energetická účinnost

Transkript

EVROPSKÁ KOMISE
GENERÁLNÍ ŘEDITELSTVÍ SVS
SPOLEČNÉ VÝZKUMNÉ CENTRUM
Institut pro studium perspektivních technologií
Oddělení konkurenceschopnosti a udržitelnosti
Evropský úřad IPPC
Integrovaná prevence a omezování znečištění
znečištění
Referenční dokument
o nejlepších dostupných technikách v oblasti
energetická účinnost
červen 2008
2008
Ztráty při
tranformaci/přeměně
Ztráty při konečné spotřebě
Užitečná energie
Proces přeměny
Sekundární
energie
Konečná energie
Konečná spotřeba
Procesní teplo
Primární
energie
Přímé teplo
Hybná síla
Pro Ministerstvo průmyslu a obchodu přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Edificio EXPO, c/ Inca Garcilaso s/n, E-41092 Sevilla - Španělsko
telefon: přímá linka (+34-95) 4488-284, ústředna 4488-318. Fax: 4488-426.
Internet: http://eippcb.jrc.es; Email: [email protected]
Osvětlení
Ostatní
Tento dokument je jedním ze série níže uvedených dokumentů (v době zpracování dokumentu
byla dokončena první série těchto dokumentů a byly zahájeny revize):
Referenční dokument o nejlepších dostupných technikách pro . . .
Kód
Velká spalovací zařízení
LCP
Rafinérie ropy a plynu
REF
Výrobu železa a oceli
I&S
Průmysl zpracování železných kovů
FMP
Průmysl neželezných kovů
NFM
Kovárny a slévárny
SF
Povrchové zpracování kovů a plastů
STM
Výrobu cementu a vápna
CLM
Výrobu skla
GLS
Výrobu keramiky
CER
Velkobjemový průmysl organické chemie
LVOC
Výrobu jemných organických chemických látek
OFC
Výrobu polymerů
POL
Výrobu chlóru a alkálií
CAK
Velkobjemový průmysl anorganické chemie - amoniak, kyseliny a hnojiva
Velkobjemový průmysl organické chemie – pevné a ostatní látky
Výrobu zvláštních anorganických chemických látek
Společné čištění odpadních vod a odpadního plynu/systémy managementu
v chemickém sektoru
Zpracování odpadů
Spalování odpadů
Management hlušiny a odpadního kamene z těžebních činností
Průmysl papíru a celulózy
LVIC-AAF
LVIC-S
SIC
CWW
WT
WI
MTWR
PP
Textilní průmysl
TXT
Činění kůží a usní
TAN
Jatky a živočišné vedlejší produkty
SA
Potravinářský, nápojový a mlékárenský průmysl
FDM
Intenzívní chov drůbeže a prasat
IRPP
Povrchové zpracování pomocí organických rozpouštědel
STS
Průmyslové chladící systémy
ICS
Emise ze skladování
EFS
Energetickou účinnost
ENE
Referenční dokument pro . . .
Obecné principy monitoringu
Ekonomiku a mezisložkové vlivy
Elektronické verze návrhů dokumentů i jejich finálních verzí jsou k dispozici na
http://eippcb.jrc.es.
ii
MON
ECM
červen 2008
PT/EIPPCB/ENE Finální
pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Souhrn
SOUHRN
Tento referenční dokument o nejlepších dostupných technikách v energetické účinnosti (BREF
ENE) je výsledkem výměny informací, která proběhla dle Čl. 16, odst. 2 Směrnice č. 96/61/ES
(Směrnice o IPPC). Tento Souhrn popisuje hlavní poznatky a poskytuje přehled nejdůležitějších
závěrů v oblasti BAT. Je třeba jej číst spolu s Předmluvou, která vysvětluje cíle tohoto
dokumentu, tj. jak by se měl používat a jaké jsou právní podmínky. Je možné jej číst a chápat
jako samostatný dokument, ale protože se jedná o Souhrn, nelze v něm postihnout všechny
složitosti celého tohoto dokumentu BREF. Cílem Souhrnu tudíž není nahrazení celého tohoto
dokumentu jakožto nástroje při rozhodování o nejlepších dostupných technikách.
Energetická účinnost (ENE)
Energie je prioritní oblastí zájmu Evropské unie, a to ze tří vzájemně souvisejících důvodů:
•
•
•
Klimatické změny: spalování fosilních paliv za účelem uvolnění energie je hlavním
antropogenním zdrojem skleníkových plynů
Pokračující rozsáhlé využívání nenahraditelných fosilních paliv a potřeba dosáhnout
udržitelnosti
Zabezpečení dodávek: více než 50 % dodávek paliv a energie v EU tvoří dovoz a očekává
se, že v příštích 20 – 30 letech se tento podíl zvýší na více než 70 %.
Na nejvyšší politické úrovni tudíž existuje mnoho významných stanovisek, která se těmito
otázkami zabývají, např.:
„Naším záměrem je být společně lídry na cestě energetické politiky a ochrany klimatu a
přispívat k odvrácení hrozby globálních klimatických změn.“ Berlínská deklarace (Rada
ministrů, 50. výročí Římské smlouvy, Berlín, 25. března 2007).
Zvýšená účinnost při využívání energie je nejrychlejším, nejefektivnějším a nákladově
nejúčinnějším způsobem řešení těchto problémů. K realizaci energetické účinnosti (ENE)
existuje řada právních i ostatních nástrojů a tento dokument se zaměřuje právě na tyto ostatní
iniciativy.
Zmocnění pro práci na dokumentu
Pro tento dokument existuje konkrétní zmocnění vyplývající ze zvláštního požadavku, který byl
formulován ve Sdělení Komise o implementaci Evropského programu pro změnu klimatu
(European Climate Change Programme - ECCP) (COM(2001)580 final) v souvislosti
s energetickou účinností v průmyslových zařízeních. Tento Program požadoval, aby byla
prosazována efektivní implementace ustanovení Směrnice o IPPC, která se týkají energetické
účinnosti, a aby byl připraven zvláštní horizontální BREF (referenční dokument BAT), který by
řešil obecně použitelné techniky energetické účinnosti
Rozsah tohoto dokumentu
Směrnice o IPPC požaduje, aby všechna zařízení byla provozována tak, aby se energie
využívala efektivně, a jednou z otázek, které je třeba brát v úvahu při určování BAT pro daný
proces, je jeho energetická účinnost. Pro činnosti předepsané ve Směrnici o vytvoření systému
pro obchodování s povolenkami na emise skleníkových plynů (Směrnice Rady č. 2003/87/ES)
se členské státy mohou rozhodnout, že neuplatní požadavky týkající se energetické účinnosti na
spalovací nebo jiné jednotky emitující oxid uhličitý na daném místě. V takových případech se
však požadavky na energetickou účinnost i beztak vztahují na všechny ostatní navazující
činnosti na daném místě.
Tento dokument tudíž obsahuje ta vodítka a závěry týkající se technik energetické účinnosti, jež
jsou považovány za slučitelné s BAT v obecném smyslu, a to pro všechna zařízení, kterých se
týká Směrnice o IPPC. Tento dokument uvádí rovněž odkazy na dokumenty BREF, kde již byly
červen 2008
iii
Souhrn
konkrétní techniky energetické účinnosti popsány podrobněji, a lze je uplatnit i v ostatních
sektorech. Konkrétně:
•
•
BREF LCP popisuje energetickou účinnost týkající se spalování a zdůrazňuje, že tyto
techniky lze aplikovat na spalovací zařízení s kapacitou nižší než 50 MW
BREF CV popisuje průmyslové chladící systémy.
Tento dokument:
•
•
nezahrnuje informace, které jsou specifické pro procesy a činnosti v sektorech, kterými se
zabývají ostatní dokumenty BREF
neodvozuje BAT specifické pro jednotlivé sektory.
V Příloze 13 je však pro informaci uveden přehled nejlepších dostupných technik specifických
pro jednotlivé sektory a popsaných v jiných dokumentech BREF.
Tento dokument byl připraven na základě požadavku na realizaci ustanovení o energetické
účinnosti, která jsou uvedena ve Směrnici o IPPC. Za svou nejvyšší prioritu považuje
energetické využívání energie a tudíž nediskutuje o obnovitelných nebo udržitelných zdrojích
energie, které jsou probrány jinde. Je však důležité poznamenat, že využívání udržitelných
zdrojů energie a/nebo „odpadního“ či nadbytečného tepla může být více udržitelné než
využívání primárních paliv, dokonce i když je energetická účinnost při využití těchto zdrojů či
tepla nižší.
Struktura a obsah tohoto dokumentu
Energetická účinnost (ENE) je při povolování IPPC horizontální problematikou a jak již bylo
uvedeno v úvodu, struktura tohoto dokumentu není úplně standardní. Zejména kvůli široké
rozmanitosti probíraných průmyslových odvětví a činností zde není žádná kapitola zabývající se
spotřebami a emisemi. Pro některé techniky jsou zde uvedeny některé ukázkové hodnoty
možných energetických úspor, o kterých lze v souvislosti s BAT uvažovat a řada příkladů je
také v přílohách, které uživateli pomohou stanovit nejúčinnější techniky pro dosažení
energetické účinnosti v konkrétní situaci.
Kapitola 1 poskytuje určité základní informace o spotřebě energie v průmyslu a o energetické
účinnosti v souvislosti s IPPC. Zahrnuje také neodborný úvod do hlavních otázek, jako jsou
např.: ekonomie a mezisložkové vlivy, terminologie používaná v energetické účinnosti (např.
energie, teplo, práce, síla) a důležité zákony termodynamiky. Konkrétně první zákon
termodynamiky říká, že energii nelze ani vyrobit, ani zničit (lze ji jen přeměnit z jedné formy
v druhou). To znamená, že energii lze brát v úvahu v rámci určitého zařízení nebo procesu, což
umožňuje výpočet účinnosti. Druhý zákon termodynamiky říká, že žádná přeměna energie
nemůže vést ke 100% využitelné práce a že vždy dochází k určitým ztrátám ve formě tepla nebo
energie a tudíž žádný proces nebo stroj nemůže být účinný na 100 %. V kapitole jsou pak
popsány ukazatele (indikátory) energetické účinnosti, význam a problémy definování
energetické účinnosti a hranic systémů a jednotek, kterých se konkrétní energetická účinnost má
týkat. Kapitola také vyjadřuje potřebu optimalizovat energetickou účinnost na úrovni systémů a
závodů, nikoli na úrovni jednotlivých komponent.
