Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Sledováním a řízením spotřeby energetických médií k menším provozním nákladům

Výsledky dosažené při používání energetických informačních systémů (Energy Monitoring System – EMS) ve firmách ve Velké Británii ukazují, že takový systém, je-li správně proveden a používán, umožní ušetřit 5 až 15 % ročních výdajů za energii. Článek uvádí do problematiky EMS na obecné úrovni.

 
Zákazníci společnosti Endress+Hauser, rekrutující se ze všech odvětví průmyslu, jsou čím dál více tlačeni k tomu, aby exaktně sledovali výdaje za veškerá jimi používaná energetická provozní média v celém oboru tzv. W.A.G.E.S (podle anglického water air gas electricity steam), tj. za:
  • vodu,
  • vzduch,
  • paliva (např. zemní plyn a jiné plyny, ropu a její deriváty, pevná paliva),
  • elektřinu,
  • páru.
Je zajímavé sledovat, že tento trend se prosazuje nezávisle na odvětví. Lze ho pozorovat v malých pivovarech i ve velkých chemických závodech.
 
Jednou z významných příčin uvedeného tlaku je růst ceny energie ve všech jejích podobách: cena zemního plynu pro průmyslové použití se za posledních dvanáct let více než ztrojnásobila a cena elektřiny v Evropě vzrostla během šesti let o 30 %.
 
Dalším důvodem jsou certifikace podniků podle programu EMAS (Eco-Management and Audit Scheme) a norem řady ISO 14000, vyžadující po zákaznících měření toků energie při použití měřidel schválených k použití při bilančních měřeních.
 
Energetická provozní média byla v minulosti často opomíjena. V současnosti je jim však zaslouženě věnována čím dál větší pozornost. Mnoho firem stále ještě měří jen celkové převzaté množství zemního plynu a elektřiny v místě jejich odběru od dodavatele. Z několika málo takto naměřených hodnot jsou poté stanovovány hodnoty důležitých ukazatelů, jako je např. měrná spotřeba energie (průměrné množství energie spotřebované na výrobu jedné tuny produktu). Tyto hodnoty jsou ale stanovovány na základě měření vykonávaného jednou za měsíc či za rok. Vynaložením poměrně malého množství peněz lze přitom vybudovat systémy pro sledování množství energie měřící spotřebu každého jednotlivého energetického média těsně u místa jeho využití. S použitím takto zjištěných údajů lze poté najít užitečné vztahy mezi spotřebou energetických médií a faktory, které na ni mají vliv, což uživatelům umožní:
  • lépe řídit odběr energie (pokud jde o způsob jejího použití a čas),
  • rozpoznat příležitosti ke zlepšení a zdůvodnit projekty zaměřené na snížení spotřeby energií (Kde se spotřebovává nejvíce energie? Jaké lze provést změny?),
  • včas zjistit nedostatečnou výkonnost zařízení (Nezanášejí se teplosměnné plochy výměníků tepla?),
  • získat podklady pro rozhodování (Není třeba změnit smlouvu s dodavatelem elektrické energie?),
  • automaticky získávat zprávy o výkonnosti (Které nákladové středisko, která směna apod. si ve využití energie vede nejlépe? Vyskytly se v tomto výjimky?),
  • auditovat provozní historii,
  • získat důkaz úspěchu (Naplnily se sliby dodavatele energeticky efektivního zařízení?),
  • získat podklad pro sestavování rozpočtu a provozní účetnictví v oblasti podnikové energetiky,
  • poskytovat energetické údaje ostatním systémům (např. systému SCADA).

V čem spočívá proces hospodaření s energií?

