Efektywność energetyczna i koszt eksploatacji silników elektrycznych niskiego napięcia Około 2/3 energii elektrycznej zużywanej przez światowy przemysł konsumowane jest przez silniki elektryczne. Zgodnie z badaniami zleconymi przez Komisję Europejską, zwiększenie sprawności wszystkich silników elektrycznych pracujących na terenie Unii Europejskiej o 20-30% pozwoliłoby na redukcję zużycia energii elektrycznej o 135mld kw rocznie jak również poskutkowałoby redukcją emisji CO 2 na poziomie 63 mln ton. Już tylko na podstawie tych informacji stwierdzić można, że kwestia sprawności silników elektrycznych powinna być fundamentalną, jeśli chodzi o redukcję zużycia energii a co za tym idzie, redukcję emisji CO 2. 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 klasycznym asynchronicznym silniku klatkowym rozkładają się na: straty w uzwojeniach stojana (ok. 35% wszystkich strat), straty w wirniku (20%), straty w stali (20%), straty związane z tarciem (10%) oraz straty dodatkowe (15%). Redukcja strat, a co za tym idzie zwiększenie sprawności silnika osiągane jest głównie na dwa sposoby. Pierwszy z nich to redukcja każdej ze składowych strat poprzez optymalizację konstrukcji, użycie lepszej jakości materiałów (stal, miedź) i podzespołów (np. łożyska). Metoda ta pozwala niestety tylko na nieznaczna poprawę sprawności silnika. Znacznie efektywniejszą metodą okazuje się 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. Rozwiązanie tego typu pozwala na znacznie większe podniesienie sprawności w porównaniu do wcześniej opisanego, pomimo iż silnik taki, ze względu na swoją konstrukcję, musi być zasilany poprzez przetwornicę częstotliwości. Podstawy prawne Ze względu na fakt znacznego zużycia energii elektrycznej przez silniki elektryczne ustawodawcy w wielu krajach wprowadzili lub przygotowują się do wprowadzenia prawnych regulacji odnośnie minimalnych poziomów sprawności silników elektrycznych. Unia Europejska, a co za tym idzie Polska, znajdują się w światowej czołówce pod względem opracowywania i wdrażania prawnych regulacji dotyczących problemu efektywności energetycznej silników elektrycznych. Podwalinami do wprowadzenia takich regulacji stała się Dyrektywa dotycząca Ekoprojektu (Ecodesign Directive), na kanwie której, w 2009 roku Komisja Europejska opublikowała Rozporządzenie (UE) 640/2009 definiujące zakres silników objętych regulacjami sprawnościowymi, poziomy dla poszczególnych klasy sprawności, sposób oznaczenia oraz wyłączenia z regulacji. Rozporządzenie to, znane jest szerzej pod nazwą EU MEPS (Minimal Efficiency Performance Standard Minimalny Standard Wydajności Energetycznej). EU MEPS technicznie oparty jest o dwie normy Międzynarodowej Komisji Elektromechanicznej IEC. Sprawność mierzona jest przy użyciu metod zdefiniowanych w normie IEC/EN 60034-2-1:2007, zakres stosowania oraz klasy sprawności zdefiniowane są na bazie normy IEC/EN 60034-30. Ta ostatnia norma została zastąpiona nową rewizją IEC/EN 60034-30-1 w marcu 2014 roku. Regulacje EU MEPS wprowadzane były w okresie od 16 czerwca 2011 roku do 1 stycznia 2017 roku (patrz Rysunek 1).
