Zmniejszanie zużycia energii jest wymuszane na przedsiębiorcach przez regulacje prawne, które mają na celu ograniczenie emisji substancji szkodliwych dla środowiska. Ponadto wydatki na energię stanowią znaczną część kosztów produkcji. W branżach najbardziej energochłonnych, na przykład w przemyśle stalowym, jest to nawet kilkadziesiąt procent. Zatem im są one mniejsze, tym produkcja jest tańsza, produkt bardziej konkurencyjny, a zyski firmy większe.
Przykładowe systemy EMSSystem S-Monitoring
Cechy systemu: Zarządzanie zużyciem energii elektrycznej, możliwość rozbudowy w system monitorowania również innych mediów (wody, gazu, ciepła), możliwość modyfikacji oraz dopasowania systemu do potrzeb użytkownika, proste i szybkie uruchomienie (out-of-the-box), automatyczny odczyt wyników pomiarów z liczników energii z interfejsem S-Bus oraz obsługa liczników dwukierunkowych i impulsowych. System Monitorus Aplikacja dostępna w przeglądarce internetowej i liczniki energii elektrycznej NEO3, które komunikują się automatycznie z bazą danych archiwizującą pomiary zużyciu energii elektrycznej, wartości napięć, prądów i mocy. Wybrane cechy liczników NEO3: Dwukierunkowy pomiar energii czynnej, czterokwadrantowy pomiar energii biernej, pomiar mocy chwilowej, rejestracja mocy maksymalnej w okresie rozliczeniowym, rejestracja profilu obciążenia (konfigurowalny okres uśredniania), pomiar parametrów sieci energetycznej, komunikacja przez port optyczny i port szeregowy (RS-232), rozbudowana rejestracja zdarzeń. Cechy systemu Monitorus: Niski koszt wdrożenia, zestawianie zużycia energii elektrycznej za dowolny okres, obliczanie rzeczywistych kosztów zużytej energii, porównywanie zużycia i bilansowanie rozpływu energii elektrycznej, planowanie mocy zamówionej, automatyczne powiadamianie o przekroczeniu limitu mocy, zużycia energii i przerwach w pracy urządzeń. |
OD OGÓŁU DO SZCZEGÓŁU
Ponieważ z danych zamieszczonych na rachunku od dostawcy energii nie można wywnioskować, które urządzania są najbardziej energochłonne, pierwszym etapem procesu poprawy efektywności energetycznej przedsiębiorstwa jest zlokalizowanie instalacji, produkcyjnych i użytkowych, które są źródłem największych strat energii. W tym celu powinno się zmierzyć i przeanalizować jej zużycie w poszczególnych częściach zakładu.
W zależności od zasięgu systemu pomiarowego można wyróżnić kilka poziomów szczegółowości. Ten najniższy obejmuje całe przedsiębiorstwo lub dużą jego część, na przykład cały dział lub kilka z nich. Wyniki takich pomiarów pozwalają tylko ogólnie zorientować się w sytuacji.
Im mniejszy zasięg, tym informacje są dokładniejsze. Na przykład monitorując szafę sterowniczą, śledzi się zużycie energii konkretnej grupy urządzeń. Można także badać tylko jedną instalację, na przykład oświetleniową lub klimatyzację. Najbardziej szczegółowych danych dostarczy monitoring sprawności energetycznej pojedynczego urządzenia, na przykład pompy, silnika, kotła, chłodziarki lub pieca.
Często pomiary na różnych poziomach szczegółowości przeprowadzane są równocześnie. Na przykład pod specjalnym nadzorem jest jedno z urządzeń linii produkcyjnej, będącej częścią procesu, którego całościowa efektywność energetyczna również jest badana.
JAK DŁUGO, JAK CZĘSTO, CO I CZYM MIERZYĆ?
Jeżeli celem jest ustalenie przyczyny nagłego wzrostu zużycia energii, licznik instaluje się tylko na pewien czas. Monitoring długoterminowy pozwala natomiast zbadać pobór energii ilościowo i zarazem jego wahania w czasie. Liczniki są wówczas montowane na stałe.
