Efektywność energetyczna w przemyśle

Nadal jednak efektywność energetyczna polskiej gospodarki jest około 3 razy niższa niż w najbardziej rozwiniętych krajach europejskich i około 2 razy niższa niż średnia w krajach Unii Europejskiej. Dodatkowo, zużycie energii pierwotnej w Polsce, odniesione do liczebności populacji, jest niemal 40% niższe niż w krajach „starej 15”. Powyższe świadczy o ogromnym potencjale w zakresie oszczędzania energii w Polsce, charakterystycznym dla gospodarki intensywnie rozwijającej się [1, 5].

Ustawa o efektywności energetycznej

Ustawa o efektywności energetycznej z dnia 15 kwietnia 2011 r. (DzU nr 94, poz. 551, z późn. zm.), określa cel w zakresie oszczędności energii, z uwzględnieniem wiodącej roli sektora publicznego, ustanawia mechanizmy wspierające oraz system monitorowania i gromadzenia niezbędnych danych. Ustawa zapewnia także pełne wdrożenie dyrektyw europejskich w zakresie efektywności energetycznej, w tym zwłaszcza zapisów Dyrektywy 2006/32/WE w sprawie efektywności końcowego wykorzystania energii i usług energetycznych. Przepisy ustawy weszły w życie z dniem 11 sierpnia 2011 r. [5].

Przez efektywność energetyczną rozumie się stosunek uzyskanej wielkości efektu użytkowego danego obiektu, urządzenia technicznego lub instalacji, w typowych warunkach ich użytkowania lub eksploatacji, do ilości zużycia energii przez ten obiekt, urządzenie techniczne lub instalację, niezbędnej do uzyskania tego efektu. (art. 3 pkt 1 ustawy o efektywności energetycznej) [5].

Wykonując zapis art. 14 ust. 2 dyrektywy 2006/32/WE Ministerstwo Gospodarki opracowało w 2007 roku pierwszy Krajowy Plan Działań dotyczący efektywności energetycznej. Dokument określił cel indykatywny osiągnięcia do 2016 roku oszczędności energii końcowej w ilości nie mniejszej niż 9% w relacji do średniego zużycia tej energii w latach 2001–2005.

Drugi Krajowy Plan Działań dotyczący efektywności energetycznej został przygotowany w związku z obowiązkiem przekazywania Komisji Europejskiej sprawozdań na podstawie dyrektywy w sprawie efektywności końcowego wykorzystania energii i usług energetycznych 2006/32/WE (DzUrz. L 114 z 27.04.2006, s. 64) oraz dyrektywy w sprawie charakterystyki energetycznej budynków 2010/31/WE (DzUrz. L 153 z 18.06.2010, s. 13). Dokument opracowano także na podstawie art. 6 ust. 1 ustawy z dnia 15 kwietnia 2011 r. o efektywności energetycznej (DzU nr 94, poz. 551), wdrażającej przepisy dyrektywy 2006/32/WE. Drugi Krajowy Plan Działań zawiera opis środków poprawy efektywności energetycznej ukierunkowanych na końcowe wykorzystanie energii oraz obliczenia dotyczące oszczędności energii uzyskanych w okresie 2008–2009 i oczekiwanych w 2016 roku zgodnie z wymaganiami dyrektyw. Opracowując drugi Krajowy Plan Działań przyjęto następujące założenia [2]:

• proponowane działania będą w maksymalnym stopniu oparte na mechanizmach rynkowych i w minimalnym stopniu wykorzystywać finansowanie budżetowe,
• realizacja celów będzie osiągnięta wg zasady najmniejszych kosztów, tj. m.in. poprzez wykorzystanie w maksymalnym stopniu istniejących mechanizmów i infrastruktury organizacyjnej,
• założono udział wszystkich podmiotów w celu wykorzystania całego krajowego potencjału efektywności energetycznej.

