuskeskuksen energiankäytöstä suurin osa on
kiinteää, ja vain pieni osa energiankulutuksesta on suoraan riippuvainen tuotetuista
kappaleista (Gutowski et al. 2002).
Kuva 11.
Energiankäytön erittely suurelle koneistuskeskukselle, Toyota Corporation
(Gutowski et al. 2002).
Selvityksen (Toyota Corporation) mukaan suurin osa kyseisen työstökoneen
kuluttamasta energiasta ei kulu itse lastunirrotukseen, vaan koneen ollessa
valmiustilassa, mikä sisältää muun muassa jäähdyttimeen, öljynpainepumppuun sekä
jäähdytysnesteeseen kuluvan energian. Itse lastunirrotus vie vain noin 15 % kaikesta
kulutetusta energiamäärästä. Koska suuri osa käytetystä energiasta kuluu nesteiden
pumppaamiseen, niin näiden käyttöä vähentämällä voitaisiin Toyotan mukaan
vähentää energian kulutusta huomattavasti.
Koko prosessin energiankulutus materiaalinirrotukselle voidaan esittää seuraavasti
(Dahmus, Gutowski, Thiriez 2006):
B elect =
P0
+k,
v
(6)
missä Belect on energiankulutus materiaalinirrotusta kohti (kJ/cm3)
P0 = valmiustilassa kuluttama teho (kW)
v = materiaalin irrotusnopeus (cm3 / s)
k = vakio (kJ/cm3).
Vakio k on riippuvainen työstettävän kappaleen materiaaliominaisuuksista eli näin
ollen vakio kaikille koneille.
2.3.2 Lastuamisprosessin vaiheet
Lastuamisprosessi on jaettavissa koneen sen hetkisen tilan mukaan eri työvaiheisiin.
Tämä jako helpottaa lastuamisprosessin energiankulutuksen jakautumisen seurantaa.
Lastuavan työstökoneen toimintatilat voidaan jakaa seuraavasti (Dahmus, Gutowski
2004):
Valmiustila
Kone on valmis toimimaan, mutta juuri kyseisellä hetkellä
kone ei ole käytössä.
Ajotila
Konetta asemoidaan työstöä varten tai koneeseen lastataan
uutta työkappaletta.
Koneistustila
Lastunirrotus.
Huomioitavaa tutkittaessa lastuavan työstökoneen energiankulutusta on, että kulutus ei
ole tasaista. Koneen eri laitteiden ja moottoreiden käynnistyessä kulutus kasvaa sitä
mukaa, kun eri laitteet käynnistyvät ja ovat toiminnassa. Kulutuksen huippu (kuva 13)
eli itse lastunirrotus (koneistustila) on useimmiten vain lyhytaikainen tapahtuma
(Eckebrecht 2000). Tähän lastuamisprosessin hetkelliseen huippukulutukseen on
vaikea vaikuttaa, sillä lastunirrotus vaatii aina tietyn energiamäärän. Lastun
irrotukseen tarvittava energiamäärä vaihtelee lastuttavien aineiden välillä riippuen eri
metallien eroavista ominaislastuamisvoimista.
Kuva 12.
Hiomaprosessin energiankulutus (Eckebrecht 2000).
Kyseisessä tutkimuksessaan Eckebrecht (2000) mittasi hiomaprosessin hetkellistä
energiankulutusta. Tutkimuksen tapauksessa itse lastuamistapahtuma vei noin
viidenneksen koko prosessin kestoajasta. Aika, jolloin lastunirrotusta ei tapahtunut,
muodosti noin neljä viidesosaa prosessin kokonaiskestosta (Eckebrecht 2000).
Tutkimusten mukaan koneen tehokas käyttöaika on usein piensarjoille vain 15
prosenttia ja suursarjoille vain 40 prosenttia kokonaiskäyttöajasta (Frauenhofer
Geschellschaft 2009). Näin ollen kokonaisenergiankulutuksen minimoimisessa nousee
yhä tärkeämmäksi tekijäksi valmiustilojen minimointi, jolloin kone usein kuluttaa
huomattavan energiamäärän, vaikkei varsinaisesti tuota mitään lisäarvoa. Kyseisen
hiomakoneen (Overbeck Typ 600 I-DC) energiankulutuksen jakautuminen laitteille on
esitetty kuvassa 13.
Hiomakoneen energiankäytön jakautuminen
Koneen tyhjäkäynti
Ohjaus
15 %
18 %
Elektrostaattinen
ilmansuodatin
Jäähdytysnestekierto
2%
Työkappaleen kiertomoottori
14 %
Hiomakaramoottorin
tyhjäkäynti
Hydrodynaaminen efekti
28 %
6%
10 %
Kuva 13.
Työstö
7%
Hiomakoneen energiankäytön jakautuminen eri komponenteille (Eckebrecht
2000).
Eckebrechtin tutkimassa tapauksessa kokonaisenergiankulutuksesta noin 50 prosenttia
on suoraan johdettavissa hiomaprosessiin. Yksittäisistä laitteista nousevat esiin myös
ohjauksen suuri osuus sekä koneen tyhjäkäynnin osuus kokonaiskulutuksesta.
Eckebrechtin (2000) mukaan energiankulutukseen voidaan vaikuttaa valitsemalla
koneen komponenteiksi energiaa säästäviä osia. Säästö on mahdollista myös
yksinkertaisin toimenpitein, kuten sammuttamalla esimerkiksi tarpeettomat pumput.
Hänen
mukaansa
säästöpotentiaali
koneistuksessa
on
pääosin
koneiden
tuotantotehokkuuden optimoinnissa, tavoitteena läpäisyaikojen lyhentäminen.
2.3.3 Jyrsimisen energiankäytön tutkimus
Jyrsimisprosessin energiankulutus on pitkälti vastaavaa kuin hiomaprosessin
energiankulutus eli itse lastunirrotus on hetkellinen kulutuspiikki. Jeffrey Dahmus on
tutkimuksessaan (2007) verrannut neljän jyrsinkoneen energiankulutusta. Verrattavina
koneina olivat pitkälti tuotantokoneistuskeskus, kaksi eri-ikäistä jyrsinkonetta sekä
yksi vanhempi manuaalinen jyrsinkone. Energiankulutuksen mittaukset on suoritettu
pihtiyleismittarilla
laitekohtaisesti.
Näin
ollen
on
saatu
prosessiin
kulunut
kokonaisenergia jaettua eri osaprosessien kesken. Dahmusin tutkimuksessaaan
käyttämät energiankulutuksen mittausarvot ovat peräisin aiemmasta tutkimuksesta
(Kordonowy 2002) sekä tuotantokoneistuskeskuksen lukemat perustuvat valmistajan
(Makino) ilmoittamiin arvoihin. Valmistajien ilmoittamat energiankulutukset on
mittauksissa todettu olevan riittävän lähellä todellisia arvoja, jotta niitä voidaan verrata
sellaisinaan (Kordonowy 2002).
Mittauksen tulokset on esitetty taulukossa 1, seuraavin oletuksin:
•
Koneistuskeskus on seisontatilassa vähiten, manuaalinen jyrsinkone eniten.
•
Koneistuskeskus suoriutuu nopeimmin jyrsimen paikantamisesta.
Mittaustuloksiin ja edellä mainittuihin oletuksiin perustuen on sittemmin laskettu
kunkin koneen lastunirrotukseen käyttämä energiamäärä. Teoriassa kaikki koneet
kuluttavat itse lastunirrotukseen saman energiamäärän, olettaen että kaikki parametrit,
materiaaliominaisuudet sekä työkaluominaisuudet pidetään vakioina.
Taulukko 1
Jyrsimisprosessin energiankulutus (Dahmus 2007)
Tutkimuksen
tuloksista
nähdään
erittäin
selvästi
kehitys
koneiden
kokonaislastuamiskapasiteetissa. Tämä näkyy toisaalta myös huomattavana kasvuna
koneiden maksimitehontarpeissa. Toisaalta tärkeä huomionkohde on pitkälti
automatisoidun tuotantokoneistuskeskuksen huomattavan suuri vakioenergiankulutus.
Koneiden kuluttama perusenergiamäärä on viime vuosikymmeninä kasvanut
merkittävästi
johtuen
pääosin
koneisiin
liitettävistä
lisälaitteista
kuten
lastuamisnestepumpuista ja ATK-laitteista. Toisaalta lastuavien työstökoneiden
valmistajien pyrkimys on nykyään jatkuvasti pienempi energiankulutus, mikä
osoittautuu myös tutkimuksessa, kun verrataan tutkimuksessa mukana olleita toisiaan
vastaavia, mutta eri-ikäisiä automaattisia jyrsinkoneita. 10 vuotta vanhemman
työstökoneen energiankulutus valmiustilassa on selvästi suurempaa kuin uuden
vastaavan koneen.
Merkittävää tutkimuksen tuloksissa on myös, että vaikka pitkälti automatisoidun
koneistuskeskuksen
kymmenkertainen
kokonaislastuamismäärä
verrattuna
tuhatta
automatisoituihin
tuntia
jyrsimiin,
kohti
niin
on
noin
verrattaessa
kokonaisenergiankulutusta tähän määrään huomataan, että itse asiassa molemmat
automatisoidut
jyrsimet
kuten
myös
manuaalinen
jyrsinkone
suoriutuvat
lastunirrotuksesta hieman pienemmällä suhteellisella energiankulutuksella (kJ/cm3).
2.4 Levytyökoneet ja -keskukset
Levytyökoneet
voidaan
jakaa
lastuavien
työstökoneiden
tapaan
useampaan
kategoriaan (Teknisen kaupan liitto):
•
leikkauskoneet
•
termiset ja vesisuihkuleikkauskoneet
•
levytyökeskukset
•
puristimet
•
taivutuskoneet
•
hitsausviistekoneet
•
jäysteenpoistokoneet
•
muut ohutlevykoneet.
Näistä ehkä yleisimpiä ja monikäyttöisimpiä ovat nykyiset levytyökeskukset, joilla
voidaan suorittaa monenlaista työstöä ohutlevyosia valmistettaessa.
Levytyökeskusten runkorakenteet voidaan jakaa C-runkorakenteisiin (Kuva 14)
avoimiin koneisiin sekä tukevampiin samankaltaisiin J-runkoisiin sekä suljetun
kokonaisuuden muodostaviin O-runkoisiin koneisiin (MET 1988).
Kuva 14.
Finnpower C6-levytyökeskus (Finnpower 2009).
2.4.1 Levytyökoneiden elektroniikka ja sähköiset osat
Levytyökoneiden elektroninen piiri on useimmiten melko vastaava kuin lastuavilla
työstökoneilla. Kuvassa 15 on esitetty erään särmäyspuristimen elektroniikkapiiri, joka
muodostuu moottoreista M1-M3 sekä tietokoneesta (PC) ja ohjauksesta (Drives).
Kuva 15.
Särmäyspuristimen sähköpiiri (Devoldere et al 2007).
Levytyökeskukset saavat nykyään iskuvoimansa servomoottorikäytöistä (kuva 16).
Japanilainen valmistaja Amada lupaa uusien käyttämiensä servomoottorien olevan
huomattavan paljon tehokkaampia kuin perinteiset servomoottorit.
Kuva 16.
O-runkoisen AC-levytyökeskuksen rakenteen poikkileikkaus (Amada 2009).
Samalla järjestelmään on jo itsessään sisällytetty energiaa säästävää tekniikkaa, ja
jokaisella moottorin iskulla sen jarrutusvoima otetaan talteen ja siirretään takaisin
seuraavan
iskun
hyödynnettäväksi.
Lastuavista
työstökoneista
poiketen
levytyökoneiden ja levytyökeskusten valmistajat, muun muassa Amada (EcoProducts) ja Finnpower (Ecopunch), markkinoivat koneitaan avoimesti vähän energiaa
kuluttavina.
Levytyökeskuksissa on myös lineaaritekniikkaa käytössä lastuavia työstökoneita
enemmän. Esimerkiksi suomalainen levytyökoneiden valmistaja Finnpower on jo
jonkun
aikaa
käyttänyt
XY-liikesuunnille
lineaarimoottoreita.
Ongelmia
on
aiheuttanut, että lineaarimoottoreiden kokoja ei ole standardoitu, minkä vuoksi hintaa
ei aina ole voitu kilpailuttaa, sillä moottorin vaihtaminen aiheuttaisi liian suuria
muutoksia koneen kokonaisrakenteeseen (Leino 2005).
2.4.2 Laserleikkauskoneissa jatkuvaa kehitystä
Levytyökoneiden osalla suurta kehitystä on tapahtunut myös laserleikkauskoneissa.
Lasereiden hyötysuhteet ovat parantuneet huomattavasti. Uusin markkinoita valtaava
keksintö on niin sanottu kuitu- eli diodilaser, jonka hyödyt verrattuna perinteiseen
CO 2 -laseriin ovat suuret. Kuitulaserin hyödyt tulevat esiin leikattaessa ohuita ja
keskipaksuja levyjä. Kuitulaserilla voidaan leikata myös kuparia ja messinkiä, joihin ei
ole voitu käyttää CO 2 -lasereita.
Kuitulaserin hyötysuhde on noin 25-30%, kun vastaavien CO 2 -laserien hyötysuhde
jää alle kymmeneen prosenttiin. Tämän vuoksi kuitulaserien tehontarve on selvästi
pienempi kuin CO 2 -lasereilla. Kuitulaserin säteen aallonpituus on kymmenesosa ja
halkaisija kolmannes CO 2 -laseriin verrattuna. Tämä parantaa tarkennettavuutta
perinteiseen
CO 2 -laseriin
verrattuna.
Koko
laserjärjestelmän
rakenne
on
yksinkertaisempi, sillä peilejä ei tarvita. Yksinkertaisempi järjestelmä vähentää
samalla myös laitteen huoltotarvetta.
Italialainen
laitevalmistaja
Salvagnini
vertasi
testeissään
kolmea
erilaista
laserleikkauskonetta. Vertailun lasereita olivat 2 kW kuitulaser, 3 kW CO 2 -laser sekä
3 kW CO 2 -laser lineaarimoottorilla. Vertailluista koneista lineaarimoottorinen oli
kallein ja kuitulaser sekä 3 kW CO 2 -laser lähes samanhintaisia. Kuvassa 17 on
esitetty
vertailun
lasereiden
työstöaika-
ja
tehontarvevertailu
leikattaessa
sähkösinkittyä levyä.