Zbyt częste odczyty wartości mierzonych wielkości dostarczają nadmiaru informacji, na podstawie których podczas analizy trudno wykryć na przykład trend zmienności danego parametru. Z drugiej strony większa ilość informacji może być pomocna w zrozumieniu szczegółów przebiegu procesu i występujących w nim anomalii, które powodują nadmierne zużycie energii.
Najczęściej mierzy się zużycie energii elektrycznej. Oprócz niej efektywność energetyczna zakładu zależy także od sposobu gospodarowania innymi mediami energetycznymi, w tym gazem ziemnym, sprężonym powietrzem, parą wodną oraz wodą. Do ich pomiarów używa się różnych czujników, głównie przepływomierzy (w ramce przedstawiamy te, które najlepiej sprawdzą się w badaniach efektywności energetycznej instalacji produkcji oraz dystrybucji sprężonego powietrza i pary wodnej), czujników temperatury i kamer termowizyjnych. Zużycie i parametry energii elektrycznej mierzy się natomiast przy użyciu liczników oraz wielofunkcyjnych mierników parametrów sieci.
Michał SemeniukDelta Energy Systems
Efektywność energetyczna to obecnie bardzo popularny temat i istotny w zasadzie dla każdej firmy, która zużywa na własne potrzeby znaczne ilości energii elektrycznej. Delta Energy Systems, jako podmiot Grupy Delta, korzysta z bogatej oferty tej ostatniej w zakresie rozwiązań tzw. smart green life i od wielu lat realizuje na rynku polskim projekty związane z energooszczędnością. Każda branża ma inne wymagania czy priorytety pod kątem omawianych systemów. Przykładem jest rynek telekomunikacyjny, gdzie dla kilku operatorów GSM zainstalowaliśmy w stacjach bazowych łącznie około trzy tysiące instalacji systemów tzw. free-coolingu. Są to rozwiązania wentylacji wymuszonej, które instaluje się w miejsce lub obok klimatyzacji. Okazuje się iż oszczędności z tytułu ograniczenia zużycia energii przez klimatyzację pozwoliły na stopę zwrotu z inwestycji w okresie niespełna trzech lat. Tego typu instalacje stosuje się również coraz częściej w aplikacjach w Data Center - oczywiście wraz z użyciem systemu zasilania UPS wysokiej sprawności, co pozwala ograniczyć straty energii. Niezwykle popularnym rozwiązaniem, które ma zastosowanie w każdej branży i aplikacji, są dzisiaj energooszczędne źródła światła LED. Również fotowoltaika staje się coraz częściej elementem systemów wdrażanych w celu oszczędności energii. Tutaj jednak stopa zwrotu z inwestycji bez dofinansowania jest mało atrakcyjna, stąd decydują się na nią tylko wybrane firmy, które są w stanie pozyskać dotację oraz finansowanie.
Lokalny rynek dostawców to przede wszystkim przedstawicielstwa korporacji globalnych, a także polskie firmy, które oferują produkty pod własnymi markami. Naszą przewagą konkurencyjną na rynku jest doświadczenie w realizacjach tego typu systemów poparte rzeczywistymi wynikami oraz kompleksowa oferta. W Delta Energy Systems do każdego klienta podchodzimy indywidualnie, oferując najbardziej odpowiednie produkty pozwalające na zwiększanie efektywności energetycznej. Odbiorcy, mając pozytywne doświadczenia ze współpracy z nami, często powracają z propozycją dalszej kooperacji w omawianym tym zakresie. Mamy dzisiaj wielu klientów, którzy wykorzystują nasz pakiet produktów pozwalający na kompleksowe wykorzystanie energooszczędnych rozwiązań. Obejmuje on oświetlenie LED, fotowoltaikę, wysokiej sprawności (97,2%) systemy zasilania, ładowarki do samochodów elektrycznych, automatykę budynkową i inne produkty. |
JAKIE PARAMETRY SIECI MIERZYĆ? CO DALEJ Z WYNIKAMI POMIARÓW?