Sposoby zwiększania efektywności energetycznej

Zgodnie z art. 5 ustawy z dnia 15 kwietnia 2011 r. o efektywności energetycznej, osoby fizyczne, osoby prawne oraz jednostki organizacyjne nieposiadające osobowości prawnej, zużywające energię, podejmują działania w celu poprawy efektywności energetycznej. Celem białych certyfikatów jest zmotywowanie obywateli i przedsiębiorstw do działań przyśpieszających poprawę efektywności energetycznej polskiej gospodarki oraz redukcję zużycia energii końcowej. Istotne jest założenie wykorzystania potencjalnych oszczędności energii w sposób efektywny ekonomicznie, czyli przynoszący oszczędności finansowe po uwzględnieniu niezbędnych nakładów inwestycyjnych [2, 3].

System białych certyfikatów działa w trzech obszarach, zwanych kategoriami przedsięwzięć, służących poprawie efektywności energetycznej:

1. zwiększenia oszczędności energii przez odbiorców końcowych,
2. zwiększenia oszczędności energii przez urządzenia potrzeb własnych,
3. zmniejszenia strat energii elektrycznej, ciepła lub gazu ziemnego w przesyle lub dystrybucji.

Pierwsza kategoria odbiorców końcowych obejmuje wszystkie sektory końcowego zużycia energii. Druga kategoria dotyczy wyłącznie tzw. urządzeń potrzeb własnych, definiowanych, jako zespół pomocniczych obiektów lub instalacji w rozumieniu art. 3 pkt 10 ustawy z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne, służących procesowi wytwarzania energii elektrycznej lub ciepła (np. silnik transportera taśmowego, podającego węgiel do młyna w elektrowni). Natomiast kategoria zmniejszenia strat energii elektrycznej, ciepła lub gazu ziemnego w przesyle, lub dystrybucji dotyczy modernizacji sieci transportujących nośniki energii wraz z odpowiednimi obiektami towarzyszącymi tym procesom [2].

Przedsięwzięcia zwiększające efektywność energetyczną

Do przedsięwzięć służących poprawie efektywności energetycznej należą [2]:

1. Przedsięwzięcia służące poprawie efektywności energetycznej w zakresie modernizacji, w tym automatyzacji lub wymiany:

1) urządzeń przeznaczonych do użytku domowego (np. pralki, suszarki, zmywarki do naczyń, chłodziarki, piekarnika),

2) oświetlenia wewnętrznego (np. oświetlenie pomieszczeń: w budynkach użyteczności publicznej, mieszkalnych, biurowych, a także budynków i hal przemysłowych lub handlowych) lub oświetlenia zewnętrznego (np. oświetlenie tuneli, placów, ulic, dróg, parków, oświetlenie dekoracyjne, oświetlenie stacji benzynowych oraz sygnalizacji świetlnej), w tym:

1. 1. wymiana źródeł światła na energooszczędne,
   2. wymiana opraw oświetleniowych wraz z osprzętem na energooszczędne,
   3. wdrażanie systemów oświetlenia o regulowanych parametrach (natężenie, wydajność, sterowanie) w zależności od potrzeb użytkowych,
   4. stosowanie energooszczędnych systemów zasilania,

3) urządzeń potrzeb własnych, w tym:

1. 1. wentylatorów powietrza i spalin,
   2. układów pompowych i pomp – stosowanie pomp o płynnej regulacji obrotów,
   3. układów odżużlania,
   4. układów nawęglania – młyny węglowe,
   5. układów sterowania – układy automatyki kotła, układy pomiarowe, zabezpieczające i sygnalizacyjne,
   6. sprężarek i układów sprężarkowych,
   7. silników elektrycznych – instalacja falowników przy napędach o zmiennym zapotrzebowaniu mocy,
   8. urządzeń w systemach uzdatniania wody,
   9. oświetlenia terenu, hal, warsztatów i innych pomieszczeń produkcyjnych,
   10. wyposażenia warsztatów (np. spawarki, piece, tokarki, frezarki).

