Raport: Zarządzanie energią w przemyśle

Szacuje się, że zużycie energii przez obiekty przemysłowe stanowi 33% ogólnego zużycia energii na świecie. Przemysł wyprzedza pod tym względem transport, budynki użytkowe czy mieszkalne. Z pewnością sytuacja wyglądałaby inaczej, gdyby w zakładach przemysłowych zostały wdrożone odpowiednie rozwiązania ułatwiające zarządzanie energią wykorzystywaną w procesieprodukcyjnym.
Zużycie energii w przemyśle jest w dużej mierze uzależnione od obszaru działalności danego przedsiębiorstwa. Huty szkła oraz inne zakłady wykorzystujące proces ogrzewania z pewnością można zaliczyć do miejsc charakteryzujących się wysokim poborem energii. Jednak niezależnie od profilu firmy, podejmując odpowiednie kroki, można dokonać znaczących zmian.
Z jednej strony właściciele zakładów przemysłowych mają świadomość wpływu zużycia energii na koszty prowadzenia działalności, natomiast z drugiej – często nie wiedzą, od czego mają zacząć, jakie w pierwszej kolejności podjąć kroki, by poprawić efektywność energetyczną przedsiębiorstwa.
WAŻNE – Nie tylko energia elektryczna!
– Mówiąc o energii, często jako pierwsza przychodzi nam na myśl energia elektryczna. Jednak nośnikami energii są także: woda, sprężone powietrze, para wodna, gaz ziemny, olej opałowy i inne media wykorzystywane w przemyśle. One również mają duży udział w kosztach produkcji, a często są pomijane – zauważa Andrzej Brodowicz, menedżer produktu z firmy Endress+Hauser Polska.
Osoby biorące udział w ankiecie redakcyjnej poprosiliśmy o wyszczególnienie nośników energii występujących w ich zakładach. Na pierwszym miejscu znalazła się energia elektryczna (100%), a tuż po niej: sprężone powietrze (81%), woda (80%), gaz ziemny (61%), para wodna (30%) oraz olej opałowy (24%).
Naszych respondentów zapytaliśmy również o to, z jakich nośników energii korzystają zainstalowane urządzenia do pomiaru zużycia. Wszystkie osoby biorące udział w sondażu zgodnie odpowiedziały, że jest to przede wszystkim energia elektryczna. W dalszej kolejności pojawiły się: woda, gaz ziemny, sprężone powietrze, olej opałowy, para wodna oraz kondensat (rys. 1). Wśród odpowiedzi „inne” znalazły się m.in.: podciśnienie, azot, amoniak, metan, biogaz i farma solarna.

W opinii większości ankietowanych nośnikiem generującym w zakładach największe koszty jest energia elektryczna (77%). Jako kolejne zostały wymienione: gaz ziemny (9%), sprężone powietrze (6%), para wodna (5%) oraz olej opałowy (3%).
Audyt efektywności energetycznej to podstawa
Wstępną czynnością istotną dla poprawy efektywności energetycznej zakładu powinno być przeprowadzenie audytu energetycznego identyfikującego obszary, w których można poczynić oszczędności. Według ustawy o efektywności energetycznej audyt efektywności energetycznej to opracowanie zawierające analizę zużycia energii i stanu obiektu, urządzeń technicznych lub instalacji oraz wykaz przedsięwzięć służących poprawie efektywności energetycznej tych obiektów, urządzeń lub instalacji, a także informacje o ich opłacalności ekonomicznej i możliwej do uzyskania oszczędności energii.
Jak pokazuje rys. 2, w ciągu ostatnich trzech lat audyt efektywności energetycznej został przeprowadzony w zakładach 33% respondentów. Pozostali ankietowani odpowiedzieli, że w tym okresie nie było w ich firmie audytu i w najbliższym czasie nie mają go w planach (36%) lub też chcą zmienić tę sytuację i niebawem go przeprowadzić (31%).

