Efektywność energetyczna i koszt eksploatacji silników elektrycznych

SPRAWNOŚĆ

Sprawność silnika elektrycznego definiowana jest jako stosunek mocy mechanicznej oddawanej na wale silnika do mocy elektrycznej pobranej przez silnik z sieci. Część energii elektrycznej, która nie jest zamieniana w energię mechaniczną w tym procesie stanowi straty, które asynchronicznym silniku klatkowym rozkładają się na: straty w uzwojeniach stojana, straty w wirniku, straty w stali, straty związane z tarciem oraz straty dodatkowe.

Redukcja strat, a co za tym idzie zwiększenie sprawności silnika, osiągana jest na dwa podstawowe sposoby. Pierwszy z nich, o mniejszych możliwościach obniżania strat, to redukcja każdej ze składowych strat poprzez optymalizację konstrukcji, użycie lepszej jakości materiałów i podzespołów.

Drugi - jak pokazuje praktyka o szerszych możliwościach zwiększenia sprawności - to całkowite wyłączenie jednej z wyżej wymienionych składowych poprzez zmianę konstrukcji silnika. Przykładem takiego rozwiązania są reluktancyjne silniki synchroniczne, w których poprzez zastosowanie specjalnej konstrukcji wirnika pozbawionego klatki całkowicie wyeliminowana została składowa strat w klatce wirnika.

Dostarczane przez ABB pakiety napędowe, składające się z silnika reluktancyjnego wraz z przetwornicą częstotliwości wyposażoną w dedykowane oprogramowanie pozwalają na osiągniecie klasy sprawności całego pakietu na poziomie IE4. Wysoka sprawność osiągana jest zarówno w punkcie pełnego obciążenia, jak i w szerokim zakresie regulacji prędkości. Ponadto, silniki te pozwalają na precyzyjną kontrolę prędkości i momentu w szerokim zakresie regulacji, nawet bez użycie elementów sprzężenia zwrotnego w szerokim spektrum aplikacji.

PODSTAWY PRAWNE

Fot. 1. Nowoczesny pakiet napędowy IE4: silnik reluktancyjny wraz z dedykowaną przetwornicą częstotliwości

Ze względu na fakt znacznego zużycia energii elektrycznej przez silniki elektryczne, na terenie Unii Europejskiej zostały wprowadzone prawne uregulowania w zakresie sprawności silników elektrycznych niskiego napięcia. Prawnymi podwalinami do wprowadzenia takich regulacji stała się Dyrektywa dotycząca Ekoprojektu (Ecodesign Directive), a technicznymi - normy IEC 60034-2-1:2007 oraz IEC 60034-30.

Na kanwie tych dokumentów w 2009 roku Komisja Europejska opublikowała Rozporządzenie (UE) 640/2009 szerzej znane pod nazwą EU MEPS (Minimal Efficiency Performance Standard - Minimalny Standard Wydajności Energetycznej). Rozporządzenie to zdefiniowało zakres silników objętych regulacjami, poziomy oraz klasy sprawności, sposób oznaczania na tabliczkach znamionowych oraz harmonogram wprowadzania regulacji.

Czteroletni okres obowiązywania Rozporządzenia (UE) 640/2009 uwidocznił pewne niedociągnięcia, objawiające się w zbyt swobodnej jego interpretacji przez producentów silników. W celu wyeliminowania luk oraz zapewnienia jednoznacznej interpretacji, 27 lipca 2014 weszło w życie Rozporządzenie (UE) 4/2014 nowelizujące regulacje EU MEPS.

Główne zmiany wprowadzono w Punkcie 2 Artykułu 1 Rozporządzenia (UE) 640/2009 dotyczącym wyłączeń. Najistotniejsze zmiany to rozszerzenie zakresu temperatury otocznia dla których silniki podlegają regulacjom z -15...+40°C do -30...+60°C oraz podniesienie maksymalnej wysokości miejsca pracy silnika do 4000 m. n.p.m. Zmiany pojawiły się też w zakresie oznakowania małych silników, dla których rozmiar tabliczki nie pozwala na umieszczenie pełnej informacji o sprawności.

KOSZT EKSPLOATACJI SILNIKA

Na całkowity koszt eksploatacji silnika składają się trzy podstawowe czynniki bezpośrednio z nim związane. Są to: koszt zakupu, koszt energii elektrycznej zużytej przez silnik w okresie jego eksploatacji oraz nakłady na czynności konserwacyjno-serwisowe silnika. Dominującą składową jest tu bez wątpienia koszt energii elektrycznej, który może stanowić nawet 96-99% całkowitego kosztu eksploatacji silnika.