2. Przedsięwzięcia służące poprawie efektywności energetycznej w zakresie urządzeń i instalacji wykorzystywanych w procesach przemysłowych:

1) modernizacja lub wymiana urządzeń energetycznych i technologicznych wraz z instalacjami: sprężarki, silniki elektryczne, pompy, wentylatory oraz ich napędy i układy sterowania lub zastosowanie falowników przy napędach o zmiennym zapotrzebowaniu mocy,

2) modernizacja lub wymiana rurociągów, zbiorników, kanałów spalin, kominów, urządzeń służących do uzdatniania wody,

3) stosowanie systemów pomiarowych i monitorujących media energetyczne,

4) optymalizacja ciągów transportujących media (ciepło, woda, gaz ziemny, sprężone powietrze, powietrze wentylacyjne) oraz ciągów linii produkcyjnych.

3. Przedsięwzięcia służące poprawie efektywności energetycznej w zakresie odzysku energii w procesach przemysłowych, w tym instalacja lub modernizacja:

1) układów odzysku ciepła z urządzeń i procesów przemysłowych oraz wykorzystanie go do celów użytkowych lub w procesie technologicznym,

2) systemu „freecoolingu” – procesu wykorzystania chłodu zawartego w powietrzu o niskiej temperaturze na zewnątrz budynku do schłodzenia powietrza wewnątrz budynku lub centrum przetwarzania danych,

3) turbin i układów wytwarzania energii, wykorzystujących energię rozprężania lub redukcji ciśnienia gazów, pary lub wody,

4) układów przetwarzania ciepła odzyskiwanego z procesów przemysłowych na energię elektryczną,

5) układów przetwarzania gazów odpadowych z procesów przemysłowych (np. gazu koksowniczego, wielkopiecowego, konwertorowego) i spalin na energię elektryczną i cieplną lub na paliwa energetyczne.

4. Przedsięwzięcia służące poprawie efektywności energetycznej w zakresie ograniczeń strat:

1) związanych z poborem energii biernej przez różnego rodzaju odbiorniki energii elektrycznej, w tym poprzez zastosowanie lokalnych i centralnych układów do kompensacji mocy biernej (baterie kondensatorów, dławiki oraz maszynowe i elektroniczne układy kompensacyjne),

2) sieciowych związanych z przesyłaniem lub dystrybucją energii elektrycznej,

3) na transformacji w transformatorach poprzez:

1. 1. zastosowanie układów kompensacyjnych w stanach niskiego obciążenia i pracy jałowej,
   2. wymianę transformatorów na jednostki charakteryzujące się wyższą efektywnością energetyczną (sprawnością) lub dostosowane do zapotrzebowania mocy.

4) w sieciach ciepłowniczych, dokonując:

1. 1. modernizacji i przebudowy sieci ciepłowniczej,
   2. poprawy izolacji cieplnej rurociągów wraz z ich wyposażeniem w armaturę,
   3. zmiany parametrów pracy sieci ciepłowniczej lub sposobu regulacji tej sieci,
   4. wprowadzenia lub rozbudowy systemu monitoringu i sterowania pracą systemu ciepłowniczego.

Monitorowanie i kontrola

Wprowadzenie systemu zarządzania energią w zakładzie przemysłowym poprzedzone jest szczegółową analizą identyfikującą problemy wraz ze znalezieniem sposobów ich rozwiązania. Ogólny przegląd czynności towarzyszących identyfikacji i wdrożeniu projektu poprawy efektywności energetycznej przedstawia schemat na rysunku 1.

Pierwszym krokiem w celu zwiększenia efektywności energetycznej i zmniejszenia kosztów zużycia energii jest identyfikacja projektu. Obejmuje ona diagnozę zużycia energii w danym układzie/instalacji. Na tym etapie należy zebrać podstawowe informacje techniczne i technologiczne o układzie/instalacji oraz pogrupować je według rodzaju usług energetycznych (pompowanie, sprężanie, wentylacja, klimatyzacja, transport, inne procesy produkcyjne). Należy dokonać oceny obsługi, konserwacji, napraw i sposobu zarządzania kosztami, w tym kosztów energii [1].