Te ostatnie mierzą wartości wielkości podstawowych: napięcia, prądu i częstotliwości i wielkości pochodnych, czyli mocy czynnej, biernej (indukcyjnej, pojemnościowej) oraz pozornej, kąta przesunięcia fazowego φ między napięciem i prądem, współczynnika mocy (dla przebiegów sinusoidalnych kosinusa albo tangensa kąta fazowego φ), energii czynnej, biernej i pozornej, zawartości harmonicznych napięcia i prądu (THD) i innych parametrów, które charakteryzują jakość energii elektrycznej (m.in. asymetrię napięć, zaniki).
Wyniki pomiarów są zwykle zapisywane przez rejestratory. Wyposażone są one w panele operatorskie z wyświetlaczem, na którym prezentowane są wyniki pomiarów z poszczególnych urządzeń pomiarowych lub wartości parametrów obliczonych na ich podstawie. Niektóre można skonfigurować tak, żeby automatycznie odczytywały dane okresowo i zapisywały je w swojej pamięci albo na różnych zewnętrznych nośnikach danych.
Wyniki pomiarów mogą być przesyłane dalej, na przykład do systemu sterowania lub komputera, na którym zainstalowano oprogramowanie do ich analizy.
Komponenty systemów EMSOprogramowanie cpmPlus Energy Manager Zestaw narzędzi, które pozwalają na zmniejszanie kosztów energii, zwiększenie efektywności energetycznej i ograniczenie emisji CO2. W aplikacji zaimplementowano m.in. funkcje prognozowania zużycia energii oraz określania odpowiedniego harmonogramu dostaw energii, równoważenia zużycia energii z jej dostawami oraz monitorowania i raportowania realizacji harmonogramów zużycia energii. Umożliwia zarządzanie wszystkimi danymi dotyczącymi energii, automatyczne generowanie raportów i analiz oraz konfigurację alarmów. Jest to aplikacja internetowa, którą można również zainstalować na komputerze. Dane mogą być importowane z rejestratorów danych, systemów BMS i SCADA, systemów zarządzania produkcją, elektronicznych systemów rozliczeniowych oraz arkuszy kalkulacyjnych. Trójfazowy, dwukierunkowy licznik energii elektrycznej serii Saia PCD Do pomiarów bezpośrednich, zgodny z dyrektywą MID. Dane techniczne: 3 × 230 VAC 50 Hz, pomiar bezpośredni do 65 A w dwóch kierunkach, wyjście impulsowe S0, wyświetlanie wartości mocy czynnej, napięcia i prądu, klasa dokładności B zgodnie z EN 50470-3, 1 zgodnie z IEC 62053-21. Statyczny licznik energii elektrycznej prądu jednofazowego Corax 1 Jednokierunkowy, dwukierunkowy lub rewersyjny pomiar energii czynnej i biernej, rozbudowana rejestracja zdarzeń, możliwość włączenia jednej z 5 taryf i ustawienia czasu plombowanym przyciskiem, II klasa ochronności izolacji, odporność na wpływ pola magnetycznego, moduł komunikacyjny: RS-485 albo RS-232. |
TRANSMISJA I ANALIZA WYNIKÓW POMIARÓW
Rejestratory wyposażane są w różne interfejsy. Są to typowo wyjścia analogowe - na przykład prądowe, wyjścia impulsowe oraz interfejsy przemysłowych sieci komunikacyjnych, takich jak na przykład HART, M-Bus, Modbus, Profibus DP/PA, Foundation Fieldbus. Mogą być też wyposażone w interfejsy bezprzewodowe, na przykład WirelessHART. Dzięki zintegrowanym sterownikom logicznym rejestratory mogą ponadto zdalnie i automatycznie wyłączać lub zmieniać ustawienia maszyn, których parametry przekroczą dopuszczalne wartości.
Wyniki pomiarów analizuje się w specjalnym oprogramowaniu. Implementuje się w nim funkcje, które ułatwiają to zadanie, m.in. obliczają różne parametry (zużycie energii na jednostkę medium, koszty w oparciu o dane z taryfy opłat, wskaźniki efektywności, itp.) oraz tworzą zestawienia (wskaźników wydajności różnych instalacji, sprawności poszczególnych urządzeń, danych z różnych okresów, itp.).
