Energeticky úsporné elektrické pohony

„Nice to have“? Spíš otázka ekonomicky a ekologicky zdravého rozumu

U elektrických pohonů máme řadu možností, jak při jejich provozu výrazně ušetřit. S účinnými motory, vhodnými měniči a moderními aplikacemi IIoT (industrial internet of things) lze významně snížit emise CO₂, zefektivnit využití zdrojů a snížit náklady na životní cyklus. Přibližně 80 % veškeré energie, kterou spotřebují současné elektrické pohony, připadá na středně velké elektromotory, jejichž energetická účinnost obvykle nesplňuje současné standardy a které bývají pro danou aplikaci většinou zbytečně předimenzované. Náklady na energii, kterou motor spotřebuje během svého života, přitom tvoří až 97 % celkových provozních nákladů. Najít řešení, které by co nejvíce zvýšilo účinnost elektromotorů, je tedy stejně tak otázkou ekonomickou jako ekologickou.

S elektrickými pohony se dnes setkáme prakticky na každém kroku, zejména v průmyslu a ve stavebnictví, například v čerpadlech, kompresorech a klimatizačních systémech, v jeřábech, výtazích či dopravních pásech. Průmysl se přitom na celosvětové spotřebě elektrické energie podílí více než jednou třetinou a z toho téměř 70 % tohoto podílu připadá právě na elektromotory.

Dalších přibližně 30 % světové spotřeby elektrické energie mají na svědomí budovy, kde elektromotory přispívají k tomuto podílu 38 %. A poptávka roste: podle předpovědí se současný celosvětový hospodářský výkon do roku 2050 zdvojnásobí. A spolu s tím se bude zvyšovat i poptávka po elektrických pohonech. Současně se tak bude otvírat i prostor pro úspory, a to díky chytrým systémovým řešením. Nejnovější studie uvádějí, že pokud si pořídíte nový elektrický pohon, můžete v průměru ušetřit až 30 % nákladů na energii.

Ochrana klimatu a hospodářský růst

V rámci Pařížské klimatické dohody z roku 2015 se 196 zemí zavázalo zpomalit globální oteplování. Proti tomu ale působí megatrendy, jako je urbanizace, mobilita a automatizace, které nezadržitelně zvyšují každodenní spotřebu energie. Snahy o zvýšení energetické účinnosti se nyní proto dostaly při prosazování Pařížské dohody do praxe do centra zájmu. Po celém světě se zavádějí nové směrnice, které se zabývají právě úsporným provozem elektromotorů – například v Evropské unii, v USA a v Číně. Konkrétně nové evropské směrnice stanovují cíl snížit do roku 2030 emise CO2 o 40 milionů tun. Prostředkem k dosažení tohoto cíle má být povinné zavádění úsporných technologií. Čína si stanovila za cíl snížit do roku 2025 spotřebu energie vzhledem k HDP o 13,5 % a emise CO₂ o 18 %.

Situace je taková, že v současné době se přibližně 75 % elektromotorů nachází v čerpadlech, ventilátorech a kompresorech, které jsou ale většinou ještě v souladu se starými standardy účinnosti IE1 nebo IE2. Pro nově instalované elektromotory je však již v řadě zemí stanovena minimální třída účinnosti IE3. Společnost Siemens jde v tomto ale ještě dál: její současné portfolio elektromotorů splňuje ještě vyšší třídu účinnosti IE4 (Super Premium Efficiency) a ukazuje tím trhu, že je po technické stránce již dostupná a používá se.

Ve srovnání s elektromotory třídy IE3 tyto vykazují další výrazné snížení ztrát výkonu. Pouhou výměnou motoru tedy lze dosáhnout v průměru až 6 % úspor energie. U regulovaných pohonů je přitom potenciál úspor ve srovnání s neregulovanými pohony s pevně danou rychlostí v mnoha případech ještě mnohem vyšší. V závislosti na aplikaci tak lze zvýšit účinnost až o 30 %, a to i při výkyvech v dodávce energie.