W drugim kroku należy skupić się na tych układach lub instalacjach, o których wiemy, że istnieją duże możliwości zmniejszenia zużycia energii albo gdzie zużycie i koszty energii są największe. W tych miejscach dokonywana jest dokładna analiza danych o zużyciu energii (np. elektrycznej) z ostatnich lat, a następnie dokonuje się wstępnej oceny możliwości zmniejszenia kosztów energii przez jej racjonalne zużycie lub konieczne modernizacje.

Trzeci krok ma na celu wykorzystanie zebranych wcześniej informacji, udokumentowanie oceny i przedstawienie krótkiego raportu odpowiadającego na pytanie – czy istnieje interesujący, ekonomiczny potencjał w analizowanym obiekcie, który może przynieść zmniejszenie zużycia i kosztów energii w sposób opłacalny?

Celem czwartego kroku jest wykonanie audytu energetycznego w zakresie szczegółowej diagnozy istniejącego stanu użytkowania energii, oceny i rekomendacji wyboru przedsięwzięć do wdrożenia w praktyce. Na tym etapie dokonuje się selekcji i oceny przedsięwzięć, które mogą być wykonane w sposób beznakładowy, niskonakładowy oraz inwestycyjny. Przeprowadza się również ocenę możliwości finansowania projektu ze środków własnych inwestora oraz zewnętrznych, włącznie ze środkami pomocowymi [1].

Pomiary zużycia energii w audytach energetycznych

Audyt energetyczny ma na celu określenie bieżącego zużycia energii elektrycznej lub cieplnej oraz identyfikację w zakładzie głównych jej odbiorów. Instalacja urządzeń pomiarowych umożliwia efektywne zarządzanie energią w obiekcie przez określenie energochłonności poszczególnych odbiorów oraz ich udziału w bilansie energetycznym [4].

Ze względu na zakres, audyt może być uproszczony lub szczegółowy. Audyt uproszczony często bywa nazywany wstępnym (preaudytem) z uwagi na fakt, że poprzedza audyt szczegółowy. Audyt uproszczony może być podstawą do przeprowadzenia audytu szczegółowego. Jeżeli celem przedsiębiorstwa jest ogólna ocena sposobu wykorzystania nośników energii, ta forma audytu jest wystarczająca. W takim przypadku należy traktować ją podobnie jak okresowe badanie lekarskie. Za racjonalny interwał czasowy uważa się na ogół okres 3 lat [4, 6]. Audyt uproszczony określa dodatkowo, w jaki sposób będą szacowane koszty racjonalizacji oraz jakie urządzenia, obiekty, procesy należy poddać audytowi szczegółowemu.

Natomiast audyt szczegółowy różni się, jak nazwa wskazuje, szczegółowością analizy oraz wykorzystywanymi dla jej przeprowadzenia narzędziami. Często dotyczy przy tym przedsięwzięć związanych ze znacznymi nakładami inwestycyjnymi. Ten typ badania jest znacznie droższy niż audyt uproszczony i decyzja o jego przeprowadzeniu musi mieć silne podstawy. Podstawą taką mogą być wnioski z audytu uproszczonego. Wynikiem audytu szczegółowego jest z reguły wariantowa analiza usprawnień zawierająca rozbudowaną ocenę ekonomiczną badanego przedsięwzięcia [4, 6].