Fakt, że składowa zużycia energii elektrycznej, wprost uzależniona od parametru jakim jest sprawność silnika, stanowi znamienitą większość całkowitego kosztu eksploatacji powinien wytyczać jasną drogę wyboru silnika. Kalkulując zakup użytkownik powinien rozpatrywać silnik jako inwestycję długofalową. Wybór silnika tylko na bazie kryterium ceny zakupu jest bez wątpienia rozwiązaniem prostym, jednak nie zawsze jest to wybór optymalny. Już od dłuższego czasu, na rynku dostępne są asynchroniczne klatkowe silniki o klasie sprawności IE3.

ABB plasuje się tu w czołówce, posiadając w swojej ofercie już obecnie pełny zakres silników w klasie sprawności IE3 włączając w to silniki o małych mocach, dla których wymagania prawne wejdą w życie dopiero w 2017 roku. Co więcej, jako lider rynku siników elektrycznych już dziś ABB dostarcza asynchroniczne silniki klatkowe w zakresie mocy od 75 do 355kW w klasie sprawności IE4. Tylko od użytkownika, który kupuje silnik zależy więc, czy chce on spełnić jedynie minimalne wymagania stawiane przez prawo, czy może, idąc krok naprzód, zakupić jednostkę o wyższej klasie sprawności, która w długoterminowym rozliczeniu przyniesie realne oszczędności.

ABB opracowało i udostępnia na swojej stronie internetowej specjalna aplikację - Optimizer, która łączy w sobie kilka funkcjonalności. Pierwszą jest możliwość wyboru dowolnego silnika niskiego napięcia z zakresu produktów ABB (włączając w to silniki o klasie sprawności IE4 oraz silniki do pracy w strefach zagrożonych wybuchem) i dokonanie obliczenia całkowitego kosztu eksploatacji dla zadanych parametrów eksploatacyjnych. Optimizer pozwala porównać, jakie oszczędności przyniesie użycie silników o różnej sprawności w zadanych warunkach eksploatacyjnych.

Drugą ważną funkcjonalnością jest możliwość natychmiastowego pobrania kompletnej dokumentacji do wybranego silnika. Dla producentów maszyn i urządzeń oraz integratorów, którzy eksportują swoje produkty poza granice Unii Europejskiej Optimizer udostępnia możliwość doboru optymalnego silnika do wszelkich światowych standardów MEPS. Narzędzie, dostępne jest na stronie www145.abb.com. Korzystanie z narzędzia jest darmowe, nie wymaga rejestracji.

MAŁY PROCENT - DUŻY ZYSK

Przeprowadzenie porównawczego rachunku ekonomicznego dla silników o różnej sprawności nie jest rzeczą skomplikowaną, a pozwala realnie określić zyski płynące z zakupu rozwiązania o wyższej sprawności. Wyższa sprawność nie musi oznaczać przy tym wyższej klasy sprawności. Klasy definiowane są przedziałami dlatego zawsze warto sprawdzić, jak sprawność wybranego silnika lokuje się w przedziale klasy sprawności. Okazuje się bowiem, że koszt eksploatacji silnika o maksymalnej dla danego przedziału sprawności może być, w długofalowym okresie eksploatacji, znacznie niższy niż silnika o takiej samej klasie sprawności, lecz o wartości sprawności bliskiej minimalnej dla danego przedziału.

Sama analiza poziomów sprawności silników nie daje pełnego obrazu, nie uświadamia bowiem jak ułamki procenta przekładają się na oszczędność energii elektrycznej zużywanej przez silnik, którego okres eksploatacji liczony jest w dziesiątkach tysięcy roboczogodzin. Brak tej wiedzy powoduje, że parametr sprawności często nie jest rozpatrywany z należną mu uwagą na etapie wyboru silnika, co skutkuje wyborem mało optymalnych kosztowo rozwiązań.

Parametrem, który pojawia się często w kontekście rozważania porównań sprawności silników jest okres zwrotu inwestycji. Jest to czas eksploatacji silnika o wyższej sprawności, w którym oszczędności płynące z niższego zużycia energii zrekompensują wyższy koszt zakupu silnika wysokosprawnego. Kalkulowane okresy zwrotu silników IE3 w porównaniu do silników IE2 wypadają bardzo obiecująco. Przy założeniu różnicy w cenie silników na poziomie 10-15%, okres zwrotu może wynosić tylko kilkanaście miesięcy, czyli krócej niż zazwyczaj trwa okres gwarancyjny. Dla silników IE4 ten okres może być jeszcze krótszy, a długofalowe oszczędności znaczne wyższe.