Kapitola 2 se zabývá technikami dosažení energetické účinnosti, jež lze aplikovat na úrovni
závodu. Začíná popisem systémů managementu energetické účinnosti (ENEMS) a poté rozebírá
techniky, které vedou k naplnění takovéhoto systému. Jedná se o: význam plánování a investic
do integrovaného způsobu kontinuální minimalizace vlivů závodu na životní prostředí,
zvažování závodu a jeho systémů jako celku, využívání energeticky účinného designu a výběr
energeticky účinných procesních technologií pro nové a modernizované závody, zvyšování
energetické účinnosti pomocí vyšší integrace procesu a pravidelná aktualizace ENEMS.
Ostatními technikami, které podporují ENEMS, jsou udržování odbornosti zaměstnanců,
komunikace o otázkách energetické účinnosti, účinné řízení procesů a údržba, monitoring a
měření spotřeby energie, energetické audity, analytické nástroje, jako je např. PINCH, analýzy
iv
červen 2008
Souhrn
exergie a entalpie a termoekonomie, a monitoring a benchmarking úrovně energetické účinnosti
pro závody nebo procesy.
Kapitola 3 pojednává o technikách energetické účinnosti pro systémy, procesy a zařízení, jež
využívají energii, např. spalování, pára, získávání tepla, kogenerace, dodávky elektrické
energie, subsystémy poháněné elektromotory, čerpací systémy, vytápění, klimatizace a
ventilace, osvětlení a sušení a separace.
Nejlepší dostupné techniky
Kapitola o BAT (kapitola 4) popisuje techniky, které jsou považovány za BAT na evropské
úrovni, a to na základě informací obsažených v kapitolách 2 a 3.
Z tohoto horizontálního dokumentu nelze odvozovat žádné hodnoty energetických úspor nebo
energetické účinnosti. BAT týkající se energetické účinnosti a specifické pro konkrétní procesy,
včetně související spotřeby energie, jsou popsány v příslušných sektorových (vertikálních)
dokumentech BREF. BAT pro konkrétní závod je tudíž kombinací konkrétní BAT z příslušného
sektorového dokumentu BREF, konkrétních BAT pro navazující činnosti, které lze najít
v ostatních vertikálních BREFech (např. BREF LCP pro spalování a páru) a obecně použitelné
nejlepší dostupné techniky popsané v tomto dokumentu.
Účelem Směrnice o IPPC je dosáhnout integrované prevence a omezování znečištění a tím
následně i vysoké úrovně ochrany životního prostředí jako celku, včetně energetické účinnosti
a uvážlivého managementu přírodních zdrojů. Tato Směrnice stanoví povolovací systém pro
specifikovaná průmyslová zařízení, který požaduje, aby jak provozovatelé, tak i regulační
orgány zaujali integrovaný komplexní pohled na potenciál daného závodu v oblasti spotřeby a
znečišťování. Základním cílem takového integrovaného přístupu musí být zlepšování designu,
projektu a stavby, managementu a řízení průmyslových procesů a tím zajištění vysoké úrovně
ochrany životního prostředí jako celku. Jádrem tohoto přístupu je obecný princip uvedený
v Článku 3, tj. že provozovatelé by měli přijmout veškerá vhodná preventivní opatření proti
znečištění, zejména prostřednictvím aplikace nejlepších dostupných technik, které jim umožní
zlepšit svůj environmentální výkon, a to včetně energetické účinnosti.
Příloha IV Směrnice o IPPC navíc obsahuje seznam „aspektů, které je třeba vzít v úvahu,
obecně nebo v konkrétních případech, při určování nejlepších dostupných technik, kdy se do
posouzení zahrnují pravděpodobné náklady a přínosy určitého opatření a také zásady předběžné
opatrnosti a prevence.“ Tyto aspekty zahrnují i informace publikované Komisí dle Čl. 16 odst. 2
v dokumentech BREF.
Po kompetentních orgánech, které jsou odpovědné za vydávání povolení, se požaduje, aby při
určování podmínek každého povolení zohlednily obecné zásady uvedené v Článku 3. Tyto
podmínky musí zahrnovat limitní emisní hodnoty, v případě potřeby doplněné nebo nahrazené
ekvivalentními parametry nebo technickými opatřeními. Podle Článku 9, odst. 4 Směrnice:
(aniž by bylo dotčeno plnění standardů environmentální kvality), hodnoty emisních limitů,
ekvivalentní parametry a technická opatření vycházejí z nejlepších dostupných technik, aniž by
se předepisovalo použití jakékoli techniky nebo konkrétní technologie, ale berou se v úvahu
technické charakteristiky příslušného zařízení, jeho geografické umístění a místní
environmentální podmínky. Za všech okolní však povolení musí zahrnovat ustanovení
o minimalizaci dálkového nebo přeshraničního znečištění a musí zajišťovat vysokou úroveň
ochrany životního prostředí jako celku.
Členské státy mají dle Článku 11 Směrnice povinnost zajistit, aby kompetentní orgány
sledovaly vývoj v oblasti nejlepších dostupných technik nebo o něm byly informovány.
Informace uvedené v tomto dokumentu je třeba používat jako vstup do procesu určování BAT
pro energetickou účinnost v konkrétních případech. Při určování BAT a podmínek konkrétního
červen 2008
v
Souhrn
povolení, které z BAT vycházejí, by se vždy měl brát v úvahu celkový cíl, tj. dosažení vysoké
úrovně ochrany životního prostředí jako celku, včetně energetické účinnosti.
Kapitola o BAT (kap. 4) uvádí techniky, které jsou považovány za kompatibilní s BAT
v obecném smyslu. Účelem je poskytnout obecné poznatky o technikách energetické účinnosti,
které lze považovat za vhodný referenční bod, který pomůže při určování podmínek povolení,
jež má vycházet z BAT, anebo pro zavedení obecných závazných pravidel dle Článku 9 odst. 8.
Mělo by se však zdůraznit, že tento dokument nenavrhuje hodnoty energetické účinnosti pro
povolení. Předpokládá se, že nová zařízení lze projektovat tak, aby dosahovala zde
prezentovaných obecných úrovní BAT nebo dokonce lepších výsledků. Rovněž se má za to, že
stávající závody by se mohly úrovním BAT přiblížit, nebo je dokonce překonat, a to za
předpokladu technické a ekonomické aplikovatelnosti těchto technik v každém konkrétním
případě. U stávajících zařízení je rovněž třeba zohlednit ekonomickou a technickou
životaschopnost jejich případné modernizace.
Techniky uvedené v Kapitole 4 nebudou nutně vhodné pro všechny závody. Na druhé straně
povinnost zajistit vysokou úroveň ochrany životního prostředí včetně minimalizace dálkového
a přeshraničního znečištění znamená, že podmínky povolení nelze stanovit výhradně na základě
místních okolností. Je tedy nanejvýš důležité, aby povolovací orgány braly informace obsažené
v tomto dokumentu plně v úvahu.
Je důležité mít význam energetické účinnosti na paměti. Nicméně „dokonce i jediný cíl, kterým
je zajištění vysoké úrovně ochrany životního prostředí jako celku, bude často představovat
kompromisní posuzování a porovnávání různých druhů vlivů na životní prostředí a tato
posuzování budou často ovlivňovat místní okolnosti“. V důsledku toho:
•
•
•
•
•
možná nebude vždy možné maximalizovat energetické účinnosti všech činností a/nebo
systémů v závodě zároveň
možná nebude vždy možné maximalizovat celkovou energetickou účinnost a zároveň i
minimalizovat ostatní spotřeby a emise (např. nemusí být možné snížit emise do ovzduší
bez použití energie)
energetická účinnost jednoho nebo více systémů se někdy musí deoptimalizovat, aby se
dosáhlo celkové maximální účinnosti daného závodu.
Je nutné udržovat rovnováhu mezi maximalizací energetické účinnosti a ostatními
faktory, jako je kvalita produktů, stabilita procesu atd.
Využití udržitelných energetických zdrojů a/nebo „odpadního“ či nadbytečného tepla
může být udržitelnější než používání primárních paliv, dokonce i když by energetická
účinnost využití takových zdrojů nebo tepla byla nižší.
Techniky energetické účinnosti jsou tedy navrženy jako „optimalizace energetické
účinnosti“.
Horizontální přístup k energetické účinnosti ve všech sektorech IPPC vychází z předpokladu, že
energie se používá ve všech závodech a že běžné systémy a zařízení se vyskytují v mnoha
sektorech IPPC. Obecně použitelné možnosti zvyšování energetické účinnosti lze tudíž určovat
nezávisle na konkrétní činnosti. Na tomto základě lze odvodit BAT, které zahrnují
nejefektivnější opatření k dosažení vysoké úrovně energetické účinnosti jako celku. Protože je
tento dokument BREF horizontální, je třeba BAT stanovit šířeji než u horizontálních BREFů a
vzít v úvahu interakci mezi procesy, jednotkami a systémy v rámci dané lokality.
Nejlepší dostupné techniky energetické účinnosti specifické pro konkrétní procesy a na ně
navazující úrovně spotřeby energie jsou uvedeny v příslušných „vertikálních“ sektorových
dokumentech BREF. Protože první série BREFů již byla dokončena, jsou tyto techniky shrnuty
v Příloze 13.
vi
červen 2008
Souhrn
Ani tato kapitola o BAT (kap. 4), ani kapitoly 2 a 3 neuvádějí vyčerpávající seznam technik, o
kterých lze uvažovat. Mohou existovat nebo se vyvíjet i další techniky, které mohou být v rámci
IPPC a BAT stejně vhodné.