Efektywność energetyczna transformatorów rozdzielczych SN/nn

Współczesna produkcja transformatorów stosowanych w elektroenergetycznych sieciach rozdzielczych realizowana jest z wykorzystaniem blach niskostratnych oraz taśm amorficznych. Z uwagi na to, że w sieciach rozdzielczych jest zainstalowana znaczna liczba transformatorów, zachodzi konieczność zmniejszenia występujących w nich strat. Znaczne zmniejszenie strat uzyskuje się przez zastosowanie taśm i blach amorficznych do budowy rdzeni. Obwód magnetyczny transformatora rozdzielczego składa się najczęściej z trzech kolumn połączonych jarzmami. Buduje się także rdzenie pięciokolumnowe charakteryzujące się symetrycznym rozpływem strumienia magnetycznego. Z tego względu transformator z rdzeniem pięciokolumnowym ma ograniczone wymiary zewnętrzne w stosunku do jednostki trójkolumnowej o takiej samej mocy znamionowej [7]. Kolumny zewnętrzne pełnią funkcję jarzm zamykających strumień magnetyczny i pozostają bez uzwojeń. Schodkowy przekrój kolumny rdzenia jest zbliżony do przekroju kołowego (fot. 1.). Konstrukcja rdzenia jest istotnym czynnikiem wpływającym na sprawność transformatora. Geometryczne rozmieszczenie elementów rdzenia i dobrane materiały decydują o stratach jałowych i poziomie hałasu. Do konstrukcji rdzenia jest stosowana blacha krzemowa zimnowalcowana o dużej przenikalności magnetycznej. Jest ona cięta poprzecznie z blachy i składana w pakiety kolumn i jarzm. Wykonywanie tych czynności odbywa się na stanowiskach automatycznych, co zapewnia wysoką dokładność wymiarów oraz dużą wartość współczynnika wypełnienia i niskie straty.

W celu ograniczenia strat stosuje się transformatory energooszczędne, które tak jak inne elementy sieci należą do kategorii niezwykle „żywotnych” składników majątku trwałego przedsiębiorstwa – średnio minimum 25 lat. W związku z tym inwestycja w majątek spółki dystrybucyjnej powinna uwzględniać także kryteria odległej perspektywy czasowej. Według takich kryteriów, wynikające z projektu „Supertrafo” stopy zwrotu w granicach 9,7–16,7% i okresy zwrotu z inwestycji pomiędzy 6 a 10 lat uzasadniają wystarczająco ponoszenie wydatków na obniżanie strat w transformatorach rozdzielczych, których średni okres eksploatacyjny wynosi ponad 20 lat [7]. Straty mocy w rdzeniu transformatora z taśmy amorficznej mogą być nawet czterokrotnie mniejsze w porównaniu do strat w rdzeniu z materiału konwencjonalnego. Wydaje się, że to bardzo niewielkie ograniczenie strat mocy, rzędu dziesiątek lub setek watów (w zależności od mocy transformatora), nie ma znaczenia ekonomicznego. Jeżeli jednak przeprowadzi się rachunek dla całego systemu energetycznego w dłuższym okresie, to oszczędności wynikające z tytułu zamiany rdzenia są znaczące [7]. Koszt zakupu transformatorów amorficznych jest zwykle wyższy od transformatorów z rdzeniem ze stali krzemowej, ale równoważą to niższe koszty eksploatacji.

Energooszczędność w budowie rozdzielnic i instalacji

Ustawy i rozporządzenia często stwierdzają, że instalacje powinny być wykonane zgodnie z wiedzą techniczną, w tym powołują normy przedmiotowe, które są właśnie nią. Rzeczywistość jednak pokazuje często powtarzające się błędy i uchybienia, które powinny być eliminowane przy odbiorze przez uprawnioną osobę. Niestety błędy mające wpływ na jakość energii elektrycznej powodują też obniżenie efektywności energetycznej i przyczyniają się po powstawania dodatkowych strat.

Bardzo często można zobaczyć aparaty elektryczne umieszczone w zbyt małych obudowach gdzie przepływ powietrza zapewniającego odpowiednią temperaturę podczas pracy jest utrudniony, a ewentualne prace serwisowe są praktycznie niemożliwe. Dodatkowo w takich obudowach panuje podwyższona temperatura, która może powodować przypadkowe zadziałania zabezpieczeń termicznych. Można również spotkać przewody o zbyt małych przekrojach użyte do łączenia obwodów. W tym miejscu należy podkreślić, że tabele doboru przekrojów przewodów do ciągłego obciążenia prądowego są szeroko dostępne. Następstwem oszczędności i zastosowania zbyt małego przekroju może być zbytnie nagrzewanie się przewodów powodujące degradację ich izolacji lub nawet ich upalenie. Należy też wspomnieć o możliwości wystąpienia wewnętrznego zwarcia łukowego, szczególnie niebezpiecznego w przypadku urządzeń SN, które może spowodować wyrwanie drzwi lub rozerwanie obudowy.