Inne standardowo dostępne funkcje to: analiza zwrotu z inwestycji w optymalizację procesu i prognoza zapotrzebowania energetycznego oraz kosztów energii dla aktualnej ceny i w razie jej zmiany. Wyniki prezentowane są zwykle w postaci graficznej, na przykład wykresów i diagramów.
SYSTEMY ZARZĄDZANIA ENERGIĄ
Czujniki, liczniki oraz mierniki, rejestratory, urządzenia do wizualizacji wyników pomiarów i oprogramowanie do ich analizy tworzą razem kompletny system zarządzania energią (Energy Management System, EMS). Taki system powinien charakteryzować się pewnymi cechami - najważniejsze z nich to: łatwa instalacja, szybka konfiguracja niewymagająca korzystania ze specjalistycznych narzędzi i intuicyjna obsługa, możliwość wymiany danych za pośrednictwem popularnych interfejsów komunikacyjnych, elastyczność, skalowalność, możliwość rozbudowy, przykładowo o pomiar innych mediów i różnorodność form udostępniania danych, lokalnie i zdalnie, na przykład w przeglądarce internetowej oraz za pośrednictwem aplikacji na urządzenia mobilne.
Przemysłowe systemy zarządzania energią ma w ofercie wielu dostawców. W ramce przedstawiamy przykłady EMS i niezależnych komponentów, z których można je budować.
Wojciech ZnojekSabur
Wybór systemu do monitorowania i zarządzania zużyciem energii jest wciąż sporym wyzwaniem ponieważ trudno jest znaleźć rozwiązanie zaspakajające wszystkie potrzeby użytkowników. Chociaż rynek obfituje w wiele systemów do monitoringu i optymalizacji zużycia mediów, często brakuje im jednej z istotnych cech takich jak: łatwa obsługa i instalacja, znormalizowane interfejsy komunikacyjne do bezpośredniej analizy danych, elastyczność i możliwość rozbudowy w przyszłości czy wreszcie precyzyjny pomiar energii i pozostałych mediów za pomocą zalegalizowanych liczników. Warto poszukać systemu, który nie wymaga pracochłonnej konfiguracji, specjalnych narzędzi programistycznych, a jego obsługa - zaawansowanej wiedzy. Dobrym rozwiązaniem są np. aplikacje wizualizacyjno-sterujące bazujące na stronach WWW, wbudowane w urządzenia - nadzorujące pracę systemu - takie jak panele operatorskie czy sterowniki. Aplikacje te służą do rejestracji i kontroli zużycia, prezentacji w różnych ujęciach oraz udostępniania danych pomiarowych lokalnie i zdalnie. Można je obsługiwać także z urządzeń mobilnych. Dla pracownika działu utrzymania ruchu jest to ogromne ułatwienie może kontrolować wszystkie stany liczników bez opuszczania miejsca pracy, nie tracąc czasu na wizyty w rozproszonych obiektach. Nowoczesne rozwiązania oferują także funkcje automatycznego wysyłania wiadomości SMS lub e-maili z raportami do zdefiniowanej grupy odbiorców. Są one wysyłane w określonych interwałach czasowych lub w sytuacjach alarmowych. Bardzo istotną kwestią jest elastyczność i otwartość pozwalająca na łączenie systemu monitoringu i zarządzenia zużyciem mediów produkcyjnych w większe systemy oraz integrację z systemami MES, ERP czy BI. Elastyczny i otwarty system pozwoli także na stopniowe wdrożenie, które może być realizowane krok po kroku, bez konieczności ponoszenia początkowych, znaczących wydatków na prace inżynierskie i skomplikowany system informatyczny. Efekty działania takiego systemu są widoczne i wymierne już od samego początku, po jego zainstalowaniu i uruchomieniu, a instalacja jest możliwa do rozbudowy w dowolnym, przystosowanym do indywidualnych wymagań, tempie. |
EMS ZGODNY Z ISO 50001
Wymagania w zakresie oceny, wdrożenia, utrzymania i poprawy systemu zarządzania energią zebrano w normie PN-EN ISO 50001 pt. Systemy zarządzania energią. Wymagania i zalecenia użytkowania. W dokumencie przedstawiono wytyczne odnośnie do użytkowania oraz zużycia energii, w tym praktyki w zakresie pomiarów, dokumentacji i sprawozdawczości, projektowania oraz nabywania dla urządzeń, systemów, procesów oraz personelu, mających wkład w wydajność energetyczną. Norma ta ma zastosowanie do wszystkich zmiennych wpływających na wydajność energetyczną, które może monitorować i na które ma wpływ organizacja.