Oczywiście sam audyt jest bardzo cennym źródłem informacji o stanie bieżącej gospodarki energetycznej w poszczególnych sektorach zakładu, jednak kluczową kwestią jest zastosowanie w praktyce zaleceń zawartych w audycie. Oprócz doraźnego wprowadzenia koniecznych usprawnień (np. instalacja energooszczędnych urządzeń), ważne jest ustalenie długoterminowej strategii, przekładającej się na widoczne efekty w obszarze zużycia energii.
Plan działania
Oprócz przeprowadzenia audytu energetycznego należy ustalić plan działania uwzględniający takie czynności, jak:

  • pomiar zużycia energii (nie można zmieniać czegoś, czego się nie zna i nie zmierzyło);
  • wprowadzenie automatyki i sterowania, aby zużywać wyłącznie niezbędną ilość energii i tylko wtedy, kiedy jest potrzebna;
  • monitorowanie i kontrola, dzięki którym można na bieżąco modernizować procesy w celu utrzymania stałej wydajności.

System zarządzania energią
Marek Falkowski, menedżer produktu z firmy Elmark Automatyka, twierdzi, że obecnie w związku z dużą konkurencją w gospodarce światowej, rosnącymi cenami energii oraz regulacjami związanymi z ochroną środowiska, umiejętność szybkiej analizy i ścisłej kontroli kosztów staje się coraz bardziej krytyczna. – Obserwujemy bardzo duże zainteresowanie zakładów przemysłowych systemem zarządzania energią (EMS), służącym do monitorowania zużycia mediów oraz sporządzania analiz i raportów – mówi Marek Falkowski.
Wdrożenie w zakładzie kompleksowego systemu zarządzania energią EEM (ang. Enterprise Energy Management) może znacząco wpłynąć na uzyskanie oszczędności energii, a tym samym na zmniejszenie kosztów prowadzenia przedsiębiorstwa. Zadaniem systemu jest zbieranie wszystkich ważnych informacji o gospodarce takimi mediami, jak woda, elektryczność, sprężone powietrze, gaz ziemny i para. Najpierw następuje gromadzenie i analizowanie danych, które w dalszej kolejności przedstawiane są jako raporty biznesowe. Pomagają one w rozwiązywaniu bieżących problemów dotyczących gospodarki energetycznej zakładu, a także przyczyniają się w znacznym stopniu do wprowadzenia usprawnień w obszarze zarządzania energią. Dzięki systemowi EEM można m.in. ustalić obszary ponadnormatywnego zużycia energii oraz zoptymalizować taryfę energetyczną w fabryce.
Czy system zarządzania energią występuje w zakładach naszych respondentów? Odpowiedzi twierdzącej na to pytanie udzieliło 32% ankietowanych, dodając, że system przyczynił się do redukcji zużycia energii oraz podniesienia efektywności jej wykorzystania. Z odpowiedzi pozostałych osób wynika, że w zakładzie nie ma takiego systemu, ale planowane jest jego wdrożenie (42%) lub nie ma i nic nie wskazuje na to, że sytuacja ta ulegnie zmianie (21%). Jedynie 5% grupy deklarującej obecność w zakładzie systemu zarządzania uważa, że jego wdrożenie nie przyniosło oczekiwanych korzyści (rys. 3).

Należy również nadmienić, że w zakładach respondentów odpowiedzialna za zarządzanie energią jest jedna z wymienionych osób: dyrektor techniczny (31%), główny elektryk (30%), kierownik utrzymania ruchu (28%) lub prezes (11%).
W oparciu o normę ISO
Ciekawe rozwiązania odzwierciedlające najlepsze praktyki z zakresu zarządzania energią prezentuje międzynarodowa norma ISO 50001, zatwierdzona i opublikowana w 2011 r. Wymagania w niej zawarte to solidny fundament, na którym można zbudować zarządzaną w sposób właściwy firmę, optymalnie wykorzystującą zasoby energetyczne.
Wdrożenie normy ISO 50001 wiąże się z obowiązkiem wprowadzenia w zakładzie takich rozwiązań, jak:

  • ustanowienie krytycznych procesów, dla których konieczne jest sformułowanie celów, zadań i planów działania w zakresie zarządzania energią;
  • wyznaczenie punktów kontroli oraz niezbędnych mierników oceny efektywności energetycznej;
  • ustalenie zasad bieżącego monitorowania podejmowanych wysiłków w zakresie zwiększania efektywności energetycznej;
  • wprowadzenie raportowania dotyczącego osiąganych efektów oraz ustalenie odpowiedzialności w zakresie podejmowania działań doskonalących, zmierzających do osiągania jeszcze lepszych efektów.