Implementace BAT v nových nebo podstatně modernizovaných závodech nebo procesech
obvykle nebývá problém. Ve většině případů má ekonomický smysl energetickou účinnost
optimalizovat. V rámci stávajícího závodu není implementace BAT zpravidla jednoduchá, a to
vzhledem k existující infrastruktuře a místním okolnostem – je třeba vzít v úvahu ekonomickou
a technickou životaschopnost modernizace těchto závodů. V kapitolách 2 a 3 je probrána
aplikovatelnost technik a ta je pak pro každou BAT shrnuta v kapitole 4.
Tento dokument však obecně nerozlišuje mezi novými a stávajícími závody. Takové rozlišení
by nepovzbudilo provozovatele průmyslových závodů k tomu, aby zaváděli BAT. S opatřeními
v oblasti energetické účinnosti je obecně spojena určitá návratnost a vzhledem k velkému
významu energetické účinnosti je k dispozici mnoho nástrojů pro implementaci energetické
politiky, včetně finančních pobídek. O některých z nich se hovoří v přílohách.
Některé techniky jsou velmi žádoucí a také se často realizují, ale je možné, že budou vyžadovat
dostupnost a spolupráci třetí strany (např. kogenerace), o čemž Směrnice o IPPC neuvažuje. Je
třeba poznamenat, že spolupráce a dohoda se třetími stranami nemusí být vždy nutně pod
kontrolou provozovatele a tudíž možná nebude spadat do rámce povolení IPPC.
Obecné BAT pro dosažení energetické účinnosti na úrovni závodu
Klíčovým prvkem pro dosažení energetické účinnosti na úrovni závodu je přístup
managementu. Ostatní BAT aplikované na úrovni jednotlivých provozů podporují management
energetické účinnosti a poskytují větší podrobnosti o technikách potřebných k jejímu dosažení.
Tyto techniky lze aplikovat ve všech závodech. Rozsah (např. míra podrobností, frekvence
optimalizací, systémy, které je třeba zvažovat) a použité techniky budou záviset na velikosti a
složitosti závodu a na požadavcích na energie v jednotlivých složkových systémech.
Management energetické účinnosti
BAT má implementovat a naplňovat Systém managementu energetické účinnosti (ENEMS),
který dle místních okolností zahrnuje tyto prvky:
• závazek nejvyššího managementu
• definice politiky energetické účinnosti pro daný závod formulovaná nejvyšším
managementem
• plánování a stanovování cílů a cílových stavů
• implementace a provoz postupů a procedur, zejména: struktury a odpovědnosti
personálu; oblasti školení, povědomí a kompetence; komunikace; zapojení
zaměstnanců; vedení dokumentace; účinného řízení procesů; programů údržby;
připravenosti a reakce na havarijní situace; zajištění plnění legislativy a dohod (pokud
existují) v oblasti energetické účinnosti
• benchmarking
• kontrola a nápravná opatření, se zvláštním zřetelem na: monitoring a měření; nápravná
a preventivní opatření; vedení záznamů; nezávislé interní audity (tam, kde je to
proveditelné) s cílem zjistit, zda ENEMS splňuje své plánované cíle a je řádně
implementován a udržován
• pravidelné revize ENEMS z hlediska toho, zda je i nadále vhodný, adekvátní a efektivní
(provede nejvyšší management)
• již při projektování nové jednotky zvažovat vliv vyřazení daného zařízení z provozu na
životní prostředí
• vývoj energeticky účinných technologií a sledování vývoje technik energetické
účinnosti.
červen 2008
vii
Souhrn
ENEMS může také zahrnovat následující kroky:
•
přípravu a publikování (s externí validací nebo bez ní) pravidelného prohlášení o
energetické účinnosti, které umožní každoroční srovnání s cíli a cílovými stavy
•
externí přezkoumání a validace systému managementu a postupu auditu
•
implementace a naplňování národně nebo mezinárodně akceptovaného dobrovolného
systému managementu pro energetickou účinnost.
Kontinuální zlepšování v environmentální oblasti
BAT má neustále minimalizovat vliv závodu na životní prostředí pomocí plánování činnosti
a investic na integrovaném základě a v krátkodobém, střednědobém a dlouhodobém
horizontu, přičemž je třeba brát v úvahu náklady a výnosy i mezisložkové vlivy.
Lze aplikovat ve všech závodech. „Kontinuálně“ znamená, že se činnosti nebo akce (tj.
plánování) v čase opakují, tj. všechna plánovací a investiční rozhodnutí by měla brát v úvahu
celkovou dlouhodobou snahu u snížení vlivu provozu na životní prostředí. Zlepšení mohou být
jednorázová a nikoli lineární a je třeba zohlednit i mezisložkové vlivy, jako je třeba vyšší
spotřeba energie na snižování emisí do ovzduší. Vlivy na životní prostředí nelze nikdy snížit na
nulu a v čase se jednou dospěje do bodu, kdy další akce již nepřinesou téměř žádné úspory a
přínosy. Během delšího období se však mohou změnit technologie i náklady a tím i
životaschopnost.
Zjišťování aspektů energetické účinnosti závodu a příležitostí k úsporám energie
BAT má pomocí auditu zjišťovat ty aspekty závodu, které mají vliv na energetickou
účinnost. Je důležité, aby byl audit v souladu se systémovým přístupem.
Lze aplikovat ve všech závodech, před plánováním modernizací nebo přestaveb. Audit může být
interní nebo externí.
Při provádění auditu má BAT zajistit, že audit zjistí tyto aspekty:
• druh a množství energie používané v závodě a jeho komponentních složkách a
procesech
• zařízení používající energii, druh a množství používané energie
• možnosti minimalizace používané energie, např.:
°
řízení nebo zkrácení provozní doby, např. vypínání v době, kdy se zařízení
nepoužívá
°
zajištění optimální izolace
°
optimalizace služeb, navazujících systémů a procesů (viz BAT pro systémy
používající energii)
• možnosti využití alternativních zdrojů nebo využití energie, která je účinnější, zejména
energie navíc z ostatních procesů a/nebo systémů
• možnosti zvýšení kvality tepla.
BAT má využívat vhodné nástroje nebo metodiku pro určování a kvantifikaci energetické
optimalizace, např.:
• Energetické modely, databáze a bilance
• Techniku, jako je např. technologie PINCH, analýza exergie nebo entalpie nebo tzv.
termo-ekonomie
• Odhady a výpočty.
• Volba vhodných nástrojů závisí na sektoru a složitosti provozu a je popsána
v příslušných kapitolách.
BAT má zjišťovat příležitosti k optimalizaci získávání energie v rámci závodu, mezi
systémy v závodě a/nebo s třetí stranou (stranami).
Tato BAT závisí na existenci vhodného využití pro nadbytečné teplo, jeho druhu a množství,
které lze získávat.
viii
červen 2008
Souhrn
Systémový přístup k energetickému managementu
BAT má optimalizovat energetickou účinnost tím, že se zaujme systémový přístup
k energetickému managementu v závodě. Systémy, které je třeba vzít v úvahu při
optimalizaci jako celku, jsou např..
• Procesní jednotky (viz sektorové dokumenty BREF)
• Systémy vytápění (pára, horká voda)
• Chlazení a vakuum (viz BREF CV)
• Systémy poháněné motory (stlačený vzduch, čerpání)
• Osvětlení
• Sušení.
Vytýčení a revidování cílů a ukazatelů v oblasti energetické účinnosti
BAT má zavést ukazatele energetické účinnosti a to prostřednictvím:
• stanovení vhodných ukazatelů energetické účinnosti pro závod a v případě potřeby i pro
jednotlivé procesy, systémy a/nebo jednotky a měření jejich změn v čase nebo po
zavedení opatření v oblasti energetické účinnosti
• stanovení a zaznamenání vhodných hranic ve spojení s každým ukazatelem
• zjištění a zaznamenání faktorů, které mohou způsobovat kolísání energetické účinnosti
příslušného procesu, systémů a/nebo jednotek
Finální energie se obvykle používají k monitoringu probíhajících situací. V některých případech
se pro každý proces může použít více než jeden ukazatel finální energie (např. jak pára, tak i
elektřina). Když se rozhoduje o použití (nebo změně) vektorů energie a médií či služeb, může
být ukazatelem sekundární energie. Lze však použít i další ukazatele, jako je primární energie
nebo uhlíková bilance, aby bylo možné vzít v úvahu účinnost produkce vektoru energie a jeho
mezisložkových vlivů, v závislosti na místních okolnostech.
Benchmarking
BAT má představovat provádění systematických a pravidelných srovnání se sektorovými,
národními nebo regionálními mezníky (benchmarks) – tam, kde jsou k dispozici příslušné
údaje.
Období mezi jednotlivými benchmarkingy je pro každý sektor specifické a většinou je to
několik let, protože data týkající se benchmarkingu se v krátkém časovém období podstatně
nebo rapidně změní jen zřídka.
Energeticky účinný design (EED)
BAT má optimalizovat energetickou účinnost při projektování nového závodu, jednotky
nebo systému anebo při podstatné modernizaci, přičemž se bere v úvahu toto:
• energeticky účinný design (EED) by měl být iniciován již v raných fázích koncepčního
návrhu či ve fázi základního návrhu, dokonce i když plánované investice možná nejsou
v té době ještě úplně definovány, a měl by se rozhodně vzít v úvahu i při
vyhodnocování výběrového řízení
• rozvoj a/nebo selekce energeticky účinných technologií
• možná bude třeba provést dodatečný sběr dat (jako součást projektu anebo zvlášť), aby
se doplnila existující data nebo se vyplnily mezery v potřebných znalostech
• práci na EED by měl provádět odborník na energetiku
• počáteční zmapování spotřeby energie by se také mělo zabývat tím, které strany
v projektových organizacích ovlivňují budoucí spotřebu energie a optimalizovat EED
budoucího zařízení spolu s nimi. Např. zaměstnanci stávajícího závodu, kteří mohou být
odpovědní za specifikování provozních parametrů.
