Co wspólnego mają pomiary z oszczędzaniem energii? Chodzi przede wszystkim o rentowność inwestycji (ROI) i wynik finansowy.
Zakłady przemysłowe muszą zużywać energię do działania — produktów, danych lub czegokolwiek innego — a większość z nich marnuje zbyt dużo energii elektrycznej. Zakłady te są nieefektywnymi użytkownikami energii. Dwadzieścia lat temu zarząd zakładu nie troszczył się o sprawność energetyczną — energia była tania. Gdy tylko ceny energii wzrosły, zarządzający zainteresowali się obniżeniem rachunków za prąd, ale środki podejmowane w celu osiągnięcia oszczędności musiały być wprowadzane zgodnie z warunkami obowiązującymi w biznesie.
Gdzie znajduje się próg rentowności, dla którego straty są na tyle duże, że warto się nimi zająć?
Aby odpowiedzieć na to pytanie, należy zmierzyć, ile energii zużywa się na różne rodzaje pracy (instalacje) w budynku, i porównać je z normami. Dzięki temu można określić wielkość strat. Dalsze pomiary mogą pomóc w identyfikacji podstawowej przyczyny strat. Trzy punkty równania ROI to: 1) ilość odpadów w połączeniu z 2) przyczyną i 3) koszt rozwiązania problemu.
Kiedy ograniczenie zużycia energii ma sens?
Ograniczenie zużycia energii jest sensowne w przypadku zakładów, które chcą zmniejszyć koszty stałe w celu zwiększenia wydajności, tzn. w przypadku zakładów, które chcą robić więcej mniejszym kosztem, a nie tylko wydawać mniej.
Dzięki inspekcji energii można określić możliwości zwiększenia efektywności i przekazać kierownikowi zakładu dane pozwalające zrozumieć, które działania w zakresie oszczędzania energii są trafne, biorąc pod uwagę główne cele zakładu, a które albo nie zapewniają wystarczającego zwrotu z inwestycji, albo znajdują poza ustalonymi priorytetami. Największe możliwości występują zwykle w zakładach mających stare, duże, bardzo energochłonne urządzenia, które nie zostały poddane optymalizacji. Wśród innych dobrych kandydatów znajdują się zakłady produkcyjne, które nie wprowadziły na szeroką skalę automatyzacji ani systemów sterowania, a także zakłady z dużymi instalacjami pary lub sprężonego powietrza.
Ile można zaoszczędzić?
Według Departamentu Energii USA (DOE) zakłady mogą obniżyć rachunki za energię o 25%, ale rzeczywiste oszczędności zależą od kilku czynników. Po pierwsze od tego, jakiego typu urządzenia i instalacje są wykorzystywane w zakładzie oraz jakie operacje mają tam miejsce. Duże odbiorniki, których harmonogram użytkowania nigdy nie został zoptymalizowany pod kątem pór dnia z najniższą stawką za energię, dają szansę na znaczne oszczędności. Zakład, w którym obciążenia są mniejsze, może nie mieć takich samych możliwości. Po drugie od tego, jak mało efektywne są instalacje budynkowe. W nowym, dobrze konserwowanym zakładzie nie ma tylu możliwości oszczędności, co w starszym, w którym instalacje i urządzenia odbiegają od zalecanych ustawień i procedur konserwacji.
Jeśli zastanawiasz się nad stratami energii w domu, prawdopodobnie bierzesz pod uwagę zimne powietrze przedostające się przez okna lub wymianę starych żarówek na żarówki LED. Ale jakiego rodzaju „straty energii” występują w zakładzie produkcyjnym lub obiekcie wielofunkcyjnym?
Zużycie energii do ogrzewania lub chłodzenia powietrza i wymuszenia jego przepływu przez instalację wentylacyjną tylko po to, aby powietrze wyciekło przez szczeliny w oknach, zmusza instalację do nadprodukcji, a tym samym do nadmiernego zużycia energii. Ile innych instalacji w zakładzie pracuje ciężej, niż powinno, z powodu zapchanych filtrów, silników o zbyt dużej mocy itp.?
Tak więc zakład produkcyjny, czy też obiekt wielofunkcyjny, może doświadczyć zarówno strat związanych z oświetleniem, jak i z bryłą budynku. Ale czy są to najważniejsze straty, na których należy się skupić?
Nie da się odpowiedzieć na to pytanie bez rejestracji poboru mocy na wszystkich głównych odbiornikach i bez odniesienia tych danych do harmonogramu stawek za energię i harmonogramu pracy, a także bez dokonania obliczeń rentowności. Dość często zakład odkrywa możliwości oszczędności w zakresie konserwacji i eksploatacji dużych urządzeń, których szybsza wymiana na mniejszy model zwróciłaby się w ciągu kilku lat.
Jak rozpocząć redukcję zużycia energii, gdy budżety, czas i zasoby są ograniczone
Należy zacząć od podstaw.
