Str. 10 Rynek Energii Nr 6(103) - 2012 MONITOROWANIE JAO NARZĘDZIE WSPOMAGAJĄCE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ azimierz S. Bieliński Słowa kluczowe: monitorowanie czynne, systemy pomiarowe, efektywność energetyczna, zarządzanie energią Streszczenie. W pracy przedstawiono ogólną koncepcję czynnego (aktywnego) monitorowania, jako narzędzia wspomagającego w zarządzaniu energią w przedsiębiorstwach. Wskazano różnicę między monitorowaniem czynnym i biernym oraz podkreślono wagę monitorowania czynnego w skutecznym zarządzaniu energią. 1. WPROWADZENIE W roku 2011 w Polsce odnotowano pojawienie się dwóch bardzo ważnych dokumentów wspierających uporządkowane i ciągłe działania na rzecz podwyższania efektywności energetycznej, ekonomicznej i ekologicznej polskiej gospodarki. Po pierwsze na podstawie dyrektywy 2006/32/WE uchwalono w Polsce ustawę o efektywności energetycznej [4, 5, 6], a po drugie opublikowano międzynarodową normę PN-EN ISO 50001 pod nazwą Systemy zarządzania energią - Wymagania i zalecenia użytkowania [7]. Obydwa dokumenty stanowią dla gospodarki ważny element budowy spójnej polityki energetycznej wskazującej cele, możliwości i metody podwyższania efektywności energetycznej. Do osiągnięcia wskazanych celów, potrzebne są zarówno rozporządzenia wykonawcze do ustawy, jak również wysoko wykwalifikowane kadry zarządzające energią, wsparte wiedzą i umiejętnościami oraz wysoką kompetencją. Praktyczną pomocą dla zarządzających energią w przedsiębiorstwie może być materiał metodologiczny zawarty w międzynarodowej normie PN-EN ISO 50001. Ponadto nieodzownym narzędziem dla nich jest skalowalny system technicznoinformatyczny służący do monitorowania procesu przetwarzania, dystrybucji i użytkowania energii. Często system taki jest wyposażony w zaawansowane algorytmy optymalizacyjne, a także w mechanizmy oceny i weryfikacji osiągniętych rezultatów. Tak kompleksowo określone cele zarządzających energią, realizuje tzw. monitorowanie czynne. Celem artykułu jest wskazanie roli i znaczenia idei monitorowania czynnego, jako narzędzia wspomagającego zarządzanie energią w osiąganiu zaplanowanych celów użytkowników systemu technicznego, w tym utrzymania lub jeszcze lepiej przywracania dóbr środowiska naturalnego. 2. ZARZĄDZANIE ENERGIĄ Zasadniczym celem zarządzania energią w dowolnej organizacji, jest skuteczne działanie służb zarządczych na rzecz redukcji kosztów i zużycia energii, realizowanych planowo i pod kontrolą. Funkcję kontrolną i koordynacyjną pełnić powinna osoba lub grupa osób wyznaczonych przez władze organizacji. W kilku krajach na przestrzeni wielu lat wypracowano oryginalne normy systemów zarządzania energią. Należą do nich np.: DS 2403:2001 Zarządzanie energią specyfikacja (Dania); SS 627750:2003 Zarządzanie energią specyfikacja (Szwecja); IS 393:2005 Systemy zarządzania energią - wymagania i zalecenia użytkowania (Irlandia); ANSI/MSE 2000:2008 Systemy zarządzania energią (USA); PN-EN 16001:2009 Systemy zarządzania energią - wymagania i zalecenia użytkowania. Najnowszym dokumentem wydanym pod koniec 2011 roku jest norma międzynarodowa PN-EN ISO 50001:2011 zatytułowana Systemy zarządzania energią - Wymagania i zalecenia użytkowania. Zawiera ona zasady postępowania oraz wymagania potrzebne do oceny efektów, wdrożenia, utrzymania i poprawy systemu zarządzania energią. Norma ma za zadanie pomagać każdej organizacji w planowaniu i przeprowadzaniu działań w sposób uporządkowany, pod kontrolą