Efektywność energetyczna ma coraz większe znaczenie dla nas wszystkich z racji swojego bezpośredniego związku z kosztami. Na horyzoncie pojawia się również nowa presja regulacyjna w postaci proponowanej przez Komisję Europejską nowelizacji dyrektywy UE w sprawie efektywności energetycznej (EED). Znowelizowana dyrektywa EED narzuci na kraje członkowskie UE prawny obowiązek oszczędności energii, zobowiązując je do wspólnego zmniejszenia zużycia energii do roku 2030 o 9% względem poziomów z 2020 r. Dodatkowo do roku 2024 kraje UE będą prawdopodobnie musiały osiągnąć nowy roczny próg oszczędności rzędu 1,5% całkowitego zużycia energii w porównaniu z obecnym poziomem 0,8%.
Poprawa efektywności energetycznej w procesach produkcyjnych korzystających ze sprężonego powietrza ma kluczowe znaczenie, ponieważ sprężarki zużywają około 12% energii elektrycznej. Co więcej, w okresie ich eksploatacji 80% kosztów pochodzi ze zużycia energii, a tylko 20% stanowi koszt urządzenia. Ale czy użytkownicy rozwiązań sprężonego powietrza mają pełny ogląd pochodzenia i składowych tych kosztów?
Spojrzenie szersze niż system
Właściwe podejście do redukcji energochłonności systemów sprężonego powietrza zależy od szeregu wyborów technicznych i ekonomicznych. Nie tak dawno temu branża słusznie zwróciła baczniejszą uwagę na system i jego efektywność, zamiast skupiać się wyłącznie na wydajności urządzenia. Większa świadomość potrzeb operacyjnych i zwiększona presja na zmniejszenie zużycia energii oraz poprawę wydajności skłaniają do bliższego przyjrzenia się systemowi. Bardziej konkretnie, jak równoważyć potrzeby operacyjne, koszty kapitałowe, żywotność kluczowych zasobów i zużycie energii?
Tradycyjne podejście do całkowitego kosztu posiadania (TCO) analizuje koszt energii w oparciu o moc agregatu sprężarkowego lub określony pobór mocy. Pełna analiza operacyjna natomiast obejmuje wszystkie czynniki, od sprężarki po środowisko jej działania, jak również wymagania operacyjne np. maksymalne i minimalne poziomy zapotrzebowania na powietrze i planowanie ekspansji operacyjnej. Rezultatem tak rozległej analizy jest zrozumienie, w jaki sposób nawet najmniejsze elementy systemu wpływają na zużycie energii związane ze sprężarką.
Celem jest znalezienie właściwej równowagi pomiędzy decyzjami technicznymi i ekonomicznymi — odnośnie ilości sprężarek, wydajności, parametrów operacyjnych, efektywności energetycznej, planowania przyszłych zmian zapotrzebowania na powietrze, uwzględnienia kosztów energii związanych z nieszczelnościami, niewłaściwym wykorzystaniem powietrza, sztucznym zapotrzebowaniem itp.
Użytkownicy rozwiązań sprężonego powietrza muszą spojrzeć na swoje zapotrzebowanie operacyjne pod kątem tego, jaka jego ilość jest potrzebna dla określonych zastosowań w cyklu produkcyjnym, a następnie zapoznać się z metodami optymalizacji kompresorowni oraz z wymogami sprzętu i konfiguracją posiadanej instalacji sprężonego powietrza. Dopiero po przeprowadzeniu takiego badania możliwe jest faktyczne zabezpieczenie zasobów, inwestycji i kosztów energii rozwiązań sprężonego powietrza, a co za tym idzie, osiągnięcie nowego, niskiego całkowitego kosztu ich posiadania.
Rozleglejsza perspektywa ochrony zasobów
Aby to lepiej opisać, przyjrzyjmy się hipotetycznemu procesowi, w którym klient rozważa rozbudowę zakładu produkcyjnego, dodanie kolejnej linii produkcyjnej, zwiększenie mocy produkcyjnych itp. W takim przypadku typowa rozmowa pomiędzy użytkownikiem systemu sprężonego powietrza a dostawcą sprężarki na temat nowego zapotrzebowania na sprężone powietrze zaczyna się od prośby klienta o większą objętość powietrza przy założeniu, że rozwiązaniem będzie dodatkowa lub większa sprężarka. Rzecz w tym, że zwykłe dodanie kolejnego urządzenia nie jest rozwiązaniem, gdy istniejący system pozostaje taki sam. Działanie takie może skutkować zbyt dużym obciążeniem istniejącej infrastruktury i prowadzić do zmniejszenia wydajności ogólnej. Dlaczego?
