Innowacyjne technologie dla poprawy efektywności energetycznej Możliwości zmniejszenia zużycia energii elektrycznej w zakładzie przemysłowym dr inż. Andrzej Latko (KENER RE5) Zabrze, 4 lipca 2013
PLAN Możliwości zmniejszenia zużycia energii elektrycznej w zakładzie przemysłowym Wprowadzenie Oszczędności w zużyciu energii elektrycznej układy napędowe układy elektrotermiczne / elektrochemiczne oświetlenie Generacja energii elektrycznej (ograniczenie kosztów zakupu energii elektrycznej) źródła odpadowe (własne) źródła odnawialne Zabiegi organizacyjne (ograniczenie kosztów zakupu energii elektrycznej) wybór właściwej taryfy rozliczeniowej utrzymanie poziomu mocy biernej w granicach dyrektywnych właściwe określenie mocy zamówionej 2
Wprowadzenie Racjonalizacja użytkowania energii - optymalny sposób oszczędności. Rozróżnia się racjonalizacje strukturalną, techniczną i organizacyjną. r. strukturalna zmniejszenie udziału produkcji energochłonnej w gospodarce narodowej i zwiększenie udziału produkcji o niskiej energochłonności skumulowanej; r. techniczna zmiany w technologii, poprawę sprawności urządzeń energetycznych, zmniejszenie strat ciepła, wykorzystanie energii odpadowej; r. organizacyjna poprawa eksploatacji urządzeń energetycznych i energotechnologicznych. 3
Wprowadzenie Możliwości ograniczenia kosztów energii elektrycznej: zastosowanie energooszczędnych technologii produkcji; ograniczenie strat energii w sieci wewnątrz zakładowej; zastosowanie (modernizacja) wysokosprawnych przekształtników i przetworników energii elektrycznej; generacja energii na potrzeby własne (lub na sprzedaż); wybór właściwej taryfy rozliczeniowej; właściwe określenie poziomu zamawianej mocy i związanych z tym przedsięwzięć organizacyjnych zapobiegających występowaniu przekroczeń utrzymanie poboru mocy biernej w granicach dyrektywnych. 4
Wprowadzenie Konwersja energii elektrycznej na przykładzie układu napędowego: Sieć wewnątrzzakładowa Przekształtnik energoelektroniczny Silnik Mechanizm napędzany Zewnętrzne elementy regulacyjne M energia wejściowa energia użyteczna s t r a t y e n e r g i i 5
Efektywne wykorzystanie energii w napędach elektrycznych o napędy elektryczne zużywają ok. 50% energii elektrycznej w gospodarce i ok. 70% w przemyśle, o napędy elektryczne są przewymiarowane w stosunku do potrzeb modernizujących się procesów technologicznych w przemyśle, o napędy elektryczne często wykorzystują przestarzałe rozwiązania technologiczne o sprawności istotnie niższej niż na to pozwalają rozwiązania nowoczesne, o stosowane napędy elektryczne często są sterowane mało efektywnie lub nie są sterowane wcale, o wciąż istnieją bariery informacyjne, ekonomiczne, finansowe ograniczające rynkowe wykorzystanie istniejącego potencjału zmniejszenia zużycia energii elektrycznej w napędach. 6
Sprawność układu elektromechanicznego o sprawności silnika w rzeczywistych warunkach pracy, o sprawności przekształtnika energii elektrycznej (jeżeli występuje), o sprawności układu przeniesienia napędu (sprawność przekładni jeżeli występuje), o sprawności napędzanego mechanizmu, liczonej jako stosunek energii użytecznej na jego wyjściu w określonym czasie (np. energii czynnika tłoczonego przez pompę) do energii dostarczonej do mechanizmu, o jakości energii elektrycznej zasilającej napęd. Z uwagi na efektywność energetyczną w bilansie kosztów mają również znaczenie: o straty przesyłu energii w sieci wewnątrzzakładowej (zależne również od wartości przesyłanej mocy biernej), o ewentualne koszty związane z nadmiernym poborem energii biernej (dodatkowe opłaty lub koszty kompensacji mocy biernej). 7