Kuva 17.
Lasereiden työstöaika- ja tehontarvevertailu (Salvagnini 2009).
Tutkimuksen tuloksista käy selvästi ilmi kuitulaserin hyödyt. Suurin vertailussa
ilmenevä
hyöty
on
tietenkin
huomattavasti
pienentynyt
tehontarve.
Myös
testikappaleita leikattaessa kuitulaser oli suorissa leikkauksissa lähes yhtä nopea kuin
lineaarimoottorinen laser. Ainoastaan monimutkaisia paljon siirtoja ja leikkauksia
vaatineita kappaleita työstettäessä lineaarimoottorinen CO 2 -laser oli työstöaikoja
vertailtaessa selvästi nopein. Energiatehokkuuden kannalta suurin hyöty on kuitenkin,
että energiaa säästyy jopa 80 prosenttia verrattuna perinteiseen CO 2 -laseriin (kuva
18).
Kuva 18.
Vertailtaessa
Kuitulaserin energiankulutus verrattuna CO 2 -laseriin (Salvagnini 2009).
eri
koneiden
energiankulutusta
on
tärkeää
huomioida,
että
energiatehokkuus lasketaan valmistettua kappaletta kohden (Kuhn 2008). Kuvassa 19
on
esitetty
kahden
Trumpfin
valmistaman
laserleikkauskoneen
suhteellinen
energiankulutus. Vasta osakohtaisia säästöjä verrattaessa voidaan osoittaa, että
tehokkaammalla koneella saavutetaan säästöä.
160 %
140 %
120 %
100 %
Trulaser 3030 (4kW)
Trulaser 5030 (6kW)
80 %
60 %
40 %
20 %
0%
Sähkö
Kaasu
tuntia kohden
Kuva 19.
Sähkö
Kaasu
osaa kohden
Kahden laserleikkauskoneen energiankulutusvertailu (Kuhn 2008).
2.4.3 Särmäyspuristimen energiankulutus
Tutkimuksessa (Devoldere et al. 2007) mitattiin puristusvoimaltaan 50 tonnin
särmäyspuristinta. Puristimelta mitattiin eri operaatioihin kulunut aika sekä samaan
operaatioon kulunut energiamäärä. Energiaa mitatussa särmäyspuristimessa kuluu
kolmen moottorin sekä pienempien servomoottoreiden sekä laitteeseen liitetyn
tietokoneen ja hallintalaitteiston kulutukseen.
Taulukossa 2 on esitetty särmäyspuristimen työvaiheet ja niihin kuluva aika prosessin
kokonaiskestoon verrattuna. Varsinainen lisäarvoa tuottava aika eli taivutusprosessi
(5a ja 5b) on prosessin kokonaiskestoon verrattuna varsin lyhyt, jonka vuoksi
puristimen muuna aikana tapahtuvan energiankulutuksen merkitys kasvaa.
Taulukko 2
Särmäyspuristimen työvaiheet ja niihin kulunut aika (Devoldere et al. 2007)
Tutkittaessa koneen energiankulutusta ajan funktiona (esitetty kuvassa 20) nähdään,
että vaiheiden 5a ja 5b aikana kulutus on hetkellisesti erittäin suurta, mutta
lyhytaikaista, kuten jo aiemmin todettiin. Energian kokonaiskulutuksesta 65 prosenttia
kului ei-lisäarvoa tuottavana aikana ja vain 35 prosenttia vaiheiden 5a ja 5b aikana.
Suurin sähkönkulutus johtuu pääpumpusta, joka kuluttaa myös ei-tuottavina aikoina
runsaasti energiaa.
Kuva 20.
Korvaamalla
Särmäyspuristimen kumulatiivinen teho W ajan funktiona (Devoldere et all 2007).
tämä
hydraulipumppu
sähkömoottorilla,
kuten
uusissa
särmäyspuristimissa on tehty, voitaisiin tutkimuksen mukaan säästää suoraan
energiankulutuksessa sekä myös huoltokustannuksissa, joka myös osaltaan vähentää
koneen käyttökustannuksia. Näin ollen olisikin olennaista keskittää huomio näihin
osa-alueisiin, kun haetaan energiatehokkuuden parannusta ja tuottavuuden kasvua.
2.5 Tuotannon energiatehokkuuden parantaminen
Tuotannon energiatehokkuutta voidaan parantaa eri tavoin. Yksinkertainen jako
voidaan tehdä parannuksiin, jotka parantavat suoraan tuotannon energiatehokkuutta
sekä epäsuoriin parannuksiin, jotka lyhentävät tuotannon läpäisyaikaa (GE Fanuc
Automation 2007).
Energiatehokkuutta voidaan parantaa suoraan parantamalla koko tuotantosysteemin
energiatehokkuutta muun muassa seuraavin toimenpitein (GE Fanuc Automation
2007):
•
käyttämällä tehokkaita synkronimoottoreita
•
ottamalla talteen moottoreiden jarrutusenergiat
•
vähentämällä energiahäviöitä hyödyntämällä uusimpia kytkinlaitteita.
Epäsuorasti
energiankulutukseen
voidaan
vaikuttaa
lyhentämällä
operaation
läpäisyaikaa (GE Fanuc Automation 2007). Tämä saavutetaan:
•
nopeammilla moottoreiden kiihdytyksillä ja jarrutuksilla
•
servotekniikalla
•
käyttämällä nopeita karan ohjauksia
•
parantamalla ohjauksen ratoja, jotka mahdollistavat suuremmat syötöt.
Tuotannon energiatehokkuutta voidaan parantaa monin eri tavoin. Herrmann ja Thiede
(2009) luokittelevat parannukset prosesseihin tai koneisiin tehtäviin parannuksiin,
koko tuotantosysteemiin tehtäviin muutoksiin ja taloteknisiin parannuksiin.
Tarkemmin kyseinen jaottelu on esitetty taulukossa 3.
Taulukko 3
Energiatehokkuuden parantamismahdollisuudet eri osa-alueilla (Herrmann &
Thiede 2009)
2.5.1 Energiatehokkuutta parantavat tuotannonjärjestelylliset
toimenpiteet
Tehokas tuotannonohjaus on jo pitkään ollut yksi tärkeimmistä työkaluista pyrittäessä
kustannustehokkaaseen sekä aika-, laatu- että määrävaatimukset täyttävään tuotantoon.
Energiakustannusten noustessa myös yritysten into vähentää energiankulutusta on
noussut näiden perinteisten tuotantovaatimusten rinnalle tavoiteltaessa säästöjä
(Herrmann & Thiede 2009). Yhdistämällä energiavirrat tuotannonohjausjärjestelmään
voidaan yhtä lailla pyrkiä energiatehokkaaseen tuotantoon täyttäen kuitenkin myös
edellä mainitut perinteiset kriteerit.
Pelkästään yksittäisiin tuotantokoneisiin tehtävät energiatehokkuuden parannustoimet
ovat
merkittäviä,
mutteivät
riittäviä
(Herrmann
&
Thiede
2009).
Myös
tuotannonsuunnittelun ratkaisuilla sekä koko tuotantojärjestelmän suunnittelulla on
merkittävä
vaikutus
kokonaiskulutusta
vaikuttavat
energiatehokkuuteen
minimoitaessa.
esimerkiksi
paineilmalaitteiden
ne
pitäisi
Tuotantojärjestelmän
tarvittavien
mitoitukseen.
ja
tukitoimintojen
Toisaalta
ottaa
huomioon
suunnittelun
ja
ratkaisut
laitteiden
tuotannonsuunnittelulla
voi
kuten
olla
merkitystä, sillä erilaiset energiankulutuksen kuormituspiikit voivat aiheuttaa
yrityksen energiakustannuksiin suuren lisän, jos ne on jätetty huomioimatta (Herrmann
& Thiede 2009).
Prosessiketjusimulointi, jonka pyrkimyksenä on energiatehokkuuden parantaminen,
voidaan jakaa seuraaviin päävaiheisiin (Herrmann & Thiede 2009):
1. tuotantoprosessien analyysi
i. koneet, materiaalivirrat, tuotantosuunnitelmat
2. tuotantokoneiden ja prosessien energia-analyysi
3. talotekniikan energia-analyysi
4. energiankulutuksen analysointi
i. kulutuspiikkien sekä muiden sähkön hintaan vaikuttavien
arviointi
5. tuotantosysteemin integroitu simulaatio ja arviointi.
Prosessiketjusimuloinnin, jonka tarkoituksena on energiatehokkuuden parantaminen,
pääasiallisena erona normaaleihin tuotannon optimointisimulaatioihin on, että myös
tuotannon energiavirrat (ja -kustannukset) huomioidaan merkittävinä muuttujina
optimoinnissa sekä tulosten arvioinnissa.
Projektiketjusimulointi PK-yrityksen tuotannossa
Prosessiketjusimuloinnin tarjoamien potentiaalisten hyötyjen osoittamiseksi mallia
simuloitiin laakereiden sisärenkaita autoteollisuudelle valmistavan saksalaisen PKyrityksen tuotantoon (Herrmann & Thiede 2009). Tuotantolinjoilta kerättyyn dataan
perustuen suoritettiin käytännön simulointeja, joiden perusteella arvioitiin, miten
erilaiset muutokset tuotannonjärjestelyissä vaikuttivat läpäisyaikaan, tuotannon
energiankulutukseen ja -kustannuksiin.
Tuotantolinja koostui valmistusketjusta, johon kuului useampia eri tuotantovaiheita,
jotka ovat esitettynä kuvassa 21. Merkittäväksi osuudeksi tuotannon suunnittelun
kannalta ketjussa muodostuu lopun avarrus-karkaisu-hionta-ketju, joka on mahdollista
suorittaa
kahdella
identtisellä
tuotantolinjalla.
Suoritetuissa
simuloinneissa
mallinnettiin näitä kahta identtistä tuotantolinjaa, joiden välillä vaihdeltiin tuotannon
kuormituksia sekä sarjakokoja.
Kuva 21.
Simuloidun valmistusketjun työvaiheet (Herrmann & Thiede 2009).
Simuloinnit
tehtiin
200
kappaleen
sarjoina
valmistettaville
osille,
joiden
valmistuseräkokoina käytettiin 25, 50 ja 100 kappaleen eriä. Näiden eräkokojen
erilaisia tuotantosuunnitelmia (14 kappaletta) simuloitiin ja arvioitiin tuloksia, niin
tuotannon läpäisyajan, sähkönkulutuksen kuin sähkökustannusten perusteella.
Avarruskoneella ja hionnassa oli mahdollista koneistaa yhtä työkappaletta kerrallaan,
kun karkaisu voitiin suorittaa yhtäaikaisesti 25-100 työkappaleelle. Lisäksi koneiden
oletettiin olevan sammutettuja (energiankulutus = 0) hetkellä, jolloin tuotantolinja ei
ollut käytössä.
Simuloinnin tulokset ovat esitettyinä taulukossa 4 ja kuvassa 22. Simuloinnin
tuloksista käy ilmi, että tuotantosuunnitelmia optimoimalla voidaan vaikuttaa
tuotannon energiankulutukseen. Simuloinnilla kävi myös selvästi ilmi kulutuspiikkien
negatiivinen
vaikutus
tuotannon
energiakustannuksiin.
Tämä
kulutuspiikkien
negatiivinen vaikutus ilmeni selvästi simuloitaessa molempien linjojen samanaikaista
tuotantoa. Kulutuspiikit voivatkin yrityksen sähkösopimuksesta riippuen aiheuttaa
merkittävän osan konepajan sähkölaskusta (Herrmann & Thiede 2009), etenkin
pienten ja keskisuurten yritysten kohdalla.
Taulukko 4
Prosessiketjusimuloinnin tulokset (Herrmann & Thiede 2009)¹
¹Asynkr. tarkoittaa tuotantotilaa, jossa molempien tuotantolinjojen samanaikaista
käyntiä vältetään. Vaihtoehdossa S9* on käytetty samoja eräkokoja kuin vaihtoehdolla
S9, mutta tuotanto on siirretty yöaikaan.
Kuvassa 22 simuloinnin tulokset on ilmoitettu siten, että keskiarvotulosta vastaa
lukuarvo 1,0, johon muita mittaustuloksia sitten verrataan.
Kuva 22.
Simuloinnin tulokset (1,0 = mittausten keskiarvo) (Herrmann & Thiede 2009).
Simuloinnin tuloksista (kuva 22) tehtiin yleisesti seuraavia huomioita:
•
eri muuttujille asetetut tavoitteet ovat usein vahvasti ristiriidassa keskenään
•
kuormituspiikeistä merkittävä kustannusten kasvu
energiatehokkain ei välttämättä ole halvin ratkaisu.
Kun eri vaihtoehtojen tuotannon energiankulutuksen vaihteluväliksi todettiin 127,95172,85 kWh, niin samanaikaisesti simuloitujen tulosten perusteella laskettujen
kuukausittaisten energiakustannusten todettiin vaihtelevan jopa yli 160 % (1512-4007
€) näiden eri vaihtoehtojen kesken, verrattaessa halvimpaan (energiakustannus)
mahdolliseen tuotantovaihtoehtoon. Kulutuspiikit olivat suurimpana syynä tähän
suureen
energiakustannusten
vaihteluun.
Kulutuspiikkien
merkitys
yrityksen
energiakustannuksiin on riippuvainen yrityksen sähkösopimuksesta (Herrmann &
Thiede 2009).
Vaihtoehtona
kuormituksen
aiheuttamille
koville
kustannuksille
simuloitiin
tuotannonsiirtoa yöaikaan (tuotantovaihtoehto S9*). Tuotannonsiirron yöaikaan
todettiin
tarjoavan
mahdollisuuden
kustannussäästöihin
perustuen
yösähkön
halvempaan hintaan.
Energiatehokkaimmaksi tuotantovaihtoehdoksi osoittautui molempia tuotantolinjoja
käyttävä 25 tai 50 sarjakoolla suoritettava valmistus. Kuitenkin energiakustannuksiin
tämä molempien linjojen käyttäminen vaikutti negatiivisesti, sillä kustannukset
muodostuvat korkeammiksi kuin käytettäessä vain yhtä valmistuslinjaa.