Użytkownik silnika często staje też przed dylematem czy przezwajać uszkodzony silnik, czy zastąpić go nową jednostką. Każdorazowa wymiana uzwojeń skutkuje zmniejszeniem sprawności, a jeśli nie zostanie ona przeprowadzona z należyta starannością, strata ta może sięgać nawet 3% lub więcej. Dodatkowo, postęp technologii powoduje, iż nawet najlepsza kilkuletnia jednostka z dużym prawdopodobieństwem cechować się będzie niższą sprawnością, niż obecnie dostępne silniki standardowe.

NIE TYLKO RACHUNKI ZA ENERGIĘ ELEKTRYCZNĄ

Rys. 1. Optimizer - aplikacja umożliwiająca dobór silnika, porównanie możliwych oszczędności i zapewniająca dostęp do dokumentacji - dostępna na stronie www145.abb.com

Wyższa sprawność to nie tylko niższe rachunki za energię elektryczną. Jak zostało już wcześniej powiedziane - straty w silniku elektrycznym wydzielane są głównie w postaci energii cieplnej. Im wyższa sprawność silnika elektrycznego tym niższy poziom strat, zatem mniej energii pobieranej z sieci przekształcane jest w energię cieplną. Skutkuje to niższą temperaturą pracy silnika, co może mieć kluczowe znaczenie dla jego eksploatacji.

Dwie główne przyczyny awarii silników: awarie łożysk oraz uszkodzenia izolacji uzwojeń podłoże swoje mają właśnie w nadmiernej temperaturze pracy. Silniki o wyższej sprawności, dzięki mniejszym stratom energii w postaci energii cieplnej, mają na tym polu przewagę nad silnikami o niższej sprawności: niższa temperatura pracy silnika oznacza bardziej optymalne warunki pracy łożysk i izolacji uzwojeń, zatem dłuższą ich żywotność.

Optymalizacja warunków pracy pozwala na redukcję częstotliwości przeglądów okresowych, czyli planowanych przestojów, zatem kosztów serwisu i utrzymania przy jednoczesnym zwiększeniu dostępności jednostki napędowej. Koszty te zapewne trudniej wyliczyć wprost już na etapie doboru i zakupu silnika, jednak fakt ten powinien także być brany pod rozwagę, jako dodatkowy atut silnika wysokosprawnego.

Ponadto do kosztów eksploatacji silnika powinny zostać włączone także koszty pośrednie - straty wynikające przestojów urządzenia czy też linii produkcyjnej w przypadku awarii silnika. O ile pierwsze trzy, bezpośrednie koszty możliwe są do wyliczenia lub oszacowania zarówno przez użytkownika silnika jak i przez jego dostawcę, o tyle składową związaną z kosztami przestoju oszacować jest w stanie jedynie użytkownik.

Koszty przestoju linii mogą wielokrotnie przewyższać koszt silnika, który ten przestój spowodował. W kluczowych aplikacjach, zastosowanie silników wysokosprawnych jawi się jako jedyne rozsądne, nie tylko ze względu na fakt redukcji kosztów bezpośrednich, ale także poprzez minimalizację ryzyka powstania kosztów pośrednich spowodowanych awarią.

PRZYSZŁOŚĆ

W temacie energooszczędności, w odniesieniu do silników oraz innych urządzeń toczy się wiele inicjatyw. Komisja Europejska wszczęła badania przygotowawcze w celu zbadania potencjału w zakresie oszczędności energii, dla silników zarówno niskiego jak i średniego napięcia znajdujących się obecnie poza zakresem EU MEPS.

ABB promuje również uregulowanie kwestii napraw silników na terenie Unii Europejskiej. Jak dotąd jedynie Stany Zjednoczone uregulowały tą kwestię w postaci standardu. Powstanie podobnych zaleceń na terenie Unii Europejskiej niewątpliwie pozwoliłoby na podniesienie jakości usług remontowych i podniesienie sprawności silników poddawanych przezwojeniu.

Rozwój technologii sprawia, że zarówno silniki IE3 jak i IE4 stały się łatwo dostępne, a to otwiera drogę do jeszcze większych oszczędności energii. Należy spodziewać się, że organy regulacyjne mogą rozważyć wprowadzenie nowego minimalnego poziomu efektywności energetycznej na poziomie sprawności IE3 dla wszystkich silników, niezależnie od sposobu ich zasilania.

Grzegorz Gala
ABB
www.abb.pl