Aine-, energia- ja rahataseet
prof. Olli Dahl
Puhtaat teknologiat tutkimusryhmä
Sisältö
• Johdanto
• Aine- ja energiatase
• Reaaliset rahavirrat, yritystaso – rahatase
• Esimerkkejä:
– Kemiallisen massan eli sellun valmistus
– Puuhiilen valmistus
• Yhteenveto
1
Johdanto
• Jotta uusia prosesseja voidaan suunnitella ja jo olevien prosessien
toimintaa voidaan ymmärtää, mallintaa ja optimoida tulee ymmärtää
ainakin seuraavat asiat:
– Aineen häviämättömyyden laki ja termodynamiikan pääsäännöt
– Lisäksi tulee ymmärtää miten yksikköprosessit toimivat (ilmiötasolla) ja
mistä yksikköprosesseista prosessikokonaisuus muodostuu
– Nykyisin prosessisuunnittelussa korostuvat materiaalitehokkuus ja
energiatehokkuus – ns. puhtaat teknologiat valtaavat alaa hyvinkin
nopeasti (Clean Technologies)
– Onko teollinen tuotanto kannattavaa vai ei ja mitkä tekijät vaikuttavat
kannattavuuteen eniten?
Ainetase ja energiatase
• Termodynamiikan
ensimmäisen
lain
mukaan
järjestelmään tulevan ja sieltä poistuvan energian tulee
tasapainotilassa olla yhtä suuret.
• Samalla aineen häviämättömyyden laki määrää
järjestelmään tulevan ja sieltä poistuvan massan yhtä
suuriksi.
• Termodynamiikan toisessa laissa todetaan suljetun
systeemin entropian kasvavan, eli lämpöenergian
muuttaminen täydellisesti työksi ei ole mahdollista.
2
Aine- ja energiatase
Rajatun systeemin yksinkertaistettu aineja energiatase (Hukkanen 2009).
Aine- ja energiatase
ENERGIA
LISÄAINEET
RAAKA-AINE
ILMAPÄÄSTÖT
MELU
PROSESSI
LOPPUTUOTE
ENERGIA
VESI
JÄTEVESI KIINTEÄT JÄTTEET
Periaatekuva prosessin aiheuttamasta
ympäristökuormasta
3
Verot
Osinko
Korot
Lyhennykset
Reaaliset rahavirrat, yritystaso - rahatase
Muuttuvat kust.
Myynti
Muut tulot
Teollisuusyritys
Kiinteät kust.
Korvausinvest.
Annit
Lainat
Uusinvestoinnit
Kemiallisen massan eli sellun valmistuksen perustaseet –
yksikköprosessit ja niiden merkitys
Kuitulinja
Raaka-aineet
Lisäaineet
(Kemikaalit)
Keittokemikaalien
valmistus
Lopputuote / toisen prosessin
raaka-aine
Energian tuotanto
Prosessikokonaisuus: sellutehdas
Osaprosessit: Puunkäsittely, kuitulinja ja kemikaalikierto
Yksikköprosessit: satoja erilaisia (sulatus, kuorinta, haketus….
4
Kemiallisen massan eli sellun valmistuksen perustaseet –
yksikköprosessit ja niiden merkitys
Kuitulinja
Puunkäsittely
Kemikaalien talteenotto (Lipeälinja)
Kemiallisen massan eli sellun valmistuksen kokonaistaseet,
ainetase ja energian tuotto
Sellutehtaan ainetase (erittäin karkealla tasolla)
Tuotanto , ADt/y
Käytetyn puun määrä kuorellisena
- puunkulutusluku
- kuoren määrä, m3/a
- kuoren määrä, tn-ka/a
- puun määrä, m3/a
- puun kuiva-aine, tn-ka/a
Kuorikattilan energian tuotanto,
250 000
osuus
5,8 m3/ts
12,2 %
1 450 000
176 900
tiheys
320 kg/m3
56 608
1 273 100
tiheys
lämpöarvo
400 kg/m3
509 240
hyötysuhde
- Höyryn tuotanto, GJ/Adt
- Sähkön tuotanto, GJ/Adt
Tärpätin tuotanto, tn/a
Raaka-mäntyöljyn tuotanto, tn/a
Saanto (havu), % puusta
Kuiva-ainesuhde, t ka/ADt
Keitossa liuennut org, t ka org./ADt
Lämpöarvo,
Soodakattilan energian tuotanto, t ka/d
- Höyryn tuotanto, GJ/Adt
- Sähkön tuotanto, GJ/Adt
18 MJ/kg
4,08 GJ/Adt
85 %
2,43
1,04
1 000
15 000
46,00
1,65
1,06
13,50
22,28
4 kg/ts
60 kg/ts
MJ/kg ka
GJ/Adt
hyötysuhde
75 %
13,37
3,34
5
Kemiallisen massan eli sellun valmistuksen kokonaistaseet –
energiataseet
Sellutehtaan energiataseet
Lämpötase GJ/ADt
Kulutus
Puunkäsittely
Keitin, happivalkaisu, lajittamo ja valkaisu
Haihduttamo
Muu talteenotto
Massan kuivaus
Muut
Kulutus yhteensä
Tuotto yhteensä (soodakattila ja kuorikattila)
Ylimääärä höyry
0,15
3,02
4,71
0,20
2,85
1,00
11,93
15,79
3,86
Sellutehtaan sähkötase kWh/ADt
Kulutus
Kuorimo
Keitin, happivalkaisu, lajittamo ja valkaisu
55
Talteenotto
Satunnaiset kulutukset
Sähköenergian muut kuluttajat
Jäteveden käsittely
Massan kuivaus
Kulutus yhteensä
Tuotto yhteensä (soodakattila ja kuorikattila)
Ylimääärä sähkö
277,8
294
150
100
20
20
105
744
1217
473
Esimerkki yrityksen rahalaskelmasta –
kemiallisen massan valmistus
•
Kustannusten perustavanlaatuisin jakoperuste on
jako kiinteisiin ja muuttuviin kustannuksiin.