koordynatorów oraz wspierać organizację w osiąganiu systematycznej (ciągłej) poprawy efektywności energetycznej procesu produkcyjnego lub usługowego, w racjonalnym użytkowaniu energii, a także redukcji kosztów i zużycia energii [6]. Wdrożenie zasad postępowania ujętych w normie pomaga zarządzającym w identyfikacji najważniejszych czynników wpływających na efektywność energetyczną badanego obiektu, ze wskazaniem tych wielkości, na które ma wpływ organizacja. Norma określa również wymagania i zalecenia mające znaczenie praktyczne podczas monitorowania mediów energetycznych, a dotyczące w szczególności techniki pomiaru, dokumentowania wyników, sprawozdawczości, a także projektowania i doboru urządzeń mających wpływ na sprawność pozyskiwania, przetwarzania i użytkowania energii. Ważnym działaniem, które należy przeprowadzać w organizacji cyklicznie jest audyt energetyczny (lub
Nr 6(103) - 2012 Rynek Energii Str. 11 elektroenergetyczny). Zadania i cele główne audytu energetycznego są precyzyjnie opisane w dostępnej literaturze. Warto natomiast wspomnieć o ważnej roli jaką pełni audyt w kontekście oszacowania poziomu wyjściowego efektywności energetycznej i ekologicznej organizacji oraz obliczania spodziewanych efektów po wprowadzeniu usprawnień i modernizacji. wyższym poziomem nieszkodliwości oddziaływania produktu, procesu przetwarzania na człowieka i środowisko, szerszymi zasobami wiedzy o celach, stanach postulowanych systemu, zasobach, budynkach i ich eksploatacji, o otoczeniu i o ograniczeniach technicznych. Przegląd kierownictwa AUDYT WEWNETRZNY Polityka energetyczna Planowanie Wdrażanie i funkcjonowanie SPRAWDZANIE Działanie naprawcze i zapobiegawcze POMIAR I MONITORING Rys. 1. Model systemu zarządzania energią [6] Według modelu systemu zarządzania energią (rys.1), rola monitorowania ogranicza się do ciągłego lub sekwencyjnego dostarczania danych z systemu pomiarowego obejmującego zidentyfikowane czynniki (wielkości) wpływające na efektywność działania organizacji, w celu ich weryfikacji w bloku Sprawdzanie. W oparciu o wynik porównania podejmowane są działania zaplanowane w systemie zarządzania energią. Należy przyjąć, iż działania te mają charakter naprawczy lub zapobiegawczy i w takim przypadku w wyniku monitorowania powstaje diagnoza stanu, a podjęte działania mają na celu utrzymanie oczekiwanego stanu, np. zadanej wartości temperatury, ciśnienia, poboru mocy, zużycia energii elektrycznej, itp. 3. MODEL I WSAŹNII ZMIENNYCH MONITOROWANIA Stany postulowane systemu technicznego, strefy granicznej i otoczenia w energetyce dotyczą wyboru celów działania w strategiach rozwoju urządzeń i technologii wytwarzania, przesyłu, dystrybucji, obrotu i użytkowania energii. Zasadniczo dotyczą dążenia do wysokiej efektywności energetycznej i ekologicznej podczas pozyskiwania i użytkowania nośników energii o wymaganej jakości. Zatem wspomniane wyżej stany postulowane wiążą się ściśle z: wyższą jakością nośników energii, wyższą efektywnością energetyczną, ekologiczną i ekonomiczną działania maszyn, urządzeń, instalacji, linii technologicznych, Układy i instalacje energetyczne, będące przedmiotem i zakresem badań i rozwoju technologicznego stanowią cztery systemy [2]: procesowy, gdzie następuje efektywne energetycznie i ekologicznie przetwarzanie nośników energii odnawialnej, niekonwencjonalnej z postaci pierwotnej w postać użytkową (np. energii odpadów w energię elektryczną i ciepło), sterowniczy realizujący efektywne