Tam, kde nejsou k dispozici odborné znalosti v rámci firmy (např. v odvětvích méně náročných
na spotřebu energie), měl by se vyhledat externí odborník na energetiku.
červen 2008
ix
Souhrn
Vyšší integrace procesu
BAT má usilovat o optimalizaci využití energie mezi více než jedním procesem nebo
systémem v rámci závodu nebo ve vztahu ke třetí straně.
Dlouhodobé udržení podnětů a pobídek pro iniciativy v oblasti energetické účinnosti
BAT má udržovat podněty a pobídky programu energetické účinnosti, a to pomocí široké
škály technik, např.:
• zavedením konkrétního systému energetického managementu
• zohledněním množství používané energie na základě skutečných (naměřených) hodnot,
čímž přechází břímě odpovědnosti za energetickou účinnost na uživatele, resp. plátce
účtů
• vytvořením center finančního zisku z energetické účinnosti
• prostřednictvím benchmarkingu
• pomocí nového pohledu na stávající systémy managementu
• využitím technik patřících do managementu změn.
První tři techniky se aplikují podle dat v příslušných sekcích. Poslední tři techniky by se měly
aplikovat s dostatečným odstupem, aby bylo možné posoudit pokrok energetického programu,
tj. několik let.
Péče o zachování odbornosti
BAT má pečovat o zachování odbornosti v energetické účinnosti a v systémech, kde se
používá energie, a to např. pomocí těchto technik:
• nábor zkušených pracovníků a/nebo proškolení pracovníků stávajících. Školení mohou
vést interní zaměstnanci, externisté, anebo lze provést formální kursy, případně
samostudium
• pravidelné zařazování pracovníků na akce, při nichž provádějí konkrétní šetření nebo
šetření za pevně stanovených podmínek (ve svém původním závodě nebo v jiném)
• sdílení společných firemních zdrojů mezi stanovišti/závody
• využití konzultantů s vhodnými zkušenostmi k šetření za pevně stanovených podmínek
• outsourcing specializovaných systémů a/nebo funkcí.
Účinné řízení procesů
BAT má zajistit, aby účinné řízení procesů bylo realizováno např. pomocí těchto technik:
• mít k dispozici systémy, které zajistí, aby postupy a procedury byly známé, chápané a
dodržovaly se
• zajistit, aby klíčové parametry výkonu byly identifikovány, optimalizovány na
energetickou účinnost a monitorovány
• zdokumentování a zaznamenání těchto parametrů.
Údržba
BAT má v závodech provádět údržbu s cílem optimalizovat energetickou účinnost
prostřednictvím aplikace všech těchto technik:
• jasně stanovit odpovědnost za plánování a výkon údržby
• zavedení strukturovaného programu údržby vycházejícího z technických popisů
zařízení, norem atd. i z jakýchkoli případných selhání těchto zařízení a jejich důsledků.
Některé činnosti údržby je lepší naplánovat na období odstávky zařízení.
• podpora programu údržby prostřednictvím vhodných záznamových systémů
a diagnostického testování
• při rutinní údržbě, haváriích a/nebo nestandardních situacích zjišťovat možné ztráty
energetické účinnosti nebo možnosti jejího zvýšení
• zjišťování úniků, rozbitého zařízení, opotřebovaných ložisek atd., které ovlivňují nebo
kontrolují používání energie a napravení situace při nejbližší možné příležitosti.
x
červen 2008
Souhrn
Promptní provádění oprav je třeba vyrovnávat se zachováním kvality produktů a stability
procesů, i s otázkami bezpečnosti a ochrany zdraví.
Monitoring a měření
BAT má zavést a uchovávat zdokumentované postupy pravidelného monitoringu a měření
nejdůležitějších charakteristik operací a činností, které mohou mít výrazný dopad na
energetickou účinnost. Některé vhodné techniky jsou popsány v tomto dokumentu.
Nejlepší dostupné techniky pro dosažení energetické účinnosti v systémech používajících
energii, procesech nebo činnostech
Výše uvedené obecné BAT hovoří o tom, jak je důležité pohlížet na závod jako na celek a
posuzovat potřeby a účely různých systémů, s nimi spojených energií a interakcí. Zahrnují mj.:
•
analýzu a benchmarking systému a jeho výkonu
•
plánování akcí investic do optimalizace energetické účinnosti, přičemž se berou v úvahu
nákladová účinnost a mezisložkové vlivy
•
u nových systémů optimalizace energetické účinnosti při projektování závodu, jednotky
nebo systému a při výběru procesů
•
u stávajících systémů optimalizace energetické účinnosti systému prostřednictvím jeho
provozování a managementu, včetně pravidelného monitoringu a údržby.
Následující BAT tedy předpokládají, že tyto obecné BAT se aplikují i na níže uvedené systémy
v rámci jejich optimalizace. BAT v oblasti energetické účinnosti pro běžné navazující činnosti,
systémy a procesy v závodech IPPC lze shrnout následovně:
BAT má optimalizovat:
• spalování
• parní systémy
• pomocí relevantních technik, jako jsou např.:
• techniky specifické pro jednotlivé sektory a popsané ve vertikálních dokumentech
BREF
• techniky popsané v BREF LCP a v tomto dokumentu (ENE).
BAT má optimalizovat následující, např. pomocí technik popsaných v tomto dokumentu:
• systémy stlačeného vzduchu
• čerpací systémy
• systémy vytápění, větrání a klimatizace (HVAC)
• osvětlení
• procesy sušení, zahuštění a separace. U těchto procesů se jedná také o BAT, při kterých
se hledají možnosti využití mechanické separace ve spojení s tepelnými procesy.
Další BAT pro systémy, procesy nebo činnosti jsou:
Získávání tepla
BAT má zachovávat účinnost výměníků tepla, a to pomocí:
• pravidelného monitoringu účinnosti
• prevence nebo odstraňování znečištění.
Techniky chlazení a s nimi spojené BAT jsou popsány v dokumentu BREF CV, kde primární
nejlepší technikou je hledání využití nadbytečného tepla – spíše než jeho prostého odvádění při
chlazení. Tam, kde je požadováno chlazení, by se mělo uvažovat o výhodách volného chlazení
(využití okolního vzduchu).
Kogenerace
BAT má hledat možnosti kogenerace uvnitř a/nebo vně závodu (s třetí stranou).
červen 2008
xi
Souhrn
V mnoha případech tuto spolupráci usnadňují orgány na místní, regionální nebo celostátní
úrovni, nebo jsou tyto orgány samy třetí stranou.
Zásobování elektrickou energií
BAT má zvyšovat účiník dle požadavků místního distributora elektrické energie, a to např.
pomocí technik popsaných v tomto dokumentu.
BAT má kontrolovat zásobování elektrickou energií z hlediska harmonických kmitočtů a
aplikovat v případě potřeby filtry.
BAT má optimalizovat účinnost zásobování elektrickou energií pomocí technik popsaných
v tomto dokumentu, v souladu s použitelností.
Subsystémy poháněné elektromotory
Nahrazení energeticky účinnými motory (EEM – energy efficient motors) a pohonem
s proměnnými otáčkami (VSD - variable speed drive) je při zlepšování energetické účinnosti
jedno z nejsnadnějších opatření. Mělo by se to však provádět v kontextu celého systému, do
kterého je motor začleněn, jinak je zde riziko:
•
ztráty potenciálních přínosů optimalizace využití a velikosti systémů a následné
optimalizace požadavků na motorový pohon
•
ztráty energie, jestliže se VDS aplikuje ve špatném kontextu.
BAT má optimalizovat elektromotory v následujícím pořadí:
1. optimalizovat celý systém, jehož je motor součástí (např. chladící systém)
2. poté optimalizovat motor/motory v systému podle nově stanovených požadavků na zatížení,
aplikací jedné nebo více popsaných technik – v souladu s použitelností
3. když byly optimalizovány systémy využívající energii, pak optimalizovat zbývající
(neoptimalizované) motory podle popsaných technik a kritérií, např.:
i) dát přednost zbývajícím motorům, které jsou v provozu po více než 2000 hodin ročně, a
nahradit je elektricky účinnými motory (EEM)
ii) mělo by se uvažovat o tom, že elektromotory pohánějící proměnlivé zatížení, které
pracují na méně než 50% své kapacity po více než 20% svého provozního času a
jsou v provozu po více než 2000 hodin ročně, by se vybavily pohonem
s proměnnými otáčkami (VSD).
Míra konsensu
Úplného konsensu bylo dosaženo ohledně formátu, zvažovaných technika zejména závěrů
jakožto horizontálních BAT.
Výzkum a technický vývoj
EK prostřednictvím svých RTD programů zahajuje a podporuje sérii projektů, které se zabývají
čistými technologiemi, novými technologiemi čištění odpadních vod a recyklace a strategiemi
v oblasti managementu. Tyto projekty by mohly potenciálně představovat užitečný příspěvek
budoucím revizím dokumentů BREF. Čtenáři jsou proto vyzváni, aby EIPPCB informovali o
veškerých výsledcích výzkumů, které jsou relevantní k rozsahu tohoto dokumentu (viz též
Předmluva k tomuto dokumentu).
xii
červen 2008
Předmluva
PŘEDMLUVA
1. Statut tohoto dokumentu
Pokud není uvedeno jinak, pak odkaz na „Směrnici“ v tomto dokumentu znamená Směrnici
Rady č. 96/61/ES o integrované prevenci a omezování znečištění, ve znění Směrnice
2003/87/ES. Protože se tato Směrnice vztahuje bez výjimek na ustanovení Společenství o zdraví
bezpečnosti na pracovišti, platí totéž i pro tento dokument.