Rysunek 1: Harmonogram wprowadzania regulacji EU MEPS Niespełna 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 w lipcu 2014 roku weszło w życie nowe rozporządzenie Komisji Europejskiej, Rozporządzenie (UE) 4/2014 zaostrzające, precyzujące i wyjaśniające zapisy oryginalnej regulacji EU MEPS. Tabela 1 przedstawia zakres silników objętych aktualnie obowiązującymi rozporządzeniami. Tabela 1: Zakres silników objętych regulacją EU MEPS Typ silnika: jednobiegowe, trójfazowe silniki indukcyjne Zakres mocy: 0.75 375kW Zakres prędkości: konstrukcje 2-, 4-, 6-biegunowe Napięcie zasilania: do 1000V Częstotliwość sieci: 50Hz (silniki znamionowane 50Hz i 60Hz również znajdują się w zakresie regulacji) Zakres temperatury otocznia: od -30 C do +60 C Wysokość: do 4000m n.p.m. Reżim pracy: silniki, które mogą pracować w ciągłym reżimie pracy Główne wyłączenia z zakresu obowiązywania regulacji EU MEPS: silniki przeznaczone do pracy w strefach zagrożonych wybuchem zgodnie z Dyrektywami ATEX, silniki pracujące w całkowitym zanurzeniu w płynie, silniki z hamulcem, silniki o konstrukcji, która uniemożliwia ich przetestowanie niezależnie od napędzanego urządzenia, silnik, pracujące na wysokościach ponad 4000m n.p.m., silniki oznakowane do pracy w temperaturach otoczenia poza wskazanym w Tabeli 1 przedziałem.
Koszt eksploatacji silnika Na całkowity koszt eksploatacji silnika składają się cztery podstawowe czynniki bezpośrednio z nim związane. Są to: koszt zakupu, koszt energii elektrycznej zużytej przez silnik w okresie jego eksploatacji, nakłady materialne i roboczogodziny na planowane czynności konserwacyjno-serwisowe silnika oraz koszty ponoszone w przypadku awarii silnika i przestoju linii produkcyjnej, który to zdarzenie spowoduje. Składowe kosztu eksploatacji silnika zostały przedstawione na Rysunku 2. Rysunek 2: Składowe kosztu eksploatacji silnika Jedną z głównych składowych jest tu koszt energii elektrycznej, który, jak pokazują wyliczenia, może stanowić nawet 96-99% całkowitego kosztu eksploatacji silnika, przy założeniu jego prawidłowej, bezawaryjnej i zgodnej z dokumentacją techniczno-ruchową, eksploatacji. Fakt, że składowa ceny zakupowej stanowi tylko nieznaczny procent całkowitego kosztu eksploatacji powinien wytyczać jasną drogę wyboru silnika. Potencjalny użytkownik silnika oszczędności powinien szukać nie w cenie jego zakupu, lecz w cenie energii elektrycznej, którą w okresie eksploatacji silnik zużyje. Ten zaś czynnik, szczególnie w przypadku rozważania silnika zasilanego bezpośrednio z sieci, wprost uzależniony jest od parametru, jakim jest sprawność 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. Obecny porządek prawny na terenie Unii Europejskiej nakłada minimalne wymagania dla silników przeznaczonych do pracy w strefach bezpiecznych na poziomie klasy sprawności IE3 jeśli są one zasilane bezpośrednio z sieci, lub IE2, jeśli są one zasilane poprzez przemiennik częstotliwości (dla silników w zakresie regulacji EU MEPS). Warto jednak zwrócić uwagę, że wymagania, nakładane przez Komisję Europejską są wymaganiami minimalnymi. Już od dłuższego czasu, na rynku dostępne są asynchroniczne klatkowe silniki o klasie sprawności IE4. Tylko od użytkownika, który kupuje silnik zależy więc, czy chce on spełnić jedynie minimalne wymagania, czy może, idąc krok naprzód, zakupić jednostkę o wyższej klasie sprawności, która w długoterminowym rozliczeniu przyniesie realne oszczędności liczone w tysiącach złotych.