W trakcie budowy zakładu lub linii produkcyjnej system sprężonego powietrza jest planowany i projektowany pod kątem dopasowania do obciążeń wydajności konkretnego procesu produkcyjnego. Wszystko działa zgodnie z planem i osiąga założone wyniki. Wraz z rozwojem operacyjnym firmy i wzrostem produkcji w zakładzie zapotrzebowanie na powietrze zmienia się, ale dodanie kolejnej sprężarki w celu sprostania rosnącym potrzebom nie jest rozwiązaniem. Zanim zostanie rozważona taka opcja użytkownicy systemu sprężonego powietrza powinni wraz ze specjalistami przeprowadzić szczegółową analizę pracy istniejącego układu w określonym czasie i w ramach zadanych wymagań. Przed podjęciem jakiejkolwiek decyzji należy dokonać całościowej analizy całego systemu produkcyjnego, historycznego i szacowanego zapotrzebowania na powietrze, obecnej instalacji rurowej oraz sprawdzić jej szczelność.
Dość często rozbudowa zakładu lub linii produkcyjnej nie wymaga nawet dodania kolejnej sprężarki. Dostrojenie istniejących zasobów do pracy przy odpowiednich i dostosowanych obciążeniach — zamiast przy najwyższych poziomach ciśnienia czy ekstremalnych wymogach — może przełożyć się na zmniejszenie ciśnienia w całym systemie, a tym samym redukcję zużycia energii. Najprościej jest dodać kolejną sprężarkę, ale kluczem do ochrony zasobów i uzyskania pożądanej poprawy efektywności energetycznej jest zastosowanie podejścia holistycznego, a także przeprowadzenie analizy i optymalizacji istniejącego systemu oraz jego elementów.
Audyt, rozmiar i wdrożenie
Przed podjęciem decyzji o wymianie sprężarki, dodaniu kolejnej czy też dostosowaniu istniejącego systemu, konieczny jest audyt procesu operacyjnego. Audytor rozwiązań sprężonego powietrza może sprawdzić cały system i ustalić dane wejściowe, stan agregatów sprężarkowych, ich wydajność i dokładne wymogi ciśnienia. Pozwala to uzyskać ogląd systemu, wraz z jego otoczeniem, elementami, orurowaniem i krytycznym zużyciem. Z tą wiedzą można przejść do kolejnego etapu, czyli podjęcia świadomej decyzji o optymalizacji systemu pod kątem nowych wymagań. Bardzo często nowe, rozbudowane wymagania produkcyjne są osiągalne przy tym samym poziomie mocy w drodze regulacji przepływu powietrza (w zależności od wielkości rozbudowy, rzecz jasna). Wszystko sprowadza się więc do właściwego oszacowania zapotrzebowania na powietrze.
Na konkretnym przykładzie wygląda to tak:
Zakład produkcyjny, obecnie korzystający ze sprężonego powietrza, rozszerza swoją działalność i jego zapotrzebowanie na sprężone powietrze może wzrosnąć nawet o 35%. Naszym zadaniem jest określić, jak zrealizować to dodatkowe zapotrzebowanie na sprężone powietrze i czy będzie konieczne dodanie nowej sprężarki. Audyt pokazuje aktualny stan systemu, w tym orurowanie, ciśnienie robocze w ciągu dnia oraz cykliczne zmiany zapotrzebowania. Następnym etapem jest sprawdzenie, w jaki sposób można zoptymalizować istniejący system, aby wygenerować dodatkowe zapotrzebowanie przy zachowaniu tej samej mocy. Można to zrobić w drodze analizy i określenia rozmiaru systemu, jak też przyglądając się bliżej następującym kwestiom:
- Wpływ nieszczelności – Z biegiem czasu każdy system ulega rozszczelnieniu. Może ono być spowodowane starzeniem się przewodów, niewłaściwymi złączami, instalacjami, użyciem niedopasowanych części lub korozją. Szacujemy, że nawet 20 do 30% przepływu sprężonego powietrza może być utracone z powodu nieszczelności. Wyciek sprężonego powietrza przez otwór o średnicy 3 mm (~1/8″) może powodować zużycie 4 kW/h energii elektrycznej, pociągając za sobą roczne straty rzędu 19 200 kW (przy ciśnieniu 7 barg (100 psig) 16 godzin dziennie przez 300 dni w roku). Stwarza to duże możliwości poprawy wydajności. Rozszczelnieniom złączy i przyłączeń rur można zapobiegać poprzez ich odpowiednie dokręcenie oraz stosowanie właściwych uszczelek i środków uszczelniających. Dobra jakość złączek, przewodów i przyłączeń przekłada się na ich dłuższą żywotność. Obszary ryzyka można zidentyfikować za pomocą audytu, a program wykrywania nieszczelności oraz regularny plan konserwacji zmniejszą przyszłe wycieki powietrza.
