Zarządzanie zużyciem energii

Istnieje potrzeba, aby inżynierowie spojrzeli na zarządzanie zużyciem energii jak na bezpośredni czynnik poprawiający opłacalność oraz wydajność działania firmy. Nie można jednak podejść do tego tematu zbyt trywialnie, mierząc jedynie redukcję kosztów. Pierwszym krokiem w kierunku kompleksowego widzenia problemu powinno być ?trójwymiarowe? spojrzenie na zagadnienie energii.
Zarządzający przebiegiem operacji, inżynierowie sterowania lub operatorzy maszyn zawsze będą oceniani poprzez ich zdolność do cięcia kosztów. Wiadomym jest, że należy uczynić wszystko, co jest możliwe do zrobienia w celu redukcji kosztów, maksymalizując przy tym wydajność i minimalizując powstawanie odpadów, szukając z każdej strony możliwości do uzyskania większej rentowności.
Użytkowanie energii stało się potencjałem wyznaczającym nowe granice w oszczędzaniu pieniędzy, ale pamiętać należy, że jest to w przedsiębiorstwie jeden z najbardziej ulotnych i trudnych w zarządzaniu wydatków. Tradycyjnie zużycie energii w przemyśle było widziane jednowymiarowo, jako nieunikniony koszt prowadzenia biznesu. Jednakże faktem jest, że aktualnie zarządzanie energią jest wyzwaniem ?trójwymiarowym?: mniej, taniej i optymalnie.
Jedynie pewna część energii zużywana jest w przedsiębiorstwie w celu przeprowadzenia operacji ogólnego przeznaczenia, takich jak ogrzewanie, chłodzenie, oświetlanie budynków. Natomiast większość energii wchodzącej do zakładu przemysłowego zasila maszyny, zużywana jest na przekształcanie surowych materiałów w półprodukty, wykorzystywana jest do generowania pary lub ogólnie ujmując, zasila produkcję.
Poprzez odpowiednie zmiany postępowania i programowania można obecnie zużywać mniej energii ? na przykład stosując bardziej sprawne urządzenia, powtórnie wykorzystując odpady powstałe w procesie uzyskiwania ciepła lub planując produkcję w celu zminimalizowania procedur przełączania związanych z intensywnym zużyciem energii. Można także wykorzystywać tańszą energię, zarządzając odpowiednio tym, gdzie, jak i kiedy energia będzie zużywana, aby spożytkować ją maksymalnie wtedy, kiedy jest najtańsza, na przykład w okresie pozaszczytowym.
Ostatecznie można także optymalizować użytkowanie energii, aby osiągnąć założenia produkcyjne w sposób najmniej kosztowny, najbardziej korzystny, balansując przy produkcji wieloma zmiennymi niezależnymi. Ten właśnie wymiar będzie miał ostatecznie największy wpływ na osiągnięcia finansowe, ponieważ umożliwia aktywne zarządzanie energią w odniesieniu do całego równania produkcji, tak jakby to było jedno z wielu wejść takiego równania. Poniżej przedstawione będzie, jak to zrobić.
?Zielone? podejście do projektowania
Siedem przedstawionych tutaj sposobów zarządzania energią może niezależnie lub współbieżnie stanowić podstawę do przekształcenia sposobu zarządzania energią w całościowy i strategiczny program. Jest to projektowanie lub ? jak to zostało nazwane, ?zielone? projektowanie ? w odniesieniu do użytkowania obecnie istniejących urządzeń automatyki i zasobów sterowania mocą, mające na celu rozpoczęcie bardziej sprawnego oszczędzania energii i bardziej inteligentnego inwestowania.
Filar I: Monitoring ogólnego przeznaczenia. Przed rozpoczęciem zarządzania zużyciem energii konieczne jest wzmocnienie wskazań zużyciaenergii i jakości wzorców. Jest możliwe, że na pewnych poziomach istnieje aktualny pomiar zużycia energii. W celu rozszerzenia tej wiedzy ocena ogólnej produkcji może pomóc ustalić zakres możliwości oszczędzania energii, zdefiniować główne matryce i pomóc zgromadzić niezbędne zasoby w odpowiednim miejscu, aby uzyskać od początku do końca pełny obraz ogólnego zużycia energii.