Proces hospodaření s energií má cyklickou povahu (obr. 1). Vše začíná sběrem základních údajů: měří se spotřeba energie (energetického média) a výsledek se přepočítává na vyjádření ve vhodných jednotkách. U většiny energetických médií je těmto přepočtům třeba věnovat maximální pozornost:
  • již přepočet z objemových jednotek (např. průtok zemního plynu měřený turbínovými průtokoměry, průtok páry měřený průřezovými měřidly nebo vírovými průtokoměry) na objem při normálních podmínkách, hmotnost nebo teplo může při nesprávném provedení – což je častý případ – zapříčinit chyby o velikosti typicky od 10 do 30 %,
  • mnoho měřidel je nesprávně použito a jejich údaje jsou následkem toho zatíženy chybami podobné velikosti jako při nesprávném přepočtu,
  • při nesprávných výchozích údajích bude nesprávná i analýza a veškerá provedená opatření budou založena na nesprávné informaci.
 
Nejjednodušší metodu sběru údajů představují tužka a papír. Je skutečně překvapivé pozorovat, kolik pracovníků v průmyslu musí stále ještě chodit po závodě, vyhledávat určitá měřidla a měsíčně zapisovat jejich údaje. Moderní zařízení toto dělají automaticky. Současné zapisovače, ať už jde o samostatné přístroje nebo tzv. softwarové záznamníky, jsou schopny zaznamenávat potřebné údaje, obvykle s periodou 15 nebo 30 min. Je-li taková perioda sběru údajů příliš dlouhá, je možné údaje zaznamenávat třeba každých 100 ms.
 
Většina moderních zařízení pro sběr údajů dokonce dokáže, při použití komunikační sběrnice, snímat a předávat prostřednictvím příslušných provozních bran k dalšímu zpracování údaje z až 30 jednotlivých měřidel.
 

Analýza údajů

Je-li sběr údajů základem celého procesu hospodaření s energií, jeho ústřední částí je jejich analýza, prováděná za účelem přeměnit prosté údaje o spotřebě energie v užitečnou informaci.
 
První, základní krok spočívá v analýze časových řad údajů získaných měřením po každých 15 nebo 30 min za účelem zjistit
zejména:
  • Jakou základní spotřebu energie má dané zařízení? Proč zařízení spotřebovává energii v době, kdy nic nevyrábí? Jak lze tuto základní spotřebu zmenšit?
  • Jaký je typický maximální odběr energie během produktivního využití zařízení? Jak lze tento maximální odběr zmenšit? (Toto je důležité např. u smluv o dodávce elektrické energie.)
  • Jaké je typické rozložení odběru energie v čase? Jak lze dosáhnout jeho rovnoměrnějšího průběhu? Za tím účelem jsou k dispozici různé postupy správy odběru (např. odstraňování špiček).
Ještě užitečnější je uvést spotřebu energií do souvislosti s faktory, které ji ovlivňují, tj. zjistit např.:
  • jak spotřeba energie na vytápění závisí na teplotních poměrech (počasí) v dané lokalitě (tzv. denostupně),
  • kolik energie se spotřebuje na výrobu 1 t produktu,
  • kolik energie se spotřebuje na osvětlení budovy v závislosti na denní době apod.
Jelikož všechny tyto parametry dávají do vzájemného vztahu spotřebu energie s příslušným ovlivňujícím faktorem, obvykle se souhrnně hovoří o ukazatelích měrné spotřeby energie (Specific Energy Consumptions – SEC).
 
Systematickým sledováním příslušného ukazatele může uživatel zjistit, zda daný proces nekolísá v čase, tj. zda neklesá jeho efektivita. Takových poklesů efektivity a jejich příčin může být velmi mnoho, např.:
  • rostoucí úniky v rozvodu stlačeného vzduchu z důvodu nedostatečné údržby,
  • rostoucí měrná spotřeba energie při výrobě páry z důvodu nedostatečné údržby oddělovačů kondenzátu (při selhání se oddělovače neotevřou),
  • růst měrné spotřeby energie při vytápění budovy v důsledku zanášení teplosměnných ploch výměníků tepla.
Zjištěná závislost mezi spotřebou energie a příslušným ovlivňujícím faktorem je zpravidla lineární. V některých případech stanovená přímka neprochází počátkem soustavy souřadnic („nulou“).
 