Sterowanie prędkości napędów a energooszczędność Sterowanie wydajności urządzeń napędzanych przez silniki elektryczne może być realizowane przez zmianę parametrów pracy: o silnika napędowego, o napędzanego mechanizmu (np. ustawienie aparatu kierowniczego wentylatora), o zewnętrznych elementów napędzanego mechanizmu (np. zwiększenie oporów przepływu cieczy przez przymknięcie zasuwy na rurociągu pompy). 8
Sterowanie prędkości napędów a energooszczędność Są to metody nieefektywne. Kompresory 21% Udział różnych napędów w zużyciu energii elektrycznej przez silniki w przemyśle. Napędami w których tkwi największy potencjał oszczędności energii są urządzenia odśrodkowe - wentylatory i pompy. Przypada na nie około 40% całej energii pobieranej przez Pompysilniki przemysłowe. 23% Wiele z nich wymaga Inne sterowania wydajności. Często jeszcze odbywa 40% się to przez dławienie przepływu, przy pomocy aparatów kierowniczych, upustów, obejścia. Wentylatory 16% 9
H/HN 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Sterowanie prędkości napędu pomp i wentylatorów 3 2 1 H A char. pompy A B B H B H B Q 0 0,2 0,4 0,6 1 0,8 1 1,2 P/PN 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 dławienie 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Q/Q N Q/Q N a) b) Przykładowa charakterystyka pompy oraz charakterystyki rurociągu przy różnych wartościach ciśnienia hydrostatycznego H = (a) oraz charakterystyki poboru mocy 1 A H B P Q 10 3 przez napęd w przypadku dławienia ηpa ηma oraz ηpb regulacji ηmb ηrbprędkości pompy dla różnych charakterystyk rurociągu (b) 3 2 1 10
Sterowanie prędkości napędu pomp i wentylatorów (przykład) Zastosowanie regulacji prędkości pompy zamiast dławienia dla charakterystyk pompy i rurociągu przedstawionych wcześniej, oraz zakładając, że: o charakterystyka rurociągu określona jest krzywą 1 (rurociąg poziomy), o znamionowa moc pompy wynosi 50 kw, o harmonogram pracy pompy obejmuje: 20% czasu pracy z wydajnością 100%, 50% czasu pracy z wydajnością 70%, 30% czasu pracy z wydajnością 50%, o sprawność silnika wynosi 94%, a przekształtnika energoelektronicznego 96%, o roczny czas pracy pompy obejmuje 7000 godzin, o koszt energii elektrycznej 300 zł/mwh, 11
Sterowanie prędkości napędu pomp i wentylatorów (przykład) Zużycie energii w ciągu roku zmniejsza się z 349,2 MWh do 165,5 MWh, czyli maleje o 183,7 MWh, roczne koszty zakupu energii elektrycznej zmniejszają się o 55 110 zł. Koszt przemiennika częstotliwości przeznaczonego do napędu silnika o mocy 55 kw wynosi około 30 000 zł. Uwzględniając koszty prac projektowych i montażowych okres kształtuje się w okolicach 1 roku. Ponadto przy zastosowaniu falownika napięcia z modulacją szerokości impulsów dodatkowym zyskiem jest obniżenie poboru mocy biernej. 12
Sterowanie prędkości napędu Zmiennoobrotowe energoelektroniczne układy (VSD): o z falownikiem napięciowym (najbardziej popularne, sterowanie skalarne i wektorowe) o z falownikiem prądowym (układy dużej mocy, wysokonapięciowe) o w układzie kaskady stałego momentu (duże moce, silnik indukcyjny pierścieniowy) o z modulatorem rezystancji wirnika (duże moce silnik indukcyjny pierścieniowy) o wysokosprawne napędy z magnesami trwałymi BLDC (komutator elektroniczny) i PMSM (falownik napięciowy) o regulatory napięcia przemiennego dla silników indukcyjnych (ograniczenie strat w żelazie redukcja strumienia przy pracy przy niedociążeniu) 13
Sterowanie prędkości napędu przemienniki napięciowe: o niewielka zmiana współczynnika mocy (0,95 0,97) w całym zakresie regulacji obrotów i obciążenia, o łatwe dostosowanie do potrzeb (różne sposoby ograniczenia harmonicznych), o wysoka sprawność w zakresie (0,3 1) prędkości nominalnej przy charakterystyce M~n 2 (możliwość sterowania minimalizującego straty), o możliwość łączenia równoległego prostowników i falowników, o hamowanie rezystorem, o prawie zerowe harmoniczne prądu w sieci zasilającej przy aktywnym prostowniku AFE (wzrost kosztów), o niska cena w wykonaniach standardowych, o brak ciężkiego dławika, o hamowanie ze zwrotem energii do sieci (możliwe przy dodatkowych nakładach) 14