Integroidun simuloinnin pääasiallisena tarkoituksena on ottaa mukaan prosessiin niin
taloudelliset kuin ekologisetkin tekijät, jolloin tuloksista on helppo poimia ratkaisut,
jotka täyttävät kaikki minimivaatimukset. Vastaavan simulaation pääasiallisena etuna
yritykselle onkin löytää mahdolliset tuotantovaihtoehdot ja osoittaa eri muuttujien
optimoinnin tarjoamat mahdollisuudet.
2.6 Energiaa säästävät ratkaisut työstökoneissa
Viime vuosien aikana ovat myös erityiset energiaa säästävät ratkaisut lisääntyneet
kaikissa konepajan koneissa mukaan lukien lastuavat työstökoneet sekä levytyökoneet.
Energian hinnan noustessa ja kokonaiskulutuksen sekä koneisiin liitettyjen
sähkölaitteiden jatkuvasti lisääntyessä voidaan työstökoneiden energiankulutusta
rajoittamalla saada aikaan suuriakin säästöjä. Etenkin useat eurooppalaiset ja
aasialaiset valmistajat pyrkivätkin jatkuvasti rakentamaan työstökoneita, joiden
energiankulutus on minimoitu (Scianna 2008). Toisena kehitysalueena ovat olleet
erityiset ratkaisut ja lisälaitteet, jotka sellaisinaan parantavat työstökoneiden
energiatehokkuutta.
Energiansäästöä voidaan saavuttaa muun muassa seuraavilla ratkaisuilla:
•
”stand by” –laitteistoilla
laitteiden sammutus seisontatilassa
•
työstöprosessissa syntyvän hukkalämmön talteenotto
•
jäähdytysnesteiden ja öljyn ja vastaavien käytön optimointi
•
uudet teknologiat koneissa (moottorit, johteet ym)
•
koneen säännölliset huollot
•
automaatiotaso.
Energiankäyttö
työstökoneissa
on
vähentynyt
läpi
linjan
lukuun
ottamatta
viimeisimmän tekniikan koneita. Teknologiat, joita viimeisimmän tekniikan koneissa
käytetään niiden tullessa markkinoille, eivät useimmiten ole vielä kovin tehokkaita tai
ekologisia, joten koneita suunniteltaessa ei useimmiten ajatella ekologisesti, vaan
halutaan vain maksimoida koneen tuotantotehokkuus (Scianna 2008). Työstökoneiden
koolla on usein myös suora suhde energiankulutukseen ja muihin ekologisiin
vaikutuksiin. Pieni kone kuluttaa yleisesti vähemmän energiaa, jäähdytysnesteitä ja
muita vastaavia sekä voiteluaineita (Scianna 2008).
2.6.1 Seisova kone kuluttaa energiaa
Työstökoneet
kuluttavat
lastuamisprosessilla
työkappaletta
onkin
oma
työstettäessä
välttämätön
runsaasti
tehontarpeensa.
energiaa,
ja
Kuitenkin
energiatehokkuuden kannalta on erittäin tärkeää ottaa huomioon, että nämä
tuotantokoneet kuluttavat usein myös seisoessaan suuren määrän energiaa. Mitä
enemmän
kone
seisoo,
sitä
enemmän
energiaa
kuluu
hukkaan.
Arviot
kokonaissäästöpotentiaalista vaihtelevat, mutta esimerkiksi Frauenhofer Institutin
(Frauenhofer Gesellschaft 2008) mukaan koneiden seisonta-aikojen leikkaus tarjoaa
noin 10-25 prosentin säästömahdollisuuden koneiden energiakustannuksissa. Kuhrken
ja Rothenbücherin (2008) mukaan yksinkertaisilla toimilla voidaan säästää jopa 14
prosenttia kuluista.
100-300 W:n kulutus on varsin yleinen seisovalle koneelle (Koelsch 2008). Kuitenkin
esimerkiksi hydraulipumppu voi pahimmallaan kuluttaa seisoessaankin jopa 4kWh
(Kuhrke & Rothenbücher 2008). Näin ollen seisokkiaikojen minimointi muodostuu
yhdeksi suurimmista mahdollisuuksista parantaa työstökoneiden ja koko konepajan
energiatehokkuutta. Kuhrken ja Rothenbücherin tutkimuksessaan käsittelemän
esimerkin hydraulipumppua tarvittiin vain noin 30 prosenttisesti koko prosessin
kestosta, joten vuosittaiseksi säästöpotentiaaliksi laskettiin jopa 10 000 kWh, mikä
saavutettaisiin sammuttamalla pumppu aina väliaikaisesti.
2.6.2 ”Stand by” -valmiustilat
Työstökonevalmistajat ovat puuttuneet tähän tutkimuksissa todettuun huomattavaan
energiakulutukseen koneiden seisoessa ja konevalmistajat (niin lastuava- kuin myös
levytyökone) sisällyttävätkin koneisiinsa nykyään mahdollisuuden ottaa käyttöön niin
sanottu ”stand by” -valmiustila. Stand by -valmiustilalla tarkoitetaan tilaa, johon kone
jää varsinaisten työstötapahtumien välillä. Stand by -tilan ideana on sammuttaa osa
työstökoneen toiminnoista energian säästämiseksi, mutta kuitenkin siten, että kone on
myös nopeasti käynnistettävissä seuraavaa valmistettavaa tuotantosarjaa varten.
Työstökonevalmistajat, kuten Haas Industries, sisällyttävät stand by -tilan nykyään jo
kaikkiin koneisiinsa. Haasin käyttämässä stand by -systeemissä koneenkäyttäjä voi
ajastimen avulla säätää, kuinka pitkän ajan jälkeen käyttämättä oleva kone sammuttaa
itsensä (Scianna 2008).
Vastaavasti Mori Seikin – suuri japanilainen työstökonevalmistaja – Mark Mohr
ilmoittaa, että stand by -moodissa heidän koneensa kulutus putoaa 78 % aikaisempaan
seisovan
koneen
energiankulutukseen
verrattuna.
Samalla
myös
koneen
työstönaikaista energiankulutusta on myös saatu vähennettyä 36 %, jolloin
kokonaissäästöt ovat yli 40 % energiankulutuksessa (Scianna 2008).
Esimerkki stand by -tilan käytöstä työstökoneessa on Mazakin vaakakarainen
koneistuskeskus Nexus 8800-II, jonka kehityksessä energiankulutuksen minimointi on
ollut yksi keskeisistä teemoista. Kone on suunniteltu suurten kappaleiden
koneistamiseen, ja työstettävien kappaleiden maksimikoko onkin 1450x1450. Kun
koneistuskeskus on pysähdyksissä, stand by -tila tulee käyttöön, ja kone pysäyttää
automaattisesti osan toiminnoistaan energiaa säästääkseen. Pysähtyviä toimintoja ovat
hydrauliyksikkö, karajäähdytin, lastunkuljetin, voitelu- ja jäähdytyspumput sekä
laitteen valot (Konekuriiri 2009). Stand by -tilaa käyttämällä saadaan koneen seisokin
aikaista energiankulutusta vähennettyä jopa 70 prosenttia. Vaikka stand by -tila on
koneen tärkein ratkaisu energian säästöön, niin samalla on kuitenkin onnistuttu
vähentämään koneen ilmankäyttöä sekä rajoittamaan jäteöljyn muodostumista.
Ilmankäyttö on vähentänyt 45 prosenttia ja jäteöljyn määrä peräti 86 prosenttia.
(Mazak Usa 2008).
2.6.3 Uusilla teknologioilla energiatehokkuutta ja
kustannussäästöjä
Erilaiset uusinta servotekniikkaa hyödyntävät moottorit ovat nostaneet päätään viime
vuosina. Näillä tekniikoilla on mahdollista ottaa talteen koneen jarrutusenergia ja
palauttaa
se
uudestaan
käyttöön.
Tämän
avulla
voidaan
saavuttaa
suuria
energiansäästöjä, sillä tutkimusten mukaan nämä jarrutusajat muodostavat suuren osan
koneen ajoajasta (Koelsch 2008).
Moderneilla ohjaustekniikoilla voidaan säästää energiaa huomattavasti. Japanilainen
työstökonevalmistaja
Fanuc
lupaa
uusien
3-akselisten
Robodrill-
koneistuskeskuksiensa vähentävän energiankulutusta 55 prosenttia (kuva 23)
konventionaalisella tekniikalla varustettuihin koneisiin verrattuna (Koelsch 2008).
Kehittyneiden ohjaustekniikoiden käyttö lyhentää myös valmistuksen jaksonaikaa
kolmannekseen alkuperäisestä.
89
ENERGIANKÄYTTÖ
LÄPÄISYAIKA
28
23,8
10,7
Konventionaalinen
systeemi
Kuva 23.
Energiaa säästävä
systeemi
Fanuc Robodrillin energiankulutus verrattuna konvetionaaliseen koneeseen
(Zelinski 2006).
Edellä mainittu leikkaus energiankulutuksessa johtuu monista eri syistä, mutta suurin
säästö (jopa 40 prosenttia kokonaiskulutuksesta) saadaan ottamalla talteen osa liike-
energiasta koneen jarruttaessa. Fanucin havaintojen mukaan servomoottoria
käytettäessä koneen jarrutusajat ovat melkein yhtä pitkäkestoisia kuin koneen liike- tai
kiihdytysajat (Koelsch 2008). Näin ollen moottorien jarruttaessa voidaan ottaa talteen
huomattava määrä laitteen liike-energiasta ja palauttaa se takaisin käyttöön. Vanhoilla
konventionaalisilla koneilla tämä ei ole ollut mahdollista. Jarrutusenergian talteenotto
on
mahdollista
niin
akselia
liikuttavasta
moottorista
kuin
karamoottorista.
Energiankulutuksen tarkka seuraaminen on mahdollista ohjauslaitteen näytöltä (kuva
24), josta nähdään niin kulutettu energia kuin myös uusiokäyttöön taltioitu
jarrutusenergia.
Kuva 24.
Ohjauslaitteen ikkuna energiankulutuksen seuraamiseen (Fanuc 2009).
Jarrutusenergiaa hyödyntävän tekniikan käyttöönottoa tähän mennessä ja edelleen
rajoittaa laitteiden hinta. Tekniikka ei maksa itseään takaisin laitteissa, jos jarrutusajat
ovat suhteettoman lyhyitä verrattuna karan pyörimisaikoihin (Scianna 2008). Fanucin
mukaan uuden tekniikan eron pitäisi olla nähtävissä kun vanhoja komponentteja
korvataan uusilla komponenteilla. Fanuc ilmoittaa säästön energiankulutuksessa
olevan merkittävä, kun 20 vuotta vanhojen koneiden komponentteja korvataan uusilla
(Koelsch 2008).
2.6.4 Koneiden käyttötapojen muutoksilla energiatehokkuutta
Fanuc on kehittänyt laitteisiinsa erityisen energiaa säästävän työstötilan (Power-saving
mode), jota käyttämällä kone kuluttaa vähemmän energiaa (Fanuc 2009). Tämän
työstötilan koneen käyttäjä voi halutessaan valita näyttölaitteelta tai käyttäen
ohjelmakomentoa. Tilaa käytettäessä työstökoneen kiihdytykset ja jarrutukset ovat
hitaita, mikä optimoi energiankäytön läpäisyajan sijaan. Energiansäästövalikosta
voidaan laittaa päälle myös muita energiaa säästäviä ratkaisuja kuten näytönsäästäjä ja
koneiden automaattinen sammutus.
Koska
vakioenergiankulutus
muodostaa
tyypillisesti
suuren
osan
kokonaisenergiankulutuksesta, tuotannon tehostaminen on usein yksinkertainen tapa
saavuttaa parempi energiatehokkuus muiden säästöjen ohella. Samalla kun
kappalekohtainen prosessointiaika pienenee, jakautuu kokonaiskulutus suuremmalle
kappalemäärälle, jolloin tuotetta kohden kulutettu energiamäärä pienenee. Tuotannon
automaatioasteen lisäys johtaa useimmiten tuotannon tehostumiseen, jonka kautta
vaikutus energiatehokkuuteen on positiivinen (Chua 2008). Toisaalta automatisoitu
tuotanto kasvattaa tuotannon vakioenergiankulutusta, johtuen laitteiden runsaasta
valmiustilan energiankulutuksesta, kuten Dahmus (2007) tutkimuksessaan osoitti.
Automatisoitu tuotanto mahdollistaa kuitenkin myös muiden energiaa säästävien
tekniikoiden
hyödyntämisen,
kuten
valaistuksen
vähentämisen
tai
laitteiden
automaattisen poiskytkemisen virran säästämiseksi.
Yleisten hyvien tuote- ja valmistussuunnittelun ohjeiden noudattaminen parantaa
tuotannon
energiatehokkuutta.
Työstön
aloittaminen
muodosta,
joka
on
mahdollisimman lähellä lopputuotetta, minimoi tuotekohtaisen prosessointiajan,
jolloin
prosessin
energiatehokkuuskin
paranee.
Myös
valmistuksen
laatua
parantamalla energiatehokkuus paranee, sillä jokainen valmistusketjun lopussa hylätty
tuote aiheuttaa turhaa materiaalihukkaa kuin myös tuotteen prosessointiin kulunutta
energiahukkaa (Frauenhofer Gesellschaft 2009). Prosessin parannustarve koskee
etenkin prosessitasapainon parantamista, sillä tyypillisesti käynnistysvaiheessa koneet
tuottavat eniten viallisia tuotteita (Frauenhofer Gesellschaft 2009).
2.6.5 Muita energiaa säästäviä ratkaisuja
Työstökoneet voidaan ohjelmoida sammuttamaan valonsa, kun työstökoneen ovi on
suljettu. Toimintoa voidaan kontrolloida ajastimilla, jotka esimerkiksi sammuttavat
työstökoneen valot tietyn ajan kuluttua oven sulkeutumisesta. Esimerkiksi Mori Seiki
hyödyntää jo ominaisuutta koneissaan (Scianna 2008).