Wdrożenie wytycznych ISO 50001 wymaga określenia procesów, a następnie zaplanowania działań zmierzających do poprawy ich efektywności energetycznej, określenia punktów jej kontroli oraz sposobów oceny. Trzeba również ustalić zasady monitorowania działań mających na celu zmniejszenie zużycia energii oraz ich oceny.
ISO 50001 można wdrożyć w dowolnej organizacji, niezależnie lub łącznie z innymi systemami zarządzania, na przykład systemem zarządzania środowiskowego. Certyfikacją oraz szkoleniami z zakresu ISO 50001 zajmują się w Polsce m.in. następujące organizacje i firmy: Urząd Dozoru Technicznego (www.udt.gov.pl), Dekra (www.dekra-solutions.pl), Polskie Centrum Badań i Certyfikacji (www.pcbc.gov.pl), BSI (www.bsigroup.com) oraz Bureau Veritas (www.bureauveritas.pl).
GDZIE SZUKAĆ OSZCZĘDNOŚCI?
Działania podejmowane w celu poprawy efektywności energetycznej można podzielić na trzy grupy. Pierwsza z nich obejmuje optymalizację przebiegu procesów produkcyjnych przez dopasowanie nastaw maszyn oraz ich wydajności do rzeczywistych potrzeb. Oznacza to na przykład unikanie przegrzewania i nadmiernego schładzania w instalacjach cieplnych oraz chłodniczych, skrócenie czasu pracy maszyn na biegu jałowym oraz rezygnację z silników o mocy większej, niż jest wymagana. To ostatnie dotyczy też generatorów oraz transformatorów i jest łatwiejsze, jeżeli wcześniej zastosuje się korekcję współczynnika mocy.
Wyraża on stosunek mocy czynnej do mocy pozornej pobieranej przez odbiornik, a w przypadku sinusoidalnych przebiegów napięcia i prądu również kosinus kąta przesunięcia fazowego między napięciem i prądem. Współczynnik mocy podawany jest również jako tangens kąta przesunięcia fazowego, który odpowiada stosunkowi mocy biernej do mocy czynnej.
Im mniejszą wartość ma kosinus kąta fazowego φ, tym większe występują straty energii zasilającej powodowane przepływem mocy biernej między siecią a odbiornikami, zawierającymi komponenty pojemnościowe i indukcyjne. Moc ta jest magazynowana w postaci energii pola elektrycznego albo magnetycznego, która, kiedy pole to zanika, jest zwracana do sieci, a zatem nie zostaje efektywnie spożytkowana w obciążeniu. Oczywiście nie jest to korzystne.
