Energeticky adaptabilní výrobní systémy

Evropská unie si klade ambiciózní cíle: snižovat emise oxidu uhličitého a využívat jako zdroj energie vítr a slunce. Jenomže proměnlivý výkon větrných a solárních elektráren představuje pro energetické společnosti skutečný problém. Distributor musí zajistit stabilní dodávku energie po celou dobu, i když taková zařízení vyrábějí málo nebo vůbec žádnou elektřinu nedodávají. Součástí řešení tohoto problému je adaptivní přizpůsobení spotřeby energie výrobních závodů kolísavému výkonu větrných a solárních elektráren. Vědci z Fraunhoferovy společnosti testují pilotní projekt v regionu kolem města Augsburgu. Výsledky jsou zatím povzbudivé: tým dokázal, že energeticky adaptivní výroba – přizpůsobení spotřeby energie průmyslového závodu aktuální kapacitě výroby elektřiny – v praxi dobře funguje.

Tváří v tvář změně klimatu je široce přijímána nutnost rozšiřovat výrobu elektřiny ve větrných a solárních elektrárnách. Ovšem bez rozsáhlé restrukturalizace distribuční sítě je přechod na udržitelnou energetiku nemožný. Problém výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů spočívá v tom, že jejich výkon kolísá s denní dobou a aktuálním počasím. Závislost na vysoce nestálých zdrojích znamená, že energetické společnosti musí přijímat různá opatření, aby zajistily spolehlivé dodávky elektřiny, což bývá spojeno s velkými náklady. Mezi taková opatření patří výstavba zdrojů, které lze regulovat, jako jsou např. klasické tepelné elektrárny nebo přesměrování energie do jiných distribučních sítí, což vyžaduje rozsáhlé posílení rozvodné sítě. Potenciálním řešením je také ukládání elektřiny ve velkých akumulátorových bateriích, ale investiční náklady na ně jsou vysoké.

Fraunhoferův ústav IGCV, který se zabývá slévárenstvím, metalurgií a výrobou kompozitních materiálů, přišel s novým přístupem k regulaci výkyvů v napájecí soustavě. Jde o součást projektu SynErgie, který vzniká pod koordinací Fraunhoferova ústavu IPA (výrobní technologie a automatizace) a ve spolupráci s ústavy IIS (integrované obvody), IWU (obráběcí nástroje a formy) a FIT (aplikovaná informatika) a s dalšími partnery z průmyslu a vědy. Cílem projektu je nalezení způsobů, jak vyrovnávat výkyvy v dodávkách elektřiny z obnovitelných zdrojů přizpůsobením spotřeby průmyslových zařízení.

SynErgie je jedním ze čtyř projektů výzkumné iniciativy Kopernikus, která zkoumá přechod na udržitelnou energetiku. Německé spolkové ministerstvo školství a výzkumu (BMBF) podpořilo první fázi projektu od roku 2016 do roku 2019 120 miliony eur, z toho 30 milionů eur putovalo do SynErgie. Nyní je projekt v druhé fázi a chystá se fáze třetí.

Spotřeba energie synchronizovaná s kapacitou její výroby

Základní myšlenou projektu SynErgie je přizpůsobit energetické požadavky průmyslu aktuální výrobní kapacitě obnovitelných zdrojů. To zahrnuje plánování výrobních procesů, které spotřebovávají velké množství elektřiny, na období, kdy je dostatek slunečního svitu a větru. Naopak v době, kdy výkon solárních a větrných elektráren poklesne, jsou upřednostňovány procesy s nízkou spotřebou energie.

Projekt SynErgie dokázal během své první fáze uskutečnitelnost této koncepce v praxi.

Výzkumný tým se rozhodl pilotní projekt realizovat v Augsburgu a okolí. Region je typickou německou průmyslovou oblastí, kde sídlí výrobní firmy z oborů strojírenství, metalurgie, výroby papíru, chemického průmyslu nebo plastikářství. Obnovitelná energie zde v současné době představuje přibližně 35 % z celkové spotřeby elektřiny. Region je proto ideálním místem k prozkoumání potenciálu energeticky adaptabilní výroby, k identifikaci souvisejících problémů a k implementaci prototypových řešení.