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 o szerokości od ABB Optimizer pierwszy krok do oszczędności W zakresie analizy kosztów eksploatacji silników niskiego napięcia ABB opracowało i udostępnia na swojej stronie internetowej specjalna aplikację Optimizer. Główną funkcjonalnością narzędzia jest możliwość wyboru dowolnego silnika niskiego napięcia z zakresu produktów ABB (włączając w to silniki o klasie sprawności IE4) i dokonanie obliczenia całkowitego kosztu eksploatacji dla zadanych parametrów eksploatacyjnych takich jak: okres eksploatacyjny, obciążenie silnika, dzienna ilość godzin pracy jak również koszt kwh energii elektrycznej i koszt samego silnika. Optimizer pozwala porównać, jakie oszczędności przyniesie użycie silników ABB o różnej sprawności w zadanych warunkach eksploatacyjnych. Możliwe jest też wprowadzenie parametrów i użycie w porównaniu silnika spoza zakresu produktowego ABB. Ponadto, Optimizer umożliwia dostęp do szerokiej bazy dokumentacji technicznej silników ABB oraz materiałów odnośnie efektywności energetycznej. Optimizer a można używać za pomocą przeglądarki internetowej, lub zainstalować jako aplikację na ipad. Narzędzie dostępne jest na stronie: http://www.abb.com/lv-optimizer. Korzystanie z narzędzia jest darmowe, nie wymaga rejestracji. Narzędzie dostępne jest w kilku językach, w tym w języku polskim. kilku (dla małych silników) do mniej niż jednego procenta (dla jednostek o mocach 200-355kW). Z tego względu 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. Oszczędności płynące z użycia rozwiązania o wyższej sprawności mogą być liczone w tysiącach złotych w okresie eksploatacyjnym! Sama analiza poziomów sprawności porównywalnych mocą 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 jest ignorowany i 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. Zwolenników rozwiązań o niskim koszcie zakupu zaciekawić zaś może przykład, iż nawet przy założeniu ceny zakupu silnika o klasie sprawności IE2 o połowę niższej niż silnika o klasie sprawności IE3, okres zwrotu silnika w klasie IE3 wyniesie kilka lat, co dla większych jednostek jest czasem znacznie krótszym, niż zakładany zwyczajowo okres eksploatacji. 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.
Przykład 1: Porównajmy dwa silniki 4-biegunowe o mocy 315kW o sprawnościach: 1) Minimalnej dla klasy IE2 95.1% 2) Minimalnej dla klasy IR3 95.8% Wychodząc ze wzoru na sprawność silnika, moc elektryczna pobrana przez silniki z sieci: 1) 315kW/95.1% = 331,23 kw 2) 315kW/95.8% = 328,8 1kW Różnica w mocy pobranej = 2.42kW Wniosek: wybierając silnik o klasie sprawności IE3, zyskujemy 2.42kW a to oznaczać może, na przykład, że jeden mały silnik o mocy 2.2kW pracuje dla nas za darmo. Przykład 2: Kalkulacja okresu zwrotu inwestycji dla silników z Przykładu 1. Założenia: Zakładany koszt energii elektrycznej: 0,30 PLN/kWh Zakładane obciążenie silnika: 100% Zakładany okres eksploatacji silnika: 10 lat Roczna ilość godzin pracy: 16 godzin dziennie, 300 dni w roku = 4 800 godzin (ok. 55% czasu w roku) Zużycie energii elektrycznej i jej koszt w okresie eksploatacji: Silnik IE2 = 4800 h x 10 lat x 331,2kW = 15 899 040 kwh x 0,30 PLN/kWh = 4 769 712 PLN Silnik IE3 = 4800 h x 10 lat x 328,8kW = 15 780 880 kwh x 0,30 PLN/kWh = 4 734 864 PLN Różnica w zużyciu energii elektrycznej = 116 160 kwh = 34 848 PLN Przy założeniu różnicy w cenie silników IE2 i IE3 na poziomie 4 000, PLN, okres zwrotu silnika możemy wyliczyć w poniższy sposób: Miesięczny czas eksploatacji: 300dni / 12m-cy = 25 dni/miesiąc x 16 godzin = 400godzin/miesiąc Oszczędność na godzinie pracy silnika = 34 848 PLN / 4800 godzin x 10 lat = 0,73 PLN/godz. Miesięczna oszczędność = 400 godzin x 0,73 PLN = 290,40 PLN/miesiąc Okres zwrotu różnicy w cenie silników = 4 000 PLN / 290,40 PLN/miesiąc = 13,77 miesiąca Zakładając koszt zakupu silnika IE3 na poziomie 55 000 PLN, procentowy udział ceny zakupowej silnika w całkowitym koszcie eksploatacji (nie wliczając kosztów serwisu) możemy wyliczyć jako: ł 55000 55000 4734 864!,!