Sprawność silników elektrycznych to parametr strategiczny

Prąd można zamieniać na inne rodzaje energii, np. mechaniczną, świetlną czy cieplną. Można go też doprowadzić praktycznie do dowolnego miejsca w danym obiekcie przez przewód, który zazwyczaj stanowi znikomą część w kosztach urządzenia i jest powszechnie dostępnym wyrobem. Niemniej jednak sama produkcja energii elektrycznej nie sprzyja ochronie środowiska - jest wręcz przeciwnie, gdyż przyczynia się do jego degradacji. Stąd konieczność racjonalnej nią gospodarki jest sprawą bardzo ważną.

Największym konsumentem energii elektrycznej w skali światowej są silniki elektryczne, głównie silniki indukcyjne klatkowe niskiego napięcia. Zużywają one średnio około 60% światowej produkcji energii i dlatego nawet kilkuprocentowe oszczędności odniesione do tak dużej ilości mogą dać znaczne postępy w ochronie środowiska. Te kilkuprocentowe oszczędności można uzyskać, stosując silniki o wyższych wartościach sprawności.

INTERPRETACJA SPRAWNOŚCI SILNIKA ELEKTRYCZNEGO

Rys. 1. Poglądowe przedstawienie sprawności silnika

Ogólnie rzecz ujmując, sprawność silnika elektrycznego definiuje się jako stosunek mocy użytecznej - mocy mechanicznej na wale silnika, do mocy pobieranej. Zagadnieniem szczególnie ważnym jest sposób wyznaczania sprawności silnika oraz porównywanie sprawności silników pochodzących z różnych źródeł. Zasadniczą trudnością, jaka występuje w tym miejscu, jest fakt, że w silniku elektrycznym występują dwa różne rodzaje mocy, które należy jednocześnie zmierzyć, a mianowicie moc pobierana, która jest mocą elektryczną i moc oddawana, która jest mocą mechaniczną. Obecnie opracowana została nowa norma na wyznaczanie sprawności silników elektrycznych, IEC 34-2-1, która podaje kilka metod wyznaczania sprawności w zależności od wielkości silnika.

Należy pamiętać, że porównując sprawności kilku silników, należy nie tylko porównywać same wartości, ale również metody ich wyznaczania. Jak rozwijała się sprawność silników na przestrzeni lat i jakie mogą być przypuszczalne kierunki dalszego jej rozwoju? W ramce przedstawiono przypuszczalne trendy rozwoju sprawności silników elektrycznych.

Czy osiągniemy kiedyś poziom sprawności 100% lub więcej i co by to oznaczało w praktyce? W ostatnich latach w świecie nauki powstało pojęcie tzw. wolnej energii (free energy), a więc energii występującej w przyrodzie "za darmo". Może nią być np. energia wiatru, słońca czy też przypływu i odpływu fal morskich. Taką energią mogłoby też być (pod pewnymi warunkami) pole magnetyczne pochodzące od magnesów stałych. Powszechnie znanym zjawiskiem jest fakt, że dwa magnesy stałe różnobiegunowe przyciągają się, a więc mamy do czynienia z pewną siłą, która występuje "za darmo" i gdyby udało się ją odpowiednio "ujarzmić" i przekształcić np. w moment obrotowy silnika, to mielibyśmy na pewno silnik o sprawności 100% i więcej.

Jeżeliby wierzyć informacjom z Internetu, to taki silnik został już skonstruowany i zademonstrowany na uniwersytecie w Delft w Holandii. W praktyce oznaczałoby to, że można by produkować energię elektryczną bez potrzeby używania do jej produkcji jakiegokolwiek paliwa, po prostu energia elektryczna za darmo (pomijając koszty amortyzacji maszyn). Możliwe byłoby również produkowanie samochodów, które nie wymagałyby żadnego zasilania z zewnątrz, i wielu innych takich urządzeń. Byłaby to więc prawdziwa rewolucja w technice, a więc "nirvana" w rzeczywistości. Oczywiście oddzielnym zagadnieniem jest zasada bilansu energetycznego, tzn. w jakiej relacji pozostaje energia dostarczona do magnesowania magnesów w trakcie procesu produkcyjnego do energii, jaka "odbierana" jest z magnesu w trakcie jego całego okresu eksploatacji. Ale to już oddzielne zagadnienie.