energetycznie i ekologicznie sterowanie wejściami, regulację sygnałów uwzględniających zakłócenia i kompensacje przebiegów samych zakłóceń (np. podczas przetwarzania energii, przesyłania i użytkowania), informacyjny, odpowiedzialny za efektywne energetycznie i ekologicznie organizacje, zarządzanie, przetwarzanie sygnałów, wykorzystanie baz danych, tworzenie baz wiedzy, zastosowanie sztucznej inteligencji itp., logistyczny, zapewniający efektywne energetycznie i ekologicznie dostarczenie mas, energii i informacji na miejsce, na czas, na pewno, chroniący przed nadmiernymi i szkodliwymi emisjami mas, energii i informacji. Model monitorowania obejmuje następujące zmienne: ( e, ) f (, N, E, L, S, t, ) (1) gdzie: e - efektywność, η - sprawność, - korzyści energetyczne, ekonomiczne, ekologiczne, N - nakłady energetyczne, ekonomiczne, ekologiczne, E - energia na wejściu/wyjściu, L - praca użyteczna, S - sterowanie, t - czas, θ - czas życia. Zakres zadaniowy i metodyczny rozwoju instalacji, budynków, wysokoefektywnych urządzeń energetycznych obejmuje: przybliżenie istoty stawiania i rozwiązywania problemów związanych ze wzajemnymi relacjami środowiska i obiektu technicznego podczas projektowania technicznych obiektów energetycznych, zrównoważonego rozwoju i postępu technicznego obejmującego podstawy i próby optymalizacji, modernizacji budowy, eksploatacji nowoczesnych obiektów technicznych, polepszania elementów i relacji w środowisku naturalnym,
Str. 12 Rynek Energii Nr 6(103) - 2012 tworzenie zasobów wiedzy i wyższego poziomu kultury oraz rozwoju cywilizacji (w kontekście energetyczno-ekologicznym), efektywność energetyczną: efektywność ekonomiczną: e e ; (2) e Ne efektywność ekologiczną: ek e ; (3) ek Nek eko e, (4) eko Neko gdzie: e, ek, eko - korzyści energetyczne, ekonomiczne, ekologiczne, odpowiednio: J, zł, t CO2 ; N e, N ek, N eko - nakłady energetyczne, ekonomiczne, ekologiczne, odpowiednio: J, zł, t CO2 ; sprawność pozyskania (wydobycia): Exs, (5) el Eyz sprawność przetworzenia (wytwarzania): E ys, (6) W Exs sprawność użytkowania (wykorzystania): Lu, (7) u E gdzie: E xs, E ys, L u - energia na wejściu do elektrowni, energia na wyjściu z elektrowni, praca użyteczna w obiektach, J; E yz - energia zasobów, pobrana ze środowiska, J. Powszechne stosowanie powyższych wskaźników w gospodarce pozwala na standaryzację procesu ewaluacji każdego badanego obiektu technicznego. Nie inaczej jest w przypadku wdrożenia ustawy o efektywności energetycznej. Należy spodziewać się istotnych efektów działania ustawy [5] (Art. 12.1.), jeśli jednostki sektora publicznego, o których mowa w art. 9 pkt 1 i 3 ustawy z dnia 27 sierpnia 2009 r. o finansach publicznych, dopełnią do dnia 31 grudnia 2015 r. zaleceń zaoszczędzenia, w ciągu roku, energii finalnej w ilości nie mniejszej niż 1 % średniego zużycia tej energii w ciągu roku. Efekty działania ustawy w sektorze energetycznym i przemyśle można będzie ocenić, po wdrożeniu rozporządzeń wykonawczych, przede wszystkim dotyczących tzw. białych certyfikatów. Wiele przedsięwzięć obecnie realizowanych lub zakończonych wykonano nie czekając na wdrożenie ustawy. Dotyczyły one np. segmentu dystrybucji w sieciach elektroenergetycznych, gdzie po wykonaniu oceny stanu technicznego starszych transformatorów 110/15kV oraz 15/0,4kV dokonano ich wymiany na nowoczesne ys o mniejszych jednostkowych stratach znamionowych i jednocześnie dostosowanych mocą znamionową do aktualnego obciążenia linii. Natomiast w nowych i modernizowanych sieciach ciepłowniczych stosowane są rozwiązania oparte na technologii rur preizolowanych. 