Vastaavaa ajastintekniikkaa käytetään laitteen ohjauslaitteissa. Näytönsäästäjä tulee
näytölle, kun ohjauslaitteita ei käytetä. Myös työstökoneiden lamppuja on alettu
korvata energiatehokkaammilla lampuilla sekä jopa erittäin vähän energiaa
kuluttavalla LED-teknogialla (Scianna 2008). Haas Industriesin mukaan niin sanotut
älykkäät systeemit, jotka tarkkailevat itseään sekä ilmoittavat esimerkiksi tarvittavista
huolloista kuten öljynvaihdoista ovat tulevaisuuden teknologioita. Mori Seikillä
uskotaan, että suurimmat säästöt on saavutettavissa koneilla, joilla voidaan suorittaa
monia yhdistettyjä prosesseja. Yhdistämällä prosesseja saadaan koneista entistä
tehokkaampia ja saavutetaan näin ollen sekä kustannus- että energiankulutussäästöä
(Scianna 2008). Prosessien yhdistäminen myös lyhentää prosessin läpäisyaikoja sekä
vähentää materiaalihukkaa, joten yhdistettyjä prosesseja voidaan pitää osa-alueena,
jolla on mahdollista saavuttaa merkittäviäkin säästöjä tulevaisuudessa (Frauenhofer
Gesellschaft 2009).
Öljysumun ja -savun suora ulospuhaltaminen aiheuttaa monelle konepajalle
tarpeettoman kustannuserän. Työstöprosesseissa syntyvän lämmön talteenotolla
voidaan vaikuttaa merkittävästi konepajan energiatehokkuuteen. Tämä korostuu
Suomen kaltaisessa maassa, jossa vuosittainen lämmityksen tarve on usein suuri.
Suodattimilla parannetaan useimmiten samalla myös työympäristön viihtyvyyttä ja
puhtautta, mikä pidentää myös konepajan muiden koneiden käyttöikiä. Laitteistoja on
tarjolla niin konekohtaisesti kuin myös malleja, jotka ovat yhdistettävissä useampaan
työstökoneeseen. Myös koneelta toiseen liikuteltavia malleja on tarjolla. Esimerkiksi
italialainen suodattimiin erikoistunut valmistaja Sei (Sistemi Ecologici per l´Industria
2009) lupaa, että heidän koneensa ovat helposti liitettävissä kaikenlaisiin
työstökoneisiin. Myös muilla valmistajilla kuten Absolentilla on ratkaisuja
kaikenlaisten koneistettaessa syntyvien kaasujen ja savujen suodattamiseen.
3 Tutkimustulokset
3.1 Kysely konepaja-alan asiantuntijoille
Tutkimuksen
yhteydessä
järjestettiin
haastatteluita,
joissa
työstökoneiden
asiantuntijoilta kysyttiin työstökoneiden energiankäytöstä sekä tähän olennaisesti
liittyvistä osa-alueista. Haastatteluita suoritettiin henkilökohtaisilla tapaamisilla,
puhelimitse sekä sähköpostitse. Haastateltaviksi valikoitui työstökoneita myyvien
yritysten
asiantuntijoita
(4
kappaletta),
joilla
oli
pitkäaikaista
kokemusta
työskentelystä joko lastuavien työstökoneiden tai ohutlevytyökoneiden parissa, ja yksi
henkilö, joka työskenteli työstökonehuoltojen parissa. Myyjistä kolme työskentelivät
pääosin lastuavien työstökoneiden parissa ja yksi levytyökoneiden parissa.
3.1.1 Kysymysten tausta
Kysymyslistaa laadittaessa mietittiin, millä osa-alueilla haastateltavien asiantuntevuus
olisi tutkimuksen avuksi. Kysymyslistaa päivitettiin ensimmäisten haastatteluiden
jälkeen, jotta tulevissa saataisiin paremmin irti halutut asiat, ja jotta kysymykset
olisivat haastateltaville mahdollisimman yksinkertaisia ja selkeitä. Haastatteluissa
käytetty kysymyslista on esitetty liitteessä 2.
Ensimmäisillä
kysymyksillä
pyrittiin
ottamaan
selvää,
kuinka
suuria
parannusmahdollisuuksia eri osa-alueilla (työkalut, koneen käyttötavat ja niin
edelleen) on. Ensimmäisten haastattelujen jälkeen kyselyyn lisättiin muun muassa
koneen huollot, sillä tämän todettiin olevan yleisesti merkittävä tekijä, joka tuli ilmi
keskusteluissa. Koska lastuavat työstökoneet ja levytyökeskukset sekä muut
levytyökoneet ovat tyypillisesti suuria investointeja konepajoille, niille on usein tapana
tehdä modernisointeja, joissa koneen osia vaihdetaan ja konetta mahdollisesti
uudistetaan lisäämällä uusia ohjauksia tai lisälaitteita. Tämän vuoksi kyselyssä
haluttiin
selvittää,
minkälaisia
mahdollisuuksia
nähtiin
vanhojen
energiatehokkuuden parantamiseen näiden remonttien yhteydessä.
koneiden
Tutkimuksella haluttiin myös selvittää, onko markkinoilla olevien eri valmistajien
koneiden energiankäytössä suuria eroja, jotta mahdollisesti löytyisi yrityksiä, jotka
ovat paneutuneet energiankulutuksen minimointiin sekä jotta nähtäisiin kuinka hyvin
tutkimuksen tulokset ovat yleistettävissä koskemaan eri valmistajien koneita. Samalla
haluttiin myös kysyä asiantuntijoiden mielipidettä koneiden energiankulutuksen
kehityksestä
viime
vuosikymmeninä
pyytämällä
vertailua
uusien
koneiden
energiankulutuksesta verrattuna vanhempiin koneisiin. Tähän yhteyteen lisättiin
kysymys koneiden taloudellisesta käyttöiästä, sillä koneet vanhenevat myös muilta
osin kuin vain energiankäytön osalta. Tähän haluttiin asiantuntijan näkemys, jotta
voitaisiin analysoida, tapahtuuko energiatehokkuuden parantuminen melkeinpä
itsestään asiakkaiden uusiessa konekantaansa tuotantoa tehostaakseen. Viimeisimpänä
tärkeänä asiana haluttiin saada kartoitusta, kuinka hyvin myyjien asiakkaina toimivat
konepajat ovat tietoisia ja kiinnostuneita koneiden energiankäytöstä, ja miten he
mahdollisesti ottavat energiatehokkuuden huomioon, jos näin tapahtuu.
3.1.2 Haastatteluiden tulokset
Haastatteluiden tulokset on seuraavassa esitetty kysymyskohtaisesti. Jokaisen
kysymyksen alle on koottu kaikkien vastaajien vastaukset tiivistetysti.
Onko tarpeen mitata yksittäisen koneen energiatehokkuutta ja mitkä tekijät
koneen
käytössä
ja
käyttötavoissa
vaikuttavat
merkittävimmin
koneen
energiatehokkuuteen?
Haastatteluissa kävi ilmi, että energiakulutuksen seuraaminen ja mittaaminen kuuluvat
myyjien mielestä olennaisena osana koneen päivittäiseen seurantaan. Kuitenkin myös
tätä kyseenalaistettiin perustuen siihen, että asiakkaat eivät ole kiinnostuneita koneiden
energiatehokkuudesta.
Suurimpina vaikuttajina koneen energiatehokkuuteen nähtiin koneiden järkevä käyttö
(oikean kokoinen kone oikeaan tehtävään), oikein valitut työkalut ja käytettävät
työstöarvot sekä koneiden säännöllisesti hoidetut huollot. Etenkin koneiden järkevällä
käytöllä
oikeine
työkaluineen
nähtiin
olevan
merkittävä
vaikutus
koneen
kokonaisenergiankulutukseen. Arviot tämän vaikutuksesta vaihtelivat 10 - 30 %
välillä.
Miten työstökoneiden modernisointien rooli nähdään energiatehokkuuden
parantamisessa?
Koneiden modernisointien yhteydessä katsottiin yleisesti olevan hyvä paikka miettiä
myös koneen mahdollista energiatehokkuutta. Kuitenkaan modernisointien ei katsottu
olevan perusteltuja pelkän energiatehokkuuden parantumisen nojalla. Arviot
parannuspotentiaalista olivat melko varovaisia (noin 10 %).
Nähtiinkö eri valmistajien koneiden energiatehokkuudessa eroja?
Lastuavien työstökoneiden kanssa työskentelevät eivät nähneet suuria eroja
energiatehokkuudessa eri valmistajien kesken. Levytyökoneiden osalta ero nähtiin
suurempina (20-30 %). Etenkin laserleikkauskoneiden hyötysuhteissa voi olla suuria
eroja.
Mikä on nykykoneiden energiatehokkuus verrattuna 10 - 15 vuotta vanhoihin
koneisiin, ja mikä on koneiden taloudellinen käyttöikä?
Arviot uusien koneiden energiansäästöstä verrattuna 10 - 15 vuotta sitten
valmistettuihin koneisiin vaihtelivat, riippuen konetyypistä, mutta erot todettiin
yleisesti melko suuriksi (20-40 %). Etenkin suurissa tehokkaimmissa koneissa, joissa
käytetään paljon juuri koneen valmistushetkellä tarjolla olevaa huipputeknologiaa, erot
energiankäytössä voivat olla erittäin merkittäviä verrattaessa uusia koneita 10 - 15
vuotta vanhoihin koneisiin.
Arviot koneiden yleisestä taloudellisesta käyttöiästä vaihtelivat 10 - 20 vuoden välillä
myös riippuen konetyypistä. Suurten tehokkaampien koneiden taloudelliseksi
käyttöiäksi arvioitiin vain noin 10 - 15 vuotta. Todettiin myös, että ikääntyneet (ikä yli
20 vuotta) koneet eivät ole pelkästään energiatehokkuudeltaan huonoja, vaan ne ovat
useimmiten jo tekniikaltaan vanhentuneita.
Minkälaisia erityisiä mahdollisuuksia konepajoissa on energiansäästöön?
Erityisistä
energiansäästötavoista
nykykoneissa
haastatteluissa
nousivat
esiin
työstökoneiden itsensä sammuttavat stand by -systeemit. Näitä haluttiin konepajoihin
myös asiakkaiden toimesta. Tosin usein niiden käyttöönottoa ajoi enemmänkin
turvallisuus kuin energiansäästö. Muita esiin tulleita tapoja olivat lämpöenergian
käyttöönotto sekä koneiden valojen korvaaminen LED-tekniikalla. Vastoin yleistä
julkaisuista saatua kuvaa energiaa talteenottavat ja säästävät lineaarimoottoriratkaisut
eivät olleet vielä yleistyneet saati ollenkaan saatavilla myynnissä olevissa uusissa
lastuavissa koneissa.
Miten asiakkaat kiinnittävät huomiota energiatehokkuuteen?
Asiakkaat eivät pidä energiatehokkuutta merkittävänä asiana koneita hankittaessa.
Koneita hankitaan pääosin koneesta irti haluttavan maksimitehon mukaan, ja siten
koneen energiankäyttö ei ole merkittävässä osassa päätöksentekoa.
Konemyyjien muita huomioita koskien konepajojen energiatehokkuutta
Yleisenä huomiona energiatehokkuuden jäämisestä huomiotta oli prosesseissa
syntyvän lämmön johtaminen suoraan ulos konepajoista. Lämmön talteenotto ja
hyödyntäminen kiinteistön lämmitykseen puuttuivat usein kokonaan. Tämä nähtiin
merkittävänä epäkohtana ottaen huomioon Suomessa ilmaston vuoksi tarvittava
kiinteistöjen pitkäaikainen lämmitystarve.
3.1.3 Yhteenveto haastatteluista
Kokonaisuutena haastatteluista kävi ilmi, ettei ainakaan haastateltujen kokemusten
mukaan tuotantokoneiden energiatehokkuutta nähty kovinkaan merkittävänä asiana
konepajoissa.
Heidän
asiakkaansa
eivät
juuri
kiinnittäneet
huomiota
energiatehokkuusasioihin, eikä näin ollen koneiden energiakustannuksilla ollut
merkitystä
asiakkaille
esimerkiksi
uutta
konetta
hankittaessa.
Asiakkaiden
vaatimuksena oli esimerkiksi lastuaville työstökoneille useimmiten vain tehokas
lastunirrotus.
Haastateltavat itse näkivät energiankäytön seurannan ja energiatehokkuuden
mittaroinnin tärkeänä osana konepajan päivittäistä seurantaa sekä energiatehokkuuden
parantamisen mahdollisuutena saavuttaa kustannussäästöjä. Erityisistä potentiaalisista
energiansäästökohteista tulivat ilmi konepajan tuotantoprosesseissa syntyvän lämmön
talteenotto ja muissa lähteissä pienelle huomiolle jääneet koneiden säännöllisesti
hoidetut huollot. Lämpöenergian talteenotto nähtiin merkittävänä tapana säästää
energiaa, sillä Suomessa on varsin pitkä vuotuinen lämmitystarve. Huoltojen katsottiin
olevan suuressa roolissa myös energiatehokkuuden kannalta, jotta kone toimisi
tehokkaasti (myös energiatehokkaasti) koko elinkaarensa ajan. Myös koneiden käytön
optimoinnissa nähtiin olevan säästöpotentiaalia, mutta kokemusten mukaan tämä jää
itse koneita käytettäessä varsin pienelle huomiolle. Kirjallisuuslähteissä paljon
huomiota saaneet stand by -laitteet olivat asiakkaiden tiedossa ja käytössä, mutta
näiden hankkimista motivoivat enemmän turvallisuusnäkökohdat kuin mahdollinen
energiansäästöpotentiaali.
3.2 Konepajojen energiakatselmukset
Osana
tutkimusta
analysoitiin
konepajoissa
vuosina
1997-2007
tehtyjä
energiakatselmuksia ja –analyysejä (n = 9 ). Tavoitteina oli saada selville:
1. Miten konepajojen energiankulutus ja -kustannukset yleisesti jakautuvat
eri energiamuotojen välillä?
2. Kuinka
suuren
osuuden
energiankulutuksesta
muodostavat
tuotantokoneet?
3. Onko
katselmusten
yhteydessä
jo
tehty
tuotantokoneiden
energiatehokkuutta parantavia muutoksia?
Tutkimusta varten pyydettiin yritysten tuotantolaitoksissaan tekemiä energiaanalyyseja. Analysoitavaksi saatiin yhdeksän eri kohteissa tehtyä katselmusta.
Katselmusten konepajat erosivat toisistaan niin tuotanto- ja toimistotiloiltaan kuin
myös tuotantoprosesseiltaan. Samoin tehtyjen katselmusten laajuudet ja kattavuudet
erosivat toisistaan. Katselmukset olivat lisäksi tehty vuosina 1997-2007, joten
myöskään analyysien energiakustannukset eivät ole aivan suoraan vertailukelpoisia
keskenään
johtuen
muuttuvista
energiahinnoista.