Jednak, jak wynika z przeprowadzonego przez redakcję sondażu, wdrożenie systemu zarządzania energią według standardu ISO 50001 nie jest powszechną praktyką (tylko 7% wskazań).
Warto dodać, że system ten może być wdrożony i certyfikowany oddzielnie lub w połączeniu z innymi systemami, np. zarządzania środowiskiem (ISO 14001), którego wdrożenie w swoim zakładzie zadeklarowało 20% respondentów. W przedsiębiorstwach pozostałej części ankietowanych (73%) nie jest wdrożony żaden system zarządzania energią oparty na standardzie ISO.
Od pomiaru do monitoringu
W zakładach przemysłowych istnieje wiele niewykrytych obszarów potencjalnego marnotrawstwa energii. W celu identyfikacji tych obszarów niezbędne jest przeprowadzenie dokładnego pomiaru, a także monitoringu parametrów mediów energetycznych.
Zdaniem Andrzeja Brodowicza z firmy Endress+Hauser Polska pierwszym krokiem do skutecznego zarządzania energią jest poznanie, w jaki sposób jest zużywana. Niezbędny do tego jest system pomiarowo-analityczny. Spełnia on dwa zadania. Po pierwsze umożliwia akwizycję danych pomiarowych w sposób automatyczny. Po drugie pozwala na zastosowanie wielu technik analitycznych, które umożliwiają znalezienie słabych miejsc na instalacji. Dzięki temu można przygotować projekty mające na celu poprawę efektywności, a po ich wdrożeniu monitorować efekty.
W wielu zakładach dane pomiarowe nadal są zbierane ręcznie (54% wskazań respondentów) przez osobę wykonującą obchód i zapisującą stany liczników na kartce. Taka metoda jest czasochłonna i podatna na błędy. Przygotowanie raportu na podstawie takich danych wymaga dużego nakładu pracy, a wyniki analiz często można nazwać jedynie szacunkowymi.
Coraz więcej zakładów przemysłowych w Polsce decyduje się na wdrożenie zautomatyzowanego systemu (37% wskazań respondentów) akwizycji i analizy danych pomiarowych. Dane do systemu są zbierane okresowo z dużą częstotliwością i mają zsynchronizowany czas odczytu, dzięki temu możliwe jest stosowanie wielu zaawansowanych technik analitycznych. Pozwalają one jeszcze dokładniej poznać czynniki wpływające na zużycie energii lub przewidywać spadek efektywności energetycznej instalacji, zanim przyniesie on duże straty finansowe. Analiza wskaźników efektywności może również wydłużyć okres między planowymi remontami aparatów przemysłowych, co pozwala obniżyć koszty ich eksploatacji.
Aby zwiększyć efektywność energetyczną, nie wystarczy już tylko mierzyć parametrów mediów energetycznych, lecz należy w sposób ciągły aktywnie nimi zarządzać.
Według Pawła Tomaszewskiego, dyrektora ds. marketingu z firmy SKAMER-ACM, działania należy rozpocząć od monitoringu mediów energetycznych. – Systemy monitoringu mediów są budowane na bazie oprogramowania typu SCADA. Przedmiotowe oprogramowanie powinno być zgodne z wymaganiami Systemu Zarządzania Energią (SZE) ISO 50001, tzn. wspomagać wdrożenie i utrzymanie SZE, automatyzując wiele procesów, a także wspomóc obieg i archiwizację dokumentów – twierdzi ekspert.
Profesjonalnie wykonany system monitoringu pozwala odbiorcy na:

  • stały dostęp do danych bieżących i archiwalnych dotyczących zużycia mediów, z każdego urządzenia pomiarowego podłączonego do systemu z wykorzystaniem przeglądarki internetowej;
  • kontrolę dostaw mediów i możliwość rozliczania zużycia mediów wewnątrz zakładu oraz z dostawcą;
  • obliczenia rzeczywistej alokacji kosztów energii;
  • redukcję poziomu zużywanej energii w strefach szczytowych, w odniesieniu do energii pobieranej w strefach pozaszczytowych. Możliwość zidentyfikowania i ewentualnej wymiany nieefektywnie pracujących urządzeń. Możliwość określenia miejsc generujących największe koszty związane ze zużyciem mediów;
  • uniknięcie ewentualnych opłat za przekroczenia poziomu mocy zamówionej (umożliwia to funkcja tzw. Strażnika Mocy).