Można także monitorować ogólną infrastrukturę pomiarową służącą do zbierania informacji o wszystkich zasobach energii ? woda,powietrze, gaz, elektryczność, para lub inne źródła ? w powiązaniu z użytkowanym wyposażeniem i warunkami środowiskowymi. Te informacje mogą później być zbierane w programie komputerowym i oznaczane czasowo w histogramie zużycia energii, aby ustalić trendy, niezgodności i wzorce w celu poprawy jakości działania systemu.
Mając taki obraz obiektu, można zidentyfikować i zoptymalizować zmiany tak, aby pomóc zredukować zapotrzebowanie na energię, a co za tym idzie, koszty. Może to być zrealizowane poprzez wyeliminowanie obciążenia lub obniżanie poziomu potrzebnej mocy, gdy zbliża się zużycie szczytowe. Informacje zebrane na poziomie ogólnego monitoringu mogą także pomóc zrozumieć i zarządzać jakością mocy: obniżanie poziomu napięcia lub pojawianie się harmonicznych, co mogłoby zniszczyć sprzęt i spowodować problemy związane z pogorszeniem współczynnika mocy w sieci elektrycznej.
Ocenianie i monitorowanie zużycia powinno być nieustanne, by zidentyfikować takie zmienne, jak pora roku, która może wpływać na zmienne produkcyjne i czy wykonywanie wcześniej przewidzianych do implementacji poprawek jest kontynuowane zgodnie z planem.
Filar II: Monitoring produkcji. W celu zrozumienia zagadnienia zapotrzebowania na energię na terenie fabryki konieczna jest współpraca z dostawcami rozwiązań automatyki w celu zbierania użytecznych informacji w pewnych punktach na maszynach i na liniach produkcyjnych, a następnie zaprogramowania systemu informatycznego do przechowywania i analizowania danych. Kiedy system jest na miejscu, należy oddzielić informacje o zapotrzebowaniu na energię na obszarze fabryki od informacji dotyczących ogólnego zużycia energii i wzmocnić obraz tego, jak wiele całkowitej energii w zakładzie jest zużywanej przez proces produkcyjny w stosunku do ogólnych operacji, takich jak centra informacyjne i sanitariaty (ogrzewanie, chłodzenie, wentylacja).
Zapoznanie się ze zużyciem energii na poziomie zakładu pozwala efektywnie modyfikować obliczenia dotyczące optymalnego doboru wyposażenia, aby optymalizować wyjściową krzywą osiągów w stosunku do kosztów. Informacje o zapotrzebowaniu mogą być także stosowane dla tradycyjnego narzędzia Lean Six Sigma do optymalizowania operacji. Na przykład pewna fabryka pakowania wykorzystała informacje o całkowitym zużyciu energii w zakładzie w połączeniu z informacjami mapującymi zazwyczaj stosowane wartości parametrów pary do powtórnego zaprojektowania sekwencji operacji przy produkcji, a przez to redukcji kosztów energii. Zakład zaoszczędził 66 tys. USD w jednym roku przez przeniesienie operacji o dużym zapotrzebowaniu na energię poza okres szczytowy i zachował niskie koszty energii pracy w progresie.
Filar III: Przechwytywanie energii w produkcji półproduktów. Kiedy informacje o zapotrzebowaniu na energię w procesie produkcyjnym są przechowywane i analizowane w systemie informacyjnym, można zapoznać się z trendami pokazującymi m.in., jak energia była zużywana w przeszłości, na przykład podczas specyficznych cyklów produkcji. Nie trzeba wówczas zgadywać, jakie zapotrzebowanie na energię będzie niezbędne dla podobnego przebiegu produkcji w przyszłości. Można wcześniej rozpocząć projektowanie. Czyniąc tak, przechodzimy do nowego filaru architektury zarządzania energią, w którym wymagania zużycia energii są włączone w planowanie zasobów i podejmowanie decyzji w analogiczny sposób,w jaki traktuje się materiały jako element produkcji.
