Efektywność energetyczna w przemyśle. Część 1

Paliwa kopalne, pomimo rosnącej roli energetyki odnawialnej, są na świecie wciąż głównym surowcem energetycznym. W procesie ich spalania wytwarzana jest energia cieplna wykorzystywana następnie w zależności od potrzeb jej odbiorców, indywidualnych lub przemysłowych, do produkcji energii elektrycznej lub bezpośrednio - na przykład do podgrzewania wody lub do produkcji pary wodnej.

Produktem ubocznym tego procesu jest dwutlenek węgla i zanieczyszczenia, których emisja do atmosfery podlega regulacjom prawnym. Aby im sprostać, należy ograniczać ilość zużywanych surowców nieodnawialnych, co zrealizować można poprzez lepsze korzystanie z już wyprodukowanej energię. W związku z rosnącymi cenami kosztów tej ostatniej, ma to również ważne uzasadnienie ekonomiczne.

System monitorowania zużycia energii elektrycznej firmy Janitza

Podstawowym komponentem systemu są analizatory parametrów sieci serii UMG. Przykładowo wersja UMG 604 pozwala na pomiary ponad trzydziestu parametrów, w tym m.in. napięcia fazowego i międzyfazowego, prądów fazowych, współczynnika mocy, kąta fazowego φ, energii czynnej i biernej, częstotliwości oraz parametrów charakteryzujących jakość energii elektrycznej, w tym m.in. wyższych harmonicznych, współczynnika THD napięcia i prądu, asymetrii napięć, stanów nieustalonych oraz zaników.

Miernik ma pamięć do 128 MB, zegar, wbudowany sterownik logiczny oraz wejścia cyfrowe, wejście do pomiarów temperatury, dwa wyjścia cyfrowe i interfejsy RS-232, RS 485, Profibus DP i Ethernet. Uzupełnieniem mierników UMG jest oprogramowanie GridVis. Służy ono do przetwarzania, analizy i prezentacji wyników pomiarów bieżących oraz archiwalnych, które są zapisywane w bazie danych w pamięci mierników.

GDZIE SZUKAĆ OSZCZĘDNOŚCI?

Rys. 1. Zużycie energii wUnii Europejskiej (źródło: Eurostat, maj 2011)

Działania, które mogą podjąć firmy produkcyjne i generalnie różni odbiorcy energii, można podzielić na trzy kategorie. Pierwsza obejmuje optymalizację przebiegu procesów produkcyjnych przez dopasowanie nastaw maszyn oraz ich wydajności do rzeczywistych potrzeb.

Oznacza to m.in. unikanie przegrzewania oraz nadmiernego schładzania w instalacjach cieplnych i chłodniczych, rezygnację z silników o mocy większej niż wymagana oraz skrócenie czasu pracy maszyn na biegu jałowym.

Do drugiej kategorii zalicza się zapobieganie stratom energii spowodowanym awarią urządzeń lub nieszczelnością instalacji dystrybucji mediów - na przykład pary wodnej. Trzecia grupa działań polega z kolei na zastępowaniu najbardziej energochłonnych urządzeń wersjami energooszczędnymi.

Dotyczy to szczególnie silników elektrycznych i staje się to nawet koniecznością, ponieważ w czerwcu zeszłego roku w Europie zakazano sprzedaży tych urządzeń w wykonaniu standardowym (tzw. klasie IE1).

Efektywność energetyczną definiuje się jako stosunek uzyskanej wielkości efektu użytkowego danego obiektu, urządzenia technicznego lub instalacji, w typowych warunkach ich użytkowania lub eksploatacji, do ilości zużycia energii przez ten obiekt, urządzenie techniczne lub instalację, niezbędnej do uzyskania tego efektu.

Tabela. Typowe współczynniki mocy wybranych odbiorników

Wybór działań najwłaściwszych w danym przypadku jest łatwiejszy, jeżeli w zakładzie wdrożony jest system zarządzania energią (Energy Management System, EMS). Stanowi on zbiór narzędzi sprzętowych oraz programowych do pomiaru, rejestracji, transmisji oraz analizy parametrów procesowych i danych o zużyciu energii poszczególnych urządzeń oraz instalacji.

EMS pozwala wykryć, które maszyny i dlaczego zużywają najwięcej energii, sprawdzić, czy istnieją możliwości oszczędności oraz zweryfikować skuteczność planowanych oraz już podjętych działań. Sprawdzając, kiedy oraz w jakich warunkach różne urządzania pracują najefektywniej oraz kiedy są najbardziej obciążone, można też opracować prognozy zapotrzebowania na energię dla całego przedsiębiorstwa.

