Podstawowym czynnikiem efektywnego zarządzania energią jest konieczność opracowania ustrukturalizowanego i zintegrowanego planu energetycznego.
Notowany w ostatnim okresie gwałtowny wzrost cen energii jest obecnie przedmiotem dyskusji w biurach i salach narad niemalże każdego przedsiębiorstwa. Opublikowane w ostatnim czasie wyniki badań przeprowadzonych na Uniwersytecie w Duke (USA) wskazują, że rosnące koszty energii są obecnie jednym z najważniejszych problemów, z którym borykają się przedstawiciele kadry zarządzającej przedsiębiorstw przemysłowych – problemem ważniejszym nawet od wysokości kosztów związanych z utrzymaniem bezpieczeństwa pracowników, czy też rosnącego oprocentowania zaciągniętych kredytów. Jednocześnie te same badania pokazują, że w rzeczywistości bardzo niewiele przedsiębiorstw podejmuje jakiekolwiek działania zmierzające do poprawy wydajności energetycznej wykorzystywanych w firmie maszyn i urządzeń. A przecież, bądź co bądź, lepsze zarządzanie energią może przynieść znaczące efekty.
Według Rady ds. Redukcji Kosztów Energii to właśnie starzejące się budynki, przestarzałe technologie i rosnące ceny energii są podstawowymi czynnikami, które powinny stymulować przedsiębiorstwa do rozpoczęcia inwestycji zmierzających do poprawy jakości systemu zarządzania energią. Tym bardziej biorąc pod uwagę zaniedbania w sferze racjonalizacji poziomu zużycia energii z okresu ostatnich 10–20 lat, obszar związany z problematyką efektywnego wykorzystania energii elektrycznej stanowi olbrzymie pole do poszukiwania oszczędności z jednoczesną gwarancją szybkiego zwrotu poniesionych inwestycji.
Pierwszym krokiem w kierunku poczynienia tych oszczędności jest konieczność opracowania kompleksowego i zintegrowanego planu zarządzania energią w przedsiębiorstwie – planu, który będzie zbiorem procedur pozwalających na lepszą kontrolę wykorzystania energii i w konsekwencji pozwoli na wprowadzenie usprawnień w tym obszarze.
Na początek: kompleksowy audyt energetyczny
Pierwszym i najważniejszym krokiem na drodze opracowania programu zarządzania energią i określenia sposobów redukcji zużycia jest opracowanie aktualnych charakterystyk zużycia energii i analiza wykorzystywanych technologii. Tego typu informacje można uzyskać tylko dzięki przeprowadzeniu kompleksowego audytu energetycznego w przedsiębiorstwie.
W trakcie takiego audytu eksperci w dziedzinie energetyki zwykle dokonują identyfikacji źródeł zużycia energii, klasyfikując je w ścisłej kolejności, począwszy od tych, które w największym stopniu mogą przyczynić się do oszczędności w poziomie zużycia energii, do tych, w przypadku których oszczędności mogą być najmniejsze. Ponadto dodatkowe oszczędności mogą być również uzyskane dzięki opracowaniu „wzorników” zużycia energii na podstawie danych o ilości zużywanej energii przez podobne maszyny i urządzenia wykorzystywane w innych przedsiębiorstwach regionu, określeniu poziomu maksymalnego zapotrzebowania na energię i opracowaniu projektów odpowiednich kontraktów na jej zakup, weryfikacji procedur działań służb utrzymania ruchu, analizie wskaźników poziomu sprawności energetycznej maszyn i urządzeń oraz informacji o występujących problemach z zasilaniem.
Dzięki bieżącej kontroli i analizie poziomu zużycia energii następuje wzrost świadomości kadry zarządzającej na temat ilości energii zużywanej w przedsiębiorstwie i celach, do których jest ona wykorzystywana. Tym samym daje to możliwość określenia rzeczywistych potrzeb i alokacji zasobów w najbardziej wydajny sposób z punktu widzenia wpływu na zdolności produkcyjne zakładu.
Rola monitoringu energetycznego
Posiadanie pełnych danych dotyczących poziomu zużycia energii w poszczególnych obszarach przedsiębiorstwa stanowi kluczowe znaczenie z punktu widzenia potrzeby identyfikacji miejsc, gdzie istnieją największe możliwości redukcji zużycia oraz z punktu widzenia śledzenia rzeczywistych oszczędności powstałych od momentu wdrożenia planu zarządzania energią lub zmian w procesie. Aby pozyskać takie dane, maszyny i urządzenia muszą być podłączone do systemu monitorującego pobór mocy.