Sterowanie prędkości napędu przemienniki prądowe: o naturalna możliwość zwrotu energii do sieci; o przy regulacji prędkości obrotowej w dół znaczne zmniejszenie współczynnika mocy przy zastosowaniu prostownika tyrystorowego na wejściu (przy 0,7n N cosϕ 0,7); o przy modulacji PWM na wejściu (bez transformatora wejściowego) występuje zmniejszenie sprawności; o duży ciężar; o wysoka cena. 15
Sterowanie prędkości napędu sprawność przemienników 16
Sterowanie prędkości napędu kaskada stałego momentu (podsynchroniczna): Schemat strukturalny kaskady tyrystorowej dla napędów o mocach 600 1500 kw 17
Sterowanie prędkości napędu kaskada stałego momentu (podsynchroniczna): o moc poślizgu podlega energoelektronicznemu przetworzeniu i prawie w całości zostaje zwrócona do sieci energetycznej; o sprawności kaskad osiągają średnie wartości 96,5 98%; o na sprawność kaskady największy wpływ mają straty w urządzeniach przekształtnikowych oraz straty w dławiku i w transformatorze; o cechą szczególną jest utrzymywanie prawie stałej wartości tej wysokiej sprawności niezależnie od obciążenia; o napęd kaskadowy obniża cosφ układu. 18
Napędy przenośników taśmowych W wielu przypadkach przenośniki takie pracują ze znacznie zmniejszona wydajnością przy stałej prędkości taśmy. Potwierdzają to np. badania eksploatacyjne przeprowadzone w jednej z kopalń węgla brunatnego: o przez ponad 96% czasu pracy wydajność przenośnika nie przekraczała 49%, o w tym przez 70% czasu przenośnik pracował z wydajnością większą do 21%. W warunkach pracy ze stałą prędkością taśmy energochłonność badanego przenośnika wzrosła w stosunku do znamionowej: o około 2-krotnie przy wydajności 20%, o około 3-krotnie przy wydajności 10%. 19
Napędy przenośników taśmowych Przykład przemysłowy 1 Przenośnik taśmowy napędzany dwoma silnikami asynchronicznymi R D pierścieniowymi SZUc-196t (320 kw, 6 kv): o przy 50% wydajności ω i normalnym przyłączeniu silników do sieci (100 % prędkości M1 N taśmy, 50% załadowania M2 taśmy) silniki M1 0,5ω N pobierały z sieci M2 moc: P = P M1 + P M2 = 388 kw, o po podłączeniu silników w układ skompensowanej kaskady asynchronicznej i praca z tą samą 50% wydajnością w warunkach 50% prędkości taśmy, 100% załadowania pobór mocy obniżył się do wartości: P = P M1 = 149,4 163,3 kw. R S C Przykład przemysłowy 2 Przenośnik napędzany a) dwoma silnikami typu SZUr 126t (400kW, b) 6 kv): skompensowana Podłączenie silników kaskada napędu asynchroniczna przenośnika taśmowego umożliwia w układzie dla 50% normalnym wydajności (a) oraz skompensowanej kaskady asynchronicznej (b) przenośnika zmniejszenie poboru mocy z P = 298 kw do P = 199 kw. 20
Silniki energooszczędne Silniki elektryczne są odbiorcą około połowy całej energii elektrycznej zużywanej w krajach rozwiniętych, przy czym udział silników elektrycznych w poborze energii elektrycznej przez przemysł wynosi 70%. Potencjał oszczędności energii pobieranej przez silniki wynika z następujących, często wzajemnie ze sobą związanych czynników: o pojawieniu się na rynku silników o zwiększonej, w porównaniu z silnikami tradycyjnymi sprawności, tzw. silników energooszczędnych; o eksploatacji dużej liczby silników wyprodukowanych przed kilkudziesięcioma laty, o stosunkowo niskiej sprawności; o eksploatacji dużej ilości silników naprawianych, czasami wielokrotnie (ocenia się, że w wyniku źle wykonanego remontu sprawność silnika obniża się o około 3 5 %). 21
Silniki energooszczędne charakterystyki sprawności Istotny przebieg charakterystyki sprawności w funkcji obciążenia. Silniki energooszczędne w szerokim zakresie przy niepełnym obciążeniu mają sprawność na wysokim poziomie. Wobec tego często spotykane w warunkach eksploatacyjnych niedociążenia silników nie pogarszają efektywności ich pracy. 22