4. MONITOROWANIE CZYNNE ażde monitorowanie jest realizowane w imieniu twórcy, właściciela lub ważnego podmiotu ludzkiego, na rzecz środowiska, systemu technicznego lub strefy granicznej między systemem a środowiskiem [2]. Celem monitorowania jest wskazanie możliwości równoważenia racjonalnych interesów związanych z odtwarzalnymi i nieodtwarzanymi dobrami pierwotnymi środowiska (źródłami energii); z dobrami wtórnymi systemu technicznego: produktami i usługami; a najczęściej związanych z twórczością: wiedzą i kulturą głównymi wartościami strefy granicznej. W praktyce, monitorowanie prowadzi się w celu optymalizacji (doskonalenia) systemów technicznych, melioracji (polepszania) otoczenia technologicznego i naturalnego środowiska oraz dla pozyskiwania wiedzy i tworzenia kultury (w tym zarządzania energią) w strefie granicznej. Często sprowadza się to do podtrzymania rozwoju oraz poznania ważnych interesów np. doskonalenia zarządzania, również do diagnozowania, prognozowania, tworzenia stanów postulowanych i warunków działania przedsiębiorstw, obiektów użyteczności publicznej, gospodarstw rolnych i domowych. Na rysunku 2 pokazano ogólny schemat relacji między każdym systemem technicznym (ST) a otoczeniem (O) z zaznaczoną pomiędzy nimi strefą graniczną (SG). Nieodtwarzalne DOBRA PIERWOTNE Odtwarzalne Yot = Xst OTOCZENIE O STREFA GRANICZNA SG Dobra pierwotne SYSTEM TECHNICZNY ST Yst = Xot Usługi DOBRA WTÓRNE Produkty Rys. 2. System techniczny (ST) w otoczeniu (O) ze strefą graniczną (SG); X st wejście systemu technicznego, X ot wejście otoczenia, Y ot wyjście otoczenia, Y st wyjście systemu [2, 3] Otoczeniem (technologicznym, środowiskiem) systemu nazywa się zbiór elementów, spełniających następujące warunki (rys.2): zmiany pierwotnych dóbr odtwarzalnych i nieodtwarzanych otoczenia oddziałują na zmienne systemu, zmiany dóbr wtórnych: produktów i usług systemu
Nr 6(103) - 2012 Rynek Energii Str. 13 oddziałują na zmienne elementów tworzących otoczenie, stany strefy granicznej, wiedzy, modeli matematycznych oddziaływań, pozwalają na badania, sterowanie, poznanie, rozwój systemu technicznego, otoczenia i samych siebie. Zasoby środowiska, związane z przetwarzaniem dóbr pierwotnych odtwarzalnych i nieodtwarzalnych powinny podlegać melioracji, bo są one dla wszystkich systemów antropotechnicznych jednakowo ważne i użyteczne np. energetycznie. Możliwości oddziaływania regulującego i kompensującego zależą od strefy granicznej. W strefie granicznej następuje poznanie naukowe i praktyczne, które prowadzi do podniesienia kultury życia, zrównoważonego rozwoju systemu technicznego i polepszania otoczenia. W dalszej kolejności prowadzi do zgody społecznej na proponowane produkty i usługi systemu technicznego, a także akceptacji kosztów zużycia zasobów otoczenia i innych pozytywnych oraz negatywnych następstw. Sprzężenia istniejące pomiędzy systemem, a jego otoczeniem dzieli się na zmienne wejściowe systemu, zmienne wyjściowe systemu, prawa, zasady i modele relacji między zmiennymi. Zmiennymi wejściowymi (wejściami) systemu nazywa się strumienie masy, energii i informacji przedstawiające oddziaływanie otoczenia na system, konstrukcje, technologie. Zmiennymi wyjściowymi (wyjściami) systemu nazywa się strumienie masy, energii i informacji przedstawiające oddziaływanie systemu na otoczenie przetwarzania. Monitorowanie