Obecnie producenci elementów wyposażenia elektrycznego oferują bardzo szeroki zakres rozwiązań monitorujących pobór mocy z szerokim wachlarzem opcji ściśle dostosowanych do potrzeb klienta. Monitory kontroli obwodu w dokładny sposób mogą dokonać pomiaru i zobrazować ilość energii na wejściu do poszczególnych maszyn i urządzeń, włączając w to również gaz, sprężone powietrze, wodę i parę technologiczną. Użytkownicy na bieżąco mogą śledzić zróżnicowany poziom zużycia energii i wykorzystywać informacje z określonych przedziałów czasowych do opracowania raportów diagnostycznych lub tworzenia komunikatów dla kierowników określonych działów o potencjalnych możliwościach redukcji zużycia energii.
Dzięki możliwości kompleksowego raportowania poziomu zużycia energii ściśle dopasowanych do potrzeb konkretnego klienta, zaawansowane systemy monitoringu poboru mocy pozwalają użytkownikom na pomiar poziomu zużycia energii w odniesieniu do innych parametrów mających wpływ na wartość zużycia, a tym samym dają możliwość uzyskania poprawy wydajności energetycznej w przedsiębiorstwie – co jest bardzo ważne. Odpowiednie służby w zakładzie mogą na bieżąco śledzić ilość kilowatogodzin i odnosić te dane do wartości temperatury na zewnątrz i wewnątrz budynku, pory dnia, ilości produkcji, pory roku, pola powierzchni lub jakiejkolwiek innej zmiennej mierzalnej.
Chociaż przyrządy pomiarowe same w sobie nie powodują redukcji zużycia energii elektrycznej, to nakłady na ich zakup i tak są w pełni uzasadnione. Jak wskazują wyniki badań przeprowadzonych przez Radę ds. Redukcji Kosztów Energii, średni okres zwrotu nakładów na zakup przyrządów pomiarowych i monitorów wynosi mniej niż sześć miesięcy z jednoczesnym zwrotem z inwestycji na poziomie 200%.
Identyfikuj – ustal podstawowe przyczyny
Opierając się na obszernych analizach obejmujących elementy wyposażenia przedsiębiorstw, procesy i infrastrukturę zasilaną energią elektryczną, bardzo często wstępne zalecenia związane z planem zarządzania energią zawierają wskazówki dotyczące wdrożenia usprawnień należących do grupy najbardziej podstawowych zagadnień energetycznych. Zastosowanie urządzeń energooszczędnych, zwiększenie wydajności energetycznej czy zapewnienie niezawodności zasilania – są pierwszymi z proponowanych rozwiązań.
Zastosowanie urządzeń energooszczędnych – w tym przypadku pierwszym krokiem jest zrozumienie, gdzie i w jaki sposób zużywana jest energia w przedsiębiorstwie – kolejnym natomiast – ocena i potencjalne poszukiwanie usprawnień (poprawa jakości) wykorzystywanego wyposażenia pod kątem uzyskania oszczędności w zakresie ilości zużywanej energii. Bardzo często z powodu szybkiego zwrotu poniesionych nakładów jednym z projektów branych pod uwagę w pierwszej kolejności jest poprawa efektywności wykorzystywanego oświetlenia poprzez wymianę klasycznych źródeł oświetlenia na źródła energooszczędne. Według Rady ds. Redukcji Kosztów Energii średni okres zwrotu nakładów na wymianę oświetlenia na oświetlenie energooszczędne wynosi 2,2 roku przy średnim 45-proc. zwrocie z inwestycji – co i tak często jest lepszym wskaźnikiem zwrotu aniżeli w przypadku budowy innych energooszczędnych systemów technologicznych.
I tak na przykład zastąpienie wysokociśnieniowych lamp sodowych fluorescencyjnymi lampami T8 może spowodować zmniejszenie poziomu zużycia energii o połowę. Lampy 400 W mogą z powodzeniem zostać zastąpione lampami o mocy 200 W z jednoczesnym wprowadzeniem usprawnień w zakresie ustawienia źródła oświetlenia. W rzeczywistości wysoko wydajne oświetlenie fluorescencyjne charakteryzuje się niższym poziomem natężenia światła, lepszymi opcjami przyćmienia, rzeczywistym, praktycznie natychmiastowym rozruchem, lepszym oddaniem kolorów i niższym poziomem wskaźników oślepienia aniżeli w przypadku konwencjonalnych urządzeń typu HID.