Wzrost wartości prądów i napięć znamionowych oraz prądów zwarciowych w rozdzielnicach i układach zasilających urządzenia elektryczne stawia coraz większe wymagania torom prądowym i układom zestykowym. Każdy aparat pracujący w systemie elektroenergetycznym ma tor prądowy oraz układ zestykowy. Przepływ prądu ciągłego powoduje nagrzewanie się toru prądowego i zestyków do temperatury, która nie powinna przekraczać wartości dopuszczalnej. Dopuszczalna temperatura powinna być co najmniej równa dopuszczalnej temperaturze samego toru prądowego, a o obciążalności długotrwałej najczęściej decyduje układ zestykowy. W warunkach zwarciowych tory prądowe oraz zestyki podlegają dodatkowemu nagrzewaniu oraz narażeniom elektrodynamicznym [9].

Każde połączenie dwóch przewodników charakteryzuje się rezystancją zestykową. W rozdzielnicach o prądach znamionowych powyżej kilkuset amperów projektanci coraz częściej nie tylko dobierają przekroje szyn i połączeń do płynących prądów, ale również zwracają uwagę na maksymalne zmniejszenie rezystancji zestykowych przez przewymiarowanie przekrojów i dobór aparatów dostosowanych do łączenia większych prądów. Rezystancja zestykowa nie ma stałej wartości w czasie ze względu na utlenianie się powierzchni styków, a przyrost jej jest tym większy, im wyższa jest temperatura pracy zestyków. Wraz ze wzrostem temperatury zestyku i grubości warstwy nalotowej wzrasta natężenie pola elektrycznego w warstwie nalotowej, co prowadzi do jej przebicia. Przy dostatecznie dużej grubości warstwy nalotowej przebicie może nie nastąpić, a temperatura zestyku może wzrosnąć i przekroczyć dopuszczalne granice powodując upalenie się połączenia [9].

Podsumowanie

Artykuł jest tylko wprowadzeniem do zagadnień związanych z poprawą efektywności energetycznej w zakładzie przemysłowym. Jego celem było zasygnalizowanie głównych kwestii, które powinny być poruszone przy analizie efektywności energetycznej. Najważniejszym jest jednak, aby w zakładzie przemysłowym zaczęto analizować koszty zużycia energii oraz jej racjonalnego zużycia, co przyczyni się do powstania systemu zarządzania energią.

Literatura

1. Sz. Peryt, A. Jurgaś, W. Roman, K. Dziedzina, Efektywność wykorzystania energii w latach 2001-2011, GUS, Warszawa 2013.
2. Efektywne wykorzystanie energii w firmie – poradnik, red. M. Pyka, J. Kulawik, Polska Agencja Rozwoju Przedsiębiorczości, Warszawa 2009.
3. T. Skoczkowski, Wprowadzenie do efektywności energetycznej, KAPE, Konferencja Inteligentna energia. Efektywne zarządzanie energią w małej i średniej firmie, Warszawa 17 luty 2009.
4. M. Pawełoszek, Audyt energetyczny w zakładzie przemysłowym, PJCEE, Konferencja Inteligentna energia. Efektywne zarządzanie energią w małej i średniej firmie, Warszawa 17 luty 2009.
5. www.mg.gov.pl/Bezpieczenstwo+gospodarcze/Energetyka/Efektywnosc+energetyczna
6. http://www.dkr-sc.pl/audytyenergetyczne.html
7. K. Kuczyński, Transformatory rozdzielcze a ekologia – zagadnienia  wybrane, „elektro.info” nr 10/2012.
8. K. Kuczyński, Wymagania a rzeczywiste konfiguracje rozdzielnic nn, elektro.info nr 1-2/2012.
9. K. Kuczyński, Rozdzielnice nn i ich wyposażenie – wprowadzenie do układów zestykowych, elektro.info nr 1-2/2013.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!