czynne polega na ciągłym pozyskiwaniu i gromadzeniu danych, dozorowaniu, diagnozowaniu, dokumentowaniu i podejmowaniu decyzji, a także mądrym wykorzystywaniu (sterowanie) wiedzy i kultury strefy granicznej, regulowaniu otoczenia oraz kompensowaniu zakłóceń systemu technicznego. Sterowanie ma zwykle charakter zdeterminowany, a zakłócenia przebiegają wg praw stochastycznych. W tym świetle można dokonać podziału nowego, zaawansowanego monitorowania na: czynne - ciągłe dozorowanie, diagnozowanie, dokumentowanie, podejmowanie decyzji, sterowanie strefą graniczną (SG), regulowanie otoczenia (O), kompensowanie systemu technicznego (ST), bierne - to proces pozyskiwania i przekazywania strumienia informacji (najczęściej źródłowych) o badanym obiekcie, procesie oraz o jego relacjach z otoczeniem, który w przyszłości można wykorzystać do realizacji postulowanego stanu w zależności od potrzeb i posiadanej wiedzy, bierno-czynne - to proces pozyskiwania i przekazywania strumienia informacji (najczęściej źródłowych) o badanym obiekcie z dodatkowym sterowaniem tylko strefą graniczną (SG), lub regulowaniem tylko otoczenia (O), lub kompensowaniem tylko systemu technicznego (ST). Na rysunku 3 pokazano schemat opisujący monitorowanie według wyżej przedstawionej klasyfikacji monitorowania. MONITOROWANIE TECHNOLOGII i ŹRÓDEŁ ENERGII, Sterowanie, Efektywność, Optymalizacja MONITOROWANIE CZYNNE TWÓRCA SYSTEMÓW TECHNICZNYCH I MELIORANT ŚRODOWISA Cel: rozpoznanie charakterystyk użytkowych MELIORACJA O Preparacja, plan, harmonogram Obserwowanie O, ST Dozorowanie O, ST Diagnozowanie SG, O, ST Dane, Informacje, Oceny Cel: rozwój Identyfikacja matematyczna, Model O, ST Weryfikacja modelu O, ST WIEDZA SG OPTYMALIZACJA ST Nowa wiedzy SG, praktyka naprawy otoczenia O, i rozwoju systemu ST (Dane, informacja) Stan satysfakcjo nujący Rys. 3. Schemat blokowy monitorowania czynnego w otoczeniu (O), systemie technicznym (ST) i strefie granicznej (SG) [2] Czynne monitorowanie dedykowane zarządzaniu energią w obiektach technicznych jest wyższym stadium umiejętności wykorzystywania informacji pochodzących z monitorowania do osiągania celów nadrzędnych zarządzania energią w przedsiębiorstwach. W praktyce wytyczenie lub uszczegółowienie celów do osiągnięcia przez organizację odbywa się po wykonaniu wstępnego lub pełnego audytu energetycznego. Wskazane warunki i cele działania, obiekty doskonalenia, są podstawą realizacji strategii rozwoju systemu technicznego, środowiska (otoczenia), według trzech poziomów zależnych od modeli matematycznych i nowości rozwiązań: optymalizacji - poszukiwanie najlepszego środka, sposobu, czynności technicznej głównie przez działanie na modelu matematycznym, N T MONITOROWANIE BIERNE MONITOROWANIE CZYNNO-BIERNE
Str. 14 Rynek Energii Nr 6(103) - 2012 modernizacji unowocześnienie środka, sposobu, czynności technicznej przez równoważne działanie na modelu matematycznym i poszukiwanie nowości, innowacji wymyślenie nowego środka, sposobu, czynności technicznej głównie przez odkrywanie, wymyślanie i wdrażanie nowych rozwiązań. laboratoryjnych oraz rzeczywistych (maszyny robocze, urządzenia i instalacje elektryczne). Wykazano jej przydatność oraz dokonano oceny osiągniętych efektów monitorowania czynnego opartego na sterowaniu, regulacji i kompensacji. Wyniki badań są [2] i będą nadal systematycznie opracowywane oraz publikowane w kolejnych opracowaniach technicznych. Monitorowanie jako proces ma przede wszystkim wymiar