Klíč k vyšší energetické účinnosti je v celém systému

I když tato dílčí opatření vedou k dosažení značných úspor, nejvíce se tento efekt projeví v případě optimalizace celého systému. Pokud se podaří zvýšit účinnost motoru, přidá se možnost regulovat otáčky a implementuje se celkový monitoring, založený na moderních digitálních nástrojích, náklady na energie lze snížit až o 60 % (obr. 1).

Obr. 1. S energeticky účinnými komponenty a optimalizačním řešením lze v rámci celého systému pohonů ušetřit až 60 % nákladů

Síťová řešení a důsledná analýza systémových dat jsou nejlepšími řešeními, jak zvýšit energetickou účinnost na skutečně udržitelnou úroveň. S tím samozřejmě souvisí i zásadní snížení emisí CO₂, šetrné využívání zdrojů a výrazné snížení nákladů na životní cyklus zařízení (TCO, Total Cost of Ownership). Investice do řešení, která zajistí větší účinnost a produktivitu, se proto těsně dotýkají otázek ekologické i ekonomické udržitelnosti.

Produkty, které Siemens nabízí v rámci svého portfolia, splňují všechny předpoklady tohoto konceptu – jsou to například úsporné motory SIMOTICS, vysoce výkonné měniče SINAMICS a dokonale vyladěná digitalizační řešení, která také přispívají svým dílem k optimalizaci celkové energetické účinnosti nových systémů. Určitě ale není nutné si v každé situaci hned pořizovat nové systémy. I ty starší lze často vhodným dovybavením upravit tak, aby byly energeticky úsporné.

Obr. 2. Příklad výpočtu pomocí Siemens SinaSave: motor třídy účinnosti IE2 s ovládáním škrticí klapky ve srovnání se synchronním reluktančním motorem (IE4) a převodníkem SINAMICS G120

Pohon na míru každé aplikaci

Moderní měniče frekvence a vysoce účinné motory mohou v typických průmyslových aplikacích, jako jsou čerpadla, ventilátory nebo kompresory, v porovnání s neregulovanými starými systémy ušetřit až 30 % energie. Na příkladu konkrétních řešení je vidět, že tuto úsporu lze zvýšit až na 45 % zapojením optimalizovaného řešení pohonu, v tomto případě čerpadla. Systém obsahuje měnič, který zajišťuje energetickou úspornost pohonu i při částečném zatížení tím, že přizpůsobuje otáčky a točivý moment aktuálním požadavkům na zatížení. To znamená, že každá aplikace má vždy nastaven přesně takový výkon, jaký vyžaduje.

Většina současných systémů pro čerpadlové aplikace většinou odpovídá třídě účinnosti IE1 nebo IE2. Výkon použitých motorů se většinou reguluje přiškrcováním, při kterém vzniká značné množství odpadního tepla, a tedy velké energetické ztráty. Tato zařízení ale již brzy nebudou moci být v řadě zemí certifikována. To je vcelku pochopitelné. S použitím frekvenčně řízeného synchronního reluktančního motoru ve třídě účinnosti IE4 totiž lze dosáhnout energetických úspor přes 46 % a snížení emisí o 62 t CO₂ za rok.

Obr. 3. Digitální nástroje nabízejí možnosti snížit emise CO2 v celém systému pohonů – a současně snižují náklady na životní cyklus

Optimalizace digitálních procesů

Čím specifičtější a rozmanitější jsou aplikace a komponenty, tím složitější může být celý systém. Proto je zejména v průmyslovém prostředí potřeba volit přístupy, které detailně zohlední systém se všemi jeho interakcemi a synergickými efekty a dokážou jej optimálně sladit. Základem jsou chytré snímače a analytické nástroje, které monitorují, harmonizují a zlepšují všechny procesní toky a jsou součástí systémového přístupu vyšší úrovně. Chytré snímače, jako je SIMOTICS CONNECT 400, umožňují analyzovat připojené elektromotory již na úrovni samotného motoru. Moderní měniče obvykle vůbec nepotřebují další externí snímače, protože jsou jimi buď samy přímo vybaveny, nebo umí konkrétní parametry systému vyhodnocovat napřímo a předávat je dál. Siemens nabízí také nástroje přímo na úrovni digitalizace, jako je SIDRIVE IQ Fleet nebo Analyze MyDrives, s jejichž pomocí lze získaná data vyhodnocovat, vytvářet vizualizace, simulace a rovnou doporučovat další akce.