Nejsou-li přijata žádná opatření, dochází k následujícímu:
  • průsečík stanovené přímky s osou souřadnic se vzdaluje od nuly (např. rostoucí úniky při vadném rozvodu stlačeného vzduchu nebo vadných oddělovačů páry),
  • roste sklon směrnice přímky (klesající účinnost např. v důsledku zanášení výměníků tepla).
Uživatelé se tak či onak budou snažit o zmenšení:
  • vzdálenosti průsečíku stanovené přímky s osou souřadnic od nuly,
  • sklonu přímky.
Nalezenou lineární závislost lze nyní použít jako cíl do budoucna. Například při minulé spotřebě 4 GJ tepla na výrobu 1 t páry je očekávána tatáž hodnota i v budoucnu – jestliže mezitím přijetím určitého opatření nebude zvětšena účinnost kotle.
 
Od tohoto okamžiku je možné porovnávat aktuální skutečnou spotřebu energie s očekávanou a zaznamenávat rozdíl. Jakmile tento rozdíl překročí určitou velikost, bude vydáno varovné hlášení (obr. 2).
 
Zjištěné rozdíly lze také sčítat v čase a tak získat tzv. graf kumulovaných součtů (cumulated sums – CUSUM) podle obr. 3.
 
Graf CUSUM se chová jako bankovní účet: klesá-li efektivita procesu, čára v grafu zamíří od nuly směrem nahoru. Účinnost procesu zaznamenaného na obr. 2 a obr. 3 nicméně vzrostla. V daném případě byl asi ve dvou třetinách sledované doby nainstalován předehřívač zlepšující účinnost parního kotle. Přímo z grafu lze nyní odečíst, že investice do ekonomizéru firmě během patnácti týdnů v porovnání s předchozím stavem uspořila 1 100 MW·h energie.
 
Nasnadě je otázka, kde lze takovou analýzu údajů provádět?
 
Zaznamenávat údaje o výkonnosti, každých 15 nebo 30 min je analyzovat a zobrazit aktuální hodnoty měrné spotřeby energie, to vše lze snadno udělat při použití momoderních zapisovačů časových průběhů, které tyto hodnoty zobrazí i přímo u daného technologického zařízení. Tyto moderní zapisovače již mohou provádět i složité matematické operace. Do procesu hospodaření s energií lze tedy přímo zahrnout pracovníky obsluhující daná technologická zařízení a začít klást různé otázky, jako např.:
  • Proč určité směny pracují efektivněji než jiné?
  • Proč po měsíce stabilní měrná spotřeba energie začala v poslední době kolísat?
Dostupný software Energy Monitoring takovéto analýzy spolu s již uvedenými postupy „cílení“ nabízí (obr. 4).
 

Zprávy a hlášení, komunikace

Adresáty zpráv o situaci v hospodaření s energiemi mohou být pracovníci na různých úrovních firemní hierarchie – od operátorů provozních zařízení až po vrcholné vedení – a v různých útvarech firmy (provoz/údržba/technický útvar, účtárna/kontroling, energetika, péče o životní prostředí atd.) – viz obr. 5.
 
Tyto zprávy musí obsahovat informace, na jejichž základě mohou příslušní příjemci bezprostředně jednat. Pracovníci v provozu potřebují co nejdříve vědět, jaký problém a kde vznikl a co musí udělat pro jeho odstranění. Vrcholné vedení firmy naproti tomu potřebuje informaci potvrzující správné fungování celých procesů a systémů. Pro správnou tvorbu zpráv a hlášení je důležité brát v potaz, kdo a proč je potřebuje.
 
Zprávy pro vrcholné vedení mohou např. obsahovat:
  • souhrn nákladů za loňský rok v členění podle energetických nákladových středisek;
  • souhrn výkonnosti v současném roce v členění po měsících a v porovnání s rozpočtem, loňským rokem nebo stanovenými cíli;
  • informaci o úsporách dosažených (ztrátách utrpěných) k danému dni včetně uvedení příčin;
  • informaci o dalších možnostech úspor a o činnostech probíhajících za účelem jejich využití.
Aktualizovanou zprávu pro vrcholné vedení je třeba vydávat každý měsíc a mít ji včas připravenou k předložení na schůzích představenstva.
 