Oświetlenie nie jest jednakże jedynym z obszarów branych pod uwagę w przypadku zainteresowania problematyką redukcji poziomu zużycia energii. Zastosowanie wysoko wydajnych transformatorów, systemów HVAC, udoskonalanie izolacji budynków należą również do podstawowych sposobów pozwalających na uzyskanie oszczędności w zakresie ilości zużywanej energii.
Zapewnienie niezawodności zasilania – problematyka niezawodności zasilania również pozostaje w obszarze istotnego zainteresowania specjalistów ds. energetyki zakładów przemysłowych. Alternatywne koszty związane z brakiem dostaw energii mogą bowiem sięgać tysięcy, a nawet milionów USD powodowanych przez przestoje w pracy oraz awarie maszyn i urządzeń technologicznych.
Podczas planowania i wrażania jakichkolwiek usprawnień w sferze gospodarki energetycznej przedsiębiorstwa należy mieć pewność, że wprowadzane zmiany przyczyniają się do zwiększenia lub przynajmniej nie powodują zmniejszenia ogólnego poziomu niezawodności zasilania. Należy pamiętać, aby w trakcie projektowania systemu unikać elementów, które co prawda przyczyniają się do poprawy wydajności energetycznej, ale jednocześnie obniżają poziom niezawodności zasilania.
Mówiąc o elementach wyposażenia pozwalających na zwiększenie poziomu niezawodności zasilania, na uwagę zasługują powszechnie znane rozwiązania pozwalające na automatyczny przekaz lub zmianę źródła zasilania urządzenia. Wiele urządzeń technologicznych obecnie wyposażonych jest w dwa zasilacze elektryczne: użytkowy – zasilany z podstawowego źródła energii i dodatkowy – zasilany ze źródła dodatkowego – co pozwala na nieprzerwane zasilane urządzenia nawet w przypadku awarii zasilania podstawowego. Bazujące na tego typu rozwiązaniu i wyposażone w automatyczne systemy zmiany źródła zasilania generatory rezerwowe i zasilacze bezprzerwowe w ostatnich latach charakteryzują się wysokim poziomem rozwoju technologicznego.
Jakość zasilania – oczywiście mówiąc o niezawodności zasilania, na myśli trzeba mieć nie tylko nieprzerwane dostawy energii elektrycznej ze źródła zasilania. Niezawodność zasilania sama w sobie oznacza również konieczność zasilania maszyn i urządzeń technologicznych energią wysokiej jakości – wolną od gwałtownych impulsów, spadków napięcia, spiętrzeń, zniekształceń harmonicznych lub innych nieprawidłowości, które mogą spowodować awarie sprzętu lub przyczyniać się do powstania uszkodzeń przedwczesnych.
Kwestia jakości zasilania jest, obok zastosowania urządzeń energooszczędnych i zwiększenia poziomu niezawodności zasilania, bardzo często brana pod uwagę podczas rozważania możliwości wdrożenia usprawnień energetycznych w przedsiębiorstwie. Przyczyna niskiej jakości zasilania może być składową wielu zróżnicowanych elementów powodowanych przez wiele źródeł związanych zarówno z samym dostawcą energii, istnieniem w pobliżu innych zakładów, które również pobierają znaczne ilości energii, czy też rodzajem maszyn i urządzeń wykorzystywanych w zakładzie. Dla przykładu, napędy używane w systemach HVAC czy silnikach wykorzystywanych w procesie produkcyjnym w naturalny sposób mogą prowadzić do powstawania zniekształceń harmonicznych (prądu o charakterystyce sinusoidalnej), co w konsekwencji może spowodować zniszczenie innych czułych elementów wyposażenia energetycznego.
Zniekształcenia harmoniczne mogą się przyczyniać również do zniekształcenia (pogorszenia) wskaźników zasilania w przedsiębiorstwie. Wskaźniki zasilania uzyskiwane przy znacznym obciążeniu energetycznym płynącym z dużego poboru mocy przez silniki, stanowiska spawalnicze czy piece łukowe, są podstawowym elementem wykorzystywanym przy planowaniu usprawnień. Takie pełne obciążenie indukcyjne prowadzi do redukcji rzeczywistego czynnika poboru mocy, a zarazem pokazuje wysokość potencjalnych kar pieniężnych, które firma zmuszona byłaby płacić dostawcy z powodu przekroczenia zakładanego poziomu poboru mocy. Klasycznymi środkami zapobiegawczymi w odniesieniu do zakłóceń harmonicznych czy słabych wskaźników jest zastosowanie napędów 18-impulsowych lub kondensatorów wskaźników mocy.