Tento dokument je pracovním návrhem Evropského úřadu pro IPPC. Není oficiální publikací
Evropských společenství a nevyjadřuje nutně postoj Evropské komise.
2. Zmocnění pro práci na dokumentu
Pro tento dokument existuje také konkrétní zmocnění vyplývající z požadavku, který byl
formulován ve Sdělení Komise o implementaci Evropského programu pro změnu klimatu
(European Climate Change Programme - ECCP) (COM(2001)580 final) v souvislosti
s energetickou účinností v průmyslových zařízeních. Tento Program požádal, aby byla
prosazována efektivní implementace ustanovení Směrnice o IPPC a aby byl připraven zvláštní
horizontální BREF (referenční dokument BAT), který by řešil obecně použitelné techniky
energetické účinnosti.
3. Relevantní právní závazky Směrnice o IPPC a definice BAT
Abychom čtenáři pomohli porozumět právnímu kontextu, ve kterém byl tento dokument
navržen, jsou v této Předmluvě popsána některá nejrelevantnější ustanovení Směrnice o IPPC,
včetně definice termínu „nejlepší dostupná technika (BAT)“. Tento popis je nevyhnutelně
neúplný a je uveden pouze pro informaci. Nemá žádnou právní hodnotu a žádným způsobem
neupravuje ani neovlivňuje skutečná ustanovení uvedené Směrnice.
Účelem Směrnice je dosáhnout integrované prevence a omezování znečištění, které vzniká při
činnostech uvedených v Příloze I, a tím následně i vysoké úrovně ochrany životního prostředí
jako celku, včetně energetické účinnosti a uvážlivého managementu přírodních zdrojů. Právní
základ Směrnice se týká ochrany životního prostředí. Její implementace by měla brát v úvahu
i ostatní cíle Společenství, jako je konkurenceschopnost průmyslu Společenství a oddělení růstu
od spotřeby energie, jež přispívá k udržitelnému rozvoji. Kapitola Rozsah pak uvádí další
informace o právním základu energetické účinnosti ve Směrnici.
Řečeno konkrétně, Směrnice stanoví systém povolování pro určité kategorie průmyslových
zařízení, který vyžaduje, aby jako provozovatelé, tak i regulátoři zaujaly integrovaný, celkový
přístup k potenciálu daného zařízení z hlediska spotřeby a znečišťování. Hlavním cílem
takového integrovaného přístupu musí být zlepšování designu, konstrukce, managementu
a řízení průmyslových procesů, které zajistí vysokou úroveň ochrany životního prostředí jako
celku. Jádrem tohoto přístupu je obecný princip uvedený v Článku 3, tj. že provozovatelé by
měli přijmout veškerá vhodná preventivní opatření proti znečištění, zejména prostřednictvím
aplikace nejlepších dostupných technik, které jim umožní zlepšit svůj environmentální výkon,
a to včetně energetické účinnosti.
Termín „nejlepší dostupná techniky“ je definován v Čl. 2 odst. 11 Směrnice jako „nejúčinnější
a nejmodernější stupeň vývoje činností a metody jich provozu, které představují praktickou
vhodnost konkrétních technik k tomu, aby tvořily v principu základ limitních emisních hodnot
stanovených za účelem prevence, a tam, kde to není možné, obecně za účelem snížení emisí
a vlivů na životní prostředí jako celek.“ Článek 2 odst. 11 dále objasňuje tuto definici
následovně:
„techniky“ – termín zahrnuje jak použitou technologii tak i způsob, jakým je zařízení
projektováno, postaveno, udržováno, provozováno a vyřazeno z provozu;
červen 2008
xiii
Souhrn
„dostupné“ – dostupné techniky jsou ty, které byly vyvinuty v měřítku, jež umožňuje jejich
realizaci v příslušném průmyslovém sektoru za ekonomicky a technicky schůdných podmínek.
Berou se v úvahu jejich náklady a výhody, ať už jsou tyto techniky používány nebo
produkovány v dotčeném členském státě či nikoli, pokud jsou pro provozovatele v zásadě
akceptovatelné.
„nejlepší“ – znamená nejúčinnější při dosahování vysoké celkové úrovně ochrany životního
prostředí jako celku.
Příloha IV Směrnice navíc obsahuje seznam „aspektů, které je třeba vzít v úvahu, obecně nebo
v konkrétních případech, při určování nejlepších dostupných technik, kdy se do posouzení
zahrnují pravděpodobné náklady a přínosy určitého opatření a také zásady předběžné opatrnosti
a prevence.“ Tyto aspekty zahrnují i informace publikované komisí dle Čl. 16 odst. 2.
4. Cíle tohoto dokumentu
Tento dokument předkládá obecné rady o tom, jak naplňovat požadavky Směrnice uvedené výše
v kapitole 3.
Článek 16 odst. 2 Směrnice požaduje, aby komise zorganizovala „výměnu informací mezi
členskými státy a dotčenými průmyslovými sektory o nejlepších dostupných technikách,
souvisejícím monitoringu a jejich vývoji“ a výsledky této výměny publikovala.
Účel této výměny informací popisuje bod 25 odůvodnění Směrnice, který uvádí, že „vývoj
a výměna informací o nejlepší dostupné technice na úrovni Společenství pomůže vyrovnat
technologické nerovnováhy v rámci Společenství, přispěje k celosvětovému rozšíření mezních
hodnot a metod používaných ve Společenství a napomůže členským státům při účinném
provádění Směrnice“.
Komise (Generální ředitelství pro životní prostředí) založilo fórum pro výměnu informací (IEF),
které s prací dle Čl. 16 odst. 2 pomůže. V rámci IEF pak vznikla řada technických pracovních
skupin. Jak v IEF, tak i v jejích pracovních skupinách jsou zástupci členských států a průmyslu,
jak vyžaduje Čl. 16 odst. 2.
Cílem této série dokumentů je přesně vystihnout výměnu informací, ke které došlo dle Článku
16 odst. 2, poskytnout referenční informace, které mají povolovací orgány vzít při určování
podmínek konkrétních povolení v úvahu. Díky tomu, že budou tyto dokumenty přinášet
relevantní informace o nejlepších dostupných technikách, budou zároveň představovat cenný
nástroj realizace environmentálního výkonu, včetně energetické účinnosti.
xiv
červen 2008
Předmluva
5. Zdroje informací
Tento dokument představuje souhrn informací shromážděných z mnoha zdrojů, především pak
od odborných pracovních skupin, které byly založeny, aby Komisi pomohly v její práci, a které
byly také prostřednictvím Služeb Evropské komise verifikovány. Práce všech přispěvatelů
a expertních skupin si velmi vážíme.
6. Jak tomuto dokumentu porozumět a jak ho používat
Zbývající část této kapitoly popisuje druh informací, které jsou uvedeny v jednotlivých
kapitolách tohoto dokumentu.
Kapitola 1 přináší úvod do terminologie a pojmů v oblasti energie a termodynamiky. Uvádí
definice energetické účinnosti pro průmysl, popisuje, jak vyvíjet a definovat indikátory pro
monitoring energetické účinnosti, a zabývá se i významem definování hranic pro zařízení,
systémy komponent a/nebo jednotky.
Kapitoly 2 a 3 popisují podrobněji techniky energetické účinnosti, které fungují ve více než
jednom průmyslovém sektoru a které jsou považovány za nejvíce relevantní pro určování BAT
a podmínek povolení vycházejících z BAT:
•
•
Kapitola 2 popisuje techniky, které je třeba brát v úvahu na úrovni celého zařízení
Kapitola 3 popisuje techniky, které je třeba brát v úvahu pro konkrétní systémy
a vybavení, která spotřebovávají výrazné množství energie a běžně se nacházejí
v zařízeních.
Tyto informace obsahují určitou představu energetické účinnosti, které lze dosáhnout, představu
nákladů a mezisložkových otázek spojených s danou technikou a rozsah, v jakém je daná
technika aplikovatelná na škálu zařízení, jež vyžadují povolení IPPC, např. nová, existující,
velká nebo malá zařízení.
Kapitola 4 uvádí techniky, které jsou považovány za kompatibilní s BAT v obecném smyslu.
Účelem je poskytnout obecné poznatky o technikách energetické účinnosti, které lze považovat
za vhodný referenční bod, který pomůže při určování podmínek povolení, jež má vycházet
z BAT, anebo pro zavedení obecných závazných pravidel dle Článku 9 odst. 8. Mělo by se však
zdůraznit, že tento dokument nenavrhuje hodnoty energetické účinnosti pro povolení. Při
určování vhodných podmínek konkrétního povolení se budou brát v úvahu místní, pro lokalitu
specifické faktory, jako jsou technické parametry příslušného zařízení, jeho geografické
umístění a místní environmentální podmínky. V případě existujících (stávajících) zařízení je
rovněž třeba zohlednit ekonomickou a technickou životaschopnost jejich případné modernizace.
Dokonce i jediný cíl, kterým je zajištění vysoké úrovně ochrany životního prostředí jako celku,
bude často představovat kompromisní posuzování a porovnávání různých druhů vlivů na životní
prostředí a tato posuzování budou často ovlivňovat místní okolnosti.
Kapitola 5 poskytuje dodatečné informace o politice, finančních pobídkách a dalších
technikách, které může vzít provozovatel v úvahu při přípravě realizace opatření na úsporu
energií v rámci celého podniku.
I když se tento dokument snaží o řešení některých těchto otázek, nemůže je postihnout v plné
šíři. Techniky uvedené v Kapitole 4 tudíž nebudou nutně vhodné pro všechna zařízení. Na druhé
straně povinnost zajistit vysokou úroveň ochrany životního prostředí včetně minimalizace
dálkového a přeshraničního znečištění znamená, že podmínky povolení nelze stanovit výhradně
červen 2008
xv
Souhrn
na základě místních okolností. Je tedy nanejvýš důležité, aby povolovací orgány braly
informace obsažené v tomto dokumentu plně v úvahu.