Vedoucí pracovníci provozu budou odpovídat za efektivní chod provozních zařízení a závodu. K tomu budou muset po směnách, denně, týdně nebo měsíčně (podle povahy provozních procesů a úrovně spotřeby energie) dostávat informace o tom, kolik energie bylo spotřebováno a nakolik je skutečnost v souladu s vytčenými cíli. Tyto informace budou využity zejména:
  • k vyhodnocování a řízení efektivity provozních pracovníků a provozních zařízení a systémů,
  • k rychlému rozpoznání problémových oblastí,
  • jako základ hlášení o výkonnosti provozu (řídicím pracovníkům).
Operátoři v provozu potřebují být informování o vzniklém problému a o tom, co mají dělat, aby byl odstraněn nebo byly alespoň minimalizovány jeho důsledky. Tuto informaci je jim třeba poskytnout včas, což u zařízení s velkou spotřebou energie může znamenat do několika minut po události, jinak třeba v průběhu dne nebo i týdne.
 
Techničtí pracovníci spjatí s provozem budou potřebovat podobné zprávy jako operátoři zařízení. Na rozdíl od operátorů se technici obvykle zabývají problémy, které jsou méně časově naléhavé, jako např. čištění výměníků tepla, řešení potíží s regulačními obvody, odvzdušňování kondenzátorů v chladicím zařízení apod. Pracovníci technické podpory, kteří se na provozu přímo nepodílejí, budou potřebovat podrobnější historické údaje. Tito odborníci se většinou budou podílet na analýzách minulé výkonnosti, na určování cílů a modelování. Budou požadovat přístup do archivu provozních dat závodu a budou využívat různé analytické nástroje, od běžně dostupných tabulkových procesorů až po pokročilé programy pro dolování z dat a podobný software. Technici podílející se na projektových činnostech budou potřebovat podpůrné údaje, např. úrovně spotřeby energie, provozní podmínky zařízení atd., a také přístup k prvotním, nezpracovaným údajům v archivu provozních dat a k analytickým nástrojům.
 
Účtárna, popř. útvar kontrolingu, může mít zájem o aktuální hodnoty spotřeby energií a náklady ve vztahu k rozpočtovým. Bude potřebovat údaje rozčleněné tak, aby bylo možné navzájem přiřadit náklady a příslušné činnosti. Správná a přesná kalkulace provozních činností a nákladů na výrobu zboží umožní lépe rozhodovat např. o cenách výrobků a alokaci firemních zdrojů.
 
Vedoucí pracovníci útvarů energetiky a péče o životní prostředí budou potřebovat souhrnné údaje o dosažené výkonnosti a o jejích trendech, v mnohém podobné tomu, co požadují provozní vedoucí a jejich nadřízení. Podobně jako technici mohou požadovat také podrobnější údaje pro účely specifických analýz.
 
Útvar péče o životní prostředí může také požadovat předávání údajů o spotřebě energie v podobě ekvivalentních emisí oxidu uhličitého a o začlenění zpráv o hospodaření s energií do zpráv o chování firmy ve vztahu k životnímu prostředí, které jsou obecnější. Souhrnná informace o energetice a vztahu k životnímu prostředí může být požadována jednou za rok pro výroční zprávy o této oblasti, popř. i častěji, podle požadavků dohlížecích orgánů.
 
Vedoucí podnikové energetiky může mít na starosti nákup energických médií i jejich efektivní využití. Může potřebovat údaje o průběhu spotřeby energie v čase (např. po půlhodinách), špičkové spotřebě, spotřebě v noci atd. Aby mohl hodnotit nabídky dodavatelů a kontrolovat příslušná vyúčtování, bude potřebovat i přístup k prvotním údajům.
 