Dzięki temu można lepiej zaplanować produkcję oraz wybrać korzystniejszy plan taryfowy u dostawcy energii. System zarządzania energią powinien być modułowy oraz skalowany. Dzięki temu zawsze, niezależnie od zachodzących zmian (wymiany sprzętu, rozbudowy instalacji itp.) można go dostosować do specyfiki monitorowanych procesów oraz wymogów odnośnie do ich efektywności energetycznej.

Mierniki parametrów sieci firmy Lumel wraz z oprogramowaniem

N10 i N10A mierzą m.in. napięcie, prąd, moc czynną, bierną i pozorną, moc czynną średnią (15-minutową), współczynniki cos φ oraz tg φ, częstotliwość, energię, współczynniki zawartości harmonicznych dla napięć i prądów oraz harmoniczne napięć i prądów (do 25.). Mierniki mają wejścia impulsowe oraz wyjścia: RS-485 (Modbus), przekaźnikowe i analogowe.

Wyniki pomiarów prezentowane są na wyświetlaczu LED. Przyrządy można również zintegrować z komputerowym systemem zarządzania energią opartym na aplikacji Lumel-Proces. Oprogramowanie to umożliwia m.in. wizualizację wyników pomiarów, zdalne programowanie i sterowanie elementami wykonawczymi, archiwizację danych i rejestrację zdarzeń alarmowych oraz komunikację z innymi aplikacjami i komputerami.

REALIZACJA SYSTEMU POMIAROWEGO

Rys. 2. System zarządzania energią stanowi zbiór narzędzi sprzętowych oraz programowych do pomiaru, rejestracji, transmisji oraz analizy danych ozużyciu energii wposzczególnych instalacjach zakładu

Skuteczność analizy efektywności energetycznej zależy od jakości i wiarygodności danych wejściowych, dlatego przy realizacji systemu pomiarowego w ramach EMS warto przestrzegać kilku zasad. Na wstępie trzeba dokładnie określić, jakie wielkości oraz z jaką dokładnością trzeba monitorować.

Aby ograniczyć koszty realizacji systemu zarządzania energią, warto najpierw zastanowić się, które z już zainstalowanych i używanych w innym celu czujników oraz systemów pomiarowych mogą być przydatne w systemie gospodarowania energią. W miarę możliwości należy je z nim zintegrować.

Kolejną ważną kwestią jest rozmieszczenie czujników tak, aby się nie dublowały oraz dostarczały odpowiednich informacji. Z reguły instaluje się je tam, gdzie można spodziewać się nieszczelności instalacji oraz tam, gdzie zmierzyć można najistotniejsze parametry danego procesu lub urządzenia.

W tej kwestii warto zasięgnąć opinii personelu, który obsługuje taką maszynę na co dzień i w związku z tym wie, jak funkcjonuje ona w praktyce. Przy wyborze konkretnego modelu czujnika należy się kierować jego parametrami, przede wszystkim dokładnością, powtarzalnością oraz stabilnością długoterminową, warunkami i częstością kalibracji oraz możliwością jego montażu.

Korekcja współczynnika mocy zmniejsza koszty rozbudowy zakładu

W jednym z zakładów z branży spożywczej w związku z zamiarem rozszerzenia zakresu produkcji zaplanowano rozbudowę o kolejną linię produkcyjną. Wówczas okazało się, że maksymalnie już obciążona sieć energetyczna zakładu prawdopodobnie nie będzie w stanie zapewnić zasilania nowej instalacji.

W związku z tym zaczęto rozważać zakup nowej podstacji elektroenergetycznej. Ze względu na duże koszty tej inwestycji oraz zastrzeżenia ze strony dostawcy energii elektrycznej, który zwracał uwagę na już i tak duże obciążenie sieci w tym uprzemysłowionym regionie, zdecydowano się wstrzymać z decyzją do czasu przeprowadzenia w zakładzie audytu energetycznego.

Najważniejszym wnioskiem, do jakiego na podstawie badań parametrów elektrycznych poszczególnych urządzeń, doszła firma przeprowadzająca kontrolę, było to, że większość z najbardziej energochłonnych maszyn pracuje z bardzo niskim współczynnikiem mocy. W wyniku rekomendacji w kluczowych punktach zakładu zainstalowano baterie kondensatorów, co pozwoliło uzyskać wartości współczynników rzędu 0,95.

Wówczas okazało się, że infrastruktura sieciowa istniejąca w fabryce nie jest w pełni obciążona, a nadwyżka energii wystarczy do zapewnienia zasilania nowej linii produkcyjnej. Poza uniknięciem dużego wydatku na zakup niepotrzebnego urządzenia, dzięki korekcji współczynnika mocy udało się też uzyskać duże oszczędności energii, co procentuje długookresowo.