Projekt SynErgie se soustředí na energeticky náročné procesy

Výzkumný tým se zaměřil především na energeticky náročné provozy a procesy. Právě v odvětvích, která spotřebovávají hodně energie, jsou k dispozici zařízení, jež lze využít pro adaptaci spotřeby elektřiny v čase, a vzhledem k velké spotřebě má její regulace hmatatelný vliv na distribuční soustavu. Mezi procesy, které jsou obzvláště energeticky náročné, patří tavba kovů ve slévárnách, tváření oceli ve válcovnách a výroba celulózy v papírenském průmyslu.

Vědci chtěli zjistit, jaký měla zavedená opatření k adaptaci energetické spotřeby dopad na výrobní výkon podniku a na jeho energetickou bilanci. Když je výroba dočasně zpomalena a poté znovu rozběhnuta, může to být neefektivní opatření, protože restartování výrobních zařízení často vyžaduje hodně energie. Tým použil k analýze dopadů, které by měla větší flexibilita energetické spotřeby na efektivitu výroby, výkonnost výrobních strojů a celkovou energetickou bilanci společnosti, simulační metody. Výsledky ukazují, že energeticky adaptabilní výrobní zařízení mohou být nákladově výhodná.

Ceny elektřiny začleněné do systému ERP

Jak firmy dostávají aktuální informace o výrobě elektřiny? Zde mohou hrát roli data z energetických burz, protože výkyvy ve výrobě mají přímý vliv na cenu elektřiny. Na platformách, jako je EPEX SPOT, závisí cena megawattu mimo jiné na čase spotřeby. Myšlenkou energeticky adaptabilní výroby je tedy to, že podnikové systémy ERP by měly zahrnovat nejen interní data společnosti, ale také aktuální cenu energie spolu s předpovědí budoucích pohybů. To umožňuje naplánovat průběh výroby na základě všech příslušných parametrů a dat – a tím snížit náklady na energii bez ohrožení výrobních cílů nebo ohrožení kvality produktu. Vytvořením matematického modelu jednotlivých kroků výrobního procesu, do něhož se zahrne kromě požadovaného objemu a termínů dodávek i cena a dostupnost energie, může optimalizační algoritmus vypracovat takový plán výroby, v němž je zahrnuta i možnost adaptace výrobního procesu na predikovanou výrobu elektřiny z obnovitelných zdrojů.

Současné a budoucí výhody pro výrobní podniky

Systém SynErgie je v první řadě atraktivní pro firmy s energeticky náročnými procesy. V budoucnu by však tento nový systém mohly využívat také malé a střední firmy, protože by jim to mohlo pomoci vyhnout se např. zvýšení nákladů v období energetické špičky. Podaří-li se průmyslu přizpůsobit svou spotřebu elektřiny její aktuální výrobě, budou energetické společnosti potřebovat méně konvenčních elektráren, aby vyrovnaly výkyvy v síti. Inteligentní řízení spotřeby zajistí lepší využití regionální kapacity výroby elektřiny a sníží naléhavost rozšiřování energetické infrastruktury.

Fraunhoferův ústav IGCV a jeho partneři pracují v regionu Augsburgu na dalších pilotních projektech. Výzkumníci zejména instalují průmyslovým partnerům softwarové platformy, které budou testovány ve spolupráci s regionálními provozovateli distribuční soustavy.

[Výzkumná zpráva společnosti Fraunhofer Gesselschaft, říjen 2020.]

(Bk)

Obr. 1. Adaptace spotřeby na momentální výrobu elektřiny ve větrných a solárních elektrárnách má význam především v energeticky náročných procesech, např. v papírenském průmyslu

Obr. 2. Ukázková linka ve Fraunhoferově ústavu IGCV – adaptace spotřeby termobalicího stroj