Z uvedeného obsažného, a nikoliv úplného výčtu potřeb je dostatečně patrné, že moderní podnikové energetické informační systémy musí být co do možností tvorby zpráv mimořádně variabilní.
 

Strategie při přijímání opatření

Výsledky dosažené při používání energetických informačních systémů ve firmách ve Velké Británii ukazují, že takový systém, je-li správně proveden, umožní ušetřit 5 až 15 % ročních výdajů za energii. Pro začátek je přiměřeným odhadem úspora ve výši asi 8 % [1].
 
Uvedený údaj, tj. 8 %, představuje typickou výši úspory, kterou přinese jen samotné zavedení energetického informačního systému a opatření přijatých na základě výstupů z tohoto nástroje. Nejvíce se o zkušenostech s použitím nástrojů tohoto typu v praxi lze dozvědět u neziskové britské organizace Carbon Trust.
 
Dalších úspor lze dosáhnout při vynaložení investičních nákladů, např. nákupem a instalací úspornějších hořáků a kotlů, předehřívačů atd.
 
Strategie používané pro dosažení úspor energie lze typově rozdělit do čtyř kategorií – odstranění, kombinace, změna (aktérů, místa, sekvence) a zlepšení – dále stručně charakterizovaných.
 

Odstranění

Obecně je třeba si položit otázku, zda jsou určitá zařízení či části závodu skutečně potřebné, nebo zda je možné je nahradit. Jako jednoduchý příklad lze uvést např. odstranění nevyužívaného potrubí.
 

Kombinace

Známou kombinovanou metodou je tzv. kogenerace (Combined Heat and Power – CHP), spočívající v současné výrobě elektrické energie a tepla v jednom výkonném zařízení s velkou celkovou účinností. Jiným příkladem je využití tepla obsaženého ve stlačeném vzduchu produkovaném kompresory např. k předehřevu jiných vzdušnin v závodě.
 

Změna zařízení, osob, místa nebo pořadí činností

Významných úspor energie lze dosáhnout výměnou zařízení – tedy jestliže je nové zařízení dostatečně energeticky efektivnější než dosavadní. Změna osob či místa nebo pořadí činností mohou uspořit energii v důsledku použití kvalifikovanějšího personálu či vykonávání činností na jiném místě nebo v jiném pořadí, lepších ve smyslu menší spotřeby energie. V praxi je tato strategie šetření energií realizována např. tak, že produkt nesplňující specifikaci přepracuje osoba s dostatečnou zkušeností na místě vybaveném zařízením odpovídající úrovně.
 

Zlepšení

V současnosti je většina úloh v oblasti hospodaření s energií zaměřena na zmenšení spotřeby energie v současném technologickém zařízení, což je investičně nejméně náročné. Z praxe lze uvést např. minimalizaci přebytků vzduchu při spalování, snižování teplot médií a materiálů na přípustná technologická minima atd. Zlepšování energetické účinnosti se občas neobejde bez velkých investic. Například zlepšit tepelnou izolaci může být sice nákladné, ale rovněž tak může být velká dosažená úspora energie a navíc může být dosaženo i lepší kvality produktu.
 
Literatura:
[1] HOOKE, J. H. – LANDRY, B. J. – HART, D.: Energy management information systems: achieving improved energy efficiency: a handbook for managers, engineers and operational staff. Office of Energy Efficiency of Natural Resources Canada, 2014.
 
Obr. 1. Cyklus procesu hospodaření s energií
Obr. 2. Řídicí graf pro sledování odchylek od předem stanoveného cíle: při překročení kontrolních mezí lze generovat výstrahu
Obr. 3. Graf kumulovaných součtů (CUSUM) funguje jako totalizátor a umožňuje zjistit dosaženou úsporu 1
Obr. 4. Typická struktura rozsáhlého informačního systému pro sledování spotřeby energií (EMS – Energy Monitoring System; zdroj: Endress+Hauser)
Obr. 5. Obvyklí adresáti zpráv o hospodaření s energií ve firmě