Automatyzacja procesów kluczowych
Poszukiwanie nowych sposobów automatyzacji procesów w przedsiębiorstwie jest również jednym z kluczowych obszarów dotyczących analiz energetycznych w przedsiębiorstwie. Aby osiągnąć pożądaną wydajność energetyczną, specjaliści ds. energetyki w zakładzie prowadzą analizy zmierzające do pełnego zrozumienia sposobu działania i sterowania maszyn i urządzeń, zadań, jakie są im stawiane, i oczekiwanych rezultatów. Dzięki pełnemu zrozumieniu głównych procesów związanych z eksploatacją urządzeń, specjaliści mogą pomóc w identyfikacji sposobów poprawy wydajności energetycznej maszyn oraz wydajności pracowników dzięki wdrożeniu lepszej technologii automatyzacji procesów.
Sterowanie oświetleniem – wdrożenie systemów sterowania oświetleniem opartych na harmonogramach należy do jednych z podstawowych zaleceń, które pojawiają się po przeprowadzeniu audytów energetycznych w dużych zakładach wytwórczych. Możliwość zaprogramowania systemów automatycznego sterowania oświetleniem wg określonych harmonogramów czasowych pozwala na automatyczne włączanie i wyłączanie poszczególnych gałęzi energetycznych w określonych godzinach, przyczyniając się tym samym do oszczędności zużycia energii. Wiele takich systemów sterowania oświetleniem wykorzystuje kontrolery, które współpracują z panelem sterowania oświetleniem wykorzystujących zintegrowany Web Server. Dzięki temu sterowanie takie może być w prosty sposób realizowane również przez dowolnego użytkownika Web, który ma komputer z dostępem do Internetu.
Takie systemy mogą być konfigurowane dla potrzeb ostrzegania osób nadzorujących pracę maszyn i urządzeń poprzez wysyłanie określonych alarmów na skrzynkę e-mail, pager lub telefon komórkowy, a także generowania raportów pomocnych przy opracowaniu profili zużycia energii w określonym obszarze przedsiębiorstwa. Takie raporty są również niezbędne, gdy chcemy określić trendy dotyczące ilości zużywanej energii czy poziom uzyskanych oszczędności.
Inne technologie sterowania oświetleniem, takie jak detektory ruchu lub rozmieszczone w określonym obszarze czujniki poziomu naświetlenia, mogą również odgrywać znaczącą rolę w redukcji poziomu zużycia energii w biurach, salach konferencyjnych czy pomieszczeniach socjalnych. Te dodatkowe urządzenia wejściowe są programowane w sposób niezależny od systemu sterowania oświetleniem według harmonogramów, uruchamiając oświetlenie tylko wtedy, gdy jest to rzeczywiście konieczne.
Udoskonalenia w sterowaniu silnikami – silniki stanowią źródła największego zużycia energii w procesie wytwarzania. Znalezienie nowych sposobów zarządzania i redukcji zużycia energii przez silniki może przyczynić się do osiągania znaczących zysków przez producentów.
Zastosowanie napędów o zmiennej częstotliwości i/lub centrów sterowania napędami pomaga w zautomatyzowaniu i lepszym sterowaniu silnikami wykorzystywanymi w procesie produkcyjnym. Bez napędów o zmiennej częstotliwości (z ang. VFD) lub centrów sterowania napędami, operatorzy maszyn, jeśli chodzi o możliwość sterowania silnikami wykorzystywanymi w produkcji, często są ograniczani w swoich działaniach jedynie do wyboru prostych opcji typu włącz/wyłącz.
W udoskonalonych systemach sterowania silnikami napędy o zmiennej częstotliwości mogą być programowane w taki sposób, aby sterowane silniki mogły pracować na pewnym ułamkowym poziomie maksymalnej prędkości, oszczędzając tym samym energię w trakcie realizacji procesu. Co więcej, centra sterowania napędami mogą się komunikować z siecią danych firmy i automatycznie zwiększać lub zmniejszać szybkość silnika w zależności od bieżących warunków produkcyjnych.