SILNIKI ENERGOOSZCZĘDNE I KORZYŚCI WYNIKAJĄCE ICH ZASTOSOWANIA

Rys. 2. Poglądowe przedstawienie zależności pomiędzy sprawnością silników a ilością CO₂

W związku z tym, że w chwili obecnej silniki elektryczne są największym konsumentem energii elektrycznej, ich sprawność jest decydującym czynnikiem określającym poziom zużycia energii, a więc wpływającym również na ilość CO2 emitowanego do atmosfery. Szczególnie dotyczy to takich przypadków, kiedy energia elektryczna wytwarzana jest w elektrowniach węglowych (np. Polska). Surowe kryteria UE w zakresie ograniczenia CO₂, jak również wymóg produkcji energii ze źródeł odnawialnych stawiają przed polską gospodarką bardzo trudne wymogi i mogą spowodować znaczący wzrost cen energii elektrycznej naszym kraju.

Z rysunku 2 wynika, że im większa jest sprawność silników, tym mniej energii pobierane jest z sieci, a tym samym mniej węgla potrzebne jest do jej wytworzenia. Automatycznie do atmosfery emitowane jest mniej CO₂. Czy zatem opłaca się również stosować silniki energooszczędne z ekonomicznego punktu widzenia?

Rozważmy w tym celu następujący przykład. Do napędu wentylatora zastosowaliśmy silnik standardowy 7,5 kW (Sg 132 M-4) o sprawności EFF2 oraz energooszczędny o sprawności IE2 7,5 kW (2 SIE 132 M-4). Sprawności tych silników wyznaczone zostały tą samą metodą, tj. wg normy PN-EN 60034-2-1, i wynoszą one odpowiednio 85,8% i 88,7%. Zakładamy ponadto, że silniki będą pracowały przez 8 lat średnio 16 godzin dzienne. Obliczmy zatem ile zaoszczędzimy:

• Energia (E1) pobrana przez silnik standardowy w czasie całego okresu eksploatacji wyniesie: E1= 7,5 kW: 0,858 × 16 h × 365 dni × 8 lat = 408 391 kWh
• Energia (E2) pobrana przez silnik energooszczędny w czasie całego okresu eksploatacji wyniesie: E2 = 7,5 kW: 0,887 × 16 h × 365 dni × 8 lat = 395 039 kWh
• Zatem efekt oszczędnościowy wyniesie: 408 391 kWh - 395 039 kWh = 13 351 kWh

Zakładając średnią cenę energii elektrycznej w Polsce 0,55 PLN / kWh, otrzymujemy zysk z oszczędności w wysokości 13 351 kWh × 0,55 PLN / kWh = 7343 PLN. Warto zauważyć, że zysk ten przewyższa kilkukrotnie cenę nowego silnika. Wymiana silnika standardowego na energooszczędny jest również bardzo dobrym przedsięwzięciem biznesowym o znakomitej rentowności, dodatkowo przyczyniającym się do ochrony środowiska naturalnego.

SILNIKI ENERGOOSZCZĘDNE GRUPY CANTONI

Spółki produkcyjne Grupy Cantoni (wcześniej Elektrim) jako pierwsze w Polsce rozpoczęły produkcję silników energooszczędnych. Już w roku 1997 wdrożona została do produkcji seria silników NEMA odpowiadająca wymaganiom sprawności Urzędu Federalnego USA DOE - Epact'92. Silniki te z powodzeniem sprzedawane były na rynkach Ameryki Północnej do grudnia 2010, czyli do końca ważności Epact'92. Ich grupa obejmowała praktycznie pełny zakres mocy i były one produkowane w wersji podstawowej oraz wersjach do pomp (seria JM, JP). Seria ta oznaczana była jako ESg, ESh.

Równolegle produkowana była seria silników energooszczędnych SEE w pełnym zakresie mocy przeznaczonych na rynki, gdzie stosuje się normy IEC. Poziom sprawności silników SEE odpowiadał wartościom EFF1 wg wymagań CEMEP. Warto w tym miejscu zaznaczyć, że produkcja silników energooszczędnych w Europie do 16 czerwca 2011 nie była obligatoryjna. Produkcja silników energooszczędnych była zatem krokiem do przodu i wielkim ukłonem Grupy Cantoni w stronę ekologii oraz obniżki kosztów eksploatacji przez odbiorców finalnych.