Punktem startowym jest określenie, gdzie, przez jaki odbiornik i kiedy energia jest zużywana. Gdy właściciele zakładów, kierownicy i technicy dokładnie wiedzą, ile energii jest potrzebne do prowadzenia działalności, a ile po prostu się marnuje, mogą zacząć podejmować decyzje i tworzyć plany. Aby dojść do tego etapu, należy zacząć od przejrzenia kilku ostatnich rachunków za energię i poszukania na nich kar oraz opłat za szczytowe zapotrzebowanie. Należy pobrać kopię harmonogramu stawek ze strony internetowej zakładu energetycznego, aby dowiedzieć się, jakie są ceny za energię w różnych porach dnia w porównaniu z harmonogramem operacyjnym Twojego zakładu. W razie potrzeby należy skontaktować się bezpośrednio z oddziałem zakładu energetycznego. Z całą pewnością uzyskamy potrzebne informacje.
Następnie należy poinstruować swój zespół elektryków lub wykonawcę robót elektrycznych, aby zaczął rejestrować zasilanie na głównych przyłączach elektrycznych, a także w szafach zasilających największych instalacji i odbiorników. Należy rejestrować moc, energię i współczynnik mocy w reprezentatywnym przedziale czasu. Zapewni to bardzo dokładny obraz rzeczywistego poboru mocy w obwodach trójfazowych i przez odbiorniki. Największe oszczędności można często osiągnąć poprzez przesunięcie okresów działania odbiorników na te pory w ciągu dnia, kiedy energia jest tańsza.
Które instalacje marnują najwięcej energii?
Poza analizą instalacji zasilania elektrycznego należy także ocenić układy elektromechaniczne oraz instalacje pary i sprężonego powietrza. Zwykle to one odznaczają się stratami energii, które dość łatwo można wyeliminować.
Układy elektromechaniczne
W systemie elektromechanicznym występuje pięć typowych rodzajów strat energii: 1) elektryczne, 2) mechaniczne/tarciowe oraz takie, na które wpływ mają: 3) harmonogramy, 4) elementy sterujące i 5) rozmiary/sprawność urządzeń.
Wykorzystanie zaawansowanego rejestratora energii Fluke 1738 do analizowania energii w układzie mechanicznym
- Przekroczenie napięcia/prądu i asymetria faz to dwa kluczowe punkty strat energii w układach elektromechanicznych. Oba te problemy można wykryć za pomocą analizatorów jakości zasilania i kamer termowizyjnych.
- Straty energii w przypadku układów mechanicznych objawią się zarówno przegrzaniem, jak i nadmiernymi drganiami, które można wykryć za pomocą termografii i wibrometrów. Możliwe przyczyny zależą od chłodzenia i przepływu powietrza, współosiowości łożysk i innych przyczyn tarcia. Należy wykonać inspekcję termowizyjną sprzęgieł, wałów, pasów, łożysk, wentylatorów, elementów elektrycznych, skrzynki przyłączeniowej i uzwojeń — wszystkiego, co może sygnalizować nieefektywne działanie, a tym samym straty energii.
- Jak wspomniano wcześniej, jedną z najprostszych możliwości oszczędności energii jest rejestracja poboru mocy przez duże odbiorniki elektromechaniczne w pełnym harmonogramie ich pracy. Należy określić, kiedy maszyny zużywają najwięcej energii (często przy uruchomieniu), i sprawdzić, czy okresy zużycia można dostosować do pór dnia, w których stawki za energię są najniższe.
- Korzystając z tych samych logów parametrów zasilania, należy porównać harmonogram pracy z okresami, gdy maszyna zużywa energię. Ile energii maszyna zużywa, gdy nie jest aktywnie używana? W przypadku braku układów sterowania większość maszyn musi zostać wyłączona ręcznie, aby zatrzymać zużycie energii, przy czym te ręczne czynności nie zawsze mają miejsce. Nie wszystkie maszyny można wyłączać, ale większość z nich można ustawić w stan pracy jałowej. Układy sterowania są bardzo zróżnicowane, od prostych w użyciu po w pełni zautomatyzowane, a także od wykorzystujących czujniki i regulatory czasowe, przez maszyny elastycznie przełączające się w stan jałowy, po maszyny z operacjami zaprogramowanymi w sterownikach PLC.
- Klasyfikacja wielkości i sprawności. Zwłaszcza w starszych zakładach wymagania operacyjne ulegają zmianie, ale odbiorniki pozostają ciągle te same, co oznacza, że czasem duży, kosztowny silnik o ciężkim rozruchu został pozostawiony i napędza układ o mniejszym zapotrzebowaniu na moc. Naturalną preferencją każdego kierownika zakładu jest uzyskanie maksymalnej żywotności dużych maszyn i urządzeń. Warto jednak rejestrować, ile energii zużywa silnik w porównaniu z faktycznym zapotrzebowaniem odbiornika, a także w porównaniu z nową maszyną lub urządzeniem o wysokiej sprawności i dobrze dobranej wielkości. Należy obliczyć ilość niepotrzebnie zużywanej energii i pomnożyć ją przez stawkę zgodnie z odpowiednim planem taryfowym. Należy określić, ile czasu zajmie zwrot kosztów zakupu nowego silnika. Czasami opłaca się wymienić urządzenie, zanim się zepsuje. Jeśli wymiana nie jest opłacalna, warto rozważyć, czy zastosowanie układów sterowania pozwoliłoby na modulację zużycia energii.