Protože se nejlepší dostupné techniky v čase mění, bude tento dokument revidován a podle
potřeby aktualizován. Veškeré připomínky a návrhy by se měly adresovat Evropskému úřadu
IPPC, Institutu pro studium perspektivních technologií a to na následující adresu:
Edificio Expo, c/Inca Garcilaso, s/n, E-41092 Sevilla, Spain
Telefon: +34 95 4488 284
Fax: +34 95 4488 426
e-mail: [email protected]
Internet: http://eippcb.jrc.es
xvi
červen 2008
Referenční dokument o nejlepších dostupných technikách
v oblasti
Energetická účinnost
SOUHRN.................................................................................................................................................. III
PŘEDMLUVA.......................................................................................................................................XIII
ROZSAH........................................................................................................................................... XXVII
1
ÚVOD A DEFINICE ......................................................................................................................... 1
1.1
Úvod........................................................................................................................................... 1
1.1.1
Energie v sektoru průmyslu v EU .................................................................................... 1
1.1.2
Dopady využívání energie................................................................................................ 2
1.1.3
Příspěvek energetické účinnosti ke snižování vlivů globálního oteplování a ke zlepšení
udržitelnosti...................................................................................................................... 3
1.1.4
Energetická účinnost a Směrnice o IPPC......................................................................... 4
1.1.5
Energetická účinnost v integrované prevenci a omezování znečištění............................. 6
1.1.6
Otázky ekonomie a mezisložkových vlivů....................................................................... 6
1.2
Energie a zákony termodynamiky.............................................................................................. 9
1.2.1
Energie, teplo, síla a práce ............................................................................................... 9
1.2.2
Zákony termodynamiky ................................................................................................. 11
1.2.2.1
První zákon termodynamiky: konverze (přeměna) energie.................................... 12
1.2.2.2
Druhý zákon termodynamiky: entropie se zvyšuje ................................................ 13
1.2.2.3
Bilance exergie: kombinace prvního a druhého zákona ......................................... 15
1.2.2.4
Diagramy vlastností (parametrů)............................................................................ 16
1.2.2.5
Další informace ...................................................................................................... 17
1.2.2.6
Zjišťování ireverzibilit ........................................................................................... 18
1.3
Definice a ukazatele (indikátory) energetické účinnosti a zvyšování energetické účinnosti.... 19
1.3.1
Energetická účinnost a její měření ve Směrnici o IPPC................................................. 19
1.3.2
Účinné a neúčinné využívání energie............................................................................. 19
1.3.3
Ukazatele (indikátory) energetické účinnosti................................................................. 20
1.3.4
Úvod do využití ukazatelů (indikátorů) ......................................................................... 23
1.3.5
Význam systémů a jejich hranic .................................................................................... 24
1.3.6
Ostatní použité termíny .................................................................................................. 24
1.3.6.1
Primární energie a sekundární energie ................................................................... 24
1.3.6.2
Výhřevnosti paliva a účinnost ................................................................................ 27
1.3.6.3
Management na straně poptávky a na straně nabídky ............................................ 29
1.4
Ukazatele energetické účinnosti v průmyslu ............................................................................ 30
1.4.1
Úvod: definování ukazatelů a dalších parametrů ........................................................... 30
1.4.2
Energetická účinnost ve výrobních jednotkách.............................................................. 30
1.4.2.1
Příklad 1. Jednoduchý případ ................................................................................. 30
1.4.2.2
Příklad 2. Typický případ....................................................................................... 32
1.4.3
Energetická účinnost provozovny (závodu) ................................................................... 36
1.5
Otázky, které je třeba zvažovat při definování ukazatelů energetické účinnosti ...................... 38
1.5.1
Definování hranic systému............................................................................................. 38
1.5.1.1
Závěry týkající se systémů a hranic systémů ......................................................... 43
1.5.2
Ostatní důležité otázky, které je třeba zvažovat na úrovni závodu ................................ 44
1.5.2.1
Zaznamenávání používaných postupů v oblasti podávání zpráv............................ 44
1.5.2.2
Interní produkce a využívání energie ..................................................................... 44
1.5.2.3
Získávání energie z odpadů a prostřednictvím fakulí (bezpečnostních hořáků)..... 44
1.5.2.4
Koeficient zatížení (snižování SEC s rostoucí produkcí) ....................................... 46
1.5.2.5
Změny ve výrobních technikách a vývoj produktů ................................................ 46
1.5.2.6
Integrace energetického hospodářství .................................................................... 47
1.5.2.7
Neúčinné využívání energie přispívající k udržitelnosti a/nebo celkové účinnosti
stanoviště................................................................................................................ 48
1.5.2.8
Vytápění a chlazení prostor.................................................................................... 49
1.5.2.9
Regionální faktory.................................................................................................. 49
1.5.2.10
Citelné teplo ........................................................................................................... 49
1.5.2.11
Další příklady ......................................................................................................... 50
červen 2008
xvii
2
TECHNIKY, KTERÉ JE TŘEBA ZVAŽOVAT PRO DOSAŽENÍ ENERGETICKÉ
ÚČINNOSTI NA ÚROVNI ZÁVODU ...........................................................................................51
2.1
Systémy managementu energetické účinnosti (ENEMS) .........................................................53
2.2
Plánování a stanovování cílů a cílových stavů..........................................................................63
2.2.1
Pokračující zlepšování v oblasti životního prostředí a mezisložkových vlivů................63
2.2.2
Systémový přístup k energetickému managementu........................................................65
2.3
Energeticky účinný design (EED) ............................................................................................66
2.3.1
Výběr technologie pro konkrétní proces.........................................................................73
2.4
Vyšší integrace procesu ............................................................................................................76
2.5
Dlouhodobé udržení podnětů a pobídek pro iniciativy v oblasti energetické účinnosti............77
2.6
Péče o zachování odbornosti – lidské zdroje ............................................................................80
2.7
Komunikace..............................................................................................................................82
2.7.1
Sankeyův diagram ..........................................................................................................83
2.8
Účinné řízení procesu ...............................................................................................................85
2.8.1
Systémy řízení procesů...................................................................................................85
2.8.2
Systémy managementu (řízení, zajištění) kvality ...........................................................88
2.9
Údržba ......................................................................................................................................90
2.10
Monitoring a měření .................................................................................................................91
2.10.1
Techniky nepřímého měření ...........................................................................................92
2.10.2
Odhady a výpočty...........................................................................................................93
2.10.3
Měření a moderní měřící systémy ..................................................................................94
2.10.4
Měření toku v potrubích s nízkým poklesem tlaku.........................................................96
2.11
Energetické audity a energetická diagnostika...........................................................................97
2.12
Metodika PINCH ....................................................................................................................103
2.13
Analýza exergie a entalpie......................................................................................................109
2.14
Termo-ekonomie ....................................................................................................................112
2.15
Energetické modely ................................................................................................................113
2.15.1
Energetické modely, databáze a bilance .......................................................................113
2.15.2
Optimalizace a management médií a služeb na základě modelů ..................................116
2.16
Benchmarking.........................................................................................................................120
2.17
Ostatní nástroje .......................................................................................................................123
3
TECHNIKY, KTERÉ JE TŘEBA ZVAŽOVAT PRO DOSAŽENÍ ENERGETICKÉ
ÚČINNOSTI V SYSTÉMECH, PROCESECH NEBO ČINNOSTECH, KTERÉ VYUŽÍVAJÍ
ENERGII ........................................................................................................................................125
3.1
Spalování ................................................................................................................................126
3.1.1
Snížení teploty spalin....................................................................................................131
3.1.1.1
Instalace zařízení na předehřívání vzduchu nebo vody.........................................133
3.1.2
Rekuperační a regenerační hořáky................................................................................136
3.1.3
Snížení hmotnostního toku spalin prostřednictvím snížení přebytečného vzduchu .....138
3.1.4
Regulace a řízení hořáků ..............................................................................................139
3.1.5
Volba paliva..................................................................................................................139
3.1.6
Oxy-hoření (oxypalivo) ................................................................................................140
3.1.7
Snížení ztrát tepla pomocí izolace ................................................................................142
3.1.8
Snížení ztrát prostřednictvím dveří pece ......................................................................142
3.2
Parní systémy..........................................................................................................................143
3.2.1
Obecné vlastnosti páry..................................................................................................143
3.2.2
Přehled opatření na zlepšení výkonu parního systému .................................................147
3.2.3
Škrtící zařízení a využití protitlakých turbín ................................................................149
3.2.4
Provozní a řídící techniky.............................................................................................150
3.2.5
Předehřívání napájecí vody (včetně použití ekonomizérů)...........................................153
3.2.6
Prevence a odstraňování nánosů kotelního kamene na povrchu, kde dochází k přenosu
tepla ..............................................................................................................................155
3.2.7
Minimalizace odluhu kotle ...........................................................................................157
3.2.8
Optimalizace ventilu odvzdušňovacího zařízení ..........................................................159
3.2.9
Minimalizace ztrát způsobených krátkým cyklem kotle...............................................160
3.2.10
Optimalizace parních distribučních systémů ................................................................161
3.2.11
Izolace parního potrubí a potrubí pro vracení kondenzátu ...........................................162
3.2.11.1
Instalace odstranitelných izolačních tvarovek nebo ventilů a armatur .................163
3.2.12
Realizace programu účinné údržby oddělovače páry ...................................................165
3.2.13
Sběr a vracení kondenzátu do kotle k opětovnému použití ..........................................167
3.2.14
Opětovné využití mžikové páry....................................................................................168
3.2.15
Získávání energie z odluhů kotle..................................................................................171
xviii
červen 2008
3.3
Získávání tepla a chlazení ...................................................................................................... 172
3.3.1
Výměníky tepla ............................................................................................................ 173
3.3.1.1
Monitoring a údržba výměníků tepla ................................................................... 175
3.3.2
Tepelná čerpadla (včetně mechanické rekomprese par (MVR) ................................... 176
3.3.3
Mrazící a chladící systémy........................................................................................... 182
3.4
Kogenerace............................................................................................................................. 185
3.4.1