Silniki energooszczędne koszt w cyklu życia silnika LCC Równoważenie zwiększonego kosztu zakupu silnika energooszczędnego w cyklu życia (LCC) oszczędnościami w zużyciu energii. 1. Silniki o mocy 2,2 kw po ok. 800 h/a @ 50%P n ; po ok. 500 h/a @ 75%P n ; po ok. 300 h/a @ 100%Pn; 2. Silniki o mocy 18,5 kw po ok. 1400 h/a @ 50%P n ; po ok. 750 h/a @ 75%P n ; po ok. 570 h/a @ 100%Pn; 3. Silniki o mocy 75 kw po ok. 1070 h/a @ 50%P n ; po ok. 770 h/a @ 75%P n ; po ok. 930 h/a @ 100%Pn; 23
Silniki energooszczędne wnioski 1. Wymiana starych silników średniej i dużej mocy eksploatowanych w ciągu roku niewielką ilość godzin nie przynosi znaczących efektów energetycznych, choć może mieć istotne znaczenie dla obniżenia poziomu hałasu czy osiągnięcia wysokiej niezawodności ruchowej. 2. Wymiana starych, niskosprawnych silników elektrycznych eksploatowanych w ciągu roku przez 2000 h lub więcej godzin, na współczesne silniki wysokosprawne jest inwestycją o wysokim stopniu rentowności. Przy eksploatacji 6000 h/a, okres zwrotu nakładów wynosi 4,4 2 lat. 3. Szczególnie racjonalna i opłacalna jest taka wymiana w przypadku awarii silnika starego (złomowanie, odszkodowanie). Okres zwrotu nakładów przy eksploatacji 6000 h/a wynosi 1,9 0.9 lat. 24
Silniki energooszczędne wnioski 4. Poza efektami energetycznymi wymiana starych silników na silniki nowe daje inne, istotne efekty, a mianowicie: o znaczące zmniejszenie poziomu hałasu ( poniżej 85 db/a/); o zmniejszenie poziomu drgań; o znaczące zwiększenie trwałości silnika i niezawodności ruchu napędu; o zwiększenie bezpieczeństwa obsługi. Silniki nowe posiadają zabudowane czujniki kontroli temperatury uzwojeń i łożysk, a także, na życzenie, czujniki drgań. Ułatwia to prowadzenie bieżącej kontroli i diagnostyki silników, zmniejsza możliwość wystąpienia niespodziewanej awarii. 25
Układy napędowe wnioski W polskim przemyśle pracuje wiele nieefektywnych układów napędowych oraz silników o małej, w porównaniu z obecnie produkowanymi, sprawności. znaczy potencjał oszczędności energii. decydujące są względy ekonomiczne, ale w ostatnim czasie podnosi się aspekty ekologiczne ograniczenie zanieczyszczeń związanych z produkcją energii elektrycznej. Największe możliwości oszczędności energii elektrycznej tkwią w układach napędowych pomp i wentylatorów w których stosuje się sterowanie wydajności w układzie mechanicznym. Okres zwrotu nakładów stosunkowo krótki. Sterowanie prędkości pomp i wentylatorów przyczynia się do zwiększenia ich trwałości. 26
Układy napędowe wnioski Duże oszczędności energii zastosowanie silników energooszczędnych. Wprawdzie są one 15% 30% droższe od tradycyjnych, ale zwiększone nakłady szybko się zwracają, szczególnie w napędach o dużym stopniu wykorzystania (dużej liczbie godzin pracy w okresie roku). 27
Oszczędności / układy elektrotermiczne Układy elektrotermiczne (12 metod nagrzewania) udział w konsumpcji energii elektrycznej na poziomie około 30 % czysta (bo nośnikiem energii jest energia elektryczna), efektywna, dobrze sterowalna technologia szczególnie przy małych/średnich mocach wybór odpowiedniej/efektywnej technologii elektrotermicznej układy indukcyjne/pojemnościowe wykorzystujące przekazywanie energii za pośrednictwem wysokoczęstotliwościowego pola elektromagnetycznego 28
Oszczędności / oświetlenie Oświetlenie: udział w konsumpcji energii elektrycznej na poziomie około 15 % wymiana nieefektywnych źródeł światła automatyzacja / inteligencja (nowe oprawy LED) wykorzystanie naturalnego "darmowego" światła słonecznego 29