- Niewłaściwe zastosowanie sprężonego powietrza może obejmować wiele prostych i zwyczajnych czynności, np. odmuchiwanie umytych komponentów lub wręcz operatorów, którzy pracują w zapylonym środowisku i używają sprężonego powietrza do oczyszczenia odzieży. Takie rzeczy się zdarzają. Sprawdzenie i wyeliminowanie podobnych zastosowań sprężonego powietrza w całym zakładzie może przynieść znaczne korzyści.
- Sztuczne zapotrzebowanie to nadmiarowa objętość powietrza wymagana przez nieuregulowane zastosowania końcowe w wyniku dostarczania ciśnienia wyższego niż jest to konieczne dla danego zastosowania. Jest to równoznaczne z niepotrzebnym zużyciem energii. Bardzo pomocna będzie tutaj prosta strategia prawidłowego doboru, instalacji i użytkowania regulatorów ciśnienia, wraz z zapobieganiem nieszczelnościom i monitorowaniem niewłaściwego wykorzystania powietrza.
- Optymalizacja zakresu ciśnień – Ustawienie prawidłowych ciśnień można wykonać w drodze identyfikacji i wskazania wymagań systemu, określenia strat ciśnienia w układzie rurociągów między sprężarką a maszynami produkcyjnymi oraz ustawienia prawidłowego ciśnienia obciążenia i odciążenia na możliwie najniższym poziomie, aby realizować wymagane zastosowania. Oszczędność wynikająca z obniżenia ciśnienia nastawy sprężarki o 1 bar (14,7 psi) stanowi nawet 7% całkowitego zużycia energii przez sprężarkę. Rocznie, przy 16 godzinach pracy na dobę przez 300 dni w roku, 7% oszczędności w przypadku zużycia energii przez sprężarkę o mocy 110 kW przekłada się na 36 960 kWh!
- Minimalizacja strat ciśnienia – Chociaż w żadnym systemie nie da się uniknąć straty ciśnienia występującej w rurociągu i osprzęcie po stronie odbiornika – różnicy ciśnień między punktem tłoczenia ze sprężarki a punktem poboru – można ją zminimalizować i utrzymywać na możliwie niskim poziomie. Wszystko zaczyna się od projektu rurociągów — umieszczenia stanowisk produkcji i zastosowania sprężonego powietrza blisko siebie oraz właściwego doboru rozmiaru i kształtu rur. Urządzenia po stronie wylotowej powinny być dobrane tak, aby spadek ciśnienia był jak najniższy, a ich konserwacja i okresowe czyszczenie powinny odbywać się zgodnie z zaleceniami dostawcy sprężarki powietrza. Warto przy tym pamiętać, że utrata 1 bara ciśnienia oznacza 7% całkowitego zużycia energii przez sprężarkę.
Przeprowadzony prawidłowo audyt, z właściwym partnerem, pokaże pełny wzorzec zużycia sprężonego powietrza w danym okresie, pomoże w wykryciu nieszczelności, doborze wielkości sprężarek i optymalizacji zużycia energii, a ostatecznie pozwoli wykorzystać dane do podjęcia właściwej decyzji o bieżącej eksploatacji lub przyszłej rozbudowie systemu.
Niezależnie od tego, czy jesteśmy użytkownikami systemów sprężonego powietrza, dostawcami sprężarek, zespołami serwisowymi czy operatorami — wszyscy możemy poprawić efektywność energetyczną i wydajność systemu oraz zmniejszyć koszty, jeśli dążąc do optymalizacji zapotrzebowania i podaży na sprężone powietrze spojrzymy poza wydajność systemu. Dodatkową korzyścią takiego podejścia będzie ochrona zasobów firmy, mniejsze ryzyko przestojów operacyjnych i stabilna, efektywna działalność.
David De Pril, dyrektor ds. zarządzania produktami i marketingu, ELGi Compressors Europe