Různé druhy kogenerace .............................................................................................. 185
3.4.2
Trigenerace .................................................................................................................. 193
3.4.3
Lokální chlazení........................................................................................................... 196
3.5
Zásobování elektrickou energií .............................................................................................. 198
3.5.1
Kompenzace účiníku.................................................................................................... 199
3.5.2
Harmonické kmitočty................................................................................................... 201
3.5.3
Optimalizace dodávek.................................................................................................. 202
3.5.4
Energeticky účinný management transformátorů......................................................... 203
3.6
Subsystémy poháněné elektromotory..................................................................................... 205
3.6.1
Energeticky účinné motory (EEM) .............................................................................. 209
3.6.2
Správné rozměry motoru.............................................................................................. 210
3.6.3
Pohony s proměnnými otáčkami (VSD - variable speed drive) ................................... 211
3.6.4
Ztráty v převodu........................................................................................................... 212
3.6.5
Opravy motorů ............................................................................................................. 212
3.6.6
Převinutí....................................................................................................................... 212
3.6.7
Dosažené environmentální přínosy, mezisložkové vlivy, použitelnost a další otázky
spojené s energetickou účinností elektromotorů .......................................................... 213
3.7
Systémy stlačeného vzduchu (CAS – compressed air systems) ............................................. 216
3.7.1
Design systému ............................................................................................................ 223
3.7.2
Pohony s měnitelnými otáčkami .................................................................................. 225
3.7.3
Vysoce účinné motory ................................................................................................. 227
3.7.4
Systémy hlavního řízení CAS ...................................................................................... 227
3.7.5
Získávání tepla ............................................................................................................. 230
3.7.6
Snižování úniků ze systému stlačeného vzduchu......................................................... 232
3.7.7
Údržba filtrů................................................................................................................. 234
3.7.8
Přívod studeného vzduchu do kompresorů .................................................................. 235
3.7.9
Optimalizace hladiny tlaku .......................................................................................... 236
3.7.10
Skladování stlačeného vzduchu v blízkosti nejvíce kolísavého použití ....................... 238
3.8
Čerpací systémy ..................................................................................................................... 239
3.8.1
Přehled a hodnocení čerpacích systémů....................................................................... 240
3.8.2
Výběr čerpadla ............................................................................................................. 240
3.8.3
Potrubní systém............................................................................................................ 242
3.8.4
Údržba.......................................................................................................................... 243
3.8.5
Řízení a regulace potrubního systému ......................................................................... 243
3.8.6
Motor a přenos síly (prostupnost) ................................................................................ 244
3.8.7
Dosažené environmentální přínosy, mezisložkové vlivy, použitelnost a další otázky
spojené s technikami energetické účinnosti v čerpacích systémech............................. 245
3.9
Systémy vytápění, ventilace a klimatizace (HVAC) .............................................................. 246
3.9.1
Vytápění a chlazení prostor.......................................................................................... 246
3.9.2
Ventilace ...................................................................................................................... 248
3.9.2.1
Optimalizace designu nového nebo rozšířeného ventilačního systému................ 249
3.9.2.2
Zlepšení stávajícího ventilačního systému v rámci instalace ............................... 251
3.9.3
Chlazení zdarma........................................................................................................... 254
3.10
Osvětlení ................................................................................................................................ 255
3.11
Procesy sušení, separace a zahušťování ................................................................................. 259
3.11.1
Výběr optimální technologie separace nebo jejich kombinací..................................... 260
3.11.2
Mechanické procesy..................................................................................................... 263
3.11.3
Tepelné techniky sušení ............................................................................................... 264
3.11.3.1
Výpočet požadavků na energii a účinnosti........................................................... 264
3.11.3.2
Přímé zahřívání .................................................................................................... 266
3.11.3.3
Nepřímé zahřívání ................................................................................................ 266
3.11.3.4
Přehřátá pára ........................................................................................................ 267
3.11.3.5
Získávání tepla z procesů sušení .......................................................................... 268
3.11.3.6
Mechanická rekomprese par nebo tepelné čerpadlo s odpařováním .................... 269
3.11.3.7
Optimalizace izolace v procesu sušení ................................................................. 270
3.11.4
Sálavé energie .............................................................................................................. 271
3.11.5
Počítačové řízení procesu/automatizace procesů termálního sušení ............................ 273
červen 2008
xix
4
NEJLEPŠÍ DOSTUPNÉ TECHNIKY .........................................................................................275
4.1
Úvod .......................................................................................................................................275
4.2
Nejlepší dostupné techniky pro dosažení energetické účinnosti na úrovni podniku (závodu)281
4.2.1
Management energetické účinnosti ..............................................................................281
4.2.2
Plánování a stanovování cílů a cílových stavů .............................................................282
4.2.2.1
Kontinuální zlepšování v environmentální oblasti................................................282
4.2.2.2
Zjišťování aspektů energetické účinnosti v závodě a příležitostí k úsporám energie
..............................................................................................................................283
4.2.2.3
Systémový přístup k energetickému managementu..............................................284
4.2.2.4
Vytýčení a revidování cílů a ukazatelů v oblasti energetické účinnosti ...............285
4.2.2.5
Benchmarking.......................................................................................................286
4.2.3
Energeticky účinný design (EED) ................................................................................286
4.2.4
Vyšší integrace procesů ................................................................................................287
4.2.5
Dlouhodobé udržení podnětů a pobídek pro iniciativy v oblasti energetické účinnosti287
4.2.6
Péče o zachování odbornosti ........................................................................................288
4.2.7
Účinné řízení procesů ...................................................................................................288
4.2.8
Údržba ..........................................................................................................................288
4.2.9
Monitoring a měření .....................................................................................................289
4.3
Nejlepší dostupné techniky pro dosažení energetické účinnosti v systémech, procesech,
zařízeních nebo činnostech používajících energii...................................................................290
4.3.1
Spalování ......................................................................................................................290
4.3.2
Parní systémy................................................................................................................293
4.3.3
Získávání tepla..............................................................................................................294
4.3.4
Kogenerace ...................................................................................................................295
4.3.5
Zásobování elektrickou energií.....................................................................................296
4.3.6
Subsystémy poháněné elektromotory ...........................................................................296
4.3.7
Systémy stlačeného vzduchu (CAS).............................................................................298
4.3.8
Čerpací systémy............................................................................................................298
4.3.9
Systémy vytápění, ventilace a klimatizace (HVAC) ....................................................299
4.3.10
Osvětlení.......................................................................................................................301
4.3.11
Sušení, separační procesy a zahušťování......................................................................302
5
VZNIKAJÍCÍ TECHNIKY ENERGETICKÉ ÚČINNOSTI .....................................................304
5.1
Bezplamenné spalování (bezplamenná oxidace) ....................................................................304
5.2
Uchování energie stlačeného vzduchu....................................................................................308
6
ZÁVĚREČNÉ POZNÁMKY ........................................................................................................310
6.1
Načasování a postup práce......................................................................................................310
6.2
Zdroje informací .....................................................................................................................310
6.3
Míra konsensu.........................................................................................................................311
6.4
Mezery a překrývání ve znalostech a doporučeních pro budoucí sběr informací a výzkum...311
6.4.1
Mezery a překrývání v datech.......................................................................................311
6.4.2
Téma výzkumu a další práce ........................................................................................313
6.5
Revize tohoto dokumentu .......................................................................................................314
GLOSÁŘ .................................................................................................................................................323
7
PŘÍLOHY .......................................................................................................................................338
7.1
Energie a zákony termodynamiky ..........................................................................................338
7.1.1
Obecné principy............................................................................................................338
7.1.1.1
Charakteristika systémů a procesů........................................................................338
7.1.1.2
Formy uchování a přenosu energie .......................................................................339
7.1.2
První a druhý zákon termodynamiky............................................................................340
7.1.2.1
Bilance energie. První zákon termodynamiky ......................................................340
7.1.2.2
Druhý zákon termodynamiky: entropie ................................................................341
7.1.2.3
Bilance entropie v otevřeném systému .................................................................343
7.1.2.4
Analýza exergie ....................................................................................................343
7.1.3
Diagramy vlastností, tabulky, databanky a počítačové programy ................................344
7.1.3.1
Diagramy vlastností ..............................................................................................344
7.1.3.2
Tabulky vlastností, databanky a simulační programy...........................................345
7.1.3.3
Zjišťování neúčinností ..........................................................................................345
7.1.4
Nomenklatura ...............................................................................................................346
7.1.4.1
Literatura ..............................................................................................................346
7.2
Případové studie termodynamické ireverzibility ....................................................................348
xx
červen 2008
7.2.1
7.2.2
7.2.3
7.3
7.3.1
7.3.2
7.3.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.7.1
7.7.2
7.7.3
7.8
Případ 1. Regulační a škrtící zařízení........................................................................... 348
Případ 2. Tepelné výměníky ........................................................................................ 350
Případ 3. Technologické procesy míchání ................................................................... 352
Příklad použití energetické účinnosti ..................................................................................... 357
Krakování ethylenu ...................................................................................................... 357
Výroba VAM ............................................................................................................... 358
Válcování plechu za horka ........................................................................................... 359