•
Kiinteinä pidetään kustannuksia, jotka eivät
lyhyellä aikavälillä muutu tuotannon määrän
mukaan.
•
Tyypillisiä
kiinteitä
kustannuksia
ovat
rakennukset, koneet ja hallinto sekä muuttuvia
kustannuksia materiaalin hankintakustannukset
•
Valmistuksen työvoimakustannukset lasketaan
usein muuttuviin kustannuksiin, vaikka niidenkin
sopeuttaminen
tuotannon
laskuun
kestää
monissa tapauksissa viikkoja tai kuukausia.
6
Esimerkki yrityksen rahalaskelmasta –
kemiallisen massan valmistus
250 000 ts/a tuottava tehdas; sellun hinta 600 €/tn
Myyntitulot
Sellun myynti, €
150 000 000
Sivutuotteet myynti, €
5 472 053
Energian myynti, €
13 251 262
168 723 315
Yhteensä, €/ts
250 000 ts/a tuottava tehdas; sellun hinta 400 €/tn
Myyntitulot
Sellun myynti, €
100 000 000
Sivutuotteet myynti, €
5 472 053
Energian myynti, €
13 251 262
118 723 315
Yhteensä, €/ts
Muuttuvat kustannukset
Esikäsittely, €
Prosessi, €
Valmistuspalkat, €
Yhteensä, €
68 324 063
12 046 524
12 591 806
92 962 393
Muuttuvat kustannukset
Esikäsittely, €
Prosessi, €
Valmistuspalkat, €
Yhteensä, €
68 324 063
12 046 524
12 591 806
92 962 393
Myyntikate, €/ts
Myyntikate-% myynn.
75 760 921
44,9
Myyntikate, €/ts
Myyntikate-% myynn.
25 760 921
21,7
Kiinteät kustannukset, €
27 981 791
Kiinteät kustannukset, €
27 981 791
Käyttökate, €
Käyttökate-% myynn.
47 779 131
28,3
Käyttökate, €
Käyttökate-% myynn.
-2 220 869
-1,9
Suunn. poistot, €
Lask. korot, €
Lask. verot, €
Operattiivinen tulos, €
10 000 000
2 000 000
500 000
35 279 131
Suunn. poistot, €
Lask. korot, €
Lask. verot, €
Operattiivinen tulos, €
10 000 000
2 000 000
500 000
-14 720 869
Onko investointi kannattava vai ei?
Investoinnin tavoitteet
 Investoinnin tarkoituksena
aloittaminen tai lisääminen.
on
yleensä
tuotannon
 Muitakin tavoitteita voi olla, kuten tuotannon
tehostaminen, työnteon helpottaminen, ympäristökuormituksen
vähentäminen
tai
viranomaisen
säännöksen noudattaminen.
 Investointi on yleensä suuri sijoitus, jonka oletetaan
maksavan itsensä pitkällä aikavälillä takaisin.
7
Grillihiilen valmistus: ainetase
abs. Kuivaa havupuuta tuottaa seuraavat jakeet
100 kg
32 kg
Hiiltä
8 kg
A-tervaa
40 kg
Puuhappoa
33 kg
Vettä
2 kg
etikkahappo
0,7 kg
metanoli
0,6 kg
tärpätti
3,7 kg
B-terva
20 kg
lauhtumattomia kaasuja
12 kg
Hiilidioksidi
6 kg
Hiilimonoksidi
2 kg
Vety ja hiilivedyt
Laboratoriokokeet 1900-luvun alussa
Grillihiilen valmistus:
ulkopuolisen energian tarve
8
Grillihiilen valmistus:
prosessiin kohdistuvat rahavirrat
Grillihiilen valmistus: alustava talouslaskelma
/ investoinnin kannattavuus
Investointien
arviointimenetelmät
kts. Erillinen excel
•
•
Takaisinmaksuaika
Herkkyysanalyysi
Investoinnin hinta
15 milj. €
Johtopäätös:
Voi olla kannattavaa, mutta
investointiin liittyy useita
epävarmuustekijöitä
9
Yhteenveto
 Aine ja energiataseiden muodostaminen perustuu yksinkertaisiin
sääntöihin
 Insinöörin tulee ymmärtää yksikköprosessien toiminta ilmiötasolla
 Insinöörin tulee ymmärtää prosessikokonaisuuksia ja osata
muodostaa näille aine- ja energiataseet ja tarvittaessa hyödyntää
ylimäärä aine- ja energiavirrat muissa prosesseissa (teollinen
symbioosi)
 Insinöörien tulee ymmärtää onko olemassa oleva tuotanto
kannattavaa ja mitkä tekijät siihen vaikuttavast eniten
 Insinöörin tulee osata myös laskea ja arvioida uusien prosessien
kannattavuutta “riittävällä tarkkuudella”, jotta vältyttäisiin vääriltä
investoinneilta
10