Jeśli chodzi o wybór odpowiedniego systemu, to – jak radzi Wojciech Znojek, dyrektor generalny z firmy Sabur – bardzo istotną kwestią jest elastyczność i otwartość, pozwalająca na łączenie systemu monitoringu i zarządzania zużyciem mediów produkcyjnych w większe systemy oraz integrację z systemami MES, ERP czy BI. – Elastyczny i otwarty system pozwoli także na stopniowe wdrożenie. Prace mogą być realizowane krok po kroku, bez konieczności ponoszenia znaczących wydatków na prace inżynierskie i skomplikowany zwykle system informatyczny – mówi Wojciech Znojek. – Efekty działania takiego systemu są widoczne i wymierne już od samego początku, po jego zainstalowaniu i uruchomieniu, a instalacja jest możliwa do rozbudowyw dowolnym, przystosowanym do indywidualnych wymagań, tempie.
Raporty
Zgodnie z odpowiedziami 9% ankietowanych, dane o zużyciu nośników energii nie są w ogóle zbierane w ich zakładach. Natomiast jeśli chodzi o sposób analizowania danych o zużyciu nośników energii, to przeważnie są to raporty przygotowane w arkuszu kalkulacyjnym (69%), dużo rzadziej – raporty wygenerowane automatycznie z systemu (19%). Pozostała część respondentów przyznaje, że analizowanie tego typu danych nie ma w ogóle miejsca w ich zakładzie (rys. 4).

Powołując się na odpowiedzi respondentów (rys. 5), raporty o zużyciu nośników energii przygotowywane są najczęściej raz w miesiącu (64%). Jedynie co dziesiąty ankietowany zaznaczył, że raporty są sporządzane raz na rok lub raz w tygodniu, a w przypadku 5% dzieje się to z inną częstotliwością (przeważnie raz na kwartał) bądź wcale (11%).