Již ve fázi plánování lze prostřednictvím virtuálních simulací jednotlivých komponent pohonů identifikovat chyby ve výběru a dimenzování. Sběr a analýza dat přímo během provozu jsou zajištěny prostřednictvím připojení ke cloudovým a edge průmyslovým aplikacím. Ve výrobě pomáhají digitalizační řešení pohonů včas rozpoznávat možné problémy, a tím zamezovat vzniku poruch. Sběr dat z jednotlivých komponent pohonu může odhalit i nepřímé efekty, které s pohonem nesouvisejí. Tímto způsobem lze celý provoz v propojeném systému průběžně optimalizovat – jednoduše a bez odborných znalostí.

Na základě zkušeností přímo z provozů lze říci, že s použitím chytrých snímačů a aplikací pro analýzu dat složitých procesů je možné ušetřit až 10 % energie. Díky Predictive Maintenance Services, tj. služeb prediktivní údržby, založených na IIoT síti, lze prodloužit životnost komponentů až o 30 % a zvýšit jejich produktivitu o 8 až 12 %.

Pozitivní je i to, že v rámci smluvních závazků ohledně energetické účinnosti pohonů lze úspory nákladů na energii přímo využít k refinancování optimalizačních opatření. Projekty, realizované v Siemens, probíhají ve čtyřech stupních a díky jasně stanoveným závazkům ohledně úspor se tak pro zákazníka snižují investiční rizika na minimum. Prostředky na investice se tedy získávají samofinancováním z úspor v nákladech na energii – vše se tak obejde bez omezení peněžních toků nebo použití dalších úvěrů.

Obr. 4. Elektromotory udávající budoucí trendy vývoje nízkonapěťových motorů

Využijte energii ještě jednou

Důležitým momentem v procesu zvyšování energetické účinnosti celého systému je řešení ukládání energie. Například společnost Erfeba lngo Kneer vnesla do oblasti energetické účinnosti nový standard tím, že vytvořila nový způsob skladování elektrických pohonů ve vysokoregálovém úložném systému: úložný a vyhledávací systém společnosti Erfeba je plně vybaven řízenými elektrickými pohony SINAMICS S120 od společnosti Siemens. Součástí systému je generátor, který umožňuje, aby pohony mohly během skladování a vyhledávání kazet opakovaně převádět a využívat kinetickou energii akceleračních a brzdných procesů: je to jako horská dráha s gondolou pohybující se nahoru a dolů – jen mnohem flexibilnější. V jednom konkrétním případě se podařilo snížit energetickou náročnost systému o 64 % a hodnotu připojení o 60 %.

Dokonce i mimo oblast skladování a dopravy lze při skladování energie a v energetických sítích ušetřit obrovské množství energie – v podstatě jde o všechna průmyslová odvětví a aplikace, kde elektromotory pohybují velkými hmotami v opačných směrech. Například v papírenském průmyslu, kde se brzdná energie odvíječe převádí na kinetickou energii pohonů.

Dívat se na celý systém jako na jeden celek je dobré ve všech průmyslových odvětvích, ve kterých se používají elektrické pohony: nejde totiž jen o optimalizaci samotného elektrického pohonu, ale především o efektivní využití synergií mezi komponenty, a tím o dosažení co největšího přínosu v oblasti ochrany životního prostředí a v neposlední řadě i o ušetření peněz. Portfolio motorů, měničů a digitalizačních řešení společnosti Siemens nabízí optimální řešení pro současné i budoucí standardy energetické účinnosti – s možností nastavení nebo přestavení celého systému pohonů pro každou aplikaci, a to způsobem, který zohledňuje klimatickou udržitelnost.

Pro více informací navštivte: https://siemens.cz/nizkonapetove-motory