Oszczędności / oświetlenie Przykładowe sprawności źródeł światła i ich żywotność: Lampa Wydajność lm / W Żywotność (MTTF średni czas między awariami) żarowa (żarówka) 4-17 2-20000 halogenowa 16-23 3000-6000 świetlówka (w tym CFL) 52-100 (biały) 8000-20000 metalohalogenkowa 50-115 6000-20000 siarkowa (bezelektrodowa) 80-110 15000-20000 wysokoprężna sodowa 55-140 10000-40000 niskoprężna sodowa 100-200 18000-20000 LED 30-110 (biały) 50000-100000 indukcyjna (bezelektrodowa, wzbudnik zewnętrzny) 70-90 (biały) 80000-100000 h 30
Generacja energii / źródła odpadowe (własne) Źródła odpadowe (własne) przetwarzanie: CHP, turboekspandery, małe hydroelektrownie Kluczowe jest zidentyfikowanie własnych nośników energii do zagospodarowania: paliwa odpadowe np. gazy poprocesowe, metan w kopalniach; nośniki energii np. sprężone powietrze, woda, para 31
Generacja energii / źródła odnawialne Źródła odnawialne: wiatr, PV, biomasa Kluczowe jest zidentyfikowanie lokalnych możliwości/warunków: potencjał źródeł odnawialnych np. wiatr, słońce ale również odpady kwalifikowane jako biomasa/biopaliwa; Układy pracy: duże źródła praca równoległa z siecią praca na potrzeby własne, bez / lub z ograniczoną sprzedażą nadwyżek energii do sieci generacja energii do sieci małe źródła praca autonomiczna zasilanie wydzielonych układów z zasobnikami energii kiedy występuje taka konieczność systemy wieloźródłowe z zasobnikami energii niedaleka przyszłość energetyki 32
Generacja energii / źródła odnawialne Źródła własne/odnawialne: poprawiają efektywność wykorzystania lokalnego/własnego potencjału energetycznego; pozwalają na pewną niezależność energetyczną (nowe rozwiązania systemów wieloźródłowych); zagospodarowanie źródeł odnawialnych daje możliwość uzyskania dodatkowych dochodów z obrotu świadectwami pochodzenia; wykorzystanie takich źródeł może być wykorzystywane dodatkowo dla celów marketingowych/wizerunkowych. 33
Zabiegi organizacyjne wybór/dopasowanie właściwej taryfy rozliczeniowej na podstawie pomiarów poboru mocy na zasilaniu 450 Zmiany mocy czynnej i biernej P[kW], Qi[kVAr], Qc[kVAr] transformatora nr 1 400 utrzymanie poziomu mocy biernej w granicach 350 dyrektywnych 300 250 200 150 Qi[kVAr] na podstawie faktur / analizy konfiguracji sieci zakładowej, pracujących odbiorów / pomiarów rozpływów mocy i zawartości wyższych harmonicznych P[kW] Qi[kVAr] Qc[kVAr] 100 właściwe określenie mocy zamówionej 50 na 0 podstawie pomiarów poboru mocy i danych o mocy zamówionej 34 14.07.06. 20:40:00 14.07.06. 22:25:00 15.07.06. 00:10:00 15.07.06. 01:55:00 15.07.06. 03:40:00 15.07.06. 05:25:00 15.07.06. 07:10:00 15.07.06. 08:55:00 15.07.06. 10:40:00 15.07.06. 12:25:00 15.07.06. 14:10:00 15.07.06. 15:55:00 15.07.06. 17:40:00 15.07.06. 19:25:00 15.07.06. 21:10:00 15.07.06. 22:55:00 16.07.06. 00:40:00 16.07.06. 02:25:00 16.07.06. 04:10:00 16.07.06. 05:55:00 16.07.06. 07:40:00 16.07.06. 09:25:00 16.07.06. 11:10:00 16.07.06. 12:55:00 16.07.06. 14:40:00 16.07.06. 16:25:00 16.07.06. 18:10:00 16.07.06. 19:55:00 16.07.06. 21:40:00 16.07.06. 23:25:00 17.07.06. 01:10:00 17.07.06. 02:55:00 17.07.06. 04:40:00 17.07.06. 06:25:00 17.07.06. 08:10:00 17.07.06. 09:55:00 17.07.06. 11:40:00 17.07.06. 13:25:00 17.07.06. 15:10:00 17.07.06. 16:55:00 P[kW], Qi[kVAr], Qc[kVAr] Czas
PODSUMOWANIE Możliwości zmniejszenia zużycia energii elektrycznej w zakładzie przemysłowym Wprowadzenie Oszczędności w zużyciu energii elektrycznej układy napędowe układy elektrotermiczne / elektrochemiczne oświetlenie Generacja energii elektrycznej (ograniczenie kosztów zakupu energii elektrycznej) źródła odpadowe (własne) źródła odnawialne Zabiegi organizacyjne (ograniczenie kosztów zakupu energii elektrycznej) wybór właściwej taryfy rozliczeniowej utrzymanie poziomu mocy biernej w granicach dyrektywnych właściwe określenie mocy zamówionej 35
Dziękuję za uwagę dr inż. Andrzej Latko (KENER RE5) Politechnik Śląska Wydział Elektryczny Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego i Robotyki (KENER RE5) tel. 32 237 12 47 fax. 32 237 13 04 andrzej.latko@polsl.pl kener.elektr.polsl.pl 36