Kustannusten
diskonttaus
nykyarvoon on kuitenkin jätetty tekemättä, sillä sen ei katsottu olevan merkitsevä asia
vertailtaessa yrityksien sisäistä eri energiatyyppien keskinäistä kulutusta. Yrityksissä
tehtyjen katselmusten analysointiin on sisällytetty lämpö-, sähkö-, ja vesikulutukset,
sillä vain näiden kulutusta esiintyi tai oli arvioitu kaikissa analyyseissa. Näin ollen
joissain kohteissa esiintynyt kaasun kulutus jätettiin huomioimatta. Myöskään
vesikustannuksissa ei ole eroteltu vesi- ja jätevesikustannuksia, sillä näiden erottelua
ei löytynyt kaikista analyyseista.
3.2.1 Energiankulutuksen jakautuminen kohteissa
Lämpö- ja sähköenergian vuosittaiset kulutukset olivat useimmissa kohteissa
keskenään samaa suuruusluokkaa (MWh). Kohteiden tarkat vuosikulutukset on
esitetty taulukossa 5. Taulukosta nähdään, että viidessä kohteessa lämmönkulutus oli
määrällisesti suurempi ja neljässä vastaavasti sähkönkulutus.
Taulukko 5
Kohteiden lämpö- ja sähköenergian vuosikulutukset
Huolimatta siitä, että kulutukset olivat kohteissa samaa suuruusluokkaa ja neljässä
kohteessa sähkönkulutus oli suurempaa, niin vain yhdessä kohteessa kuitenkin nähtiin
suurimman suhteellisen säästöpotentiaalin olevan sähkössä. Vastaavasti kuudessa
kohteessa suurimman säästöpotentiaalin nähtiin olevan lämpöenergian kulutuksen
vähentämisessä.
Jos
katsotaan
kohteiden
energiakustannuksia,
huomataan,
että
rahallisesti
sähkönkulutus (kuva 25) nousee huomattavasti merkittävämmäksi kuin lämpöenergiakustannus.
ENERGIAKUSTANNUSTEN JAKAUTUMINEN
ENERGIAMUOTOJEN KESKEN
VESI 4 %
LÄMPÖ 35 %
SÄHKÖ 61 %
Kuva 25.
Energiankustannusten jakautuminen keskimäärin eri energiamuotojen kesken
tutkimuskohteissa.
Sähköenergia muodosti suurimman kuluerän yrityksille jokaisessa analysoidussa
kohteessa. Kuitenkin energiamuotojen kustannusten jakautumisessa oli melko
suuriakin eroavaisuuksia kohteiden välillä. Energiamuotojen kustannukset kohteittain
on esitetty taulukossa 6.
Taulukko 6
Energiakustannusten jakautuminen kohteittain
Etenkin
kohteiden
lämpökustannukset
suhteessa
kokonaisenergiakustannuksiin
vaihtelivat runsaasti. Vesikustannukset eivät missään analysoidussa kohteessa
nousseet merkittäväksi kustannuseräksi verrattuna sähkön- tai lämmönkulutukseen.
Kustannusten keskimääräinen jakautuminen on esitetty taulukossa 7.
Taulukko 7
Energiakustannusten keskimääräinen jakautuminen tutkimuskohteissa
Tyypillisesti suurimman sähkönkulutuksen kohteissa muodostavat prosessilaitteet.
Muut merkittävät sähköenergian kuluttajat ovat valaisimet sekä ilmanvaihtolaitteet.
Kohteiden sähkönkulutuksen jakautuminen on esitetty taulukossa 8.
Taulukko 8
Taulukosta
Sähkönkulutuksen jakautuminen kohteissa
voidaan
todeta,
että
useimmissa
kohteissa
prosessikoneiden
energiankulutus on merkittävintä sähköenergian kokonaiskulutukseen verrattaessa.
Kuitenkin kaikissa kohteissa, mutta etenkin kohteissa, joissa prosessilaitteiden
energiankulutus on suhteessa varsin pieni, valaisimet ja ilmanvaihto kuluttavat
merkittävän osuuden kokonaiskulutuksesta.
3.2.2 Kattavan mittariston merkitys energia-analyyseissa
Kuten aiemmin on mainittu, katselmusten laajuus vaihteli, eli joukossa oli niin pelkkiä
katselmuksia kuin myös analyysilaajuisia selvityksiä. Tämän lisäksi kattavuus
mittariston osalta erosi myös kohteiden välillä. Kattavuus vaihteli muutaman kohteen
konekohtaisesta sähkönkulutuserittelystä tuotantolinjakohtaiseen.
Eräässä yrityksessä koettiin ongelmalliseksi se, etteivät tehtaan sisäiset tulosyksiköt
pystyneet seuraamaan energiankulutustaan, ja näin ollen he eivät myöskään voineet
seurata
mahdollisilla
tehostamistoimilla
saavutettavia
hyötyjä.
Tarkemman
mittaroinnin etuna nähtiin myös, että näin ollen rajalliset resurssit voitaisiin kohdistaa
paremmin ongelmallisimpiin kohteisiin, kun tunnettaisiin energiakustannusten rakenne
nykyistä paremmin. Vaatimus tarkemmasta mittaroinnista koski kattavasti niin sähkön
alamittarointia kuin myös kaukolämmön seurantaa. Toisessa kohteessa, jossa esiintyi
lastuavan työstön koneita tehoalueeltaan 6 kW - 120 kW, ei myöskään ollut tietoa
koneiden
energiankulutuksesta
muuten
kuin
tuotannon
kokonaiskulutuksena.
Kohteessa ei myöskään ollut tilastotietoa kohteen lastuavien työstökoneiden
vuosittaisista käyttöajoista. Kyseisten tietojen puuttuminen tekee energiatehokkuuden
analysoinnin kyseisten kohteiden prosessikoneiden osalta erittäin vaikeaksi.
Riittävä mittaristo parannusprojektien pohja
Jotta edes lähtökohtaisesti voitaisiin ryhtyä energiatehokkuuden parantamisprojektiin,
on konepajassa oltava riittävä mittaristo energiankulutuksen mittaamiseen ja
kohdentamiseen. Energiankäytön tehostumisen toteamisen ja energiatehokkuuden
edistämisen edellytyksinä voidaan pitää riittävää mittarointia. Ilman riittävän tarkkaa
mittarointia on vaikea kohdentaa syntyneitä säästöjä millekään tietylle toimenpiteelle.
Riittävä mittarointi myös takaa mahdollisten toimenpiteiden toistettavuuden.
Jos mittaristoa ei vielä ole, sellainen on luotava. Energian käyttöä olisi syytä mitata
mahdollisimman tarkasti, mieluiten jopa työstökonekohtaisesti, jotta saataisiin
riittävän tarkkaa tilastotietoa. Mitä tarkemmin energiankulutus voidaan kohdentaa
yksittäiselle työstökoneelle tai jopa vielä tarkemmin sen osalle, sitä helpompi on
löytää ja suunnitella tulevia kehityskohteita. Eri kohteiden energiankulutuksen
kohdentamisessa voi olla hyödyksi suorittaa esimerkiksi kuvan 26 mukainen
energiankulutuksen jaottelu.
Kuva 26.
Energiankäytön jaottelu tuotantolaitoksessa (Leonardo Energy 2007).
Kun erittely on saatu kone- tai laitetasolla tehtyä, on seuraava askel tehdä sama erittely
yksittäisten koneiden tasolla, jolloin voidaan tarkemmin määritellä, mihin energia
koneilla kuluu. Tarkka erittely auttaa etenkin mahdollisten energiatehokkuuden
parantamiskohteiden löytämisessä. Koska erittely on suoritettu mittausten perusteella
jo kone- tai laitetasolla, yksityiskohtaista, eri osille tehtävää erittelyä ei välttämättä
kannata suorittaa kuin niille koneille, joiden energiankulutus muodostaa merkittävän
osuuden kokonaiskulutuksesta.
Yleisesti mittaamalla sähkönkulutusta riittävän tarkasti saavutetaan muun muassa
seuraavia etuja:
•
säästökohteiden havaitseminen helpottuu
•
epänormaalit poikkeamat kulutuksessa havaittavissa
huoltotoimenpiteiden suoritus
•
rajattujen resurssien kohdentaminen toimenpiteisiin helpottuu.
Säästöä tavoitelleiden toimenpiteiden jälkeen mittaristo helpottaa tulosseurantaa:
•
saavutetut säästöt helppo todentaa
o säästöt voidaan kohdentaa yksittäiselle toimenpiteelle
toimenpiteiden uusiminen.
Toimenpiteiden pyrkimyksenä pitääkin olla jatkuva parantaminen, jossa pyritään
parantamaan energiatehokkuutta askel askeleelta. Mittaamalla voidaan jokaisen tehdyn
toimenpiteen tulos osoittaa helposti sekä näin ollen tehdä mahdolliset korjaavat
toimenpiteet tai uusia kannattavat toimenpiteet.
3.2.3 Katselmuskohteissa havaitut säästöpotentiaalit
Merkittävää oli, että kuudessa kohteessa yhdeksästä suhteellisesti suurimman
säästöpotentiaalin havainnoitiin olevan lämpöenergiakustannusten leikkauksessa.
Pääosin kiinteistöissä olikin keskitytty taloteknisiin parannuksiin kuten ilmanvaihdon,
lämmityksen sekä valaistuksen kehittämiseen. Esimerkkejä tällaisista säästökohteista
olivat muun muassa tuotantohallin ovien energiatehokkuuden parantaminen,
valaistuksen ohjauksen parantaminen sekä ilmanvaihdon käyntiaikamuutokset.
Tuotantokoneisiin, saati sitten työstökoneisiin, tehdyt muutokset olivat harvassa.
Yhdessä katselmuskohteessa oli päätetty investoida energiatehokkuutta parantaviin
toimenpiteisiin myös koskien tuotannon työstökoneita. Kyseisessä kohteessa
säästöpotentiaalia havaittiin muuan muassa seuraavissa kohteissa:
•
lastunkuljettimien käyttö
•
työstökoneiden leikkausnestekierron ajastaminen
•
hiomakoneen paineilmajäähdytyksen korvaaminen lastuamisnesteellä.
Nämä parannuskohteet on esitetty esimerkkitapauksina, sillä niiden on katsottu olevan
melko tyypillisiä parannuskohteita konepajoissa ja näin ollen potentiaalisia
säästökohteita myös muissa konepajoissa. Esimerkeissä käytetyt luvut ja laskelmat
ovat peräisin kohteessa suoritetun katselmuksen raportista.
Lastunkuljettimien käyttöaikojen optimointi
Kohteessa on käytössä 10 lastunkuljetinta, joiden käyttöajat ovat tarpeettoman pitkät.
Muilta
tuotanto-osastoilta
saatujen
kokemusten
mukaan
myös
näiden
lastunkuljettimien käyttöaikoja voitaisiin leikata, ja näin saavuttaa säästöjä. Ideana oli
siirtyä jatkuvasti pyörivistä kuljettimista ajastimella jaksotettuun kiertoon, jossa
kuljettimet pyörisivät 6-12 minuuttia tuntia kohden. Tällä toimenpiteellä arvioitiin
saavutettavan noin 80 % leikkaus nykyisestä energiankulutuksesta. Lastunkuljettimien
yhteisen ottotehon ollessa 13,5 kW ja vuosittaisten käyttötuntien 5000 tuntia, laskettiin
saavutettavan vuosittainen 54 MWh säästö.
•
vuosittainen energiansäästö 54 MWh
•
rahallinen säästö 2754 € / a
•
investointi ajastimiin 5000 €
•
takaisinmaksuaika 1,8 a
Leikkausnestekierron ajastaminen
Parannuskohteen leikkausnesteen kierrätys toteutetaan kierrätys- (2x11 kW) ja
palautuspumpuin (3x 3,5 kW). Työstökoneiden jatkuvan lastuamisnestekierron ei
katsottu olevan tarpeellinen, kun konepajan työstökoneet eivät ole tuotannossa. Näin
ollen öisin ja viikonloppuisin saavutettaisiin säästöä käyttämällä ajastinta, jolloin
pumput kävisivät jaksoittain vain 10-15 minuuttia jokaista tuntia kohden.
Säästöpotentiaaliksi
arvioitiin
80
viikonlopunaikaisesta kulutuksesta.
•
säästöpotentiaali 35 MWh
•
rahallinen säästö 1785 € /a
•
investointi ajastimiin 4000 €
•
takaisinmaksuaika 2,2 a
%
pumppujen
(ottoteho
15
MW)
Hiontakoneen paineilmajäähdytyksen korvaaminen lastuamisnesteellä
Hiontakoneen liukulaakeri on ollut paineilmajäähdytetty. Energiatehokkaamman
vaihtoehdon eli kiertonesteen käyttö olisi mahdollista, mutta sen käyttöä on tähän
mennessä vältetty epäpuhtauksien takia. Jäähdytykseen kuluvaa paineilmamäärää on
vaikea määrittää, mutta suuruusluokka (150 000 m³ / a) arvioitiin kirjallisuusarvoihin
perustuen. Ratkaisuna leikkausnesteen epäpuhtauksiin nähtiin olevan lisäsuodattimien
hankkiminen ja asentaminen puhdistamaan kiertoneste ennen sen syöttöä.
•
säästöpotentiaali 18,7 MWh
•
rahallinen säästö 954 €/a
•
investointi 1000 €
•
takaisinmaksuaika 1,0 a
Yhteistä esimerkkitapauksille on, että ne kaikki sijoittuvat varsinaisen lastuamisen
tukiprosesseihin, ja ne ovat kaikki tunnistettavissa kirjallisuuden perusteella varsin
tyypillisiksi kohteiksi, joilla nähdään olevan paljon kehityspotentiaalia. Tyypillisesti
nämä parannuskohteet tarjoavat yksittäisinä melko pieniä säästöpotentiaaleja, mutta
olettaen, että yrityksestä löytyy useita parannusta vaativia kohteita, ne voivat
muodostaa yhdessä varsin merkittävän säästöpotentiaalin. Huomattavaa on myös
kaikkien investointien erittäin lyhyet takaisinmaksuajat.