Kolejną grupą silników energooszczędnych oferowanych klientom, zwłaszcza amerykańskim, jest seria silników NEMA Premium spełniająca wymagania EISA (Energy Independence and Security Act). Sprawności tych silników zostały potwierdzone certyfikatem wydanym przez CSA (Canadian Standard Association) oraz certyfikatem bezpieczeństwa wydanym również przez CSA i UL.

Odpowiedzią Grupy Cantoni na unijną dyrektywę EuP 2005/32/EC oraz Rozporządzenie Komisji Europejskiej 640/2009 nakazujące stosowanie silników energooszczędnych są serie oznaczone jako 2SIE oraz 3SIE. W pełni spełniają one, a dla niektórych typów wręcz przewyższają, wymagania powyższych regulacji w zakresie poziomów sprawności IE2 (dla typoszeregu 2SIE) oraz IE3 (dla typoszeregu 3SIE).

Rys. 3. Linia produkcyjna silników I E2 i IE3

Najnowszym produktem Grupy Cantoni są silniki z magnesami stałymi (niektóre wielkości mechaniczne są jeszcze w trakcie opracowania). Są to silniki asynchroniczne synchronizowane. Cechują się one zarówno bardzo dobrymi parametrami rozruchowymi, jak i eksploatacyjnymi. Ich część rozruchowa charakterystyki mechanicznej (od prędkości zero do prędkości, przy której występuje moment maksymalny) jest identyczna jak w silniku asynchronicznym, a część stabilna charakterystyki mechanicznej (od momentu maksymalnego do biegu jałowego) jest synchroniczna - prędkość obrotowa niezależna od obciążenia. Silniki te mają bardzo wysoką sprawność i niższy poziom hałasu.

Wszystkie oferowane serie silników energooszczędnych przedstawione powyżej zostały opracowane w Polsce, są polską myślą techniczną i są produkowane w firmach na terenie naszego kraju. Są one sprzedawane na rynkach całego świata - średni udział eksportu w sprzedaży stanowi około 50% jej wartości. Wysoka jakość i niezawodność silników są gwarancją ciągłego rozwoju grupy, czego potwierdzeniem jest fakt, że liczba zamówień przewyższa zdolności produkcyjne poszczególnych spółek.

Warto jeszcze na koniec wspomnieć, że Komisja Europejska planuje dalsze rozszerzenie obowiązku stosowania silników energooszczędnych zarówno co do podniesienia wartości (klasy) sprawności, jak i objęcia tym wymogiem kolejnych grup silników elektrycznych. Dla przykładu od 1 styczna 2015 silniki standardowe o zakresie mocy od 7,5 kW do 375 kW będą musiały spełniać wymogi klasy sprawności IE3, od 1 styczna 2017 obowiązek ten będzie poszerzony o zakres mocy od 0,75 kW do 7,5 kW. W następnych latach planuje się objąć obowiązkowym wymogiem sprawności silniki w wykonaniu przeciwwybuchowym i silniki hamulcowe. Planuje się również objąć tym wymogiem zarówno silniki o mocy poniżej 0,75 kW (od 0,12 kW do 0,75 kW) jak też silniki o mocy powyżej 375 kW (zakres mocy 375 kW do 1000 kW). Jak widać sprawność silników elektrycznych jest i będzie bardzo istotnym kryterium zarówno dla konstruktorów maszyn, jak również ekonomistów, którzy w swoich założeniach projektowych będą musieli brać ją coraz częściej pod uwagę.

PODSUMOWANIE

Analizując zagadnienie silników energooszczędnych, można stwierdzić, że:

• silniki elektryczne są głównym konsumentem energii elektrycznej, dlatego ich sprawność jest bardzo ważnym parametrem,
• należy dążyć do maksymalizacji sprzedaży silników energooszczędnych (głównie IE2), oferując je również w przypadkach, gdzie dyrektywa unijna tego nie wymaga,
• należy eliminować przypadki ewidentnego omijania dyrektywy unijnej (2005/EC /32) przez niektórych odbiorców, którzy zamawiają silniki standardowe IE1 zamiast silników IE2, podając w zamówieniu warunki pracy inne niż rzeczywiste; W takich przypadkach należy bezwzględnie oferować IE2,
• należy wzmocnić działania promujące silniki energooszczędne, w tym również wymianę istniejących starych silników (pomimo, że jeszcze sprawnych) na nowe o wyższej sprawności. Wskazywać również efekty finansowe i środowiskowe z tego typu przedsięwzięć.

Andrzej Sala
Cantoni Motor S.A.
www.cantonigroup.com