#% Wniosek: droższy o 4 000 PLN silnik wysokosprawny zwróci się w okresie niecałych 14 miesięcy. Całkowita oszczędność płynąca z 10-leniego okresu eksploatacji jednego tylko wysokosprawnego silnika o mocy 315kW wyniesie 30 848 PLN ((różnica pomiędzy 34 848 PLN oszczędności płynących z rachunków za energię elektryczną minus 4000 PLN dodatkowej inwestycji w silnik o wyższej sprawności). Udział ceny zakupu silnika w całkowitym koszcie inwestycji to zaledwie 1,15%.
Nie tylko rachunki za energię elektryczną Wyższa sprawność to nie tylko niższe rachunki za energię elektryczną. Jak zostało już wcześniej wspomniane, 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 dla silnika może mieć kluczowe znaczenie. 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 optymalniejsze warunki pracy dla 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 istotny dodatkowy atut silnika wysokosprawnego. Dodatkowo, do kosztów eksploatacji silnika powinny zostać włączone także koszty pośrednie koszty 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 tylko składową związaną z kosztami przestoju oszacować jest w stanie jedynie użytkownik. Koszty przestoju linii, nawet w przypadku, gdy użytkownik posiada silnik zapasowy i jest w stanie w krótkim czasie wymienić silnik na nowy, sprawny, mogą wielokrotnie przewyższać koszt silnika, który ten przestój spowodował. Wysokosprawny silnik oznacza mniejsze ryzyko nieplanowanego przestoju spowodowanego jego awarią. 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 awarii, a co za tym idzie, powstania kosztów pośrednich. Przyszłość W temacie energooszczędności, w odniesieniu do silników oraz innych urządzeń takich jak pompy czy sprężarki 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 Rozporządzeń (UE) 640/2009 oraz 4/2014. Podstawowym celem tych badań jest ocena oszczędności energii, którą można osiągnąć poprzez ujednolicenie przyszłego zakresu rozporządzenia z zakresem nowej normy IEC/EN 60034-30-1. Oznaczałoby to rozszerzenie zakresu na moce wyjściowe w zakresie 0.12-1000 kw, silniki przeznaczone do pracy w strefach zagrożonych wybuchem oraz silniki 8-biegunowe. Na świecie istnieją już dobrowolne, jak w USA, lub obowiązkowe, jak w Chinach, regulacje sprawnościowe w zakresie silników średniego napięcia. Jest tylko kwestią czasu wprowadzenie tych regulacji w Europie. Istnieje także potrzeba uregulowania kwestii napraw silników na terenie Unii Europejskiej. Jak dotąd jedynie Stany Zjednoczone uregulowały tą kwestię w postaci standardu Zalecana metoda naprawy wirujących maszyn elektrycznych (Recommended Practice for the Repair of Rotating Electrical Apparatus). Powstanie podobnych zaleceń na terenie Unii Europejskiej niewątpliwie pozwoliłoby na podniesienie jakości usług remontowych i podniesienie sprawności silników poddawanych przezwojeniu. Obecny kształt EU MEPS, pozwala na użytkowanie silników o klasie sprawności IE2 przy zasilaniu poprzez przetwornicę częstotliwości. 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.