3.3 Analyysi työstökoneen energiakustannuksista
Seuraavassa on analysoitu tehtyjen tutkimusten sekä katselmuksista peräisin olevan
empiirisen datan perusteella yksittäisen työstökoneen mahdollista vuosittaista
energiakustannusta. Saksalaistutkimuksen (Kuhrke, Rothenbücher 2008) arvion
mukaan
suorituskyvyltään
keskiarvoisen
koneistuskeskuksen
vuosittaiset
energiakustannukset voivat olla keskimäärin noin 8800 euroa, muodostaen noin 20
prosenttia koneen vuosittaisista kokonaiskustannuksista. Kyseinen on pelkkä arvio,
sillä on mahdotonta arvioida työstökoneiden energiankulutusta tarkkaan, johtuen siitä
että kulutus on niin riippuvaista yksittäisen koneen käyttötunneista sekä myös
tietenkin kappaleista, joiden valmistukseen konetta käytetään.
Dahmuksen (2007) tutkimuksessa laskettiin eri jyrsinkoneille niiden energiankulutusta
tuhatta teoreettista käyttötuntia kohden. Taulukossa 9 on esitetty tarkempaan
tarkasteluun otetun taulukon 1 tuotantokoneistuskeskuksen energiankulutuksen
jaottelu.
Taulukko 9
Tuotantokoneistuskeskuksen tiedot (Dahmus 2007)
Tuotantokoneistuskeskukset ovat kalliita ja tehokkaita tuotantokoneita. Näin ollen
näiden koneiden käyttötuntimäärät ovat usein myös erittäin suuret. Laskettaessa
koneen käyttötunteja pitkälti automatisoidun tuotantokoneistuskeskuksen oletettiin
olevan valmiustilassa 10 % kokonaisajasta. Vastaavasti koneen oletettiin käyttävän
asemointiin 30 prosenttia koneen varsinaisesta tuottavasta käyttöajasta. Näin ollen
lastunirrotukseen käytetyksi ajaksi saadaan:
0,9 × 0,7 = 0,63 ⇒ 0,63 × 1000h = 630h
Edellä mainituilla oletuksilla kokonaisenergiankulutukseksi tuhatta tuntia kohden
saatiin noin 90 MWh.
Koneen vuosittainen energiankulutus on riippuvainen vuosittaisista käyttötunneista.
Oletetaan kuitenkin, että kone on lähes jatkuvasti tuotannossa. Jos konepaja toimii
vain yhdessä vuorossa, voidaan olettaa, että käyttötunnit ovat maksimissaan noin
1500-2000. Kaksivuorotyössä (ilman viikonloppuja) vastaavaksi käyttötuntimääräksi
voidaan arvioida 3000-4000 tuntia. Jos oletetaan, että konepaja pyörii jatkuvasti ilman
seisauksia, voidaan saavuttaa jopa 8000 tuntia vuodessa. 8000 tuntia vuodessa on
mahdollinen,
mutta
käytännön
tasolla
harvinainen
lukema.
Tehokkaimpia
työstökoneita hankittaessa voidaan kuitenkin lähtökohtaisesti olettaa, että vuosittaiset
käyttötunnit ovat melko korkeat, sillä kuten osoitettu, tehokkaimpien koneiden
suhteelliset kustannukset (myös energiakustannukset) laskevat, kun valmistettujen
kappaleiden määrä kasvaa. Näillä arvoilla lasketut tuotantokoneistuskeskuksen
vuosittaiset
energiankulutukset
ja
-kustannukset
on
esitetty taulukossa
10.
Sähköenergian hintana on käytetty 0,09 € / kWh.
Taulukko 10 Esimerkki koneistuskeskuksen vuosittaiset energiankulutukset ja –kustannukset
Tutkimuksen yhteydessä käytiin läpi konepajojen energia-analyyseja, joista ilmenivät
myös
konepajojen
vuosittaiset
energiankulutukset.
Konepajojen
vuosittaiset
kokonaisenergiakulutukset vaihtelivat sähkönkulutuksen osalta välillä 534 MWh13877 MWh. Tuotantolaitteiden osalta sähkönkulutuksen määrät olivat vieläkin
pienempiä. Koneistuskeskuksen, jota Dahmuksen (2007) selvityksessä oli tutkittu,
vuosikulutus on siis korkea. Kuitenkin on syytä huomioida energiakustannusten ja
käyttötuntien suora yhteys. Myös verrattaessa Kuhrken ja Rothenbücherin (2008)
tutkimuksessaan
esittämiin
vuosienergiankulutuksesta
arvioihin
(8800
€/
keskitehoisen
a),
voidaan
koneistuskeskuksen
todeta
että
kyseiset
energiakustannukset ovat todella suuria, mutta on syytä ottaa huomioon, että kyseinen
koneistuskeskus on tehokas tuotantokoneistuskeskus, jolloin myös käyttöasteen
voidaan olettaa olevan keskimääräistä konetta korkeampi.
Kyseisen koneistuskeskuksen energiakustannukset ovat korkeat, eikä useimmissa
konepajoissa välttämättä vastaavan suuruisia energiakustannuksia ole. Jos uuden
koneen hankintaa mietittäisiin pelkästään koneen tuomien energiansäästöjen kannalta,
voidaan todeta, ettei pelkillä säästöillä energiakustannuksissa voida perustella uuden
koneen
hankintaa
Konehankinnan
huolimatta
perustelemiseen
koneen
suuristakaan
energiakustannuksista.
liittyy
olennaisesti
vaatimus
tuotannon
tehostumisesta. Koneen energiakustannuksista muodostuu kuitenkin varsin mittavat,
jos laskentaperusteena käytetään koko sen käyttöikää, minkä voidaan tehtyjen
haastatteluiden perusteella olettaa olevan 10-20 vuotta. Näin ollen ei kuitenkaan ole
myöskään taloudellisesti yhdentekevää, kuinka paljon kone kuluttaa energiaa etenkin
tehokkaiden tuotantokoneiden tapauksessa, kun otetaan huomioon koneen koko
elinkaari.
3.3.1 Työstökoneiden energiakustannukset esimerkkikohteessa
Erään tutkimuksessa käsitellyn konepajan tuotantoon käyttämien työstökoneiden
käyttötunnit vaihtelivat yhdestä kymmeneen tuntiin päivittäin. Koneiden vuosittaisiksi
käyttötunneiksi kertyi näin ollen 300:sta aina 3000 tuntiin. Suurin energiankuluttaja oli
sorvaus-poraus-jyrsintäkeskus (tästä eteenpäin SPJ-keskus), jota käytettiin päivittäin
kymmenen tuntia. Muut suurimmat kokonaisenergiankulutukset muodostuivat
päivittäin 5,5 tuntia käytössä olleille monitoimisorville, hiomakoneelle sekä 3,5 tuntia
päivittäin
käytettävälle
jyrsinkoneelle.
energiankulutukset on esitetty taulukossa 11.
Näiden
koneiden
vuosittaiset
Taulukko 11
Konepajan työstökoneiden energiankulutus
Suurimmalle vuosikulutukselle saadaan vuosittain käytetyn energiakustannukseksi
13770 euroa (0,09 € / kWh) ja toiseksi suurimmalle 5310 € vuodessa. Lukemat ovat
samaa suuruusluokkaa, kun verrataan saksalaistutkimuksen (Kuhrke & Rothenbürcher
2008) arvioon keskitehoisen koneistuskeskuksen vuosittaisista energiakustannuksista.
SPJ-keskuksen energiankulutus on myös samaa suuruusluokkaa, kun tulosta verrataan
edellisen
esimerkin
tuotantokoneistuskeskukseen
yhtä
suurilla
vuosittaisilla
käyttötuntimäärillä.
On syytä huomioida, että verrattaessa koko koneistamon koneiden energiankulutusta
(1091 MWh) taulukossa 11 esitettyihin koneisiin, voidaan todeta, että muutamat
yksittäiset koneet voivat kuluttaa suuren osan konepajan kokonaiskulutuksesta.
Yksittäisen koneen osuus kokonaiskulutuksesta muodostuu usein suureksi, jos sen
käyttötuntimäärät ovat muuta konekantaa suuremmat. Eli yrityksissä on syytä
huomioida, että vaikka yksittäisen työstökoneen keskimääräinen energiankustannus ei
välttämättä muodostu kovinkaan suureksi menoeräksi konepajalle, niin konekannan
yhteiskulutus ja yksittäisten tehokkaimpien koneiden kulutukset muodostavat
merkittävän kustannuksen. Tämä on hyvä ottaa huomioon suunniteltaessa mahdollisia
energiatehokkuuden parantamisprojekteja, jolloin on syytä laittaa erikoispainoa
koneille, joiden energiankokonaiskulutus on huomattavasti muuta konekantaa
suurempi.
3.3.2 Energiatehokkuuden merkitys uutta konetta hankittaessa
Pohdittaessa uuden työstökoneen hankintaa energiatehokkuuden kannalta on tärkeää
tietää
tarkkaan,
minkälaisia
työkappaleita
kyseisellä
työstökoneella
tullaan
valmistamaan, jotta ei hankita väärän kokoista työstökonetta. Oikean kokoinen kone
kappaleiden valmistukseen on yksi peruslähtökohta, kun prosessin tehokkuus halutaan
optimoida, niin tuotantotehokkuuden kuin myös energiatehokkuuden osalta. Kuten
taulukon 10 esimerkkikoneesta nähdään, on suurilla koneilla jo seisonta-ajan
vakioenergiankulutus huomattavan korkea. Pienempi kone kuluttaa useimmiten suurta
vähemmän lastuamisnesteitä ja muutkin taustaprosessit ovat vähemmän energiaa
kuluttavia, minkä vuoksi oikean kokoinen kone kyseiselle lastuamisprosessille on
energiatehokkuuden kannalta suotavaa. Vaikka koneiden valmistajat eivät avoimesti
ilmoita koneidensa tarkkoja energiankulutuksia, niin konetta hankittaessa myös
energiankulutustietoja ja -referenssejä voidaan kysyä, sillä työstökoneiden valmistajat
panostavat
entistä
enemmän
koneiden
käytönaikaisen
energiankulutuksen
minimoimiseen, ja ovat näin ollen tietoisia koneidensa tarkasta energiankulutuksesta.
Koneen vuosittaisilla käyttötunneilla on suora yhteys koneen energiankulutukseen
sekä siihen, kuinka suuria säästöjä konetta käytettäessä mahdollisesti voidaan
saavuttaa. Esimerkiksi laskettaessa energiatehokkuuden parantamiseksi tehtyjen
investointien kannattavuutta on vuosittaisilla käyttötunneilla varsin suuri merkitys.
Nykyään markkinoilla olevien koneiden energiakulutuksen vähenemisen taustalla ovat
entistä energiatehokkaammat moottorit ja muut komponentit sekä myös täysin
energiansäästön kannalta suunnitellut lisälaitteet, joilla minimoidaan koneen
energiankulutusta. Toisaalta on huomioitava, että myös koneiden karatehot ja
keskimääräinen automaatiotaso ovat kasvaneet vastaavasti, jolloin koneiden
energiatehokas käyttö vaatii usein koneiden kapasiteetin tehokasta käyttöä. Näin
kappalekohtainen läpäisyaika ja energiakustannus saadaan minimoitua. Voidaan
kuitenkin todeta, että työstökoneiden energiatehokkuus on parantunut jatkuvasti ja
näin ollen voidaan olettaa, että konepajojen energiatehokkuus parantuu myös
konekannan uusiutuessa.
Tutkimusmenetelmien luotettavuus
Tutkimusmenetelmien luotettavuuden ongelmana on yksittäisissä mittauskohteissa
saavutettujen
tutkimustulosten
ja
energiatehokkuutta
parantavien
ratkaisujen
yleistettävyys pätemään muissa vastaavissa tapauksissa. Ongelman aiheuttajina ovat
lukuisat erilaiset koneet sekä näiden koneiden lukuisat erilaiset käyttötavat (tuotteet,
sarjakoot, työstöarvot) sekä esimerkiksi toisistaan huomattavasti eroavat vuosittaiset
käyttötunnit. Näin ollen on oltava varovainen arvioitaessa eri toimenpiteillä
saavutettavissa olevia parannuspotentiaaleja.
Koska konepajojen koneiden käyttötunnit vaihtelevat niin paljon, saavutetaan
energiakulutusta vähentämällä mahdollisesti hyvinkin erisuuruisia taloudellisia
säästöjä. Tämän vuoksi koneisiin tehtävien parannusten tai muiden investointien
takaisinmaksuajat vaihtelevat huomattavasti, ja näin ollen yhdessä konepajassa tehty
kannattava investointi ei välttämättä maksa itseään takaisin toisessa konepajassa,
vaikkakin suhteellinen vaikutus energiatehokkuuteen olisi vastaava. Jotta parannukset
olisivat kannattavia riippumatta konepajan koosta ja käyttötunneista täytyy ohjeiden
näin ollen varsin yleisen tason ohjeita, eikä välttämättä tarkkoja ja yhtä konetta tai
ratkaisuja kehottavia.
4 Johtopäätökset
Tähän asti konepajoissa suoritetut energiatehokkuuden parantamiseen tähtäävät
parannukset
on
suoritettu
kokonaisvaltaisemmalle
pitkälti
kiinteistötekniikan
energiatehokkuusajattelulle,
saralla.
jossa
Tarvetta
säästöjä
olisi
pyrittäisiin
hakemaan kaikilla osa-alueilla, sillä esimerkiksi konepajan koneet (mukaan lukien
työstökoneet)
muodostavat
erittäin
merkittävän
osan
konepajan
kokonaisenergiankulutuksesta.
Kun mietitään, minkälaisia energiatehokkuuden parantamisprojekteja konepajoissa
tyypillisesti esiintyy, on syytä ottaa huomioon, että konepajoissa on tähän mennessä
panostettu energiatehokkuuteen eriävissä määrin, joten ohjeistettaessa on syytä ottaa
huomioon nämä eroavuudet. Energiansäästökohteet konepajoissa (sekä muissa
tuotantolaitoksissa) voidaan jakaa seuraaviin kategorioihin:
1. talotekniset parannukset
a. paineilma
b. ilmanvaihto ja lämmitys
c. valaisu
2. koneiden ja prosessien parannukset
3. tuotannonsuunnitelmalliset ja muut muutokset pyrkimyksenä energiansäästö.