Empiryczne przypisanie zapotrzebowania na energię do listy półproduktów pomaga aktywnie podejmować decyzje produkcyjne i lepiej zarządzać inwestowaniem energii w sposób, który wygeneruje lepszy zwrot. Na przykład wiedząc, że konkretne grupy wymagają więcej energii, można przesunąć te grupy poza szczytowe okno zużycia. Dodatkowo informacje o częściach poziomu zapotrzebowania na energię stają się wartościowymi wejściami w zakładowym raportowaniu utrzymaniazdolności maszyny.
Filar IV: Modelowanie. Od kiedy wiadomo, jak dużo energii jest wymagane do uruchomienia specyficznych cykli produkcyjnych, można wykorzystać narzędzia programowe symulujące produkcję, wprowadzając zmienne, takie jak koszty energii w szczycie i poza szczytem energetycznym, koszty surowych materiałów, opracowania, przewidywana emisja i testy ? scenariusze ?co jeśli?, aby zobaczyć, jak wyjścia produkcyjne i koszty będą się zmieniały w rezultacie modyfikacji poszczególnych wartości tych parametrów.
Na poziomie tego filaru można optymalizować wszystkie środki produkcyjne i przewidywać najbardziej ekonomiczną drogę do wytwarzania produktów, używając energii jako jednej ze zmiennych. Można także przewidzieć pełną sekwencję zadań produkcyjnych do optymalizowania całej produkcji.
Filar V: Sterowanie. Następnym filarem w architekturze zarządzania energią jest wprowadzanie wszystkich informacji dotyczących ustawień do bieżących rozwiązań systemów automatyki, które w połączeniu z danymi generowanymi ze wszystkich aplikacji przemysłowych i rozwiązań automatyki mogą identyfikować, modelować, wizualizować i prezentować opcje kontroli lub automatycznie zmienić sterowanie obiektu. Podczas gdy może to być poza obszarem codziennie wykonywanych czynności przez obsługę procesu i z uwagi na to, że istnieje możliwość automatycznego modelowania, można zastosować automatyczne implementacje decyzji bez niepotrzebnych interwencji ze strony obsługi.
Te decyzje mogą rozszerzyć wcześniejsze proste zmienne produkcyjne w obszarze fabryki, tak aby dodać dodatkowe zmienne, które nie są bezpośrednio mierzone, takie jak ostatnie zmiany wprowadzone przez obsługę lub nagłe zamówienia złożone przez kluczowych konsumentów do szybkiej realizacji.
Filar VI i VII: Odpowiedzi i karta wyników. Kiedy istnieje pewność co do działania systemu zarządzania energią w fabryce, kompania może stworzyć zewnętrzny rynek i strategię zarządzania energią najważniejszej części norm prawnych, dotyczącej oddziaływania na środowisko. Będzie wówczas możliwe przełączenie się na ogólnie zewnętrzną perspektywę i skupienie się na tym, jak inteligentnie podjąć ekonomiczne decyzje, bazując na zmienianiu zapotrzebowania na energię w odpowiedzi na zmiany rynku i wymogów regulacyjnych.
Phil Kaufman jest dyrektorem biznesowym ds. zasilania i zarządzania produkcją, Marcia Walker jest dyrektorem programowym ds. zrównoważonej produkcji w Rockwell Automation.
Artykuł pod redakcją dr. inż. Krzysztofa Jaroszewskiego, adiunkta w Katedrze Automatyki Przemysłowej i Robotyki Wydziału Elektrycznego Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie.

Biała księga
Metodologia ?zielonego? podejścia siedmiu filarów jest naszkicowana bardziej szczegółowo w białej księdze zatytułowanej ?Industrial Energy Optimization: Managing Energy Consumption for Higher Profitability? (?Optymalizacja energii przemysłowej: zarządzanie zużyciem energii w celu uzyskania wyższej wydajności?) i jest dostępna na stronie firmy Rockwell Automation: www.rockwellautomation.com/solutions/sustainability/