Wpływ automatyki na efektywność energetyczną
Na poprawę efektywności energetycznej mają również wpływ rozwiązania z obszaru automatyki, dzięki którym można sterować oświetleniem (czujniki ruchu i obecności informują o potrzebie włączenia oświetlenia), czy też układami wentylacji, ogrzewania i klimatyzacji, dostosowując ich parametry do indywidualnych potrzeb użytkowników. Zastosowanie tych środków znajduje odzwierciedlenie w poprawie efektywności wykorzystania energii aż do 15%.
W systemach ogrzewania, wentylacji oraz procesach produkcyjnych wentylatory i pompy są sterowane za pomocą układów napędowych z przetwornicami częstotliwości. Pozwala to na dostosowanie ich wydajności do chwilowego zapotrzebowania, bez konieczności ciągłej pracy przy maksymalnym możliwym obciążeniu.
Zdaniem Sławomira Bieleckiego, technika ds. utrzymania technicznego i mediów z firmy Danfoss Poland, montaż przetworników mocy (falowników) jest ekonomicznie jak najbardziej uzasadniony: – Na przykład w odniesieniu do central wentylacyjnych jest to zabieg dość prosty technicznie i dający krótki okres zwrotu inwestycji. Wyposażenie tego sprzętu w przetworniki mocy często pozwala tchnąć nowe życie w nie najmłodsze już urządzenia, dzięki obniżeniu zużycia energii, możliwości regulacji ustawień i harmonogramowania czasu pracy.
Zaletą takiego rozwiązania w układach wentylacji jest to, że można spowolnić pracę wentylatora bez większego obniżenia jego wydajności. Warto dodać, że korzyścią wynikającą z obniżenia częstotliwości pracy wentylatora o mocy 22 kW z 50 Hz do 47 Hz może być oszczędność odpowiadająca dwukrotności jego ceny i kosztom instalacji w pierwszym roku eksploatacji.
Oszczędność energii w serwerowni
Bardzo duży potencjał ograniczenia kosztów, o czym przekonało się już wiele firm, tkwi w systemach zasilania i chłodzenia centrów danych.
Efektywne zużycie energii to niezwykle ważne zagadnienie, którego nie można pominąć, opracowując strategię zarządzania energią w firmie, dotyczącą zwłaszcza tak energochłonnych miejsc jak serwerownie. Ponieważ niezawodna praca serwerów wymaga utrzymania stałej temperatury, kluczowe znaczenie ma zapewnienie optymalnej temperatury w serwerowni. Przy czym im wydajniejsze jest chłodzenie, tym centrum danych zużywa mniej energii.
Głównym kosztem utrzymania każdej serwerowni jest oczywiście zużycie różnych rodzajów energii. Jak podają liczne źródła, w źle zaprojektowanej serwerowni jedynie około 45% energii pochłania sprzęt IT (serwery, przełączniki, pamięci masowe i inne urządzenia),natomiast pozostała część zużywana jest przez systemy chłodzące, zasilania wentylacji i klimatyzacji.
Chcąc ocenić efektywność energetyczną centrum danych i sprawdzić, ile energii przypada na działanie wyposażenia, a ile na urządzenia IT, należy posłużyć się wskaźnikiem PUE (Power Usage Effectiveness). Jego wartość stanowi iloraz mocy pobieranej przez urządzenia stanowiące wyposażenie centrum danych oraz mocy pobieranej przez urządzenia IT. Współczynnik będzie tym bardziej korzystny, im bliższy wartości 1.
W celu zmniejszenia zużycia energii w serwerowni wykorzystuje się również systemy oszczędnego chłodzenia (tzw. free cooling). W praktyce oznacza to możliwość odprowadzania ciepła bez stosowania sprężarek chłodniczych, wykorzystując do tego celu jedynie niską temperaturę na zewnątrz pomieszczenia. Jeśli weźmie się pod uwagę naszą strefę klimatyczną, to takie rozwiązanie można z powodzeniem stosować nawet przez kilka miesięcy w roku.
Mimo że stosowanie urządzeń energetycznie sprawniejszych lub wyposażonych w funkcje energooszczędne, jak klimatyzacja z freecoolingiem, jest zazwyczaj droższe od urządzeń standardowych, to jednak początkowy wyższy koszt inwestycji z pewnością przełoży się na oszczędności w okresie eksploatacji.
W trosce o efektywne zarządzanie energią w serwerowni należy zadbać o odpowiedni system zasilający. Zasilanie awaryjne to jeden z ważniejszych elementów w projekcie każdej serwerowni. Najczęściej stosowanym rozwiązaniem są tzw. zasilacze bezprzerwowe, zwane UPS. Niekiedy zamiast jednego zasilacza wystarczającego do wykonania zadania, stosuje się kilka. Oczywiście im nadmiarowość jest większa, tym system zasilania jest bardziej niezawodny, a ryzyko poniesienia strat mniejsze. Jednak nierzadko instalacja jest przewymiarowana, co powoduje nadmierne zużycie energii.
Napędy a zużycie energii
Dwie trzecie energii elektrycznej zużywanej przez przemysł zasila silniki elektryczne. Ponieważ w większości krajów ok. 10% silników elektrycznych nie jest wyposażonych w sterowanie, nie jest możliwe spowolnienie ich prędkości pracy czy automatyczne wyłączenie w celu oszczędzania energii. Niestety silniki nie są w stanie samodzielnie zmieniać swojej prędkości. Są one skonstruowane w taki sposób, aby obracać się z pewną ustaloną prędkością, uzależnioną od liczby biegunów magnetycznych, napięcia zasilania oraz jego częstotliwości. Chcąc ograniczyć zużycie energii w systemach silników, konieczne jest zastosowanie sprawdzonych rozwiązań, np. nowoczesnych napędów AC. Urządzenia te – poprzez zmianę napięcia i częstotliwości zasilania silników – odpowiadają za regulację ich prędkości. W konsekwencji można zmniejszyć zużycie energii elektrycznej, dostosowując moc napędzanych silnikami pomp, transporterów, wentylatorów oraz innych urządzeń do bieżących potrzeb systemów, które obsługują.
Poprawa współczynnika mocy
Współczynnik mocy odnosi się do energii elektrycznej, dzięki której zasilane są wewnętrzne obwody urządzenia. Niski współczynnik mocy powoduje marnotrawienie energii i generuje dodatkowe koszty. Ponieważ w zakładzie przemysłowym obecna jest duża liczba urządzeń mogących mieć negatywny wpływ na współczynnik mocy (m.in. komputery oraz falowniki), należy zadbać o utrzymanie go na możliwie najwyższym poziomie. W tym celu stosuje się urządzenia korekcji współczynnika mocy wykorzystujące np. baterie kondensatorów. Jednak wraz z upływem czasu sprawność kondensatorów maleje, ujemnie wpływając na współczynnik mocy, dlatego też nie należy zapominać o ich wymianie.
Korzyści
Zarządzanie energią może przynieść wiele wymiernych korzyści. Jak zauważa Krzysztof Paryl, regionalny kierownik sprzedaży z firmy Apator, nowoczesne narzędzia do zarządzania zużyciem mediów umożliwiają m.in.:

  • monitoring i bieżącą analizę danych pomiarowych online,
  • uzyskanie pełnej wiedzy na temat rzeczywistego zapotrzebowania na energię,
  • tworzenie bilansów i raportów,
  • optymalizację mocy zamówionej i wyeliminowanie kar za przekroczenia Pum oraz tg φ,
  • automatyczne powiadamianie przez system służb technicznych o awarii (SMS, e-mail),
  • wyznaczanie wskaźników wydajności i efektywności energetycznej,
  • zwiększenie efektywności energetycznej i wyeliminowanie energochłonnych urządzeń.

– Przemyślane rozwiązania dają dyrektorom zarządzającym, ekonomistom i księgowym możliwość pracy z systemem, dzięki czemu w prosty sposób są w stanie wygenerować i zanalizować dane oraz sporządzić złożony raport na potrzeby firmy, bez konieczności korzystania z pomocy specjalisty. Dzięki posiadanej wiedzy o procesach zachodzących w firmie można lepiej wykorzystywać zasoby firmy, obniżyć koszty, zwiększyć jej wydajność, co w efekcie pozwala osiągać lepsze wyniki, stale podnosząc jej rentowność – twierdzi Krzysztof Paryl.
Natomiast dla respondentów, którzy wzięłi udział w redakcyjnej ankiecie, głównym celem do osiągnięcia dzięki zarządzaniu energią jest przede wszystkim obniżenie kosztów zużycia nośników energii (aż 88%). Przy czym poziom obniżenia tychże kosztów, którego oczekują bądź uzyskali już respondenci, kształtuje się na poziomie 5%/rok (36% wskazań), 10%/rok (29% wskazań), 15%/rok (18% wskazań), 20%/rok (14% wskazań), 30%/rok (3% wskazań).
Jak pokazano na rys. 6, dla ankietowanych innymi ważnymi korzyściami wynikającymi z wprowadzenia w ich zakładach zarządzania energią są: planowanie i kontrola kosztów, poznanie rzeczywistych kosztów produkcji w odniesieniu do produktu, optymalizacja procesu przy wskaźnikach minimalnego zużycia energii oraz produkcja przyjazna dla środowiska (kontrola emisji CO2).

Podsumowanie
Umiejętne zarządzanie energią jest istotnym elementem wpływającym na wizerunek firmy. Obecnie coraz więcej przedsiębiorstw minimalizuje swoje koszty w wyniku oszczędności energetycznych. Ciągły wzrost cen za energię elektryczną oraz inne media powoduje zwiększenie kosztów produkcji. Następstwem efektywnego zarządzania poborem energii są niższe koszty działania firmy, co przekłada się na wzrost przewagi konkurencyjnej na rynku, a tym samym osiągnięcie przez firmę sukcesu. Żeby zarządzanie energią odnosiło oczekiwane skutki, musi się odbywać w sposób systematyczny, z uwzględnieniem innowacyjnych rozwiązań i inwestycji, a także wszelkich działań organizacyjnych na rzecz zwiększenia efektywności energetycznej.

Raport powstał w oparciu o dane uzyskane z ankiety przeprowadzonej w styczniu 2015 r. wśród czytelników magazynu Control Engineering Polska. Oprócz tego przy tworzeniu raportu bazowano na informacjach pochodzących od dostawców produktów/rozwiązań wykorzystywanych do efektywnego zarządzania energią. Raport nie odzwierciedla pełnego obrazu rynku.
Fot. Wikimedia Commons/Accu4all