Talotekniset parannukset ovat tyypillisesti parannuksia, joiden on katsottu omaavan
parhaan säästöpotentiaalin. Talotekniset parannukset ovat useimmiten myös verraten
yksinkertaisia toteuttaa, ja niillä on useimmiten lyhyet takaisinmaksuajat, joten ne ovat
saaneet päähuomion konepajoissa tähän mennessä suoritetuissa energiatehokkuuden
parantumiseen tähtäävissä projekteissa. Tutkimusaineistona olleet katselmusraportit
tukivat tätä näkemystä, sillä katselmusten yhteydessä havaitut parannuskohteet olivat
lähes poikkeuksetta taloteknisiä parannuksia. Kuitenkin myös taloteknisiä parannuksia
mietittäessä
pitäisi
pyrkiä
aiempaa
kokonaisvaltaisempaan
ajatteluun,
sillä
konepajoissa saatetaan esimerkiksi käyttää suuria summia lämmitykseen, kun
prosesseissa syntyvät lämmöt johdetaan samanaikaisesti suoraan ulos.
Koska ensimmäiset parannukset tehdään tyypillisesti talotekniikan perusparannuksin,
niin kohteissa, joissa nämä ensimmäiset parannukset on jo tehty, on syytä paneutua
enemmän itse tuotantokoneiden energiankulutukseen. Yksinkertaisin tapa puuttua
tuotantokoneiden
energiankulutukseen
on
koneiden
turhien
seisonta-aikojen
minimointi. Tehdyissä tutkimuksissa on todettu, että suuri osa, jopa 75 prosenttia
(Fraunhofer Gesellschaft 2009) työstökoneiden energiankulutuksesta on riippumatonta
työstökoneen tuotannosta, eli koneiden energiankulutuksen vakio-osa on suuri. Näin
ollen työstökoneiden seisonta-aikojen minimointi ja esimerkiksi tarpeettomien
laitteiden väliaikainen sammuttaminen tarjoavat mahdollisuuden saavuttaa säästöä.
Pelkästään tarpeettomat koneet sammuttamalla saavutettavissa oleva energiansäästö
voi olla arvioiden mukaan 10-25 prosenttia. Myös lisälaitteiden (lastunkuljettimet,
lastuamisnestepumput) käyttöaikojen optimointi tarjoaa säästömahdollisuuden, sillä
useissa tapauksissa näiden jatkuva käyttö on turhaa.
Toinen varteenotettava tapa parantaa konekannan energiatehokkuutta on uusien
koneiden hankinta, sillä uusissa tuotantokoneissa on jo suunnittelussa otettu huomioon
myös koneiden energiatehokkuus. Uudet koneet ovatkin energiatehokkaampia kuin
vanhat koneet, joten konekantaa uusimalla sekä vaihtamalla yksittäisiä komponentteja
entistä energiatehokkaampiin voidaan saavuttaa säästöä. Uusissa työstökoneissa on
esimerkiksi useimmiten jo valmiina niin sanottu stand by -tila, jolla voidaan pysäyttää
tarpeettomat laitteet koneen ollessa seisokissa, ja näin säästää energiankulutuksessa.
Koneiden usein korkeista hankintahinnoista johtuen ei voida kuitenkaan olettaa, että
yritykset ostaisivat uusia koneita pelkästään energiatehokkuuden vuoksi. Koneiden
vaihtuminen
entistä
energiatehokkaampiin
tulee
tapahtumaan
enemmänkin
luonnollisen uusiutumisen kautta, eli kun yrityksessä tulee tarve uudelle koneelle tai
vanhan koneen modernisointiin, on syytä ottaa huomioon hankittavan koneen
energiatehokkuus.
Kolmantena parannuskohteiden ryhmänä ovat tuotannonsuunnitelmalliset muutokset
ja muut organisaatiomuutokset, joilla tavoitellaan energiansäästöä. Tuotannon
järjestelyillä voidaan vaikuttaa tuotannon energiankulutukseen ja energiatehokkuuteen
melko runsaasti kuten esimerkiksi saksalaistutkimuksessa (Herrmann & Thiede 2009)
on osoitettu. Energiankulutus ja -kustannukset ovat usein kuitenkin vain toissijaisia
tavoitteita,
kun
tuotannonohjauksella
pyritään
ensisijaisesti
täyttämään
tuotantomäärätavoitteet
ja
minimoimaan
valmistuksen
läpäisyaika.
Tuotannonjärjestelyllisillä toimenpiteillä voidaan kuitenkin myös tukea yleistä
energiansäästöä. Sarjoja ketjuttaen ja näin tiedostaen, milloin tuotantokoneita ei
käytetä, koneet voidaan esimerkiksi ajaa alas ennakoidusti ja näin säästää huomattava
määrä seisonta-ajan energiankulutusta. Tuotannon järjestelyillä voidaan myös
vähentää
mahdollisia
kuormituspiikkejä,
jotka
näkyvät
usein
merkittävinä
lisäkustannuksina yrityksen energiakustannuksissa. Samaan kategoriaan voidaan
laskea
itse
tuotantojärjestelmän
suunnittelun
muutokset
pyrkimyksenä
energiatehokkuuden parantaminen.
Yksittäisen yrityksen kannalta merkittävä kysymys pohdittaessa energiatehokkuuden
maksimoimiseksi tehtäviä tuotantosuunnitelmien muutoksia on, kuinka paljon eri
muuttujia voidaan optimoida tämän päämäärän saavuttamiseksi. Käytännön tasolla
tämä tarkoittaa, että voidaanko esimerkiksi kappaleen läpäisyaikaa pidentää, jos
samalla saavutetaan energiansäästöä ja näin ollen myös kustannussäästöjä. Yritysten
tiukoista toimitusaikatauluista johtuen, tämä ei kuitenkaan ole usein mahdollista.
Tuotantosuunnitelman muutoksilla saavutettavaa hyötyä on mahdollista simuloida,
kun tunnetaan koneiden energiankulutusta riittävän tarkasti. Koska yrityksen
tuotannonjärjestelyillä mahdollisesti saatava hyöty on aina tapauskohtaista riippuen
pitkälti yrityksen tuotannon ennustettavuudesta ja joustavuudesta sekä esimerkiksi
yrityksen sähkösopimuksesta, simulointi voi olla mahdollinen tapa selvittää, kuinka
kannattavia tuotantosuunnitelmiin tehdyt muutokset yritykselle voivat olla.
Yrityksen kannalta simuloinnin etuja ovat:
•
voidaan edullisesti verrata eri tekijöiden vaikutusta tuotannossa
o helpottaa kannattavimpien ratkaisujen löytämistä
o usein toistuvilla sarjoilla voidaan saavuttaa suuria säästöjä.
Simuloinnin ongelmakohtia ovat:
•
energiankulutus useimmiten toissijainen muuttuja
tuloksilla ei vaikutusta päätöksentekoon
•
toimintaa voitava ennakoida riittävän pitkällä aikavälillä
•
simulointi ei luultavasti kannata pienillä sarjakooilla
•
simuloinnin vaatiman datan kerääminen voi olla suuri urakka pienelle pajalle.
Jotta tuotannonohjauksella tai muilla tuotannonjärjestelyillä pystytään vaikuttamaan
tuotannon energiatehokkuuteen, ovat ensisijaisina vaatimuksina tuotantolaitteiden
energiankulutuksen riittävä mittarointi sekä mahdollisuus ennustaa tuotantolaitoksen
toimintaa riittävän pitkällä aikavälillä, jotta energiantehokkuuden parantamiseksi
tehtävä optimointi on kannattavaa. Ensimmäisenä vastaan tulevat mahdolliset
tuotannon rajoitukset, joita asettavat tuotannon läpäisyaikavaatimukset sekä sarjojen
suuruudet.
Energiatehokkuuden parannusprojektin läpivienti
Kun
konepajassa
suunnitellaan
energiatehokkuuden
parantamiseen
tähtääviä
projekteja, on hyvä edetä systemaattisesti askel askeleelta. Energiatehokkuuden
parantamiseen on olemassa useita parannusmalleja. Jatkuvan parantamisen malli on
esitetty aiemmin ja toinen energiatehokkuuden parantamiseen tähtäävä malli
(Leonardo Energy 2007) on esitetty kuvassa 27.
Kuva 27.
Malli energiatehokkuuden parantamiseen (Leonardo Energy 2007).
Energiatehokkuuden parantamiseen tarkoitetut mallit muistuttavat periaatteeltaan
paljon perinteisestä PDCA-mallia (Plan, do, check, act), mutta mallien vaiheet on
suunniteltu erityisesti energiatehokkuusprojekteihin lisäämällä malleihin tärkeänä
osana alun energiainventaario ja -kulutuksen mittaus. Mallia tarkasteltaessa on hyvä
muistaa, että energiatehokkuus ei parane yhdessä yössä vaan parannusprojektien
läpikäymiseen menee useampia kuukausia. Samalla on hyvä muistaa, että kun
ensimmäiset parannukset on tehty, työ ei ole valmis vaan pitäisi pyrkiä jatkuvaan
parannusprosessiin.
Jotta parannusprosessi ei jäisi yksittäisiin parannuksiin, olisi tärkeä sisällyttää idea
energiansäästöstä
jo
suunnittelun
ja
tuotannon
peruslähtökohtiin.
Energiatehokkuudesta tulisi näin ollen lähtökohtaisesti huomioitava asia esimerkiksi
uusien laite- ja osahankintojen yhteydessä. Jotta energiansäästöstä tulee perustavoite
muiden tuotanto- ja säästötavoitteiden joukkoon, konepajan henkilöstöä on syytä
motivoida parantamaan konepajan energiatehokkuutta käytännön tasolla. Henkilöstön
motivointi on tarpeen, sillä tutkimusta varten tehdyissä haastatteluissa kävi ilmi, että
energiatehokkuus tiedostetaan yrityksissä, mutta sillä ei useimmiten ole merkittävää
asemaa konepajojen päivittäisessä toiminnassa, esimerkiksi konehankintoja tehtäessä.
Koska
yrityksen
omat
henkilöstöresurssit
eivät
usein
riitä
suoriutumaan
parannusprojekteista ilman lisäresursseja, voi olla hyödyksi hyödyntää energia-alan
konsultteja.
Alan
konsulteilla
on
usein
jo
kokemusta
samankaltaisista
parannusprojekteista, mikä saattaa sekä tehostaa projektista saatavia hyötyjä sekä
nopeuttaa prosessin toimeenpanoa.
Parannusprojektin kestoon vaikuttaa oleellisesti, miten hyvä on konepajan
lähtötilanne:
•
Onko konepajassa jo olemassa energiankulutuksen ja tehokkuuden mittaristo?
o Onko kerättyä dataa jo ennalta riittävästi analysoitavaksi?
•
Onko parannuksia energiankulutuksen ja -tehokkuuden saralla jo tehty?
On tärkeä ottaa huomioon, että jos lähdetään liikkeelle nollapisteestä, jo pelkän
mittariston luomiseen on syytä uhrata aikaa, jotta saadaan aikaan luotettava pohja
koko toiminnalle.
5 Yhteenveto
Energiatehokkuuden parantaminen on noussut tärkeäksi kehityskohteeksi yrityksissä,
niin myös konepajoissa. Jotta energiatehokkuuden parannuksilla saavutettaisiin entistä
suurempia
säästöjä,
pitäisi
ajatus
energiatehokkuuden
kokonaisvaltaisesta
parantamisesta saada integroitua yrityksen toimintaan. Energiatehokkuus olisi syytä
ottaa huomioon niin suunnittelussa, tuotannossa kuin hankintatoimessa. Suunnittelun
ja tuotannon ratkaisuilla sekä tuotannon järjestelyillä pystytään vaikuttamaan suoraan
tuotannon energiankulutukseen, mutta usein myös epäsuorasti. Näin voidaan
esimerkiksi tukea tuotantokoneiden tehokasta käyttöä, jonka avulla saavutetaan
lisäenergiansäästöjä. Energiatehokkuuden parantumisen vaatimuksena voidaan tämän
lisäksi pitää riittävää energiakulutuksen mittaristoa, jotta mahdolliset säästöpotentiaalit
ovat havaittavissa ja toteutuneet säästöt voidaan kohdentaa tehdyille toimenpiteille.
Perinteisesti energiatehokkuutta parantavat toimenpiteet konepajoissa ovat koskeneet
talotekniikkaa.
Viime
aikoina
myös
aiemmin
vähälle
huomiolle
jäänyt
tuotantokoneiden energiankulutus on saanut enemmän huomiota. Alan kone- ja
laitevalmistajat ovat aktiivisesti alkaneet kehittää koneita ja laitteita, joiden
energiankulutus on minimoitu. Työstökoneiden entistä pienempi energiankulutus
perustuu paljolti kehittyneisiin moottoreihin sekä ohjausjärjestelmiin, mutta näiden
lisäksi
myös
erityisesti
energiaa
säästäviin
ratkaisuihin
ja
laitteisiin.
Energiatehokkuuden parantuminen ei kuitenkaan pelkästään riitä perustelemaan uuden
koneen hankintaa, sillä saavutettavat energiansäästöt eivät yleensä maksa itseään
takaisin. Näin ollen vaikka konepajojen energiatehokkuus tulee parantumaan
konekannan
luonnollisesti
uusiutuessa,
niin
tavoiteltaessa
tuotantokoneiden
energiatehokkuuden parantumista lyhyellä aikavälillä, olisikin syytä keskittyä
aktiivisesti nykyisen konekannan energiankulutuksen minimoimiseen. Tärkeimmäksi
ja yksinkertaisimmaksi keinoksi on todettu koneiden seisonta-ajan sekä seisontaaikana kuluvan hukkaenergiankulutuksen minimointi, sillä on todettu, että jopa 75
prosenttia energiasta kuluu tuotannosta riippumattomaan vakiokulutukseen.
Lähdeluettelo
ABB. 2009. ”Pienempi sähkölasku, kiitos!”. Energiansäästö: moottorit ja
taajuusmuuttajat.
http://www.abb.com/cawp/fiabb251/e0ed4ef20dc0c1cbc1256e6d0043d88c.aspx
(viitattu 28.8.2009)
Amada 2009. Amada. Japanilainen levytyökonevalmistaja.
http://www.amada.co.jp/english/activity/eco_products.html (viitattu 1.10.2009)
Amada 2009. Amada. Japanilainen levytyökonevalmistaja. Amada AClevytyökeskukset. http://www.ama-prom.fi/Default.aspx?id=535120 (viitattu
5.12.2009)
Chua S. 2006. Saving energy with automation. Manufacturers´ monthly. May 2006.
s.48.