Napędy zmiennoczęstotliwościowe są także bardzo istotnym narzędziem przyczyniającym się do redukcji poziomu zużycia energii z punktu widzenia elementów wyposażenia systemu HVAC. W większości urządzeń potrzeba pracy systemu HVAC z maksymalną wydajnością występuje tylko w przybliżeniu w ok. 10 najbardziej gorących lub 10 najbardziej zimnych dniach w roku. W pozostałych 345 dniach roku system HVAC może pracować ze zmniejszoną wydajnością z wykorzystaniem systemu klimatyzacji o zmiennym przepływie z jednoczesnym użyciem VFD dla potrzeb automatycznego regulowania przepływu powietrza w zależności od bieżących wymagań dotyczących ogrzewania lub chłodzenia.
Ciągłe udoskonalenia systemów elektrycznych
Podczas gdy monitoring poboru mocy jest ważnym i pierwszoplanowym zadaniem pozwalającym na utworzenie programów wzorcowych i identyfikację obszarów, w których istnieją potencjalnie największe możliwości wdrożenia usprawnień, jest to również zagadnienie istotne z punktu widzenia utrzymania i ciągłych usprawnień systemu energetycznego przedsiębiorstwa.
We współpracy z odpowiednim oprogramowaniem wspomagającym zarządzanie energią, monitory poboru mocy umożliwiają użytkownikom maszyn i urządzeń określanie kierunków (trendów) zużycia energii oraz zbadanie, w jaki sposób zmiany procesów i wyposażenia mają wpływ na całokształt działań i zidentyfikowanie nowych sposobów, dzięki którym może zostać osiągnięta wyższa efektywność energetyczna realizowanego procesu.
Bieżący monitoring może być również użytecznym narzędziem z punktu widzenia działań naprawczych i konserwacyjnych. Trendy opracowane na bazie posiadanych danych mogą posłużyć do przewidywania i zawiadamiania użytkowników o tym, kiedy parametry dyskretne wyposażenia mogą zostać przekroczone, co tym samym pozwala na planowanie prewencyjne, zamiast zapobiegania nieplanowanym przestojom.
Obecnie zaawansowane technologicznie elementy wyposażenia dystrybucji energii, takie jak aparatura rozdzielcza, tablice rozdzielcze, dostosowane do konkretnych potrzeb przedsiębiorstwa wyłączniki automatyczne mają uaktywnione IP pozwalające na podłączenie do sieci Ethernet, umożliwiając tym samym operatorom maszyn i urządzeń dostęp do informacji na temat określonych elementów (pozycji) wyposażenia i całościowego zużycia energii w dowolnym przedziale czasu i dowolnym obszarze przedsiębiorstwa.
Wielokrotnie zintegrowane technologie energetyczne
Kroki niezbędne do przeprowadzenia kompletnych analiz energetycznych będą się zmieniać w szerokim zakresie w zależności od wieku posiadanych maszyn i urządzeń, realizowanych procesów i branży, w której działa przedsiębiorstwo. Jednakże jednym elementem wśród wszystkich dużych odbiorców – użytkowników energii, który powinien być stały, jest to, że efektywny plan zarządzania energią powinien opierać się na podejściu wielopłaszczyznowym, które przekłada się na wykorzystanie wielorakich technologii energooszczędnych.
Udoskonaleniami, które przynoszą największe efekty, są te, które adaptują kompleksowe podejście, przekładające się na zastosowanie kombinacji zintegrowanych technologii z dziedziny budownictwa, dotyczących problematyki oświetlenia, systemu HVAC, napędów i silników, sterowników i systemów z obszaru automatyzacji. Przedsiębiorstwa, które adaptują to podejście, odnoszą widoczny, zbiorczy efekt w obszarze wydajności energetycznej oraz osiągają lepszy zwrot z inwestycji w porównaniu z firmami, które dokonują pojedynczych usprawnień związanych z izolacją budynków.
Podsumowując, należy stwierdzić, że usprawnienia oparte na dobrze zaplanowanym, zintegrowanym podejściu do kontroli, zarządzania i optymalizacji poziomu mocy w największym stopniu powodują przełożenie kosztownych nakładów inwestycyjnych na konkurencyjne korzyści z dużą stopą zwrotu.
Cassandra Quaintance
Cassandra Quaintance jest menedżerem ds. rynku energetyki w północnoamerykańskim oddziale Schneider Electric. Jest odpowiedzialna za opracowanie strategii marketingowej w obszarze wydajności energetycznej na rynkach obsługiwanych przez Schneider Electric w Stanach Zjednoczonych.
Artykuł pod redakcją Arkadiusza Gola
