Řešení úspor elektrické energie a snížení produkce CO₂ v průmyslu

Obrázek 1 Obrázek 1

Prakticky v každém výrobním závodě je možné snížit spotřebu elektrické energie, a to i bez nákladných investic do nových výrobních zařízení.

Na rozdíl od projektů EPC (Energy Performance Contraction) je níže popsaný koncept úspor elektrické energie rychlý a společensky odpovědný.

Náhrada stávající technologie v závodě kvůli snížení spotřeby technologií novou, která má sice nižší spotřebu, ale musí se vyrobit, čímž se vyprodukuje CO₂, se ukazuje jako poněkud kontraproduktivní, proto některé EPC projekty mohou být pro zákazníka sice zdánlivě zdarma (financované z jeho úspor energie), ale prospěch z nich má především dodavatel, který by technologii dodanou v rámci EPC většinou neprodal, tedy ani nevyrobil, a tudíž ani nespotřeboval a tím ani nevyprodukoval příslušný objem CO₂.   

Snížit spotřebu elektrické energie stávající technologie lze přitom snadněji a levněji.

Ztráty v rozvodech, spotřebičích i transformátoru, které představují zbytečně zmařenou energii v průmyslu a zbytečně vyprodukované CO₂, lze redukovat na zanedbatelnou hodnotu.

Prvním zdrojem ztrát jsou nadbytečné proudy. Ty vznikají jednak provozem indukčních strojů a jednak provozem frekvenčních měničů, různých průmyslových regulátorů, UPS a dalších systémů vybavených výkonovou elektronikou, ale i například provozem LED osvětlení.

Tyto spotřebiče při svém provozu kromě užitečného proudu, který odvádí potřebnou práci, odebírají proudy indukční a proudy o frekvencích 3-, 5- a 7násobku (i dalších) základní frekvence sítě 50 Hz (obr. 1). Protože ztráty ve vodiči jsou úměrné jeho odporu a kvadrátu protékajícího proudu (I2R), i malé, neužitečné proudy představují na rozsáhlých rozvodech, motorech, transformátorech a další technologii značné ztráty elektrické energie. U vyšších harmonických frekvencí jsou tyto ztráty ještě umocněny vlivem tzv. skin efektu, který zvyšuje odpor vodiče na vyšších frekvencích.

Druhým podstatným zdrojem ztrát je provoz výrobních zařízení na vyšší než jmenovité napětí.

Většina technologií v průmyslu, jako jsou svařování, spínání a regulace indukčních spotřebičů, laserové systémy atd., z principu své funkce průběžně vytváří rychlé kolísání napětí elektrické sítě závodu. „Rychlé“ zde znamená poklesy napětí rychlostmi v řádech desítek až stovek milisekund.

Toto kolísání pak zpětně ovlivňuje provozní stabilitu výrobní technologie i kvalitu výrobků a přitom tyto poklesy svou velikostí nemusejí ani překračovat normou stanovené limity (obr. 2). Kvůli své rychlosti nejsou tyto jevy pozorovatelné běžnými energetickými monitory v závodech a jsou připisovány poruchám z nadřazené sítě.

 

obrazek 2Obrázek 2

Moderní sofistikovaná výrobní zařízení jsou navíc stále citlivější na rušivé jevy, především pak na rychlé poklesy napětí.

Běžným řešením, jak potlačit tyto „poruchy“, je nastavit střední napětí elektrické sítě závodu o několik procent nad jmenovitou hodnotu (230 V / 400 V) tak, aby ani největší pokles nezpůsobil provozní problém. Avšak kvůli velmi krátké době trvání těchto poklesů pracují připojená zařízení většinu času na vyšší napájecí napětí,

protože spotřeba je úměrná kvadrátu napětí (U2/R). Pokud jsme schopni stabilizovat napětí, tedy eliminovat jeho rychlé poklesy, vzniká zde opět značný potenciál úspor redukcí provozního napětí na jmenovitou hodnotu.

Potenciál možných úspor z výše popsaného lze v daném připojovacím bodě vyhodnotit metodou signatur (obr. 3). Například snížením celkového harmonického zkreslení napětí (THDV) na transformátoru z 3 % na 1 % lze odhadnout úsporu jen na transformátoru na 1 až 1,5 %.

obrazek 3Obrázek 3

Náš koncept úspor – snížení spotřeby elektrické energie v průmyslovém podniku – vychází z redukce indukčních proudů a stabilizace napětí v reálném čase, z posunutí provozního napětí na jmenovitou hodnotu a z redukce harmonických, tedy snížení zkreslení napětí i proudu.