Dahmus J. 2007. Applications of Industrial Ecology: Manufacturing, Recycling, and
Efficiency. Doctoral Thesis. Massachusetts Institute of Technology 2007.
Dahmus J, Gutowski G. 2004. An enviromental analysis of machining. Proceedings of
ICEME2004. 2004 ASME Internatinatioanl Mechanical Engineering Congress and
RD&D Expo. ICEME2004-62600
Devoldere, T. Dewulf, W. Deprez, W. Willems, B. Duflou, J. Improvement Potential
for Energy Consumption in Discrete Part Production Machines. Proceedings of 14th
CIRP International Conference on Life Cycle Engineering('Advances in Life Cycle
Engineering for Sustainable Manufacturing Business') pages:311-316.
http://www.esat.kuleuven.be/electa/publications/fulltexts/pub_1693.pdf
Eckebrecht, J. 2000. „Unwelträgliche Gestaltung von spanenden Fertigungsprozessen“
–Forschungansätze und Wissentransfer-. Dissertation. Universität Bremen.
Envirowise. 2004. Sustainable manufacturing: a signposting guide for metal
machining companies – GG446. Envirowise. http://www.envirowise.co.uk. UK.
Fanuc. 2009. Fanuc Robodrill α-T21/ αT14
http://www.fanuc.co.jp/en/product/catalog/pdf/ROBODRILL_Fa%28E%29_V02.pdf
&
http://www.fanuc.co.jp/en/product/catalog/pdf/ROBODRILL_iFb%28E%29_v01_s.pd
f
Fanuc. 2009. Fanuc Series 0i- Model D.
http://www.fanuc.co.jp/en/product/catalog/pdf/FS0i-D%28E%29_v01a_s.pdf (viitattu
12.10)
Frauenhofer Gesellschaft. 2009. Energieeffizienz in der Produktion. Untersuchung
zum Handlungs- und Forschungbedarf.
http://www.produktionsforschung.de/fzk/groups/pft/documents/internetdokument/id_0
62401.pdf (viitattu 1.10.2009)
GE Fanuc Automation. 2007. Energy Saving Factory Automation Equipment and the
Enviroment. http://www.mmsonline.com/articles/energy-saving-factory-automationequipment-and-the-environment (viitattu 15.1.2010)
Gutowski, T. Dahmus, J. Thiriez, A. 2006. Electrical energy requirements for
Manufacturing Procecesses, in: Proceedings of 13th CIRP International Conference on
Life Cycle Engineering, Leuven, Belgium, May 31-June 2, 2006.
Gutowski, T. Murphy, C. Allen, D. Bauer, D. Bras, B. Piwonka, T. Sheng, P.
Sutherland, J. Thurston, D. Wolff, E. Enviromentally benign manufacturing:
Observations from Japan, Europe and the United States. Journal of Cleaner Production
13 (2005) 1-17.
Halme, J. & Parikka R. 2005. AC-servomoottori – rakenne, vikaantuminen ja
havainnointimenetelmät. Tutkimusraportti nro BTUO43-051348. VTT. Espoo
Hesselbach J, Herrmann C, Detzer R, Martin L, Thiede, S Lüdemann B. 2008. Energy
Efficiency through optimized coordination of production and technical building
services. Conference Proceedings. s. 624-628. LCE2008 - 15th CIRP International
Conference on Life Cycle Engineering, 17-19 March 2008, The University of New
South Wales, Sydney, Australia. ISBN 1-877040-67-3
Herrmann T, Thiede S. 2009. Process chain simulation to foster energy efficiency in
manufacturing. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology 1 (2009).
s.221-229
Kalpakjian, S. Manufacturing engineering and technology 5th Edition / Serope
Kalpakjian, Steven R. Schmid. ISBN 0-13-148965-8. 2006 USA
Kauppinen, V. 2004. Kon-15.142 Työstökoneet. Luentorunko. TKK
Konepajatekniikan laboratorio. 219s.
Koelsch, J. Machine Efficiency = Energy Efficiency. Manufacturing Engineering. Sep
2008; 141. ABI / INFORM Global. s. 121.
Konekuriiri. 2009. Konekuriiri 6/2009. Kymppimediat Oy. Tampere.
http://www.konekuriiri.fi/cuvat/kk06_09.pdf (viitattu 24.9.2009)
Kordonowy, D. 2002. A Power Assesment of Machining Tools. Massachusetts
Institute of Technology.
Kuhn, D. 2008. Energieeffiziente Produktion wird Realität. Maschinenmarkt, Das
Industrieportal.
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/produktion/spanende_fertigung/
articles/155146/index.html (viitattu 1.10.2009)
Kuhrke B, Rothenbücher S. 2008. Vermeiden von Stand-By-Zeiten verbessert die
Energieeffizienz von Maschinen. Maschinen Markt.
www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanale/produktion/spanende_fertigung/articles/
137254 (viitattu 1.9.2009)
Kuusinen K, Ahtila P, Roiha H, Siitonen E. 2002. Energy efficiency indicating tool in
a steel plant. Raportti A10. Energiatalous ja Voimalaitostekniikka. TKK Espoo. ISBN
951-22-6184-7
Leonardo Energy. 2007. Pieter-Jan Stockmans. Energy efficiency. Energy
management: self assessment. www.leonardo-energy.com
Leino, R. 2005. Lineaarimoottori yleistyy vihdoin. Tekniikka&Talous.
http://www.tekniikkatalous.fi/energia/article23653.ece (viitattu 1.10.2009)
Mazak Usa. 2008. Mazak introduces the New HCN-8800-II for Horizontal Machining.
Industrial Product News online.
http://www.ipnews.com/archives/general_editorials/june08/mazak_hcn8800.htm
MET. 1988. MET (Metalliteollisuuden keskusliitto) tekninen tiedotus 9/ 88.
Metalliteollisuuden kustannus Oy. ISBN 951-817-393-1
Motiva. 2000. Esco-toiminnan yleisperiaatteet. 55s. ISSN 1456-4483. ISBN 9525304-10-8.
Motiva. 2004. Korkeahyötysuhteisten sähkömoottorien hankinta.
http://www.motiva.fi/files/1666/Korkeahyotysuhteisten_sahkomoottorien_hankinta.pd
f (viitattu 1.10.2009)
Motiva. 2005. Energiatehokkuutta ja säästöä. ESCO-palvelu – vaivaton ja varma tapa
säästää. http://www.motiva.fi/files/624/ESCO_esite_saastoa_ja_tehokk.pdf (viitattu
1.10.2009)
Motiva. 2006. Teollisuussektorin energiakatselmusten yleisiä ohjeita.
http://www.motiva.fi/files/748/teollisuus_-katohjeet-ja-mallisisallysluettelot-_2006.pdf (viitattu 21.8.2009)
Salvagnini.2009. Konekuriiri 6/2009. Kymppimediat Oy. Tampere.
http://www.konekuriiri.fi/cuvat/kk02_09.pdf (viitattu 24.9.2009)
Schäfer, O. 2009 Energy-efficient drives. Today 40. The Arburg Magazine.
http://www.arburg.com/com/common/download/today/today40_2009_EN_GB.pdf
(viitattu 1.10.2009).
Scianna M. 2008. Green Machine. Canadian Metalworking.
http://www.canadianmanufacturing.com/canadianmetalworking/features/machinetools
/article.jsp?content=20081210_110239_8700. (Viitattu 1.9.2009)
Seco Tools. The Machining Navigator Catalogue. Milling.
http://www.secotools.com/CorpWeb/Service_Support/machining_navigator/2009/GB_
Milling_2009.pdf (viitattu 1.9.2009)
Seco Tools. The Machining Navigator Catalogue. Turning.
http://www.secotools.com/CorpWeb/Service_Support/machining_navigator/2009/GB_
Turning_2009.pdf (viitattu 1.9.2009)
SEI. 2009. SEI Sistemi ecologici.
http://www.seisistemiecologici.com/pg_pubb_eng/prodotti_dettaglio.asp?id_sel=1
(viitattu 1.10.2009)
Suomen ympäristökeskus. 2008. Paras käytettävissä oleva tekniikka (BAT):
teollisuuden energiatehokkuus. 88s. (Suomen ympäristö 51|8). ISSN 1796-1637
(verkkojulkaisu.).
Teknisen kaupan liitto. Metallintyöstökoneet ja laitteet.
http://217.30.188.130/kuvat//1202299023Metallintyostokone_edustukset.pdf (viitattu
10.10.2009)
Zelinski, P. 2006. Cut faster to save energy cost. Modern Machine ShopMMSOnline.com. http://www.mmsonline.com/articles/cut-faster-to-save-energycost.aspx (viitattu 1.10.2009)
VALMISTUSMENETELMÄT
VALAMINEN
LIITTÄMINEN
TYÖSTÄMINEN
LÄMPÖKÄSITTELY
SINTRAUS
LEIKKAAMINEN
LASTUAMINEN
SÄHKÖEROOSIO
MUOVAAMINEN
PINNOITUS
LASTUAVAT TYÖSTÖKONEET
SORVIT
Kärkisorvi
Revolverisorvi
Automaattisorvi
Tasosorvi
Pystysorvi
NC-sorvi
Monitoimisorvi
Sorvauskeskukset
AVARRUSKONEET
Lattiatyyppiset
Pöytätyyppiset
JYRSINKONEET
Tasojyrsinkoneet
Yleisjyrsinkoneet
Pystyjyrsinkoneet
Työkalujyrsinkoneet
Kaiverruskoneet
Runkotyyppiset jyrsinkoneet
Kopiojyrsinkoneet
LEIKKAUSKONEET
TERMISET JA VESISUIHKULEIKKAUSKONEET
KONEISTUSKESKUKSET
PORAKONEET
Pöytäporakoneet
Pylväsporakoneet
Riviporakoneet
Monikaraporakoneet
Säteisporakoneet
Koordinaattiporakoneet
NC-porakoneet
Muut porakoneet
LEVYTYÖKESKUKSET
PURISTIMET
SAHAT
AVENNUSKONEET
Kaarisahat Vaakasuorat
Vannesahat Pystysuorat
Pyörösahat
HIOMAKONEET
Laikkahiomakoneet
Nauhahiomakoneet
Työvälineiden valmistuskoneet
Penkkihiomakoneet
Erikoishiomakoneet
HAMMASPYÖRIEN VALMISTUSKONEET
Vierintäjyrsinkoneet
Vierintähöyläyskoneet
Vierintäpistokokeet
HITSAUSVIISTEKONEET
JÄYSTEENPOISTOKONEET
LEVYTYÖKONEET
TAIVUTUSKONEET
MUUTLEVYTYÖKONEET
Jaakko Niemensivu
20.1.2009
TYÖSTÖ- JA LEVYTYÖKONEIDEN ENERGIATEHOKKUUS
Energiatehokkuus on tuottamista mahdollisimman pienellä energiankulutuksella.
1. Onko tarpeen mitata yksittäisen työstökoneen/levytyökoneen
energiatehokkuutta?
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
2. Mitkä tekijät koneen käytössä ja käyttötavoissa vaikuttavat merkittävimmin
työstökoneen/ levytyökoneen energiatehokkuuteen?
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
Kuinka suuri vaikutus koneen energiatehokkuuteen voi olla
a) työkalujen valinnalla
0-5 %
__
5-10 %
__
10-15 %
__
15-20 %
__
20-25 %
__
25+%
__
b) käytetyillä työstöarvoilla
0-5 %
__
5-10 %
__
10-15 %
__
15-20 %
__
20-25 %
__
25+%
__
c) jäähdytyksellä
0-5 %
5-10 %
10-15 %
15-20 %
20-25 %
25+%
__
__
__
__
__
__
d) koneiden säännöllisesti hoidetuilla huolloilla
0-5 %
__
5-10 %
__
10-15 %
__
15-20 %
__
20-25 %
__
25+%
__
Jaakko Niemensivu
20.1.2009
Kuinka suuria nämä käyttötapavaikutukset energiatehokkuuteen voivat yhteensä
olla?
0-10 % __
10-20 %__
20-30 % __
30-40 %__
40+% __
3. Voidaanko vanhoihin jo käytössä oleviin koneisiin tehdä energiatehokkuutta
selvästi parantavia parannuksia tai modernisointeja?
Kyllä __
Ei __
Jos kyllä, niin minkälaisin parannuksin energiaa voitaisiin säästää?
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
Voidaanko automaatiotasoa nostamalla parantaa energiatehokkuutta?
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
Kuinka suuria säästöjä on mahdollista saavuttaa vanhoja koneita modernisoimalla?
0-10 % __
10-20 %__
20-30 % __
30-40 %__
40+% __
Onko järkevää parantaa energiatehokkuutta modernisoimalla?
Kyllä ___
Ei ___
Vai onko parannus järkevä vain muun modernisointitarpeen yhteydessä?
Kyllä ___
Ei ___
4. Kuinka suuria eroja on markkinoilla olevien koneiden energiatehokkuuksissa?
Koneet ovat energiatehokkuuksiltaan samanlaisia __
Erot ovat pieniä (0-10 %) __
Eroja löytyy, mutta ne ovat melko pieniä (10-20 %) __
Erot ovat melko suuria (20-30 %) __
Erot voivat olla erittäin merkittäviä ( >30 %) __
5. Mistä tekijöistä erot uusien koneiden energiatehokkuuksissa syntyvät?
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
Jaakko Niemensivu
20.1.2009
6. Kuinka paljon nykyisten markkinoilla olevien koneiden energiatehokkuus eroaa
esimerkiksi 10-15 vuotta sitten myydyistä koneista?
0- 10 %
__
10-20 %
__
20-30 %
__
30-40 %
__
40- %
__
7. Kuinka vanhan koneen kohdalla alkaa koneinvestointi olla kannattavaa jo selvästi
myös energiatehokkuuden takia?
10-15 vuotta
__
15-20 vuotta
__
20-30 vuotta
__
30+ vuotta
__
8. Miten asiakkaat kiinnittävät huomioita energiatehokkuusnäkökohtiin
kokemustenne mukaan?
a) koneita hankittaessa
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
b) koneiden käytössä
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
C) tuotannon järjestelyissä
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
9. Muita huomioon otettavia asioita, kun halutaan parantaa työstökoneiden ja
levytyökoneiden energiatehokkuutta konepajoissa?
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
10. Mikä on koneen taloudellinen käyttöikä?
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
11. Onko konekanta Suomessa liian vanha?
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________