techniczny i informacyjny. W sferze technicznej monitorowanie wykorzystuje najnowsze osiągnięcia w obszarach pomiaru, teleinformatyki, mikroprocesorów, oprogramowania. W sferze informacyjnej wykorzystuje nowoczesne struktury baz danych oraz ergonomicznie zaprojektowane interfejsy użytkownika wraz z modułami analitycznymi. ompleksowo te zagadnienia obejmują i realizują systemy monitorowania [1]. Ich dostępność, funkcjonalność, standaryzacja oraz interfejsy wymiany danych, możliwość stosowania różnych torów telekomunikacyjnych, pozwalają na sprawne pozyskiwanie, gromadzenie danych, ich agregację oraz unifikację form dokumentowania i standardów wymiany danych. Do poprawy efektywności energetycznej procesów, maszyn i urządzeń energetycznych oraz doskonalenia metod racjonalizacji użytkowania energii angażowane są obecnie innowacyjne metody i algorytmy analityczne oparte o struktury neuronowe, genetyczne i zaawansowane techniki statystycznej obróbki danych. 5. WYNII I DYSUSJA 6. PODSUMOWANIE Jest potrzeba zróżnicowania i usystematyzowania teorii, strategii i procedur wykonawczych monitorowania (realizowanego w imieniu inspiratora, twórcy lub ważnego podmiotu ludzkiego) na rzecz środowiska, systemu technicznego lub strefy granicznej między systemem a środowiskiem. Powiązanie idei czynnego monitorowania z wytycznymi norm porządkujących metodykę postępowania (w tym oceny) stanowią klucz do poprawy efektywności zarządzania energią we współczesnym przedsiębiorstwie. Znaczenie poprawy efektywności energetycznej, po stronie technologii przetwórczych, przesyłu energii, usług, odbiorców komunalnych i gospodarstw domowych - wzrasta szczególnie w kontekście przewidywanych, w najbliższych latach, trudności w zbilansowaniu podaży i popytu mocy elektrycznej w polskim systemie elektroenergetycznym. Dlatego należy założyć, że stosowanie idei monitorowania czynnego w zarządzaniu energią obiektów technicznych może istotnie pomóc w realizacji ambitnych celów i osiąganiu postulowanych stanów. Ideę monitorowania czynnego weryfikowano na przykładowych obiektach technicznych w warunkach LITERATURA [1] Bieliński S..: Aktywne monitorowanie stanów i przemian mediów energetycznych w obiektach rozproszonych. IV Międzynarodowa onferencja Procesorów Energii ECO EURO ENERGIA Bydgoszcz 2007. [2] Flizikowski J.B. Bieliński S..: Technology and Energy Sources Monitoring: Control, Efficiency, and Optimization. IGI Global USA 2013 (w druku). [3] Niederliński S.: System i sterowanie. PWN Warszawa 1987. [4] Semczuk M.: Ustawa o efektywności energetycznej narzędzie w procesie budowy niskoemisyjnej i konkurencyjnej gospodarki. Zeszyt tematyczny Rynku Energii nr I (V). Wydawnictwo APRINT Lublin 2010. [5] Ustawa o efektywności energetycznej MG z dnia 15 kwietnia 2011 r. [6] Norma PN-EN ISO 50001:2011 Systemy zarządzania energią - Wymagania i zalecenia użytkowania. Data publikacji: 2011-11-15. MONITORING AS A SUPPORTING TOOL FOR ENERGY MANAGEMENT ey words: active monitoring, metering, energy efficiency, energy management Summary. The study presents general concept of active monitoring as a tool supporting energy management. The paper indicates difference between active and passive monitoring, it also asserts significance of active monitoring for effective energy management. azimierz Stanisław Bieliński, dr inż., Zakład Elektroenergetyki, Instytut Elektrotechniki, Uniwersytet Technologiczno- Przyrodniczy w Bydgoszczy, e-mail: kazimierz.bielinski@utp.edu.pl.