Wytwarzanie i dystrybucja sprężonego powietrza oraz pary wodnejDo monitorowania efektywności energetycznej instalacji wytwarzania oraz przesyłu sprężonego powietrza i pary wodnej używane są m.in. przepływomierze, na przykład masowe. Ze względu na małą stratę ciśnienia oraz wysoki współczynnik turndown nadają się one m.in. do pomiaru przepływu sprężonego powietrza przesyłanego z małą prędkością w rurociągach o dużej średnicy. W przypadku pary wodnej najlepiej sprawdzają się przepływomierze wirowe, które dzięki swojej wytrzymałości szczególnie dobrze nadają się do pomiaru mediów o bardzo dużej temperaturze i dużym ciśnieniu. W pomiarach parametrów przepływu mediów transmitowanych rurociągami o dużych średnicach oraz tam, gdzie ingerencja w przebieg procesu jest niepożądana, zaleca się stosować przepływomierze ultradźwiękowe. Przepływomierze są również wykorzystywane do kontroli efektywności procesu spalania paliw zasilających kocioł, w którym wytwarzana jest para wodna. W tym zastosowaniu używane są przepływomierze masowe, zwłaszcza w pomiarach zużycia gazu ziemnego i przepływomierze Coriolisa. Zaletą tych ostatnich jest to, że poza parametrami przepływu mierzą też temperaturę, gęstość oraz lepkość medium. |
KOREKCJA WSPÓŁCZYNNIKA MOCY I STEROWANIE OŚWIETLENIEM ORAZ HVAC
Z powyżej opisanych powodów stosuje się układy do korekcji współczynnika mocy, co może polegać przykładowo na dołączeniu do odbiornika o charakterze rezystancyjno-indukcyjnym baterii kondensatorów. Im mniejsza jest moc bierna pobierana z sieci, tym do uzyskania w obciążeniu określonej mocy czynnej wymagana jest mniejsza moc pozorna. Można dzięki temu zastosować generator lub transformator o mniejszej mocy znamionowej.
W przypadku instalacji użytkowych, takich jak oświetlenie oraz klimatyzacja, wdraża się systemy automatyki. Za ich pośrednictwem steruje się oświetleniem, wentylatorami oraz pompami w systemach HVAC zgodnie z wcześniej zaplanowanym harmonogramem uwzględniającym m.in. porę roku i porę dnia.
Ponadto ich wydajność można dostosowywać do potrzeb użytkowników. W tym celu instaluje się na przykład czujniki temperatury, ruchu i obecności. Dzięki nim oświetlenie wyłącza się, kiedy dane pomieszczenie jest przez dłuższy czas puste, a ogrzewanie włącza dopiero wtedy, kiedy robi się za zimno.
Do drugiej kategorii działań zalicza się zapobieganie stratom energii spowodowanym awarią urządzeń lub nieszczelnością instalacji produkcji i dystrybucji mediów - na przykład pary wodnej.
ENERGOOSZCZĘDNE ZAMIAST ENERGOCHŁONNYCH
Oprócz tego warto izolować rurociągi, którymi para wodna jest przesyłana. Komponentem istotnym z punktu widzenia efektywności energetycznej systemów wytwarzania i przesyłu tego medium są również tzw. odwadniacze. Są to specjalne zawory służące do usuwania skroplin i powietrza z rurociągów z parą.
Ich usterki, na przykład spowodowane zanieczyszczeniami, które nie pozwalają na zamknięcie albo otwarcie przepływu, są przyczyną dużej utraty ciepła. Ważnym elementem są też wymienniki ciepła i kotły parowe. W ich przypadku jedną z głównych przyczyn spadku sprawności energetycznej są osady tworzące się wewnątrz, w wypadku kotłów, oraz wewnątrz i na zewnątrz, w wymiennikach ciepła.
Trzecia grupa działań polega na zastępowaniu najbardziej energochłonnych urządzeń ich wersjami energooszczędnymi. Przykładem jest wymiana łożysk i smaru w wentylatorach przemysłowych. W przypadku smarów straty energii ogranicza się, dodając do nich substancje, które zmniejszają tarcie. Jeżeli natomiast chodzi o łożyska, to w takim specjalnym wykonaniu tarcie zmniejsza się, wprowadzając zmiany w konstrukcji, w tym m.in. optymalizując geometrię ich komponentów, liczbę wałeczków, budowę bieżni oraz zmniejszając masę części obrotowych.
Wentylatory przemysłowe zostały podane jako przykład nie bez powodu - szacuje się, że w całym ich cyklu życia koszty energii stanowią nawet 90%. Inny przykład to silniki elektryczne, w przypadku których zmiana na modele energooszczędne została już dawno narzucona odpowiednimi przepisami.
Monika Jaworowska