Tímto prakticky ověřeným a simulacemi podpořeným postupem lze v průmyslovém podniku snížit spotřebu elektřiny o 3 % až 14 % podle konkrétní situace.

Implementace projektu úspor elektrické energie 

  1. Použitá technologie

Měření pro získání potřebných dat je nutné provést vysokou vzorkovací rychlostí pro zachycení všech detailů. Proto je prováděno patentovaným zařízením měřícím 50 000 hodnot napětí a proudu za vteřinu a současně se schopností záznamu až několik měsíců.

Stabilizace napětí, eliminace indukčních proudů a harmonických je docílena nasazením specializovaného zařízení s názvem EQUALIZER (EQ). Je tak zajištěna reakční doba 1–2 milisekundy při redukci proudu a stabilizaci napětí a současně i redukce harmonických.

  1. Měření a report 

K získání potřebných dat a představy o situaci slouží „hloubkový audit“, při němž je provedeno dlouhodobé měření a záznam potřebných parametrů elektrické energie z pohledu velikosti a zdrojů kolísání napětí, úrovně harmonického rušení a změny spotřeby v čase.

  1. Simulace založená na dlouhém měření

Využitím unikátního simulačního softwaru a reálných dat získaných z měření je simulován vliv nasazení systému EQ na danou síť podniku v připojovacím bodě.

Výsledkem simulace je přesná predikce možných úspor. Díky tomuto postupu lze znát výsledky před instalací systému a posoudit ekonomický přínos celého řešení, dříve než bude rozhodnuto o jeho realizaci.

V grafu na obrázku 4 je příklad naměřených dat kolísání napětí a proudu, přičemž černá stopa vyjadřuje stav před nasazením EQ a růžová stopa jsou data získaná simulací nasazení EQ v daném místě. Z grafu je jasně patrné snížení rozkmitu rychlých změn napětí a rozdíl středního napětí před a po stabilizaci.

obrazek 4Obrázek 4

  1. Nasazení systému

Na obrázku 5 je příklad celého systému EQ. Předtím než dojde k fyzické instalaci takovéhoto řešení, je zhodnocena celá situaci tak, aby bylo jasné, jaké možnosti úspor v daném místě jsou dosažitelné.

obrazek 5Obrázek 5

  1. Zpráva o výsledcích

Poslední částí implementace projektu úspor je vyhodnocení reálného stavu po instalaci provedením měření a vyhodnocení dat.

Příklad realizace

Příklad realizace výše popsaného konceptu úspor elektrické energie je ze strojírenského závodu z oblasti automotivu.

V grafu na obrázku 6 je příklad naměřených dat kolísání napětí a proudu, přičemž černá stopa jsou původní naměřená data a růžová stopa jsou data získaná simulací nasazení EQ v dané lokalitě. Z grafu je jasně patrné snížení rozkmitu rychlých změn napětí a rozdíl středního napětí před a po stabilizaci.

obrazek 6Obrázek 6

Příklad ekonomické návratnosti výše popsaného konceptu je následující:

Cena EQ300 systému s výkonem 300 KVAr je 658 000 Kč – úspora 8,99 %

Cena 1 kWh pro výpočet 2 Kč

Denní spotřeba závodu 620 kW – provoz 24 h

Denní úspora 620 kW × 0,0899 × 24 h = 1 338 kWh => 1 338 × 2 Kč = 2 676 Kč

Měsíční úspora (20 pracovních dnů) 2 676 Kč × 20 = 53 520 Kč

Návratnost pouze z úspory energie 658 000 / 53 520 Kč => 12,3 měsíce 

Nezanedbatelným „vedlejším efektem“ zajištění stabilního napětí a redukce harmonických nasazením EQ je prodloužení životnosti připojených strojů a tím i snížení nákladů na údržbu v podniku.

Pro další informace či možnosti provedení auditu kontaktujte společnost Blue Panther s.r.o. (www.blue.-panther.cz).

Blue Panther

Společnost Blue Panther s 20. letou tradicí je předním odborníkem na elektrickou energii a poskytuje nejen výrobním podnikům auditorskou a konzultační činnost v otázkách kvality elektrické energie a její spotřeby. Prostřednictvím svých certifikovaných odborníků s dlouholetými zkušenostmi a vyškolených specialistů analyzuje aktuální situaci, vyhledává příčiny problémů dané kvalitou elektrické energie a navrhuje škálu možných řešení. Vše s cílem zajištění ekonomického přínosu a úspor pro podnik.

www.blue-panther.cz