Para
Ogrzewanie procesowe stanowi znaczną część kontrolowanych kosztów operacyjnych, a instalacja musi być poddawana regularnej inspekcji, aby uniknąć różnych możliwości marnowania energii.
Należy zacząć od rejestracji zużycia energii przez kocioł, aby stworzyć poziom odniesienia dla zużycia energii. Następnie należy sprawdzić instalację rozdzielczą, w tym separatory kondensatu, manometry, izolację, pompy i zawory. Z użyciem kamery termowizyjnej należy wykryć uszkodzone separatory kondensatu, nieszczelności, niedrożności, usterki zaworów i problemy z kondensatem. Celem jest odzyskanie i powrót do kotła jak największej ilości podgrzanego kondensatu.
Inspekcja za pomocą kamery termowizyjnej Fluke Ti401 PRO
Wycieki pary można wyszukać także za pomocą kamery termowizyjnej. Należy zwrócić uwagę, czy izolacja nie jest luźna lub czy jej nie brakuje oraz czy wszystkie separatory kondensatu działają prawidłowo. Należy również wyczyścić wnętrze kotłów i sprawdzić, czy rurociągi przesyłowe pary nie są zatkane. Połączenie tych wszystkich działań pozwoli zidentyfikować straty energii i pomoże zespołowi w planowaniu energooszczędnych rozwiązań — wiele z nich można często wdrażać poprzez konserwację, a nie wydatki kapitałowe.
Instalacje sprężonego powietrza
Sprężarka powietrza o mocy 100 KM może zużywać rocznie energię elektryczną o wartości około 50 000 USD. Nawet 30% tej energii jest zużywane do sprężania powietrza, które nigdy nie zostanie wykorzystywane z powodu nieszczelności w instalacji rozdzielczej i nieoszczędnych praktyk użytkowania. Jednak wiele zakładów nigdy nie oceniło efektywności swojej działalności w zakresie użytkowania instalacji sprężonego powietrza. W rzeczywistości, gdy potrzebne jest większe ciśnienie powietrza, wiele zakładów decyduje się na zakup i uruchomienie dodatkowej sprężarki, nie zdając sobie sprawy z tego, że ciśnienie dałoby się zwiększyć w już istniejącej instalacji.
Inspekcja przewodów sprężonego powietrza za pomocą przemysłowej kamery dźwiękowej Fluke ii900
Badania przeprowadzone przez Compressed Air Challenge wykazały, że tylko 17% użytkowników sprężonego powietrza uważa efektywność za cel w zakresie zarządzania instalacją sprężonego powietrza, a 71% chce po prostu zapewnić sobie stałe i niezawodne dostarczanie powietrza. Takie podejście przenosi się na miejsce użytkowania sprężonego powietrza. Instalacje urządzeń pneumatycznych często nie mają nawet prostych zaworów elektromagnetycznych odcinających powietrze, co prowadzi do ciągłej pracy sprężarki, a personel na hali produkcyjnej często traktuje sprężone powietrze jako darmowy zasób, wykorzystując je do sprzątania miejsca pracy, a nawet do chłodzenia.
Aby określić i obliczyć poziom strat, należy zacząć od rejestracji zasilania wszystkich sprężarek powietrza w pełnym cyklu pracy. Pozwoli to określić ilość energii, jaka jest potrzebna do wytworzenia bieżących poziomów ciśnienia powietrza. Ponadto należy użyć skalibrowanego manometru do zarejestrowania ciśnienia na wylocie sprężarki i porównania go z ciśnieniem w punkcie użytkowania w celu określenia spadku ciśnienia i sprawdzenia, czy zapewnione jest ciśnienie wymagane przez producenta urządzeń pneumatycznych. Nie należy bez powodu nadmiernie zwiększać ciśnienia. Moduł ciśnieniowy podłączony do multimetru rejestrującego jest jednym ze sposobów przeprowadzania tych badań bez inwestowania w specjalistyczny sprzęt. Na koniec należy użyć przemysłowej kamery dźwiękowej, aby przeskanować jak największą część przewodów powietrza w celu określenia miejsca i wielkości nieszczelności. Rentowność inwestycji można sprawdzić za pomocą kalkulatora wycieków powietrza.
Podsumowanie
Stosując te proste i bezpośrednie najlepsze praktyki, można w końcowym rozrachunku poczynić znaczne postępy w zakresie poprawy sprawności energetycznej na poziomie zakładu. Osobno każda z nich przynosi określoną wartość, natomiast w połączeniu mogą stać się źródłem dużych oszczędności energii.