Příklady zavedení systémů energetického managementu ...................................................... 361
Příklad energeticky účinného hlavního procesu..................................................................... 364
Příklad udržování podnětů iniciativ energetické účinnosti: provozní dokonalost .................. 366
Monitoring a měření............................................................................................................... 367
Kvantitativní měření .................................................................................................... 367
Optimalizace a řízení využívající modelování využití zařízení.................................... 368
Energetické modely, databáze a bilance ...................................................................... 369
Ostatní nástroje používané k auditu a na podporu dalších technik používaných na úrovni
provozovny............................................................................................................................. 374
7.8.1
Provádění auditu a nástroje energetického managementu............................................ 374
7.8.2
Protokol o měření a verifikaci...................................................................................... 375
7.9
Benchmarking ........................................................................................................................ 376
7.9.1
Rafinérie minerálních olejů.......................................................................................... 376
7.9.2
Rakouská Energetická Agentura (AEA - Austrian Energy Agency) ........................... 377
7.9.3
Systém pro malé a střední podniky (MSP) - Norsko.................................................... 377
7.9.4
Úmluvy o benchmarkingu, Holandsko......................................................................... 377
7.9.5
Benchmarking ve sklářství........................................................................................... 378
7.9.6
Alokace energie/emisí CO2 mezi různé produkty ve složitém procesu s následnými
kroky ............................................................................................................................ 379
7.10
Příklady ke Kapitole 3............................................................................................................ 380
7.10.1
Příklady výpočtů - pára ................................................................................................ 380
7.10.2
Rekuperace odpadního tepla ........................................................................................ 387
7.10.3
Kogenerace .................................................................................................................. 391
7.10.4
Trigenerace .................................................................................................................. 392
7.11
Management poptávky ........................................................................................................... 393
7.12
Společnost poskytující energetické služby (ESCO) ............................................................... 394
7.13
Webové stránky Evropské komise a národní akční plány členských zemí v oblasti energetické
účinnosti (NEEAP)................................................................................................................. 399
7.14
Systém obchodování s emisemi (ETS) v EU ......................................................................... 400
7.15
Optimalizace dopravních systémů.......................................................................................... 402
7.15.1
Energetický audit pro dopravní řetězce........................................................................ 402
7.15.2
Energetický management v silniční dopravě................................................................ 403
7.15.3
Lepší balení a optimalizace využití dopravy................................................................ 406
7.16
Souhrn technik energetické účinnosti z ostatních BREFů...................................................... 407
7.16.1
Výroba cementu a vápna (BREF CL) .......................................................................... 407
7.16.2
Průmysl výroby železa a oceli (BREF IS) ................................................................... 409
7.16.3
Průmysl výroby neželezných kovů (BREF NFM) ....................................................... 412
7.16.4
Papírenský průmysl (BREF PP)................................................................................... 414
7.16.5
Průmysl chloralkalické chemie (BREF CAK) ............................................................. 419
7.16.6
Zpracování železných kovů (BREF FMP) ................................................................... 420
7.16.7
Průmysl výroby skla..................................................................................................... 422
7.16.8
Průmyslové chladící soustavy (BREF CV) .................................................................. 423
7.17
Evropský energetický mix...................................................................................................... 428
7.18
Korekce účiníku ..................................................................................................................... 430
červen 2008
xxi
Seznam obrázků
Obrázek 1-1: Použití vertikálních sektorových BREFů s horizontálními BREFy ................................ xxxiii
Obrázek 1-1 Procentuální podíly zpracovatelských průmyslových sektorů na poptávce po primární energii
v EU .......................................................................................................................................1
Obrázek 1-2: Zvyšování atmosférických koncentrací GHG od roku 1750 a různé scénáře vývoje
ekvivalentu CO2 v ppm ..........................................................................................................2
Obrázek 1-3: Spotřeba energie v chemickém průmyslu v letech 1975 – 2003 .............................................4
Obrázek 1-4: Termodynamický systém ......................................................................................................12
Obrázek 1-5: Fázový diagram Tlak – Teplota ............................................................................................17
Obrázek 1-6: Definice primární, sekundární a finální energie [260, TWG, 2008] .....................................25
Obrázek 1-7: Vektory energie v jednoduché výrobní jednotce...................................................................31
Obrázek 1-8: Vektory energie ve výrobní jednotce ....................................................................................33
Obrázek 1-9: Vstupy a výstupy ze závodu .................................................................................................36
Obrázek 1-10: Hranice systému – starý elektrický motor...........................................................................39
Obrázek 1-11: Hranice systému – nový elektrický motor ..........................................................................39
Obrázek 1-12: Hranice systému – nový elektrický motor + staré čerpadlo ................................................40
Obrázek 1-13: Hranice systému – nový elektrický motor a nové čerpadlo ................................................40
Obrázek 1-14: Nový elektrický motor a nové čerpadlo s konstantním výstupem ......................................41
Obrázek 1-15: Nový elektrický motor, nové čerpadlo a starý výměník tepla.............................................42
Obrázek 1-16: Nový elektrický motor, nové čerpadlo a dva výměníky tepla.............................................43
Obrázek 1-17: Spotřeba energie v závislosti na venkovní teplotě ..............................................................49
Obrázek 2-1: Kontinuální zlepšování systému managementu energetické účinnosti .................................54
Obrázek 2-2: Příklad možného kolísání ve využití energie v průběhu času ...............................................64
Obrázek 2-3: Příklady celkových nákladů pro běžné průmyslové závody (více než 10 let životnosti) ......67
Obrázek 2-4: Potenciály úspor a investice ve fázi projektování ve srovnání s fází provozu ......................67
Obrázek 2-5: Oblasti, které je třeba řešit spíše ve fázi projektování než ve fázi provozu ..........................68
Obrázek 2-6: Doporučená organizace procesu plánování a projektování nových zařízení a závodů, včetně
experta na energetiku ...........................................................................................................71
Obrázek 2-7: Sankeyův diagram: paliva a ztráty v běžné továrně..............................................................84
Obrázek 2-8: Struktura moderního měřícího systému ................................................................................95
Obrázek 2-9: Vlastnosti modelů energetických auditů ...............................................................................98
Obrázek 2-10: Schéma komplexního energetického auditu......................................................................102
Obrázek 2-11: Dva horké proudy .............................................................................................................103
Obrázek 2-12: Horká složená křivka ........................................................................................................104
Obrázek 2-13: Složené křivky zobrazující cíle PINCH a energie.............................................................104
Obrázek 2-14: Schématické znázornění systémů nad a pod bodem PINCH ............................................105
Obrázek 2-15: Přechod tepla přes bod PINCH od „spotřebitele“ tepla ke zdroji tepla.............................106
Obrázek 2-16: Úspory energie zjištěné metodikou PINCH ......................................................................109
Obrázek 2-17: Účiník zařízení v závislosti na koeficientu zatížení ..........................................................115
Obrázek 3-1: Energetická bilance spalovacího zařízení ...........................................................................130
Obrázek 3-2: Schéma spalovacího systému s předehřívačem vzduchu ....................................................133
Obrázek 3-3: Princip fungování regeneračních hořáků ............................................................................136
Obrázek 3-4: Různé oblasti spalování ......................................................................................................137
Obrázek 3-5: Běžný systém výroby a distribuce páry ..............................................................................146
Obrázek 3-6: Moderní řídící systém s optimalizací využití kotle .............................................................152
Obrázek 3-7: Předehřívání napájecí vody.................................................................................................153
Obrázek 3-8: Schéma kompresního tepelného čerpadla ...........................................................................177
Obrázek 3-9: Schéma absorpčního tepleného čerpadla ............................................................................178
Obrázek 3-10: Jednoduché zařízení MVR ................................................................................................179
Obrázek 3-11: Hodnoty koeficientu výkonu ve vztahu k teplotnímu nárůstu pro zařízení běžné MVR ..180
Obrázek 3-12 Protitlakové zařízení ..........................................................................................................186
Obrázek 3-13: Kondenzační elektrárna s extrakcí ....................................................................................187
Obrázek 3-14: Plynová turbína se spalinovým kotlem .............................................................................187
Obrázek 3-15: Elektrárna s kombinovaným cyklem.................................................................................188
Obrázek 3-16 Interní spalování – pístový motor ......................................................................................189
Obrázek 3-17: Srovnání mezi účinností kondenzační elektrárny a zařízení KVET..................................191
Obrázek 3-18: Trigenerace v porovnání se samostatnou výrobou energie pro velké letiště.....................194
Obrázek 3-19: Trigenerace umožňuje optimalizaci provozu během celého roku.....................................195
Obrázek 3-20: Lokální chlazení v zimě chladící technologií zdarma .......................................................197
Obrázek 3-21: Lokální chlazení v létě pomocí absorpční technologie .....................................................197
xxii
červen 2008
Obrázek 3-22: Jalový a zdánlivý výkon ................................................................................................... 199
Obrázek 3-23: Schéma transformátoru..................................................................................................... 203
Obrázek 3-24: Vztah mezi ztrátami v železe, v mědi, v účinnosti a ve faktoru zatížení .......................... 204
Obrázek 3-25: Konvenční a energeticky účinný čerpací systém.............................................................. 206
Obrázek 3-26: Motor kompresoru s jmenovitým výkonem 24 MW ........................................................ 208
Obrázek 3-27: Energetická účinnost tří AC indukčních motorů .............................................................. 210
Obrázek 3-28: Účinnost vs. zatížení u elektromotorů .............................................................................. 211
Obrázek 3-29: Náklady na nový motor v porovnání s převinutím ........................................................... 213
Obrázek 3-30: Náklady na elektromotor v průběhu životnosti ................................................................ 214
Obrázek 3-31: Běžné složky CAS............................................................................................................ 219
Obrázek 3-32: Druhy kompresorů............................................................................................................ 220
Obrázek 3-33: Různé profily poptávky .................................................................................................... 221
Obrázek 3-34: Různé druhy řízení kompresoru ....................................................................................... 237
Obrázek 3-35: Maximální efektivní průtok vs. vztlaková výška, síla a výkonnost .................................. 241
Obrázek 3-36: Užitečný výkon čerpadla vs. vztlaková výška.................................................................. 241
Obrázek 3-37: Vztlaková výška čerpadla vs. průtoková rychlost ............................................................ 242
Obrázek 3-38: Ukázka spotřeby energie u dvou regulačních systémů pro hydrodynamické čerpadlo .... 244
Obrázek 3-39: Běžné náklady za dobu životnosti pro středně velké průmyslové čerpadlo ..................... 245
Obrázek 3-40: Ventilační systém ............................................................................................................. 248
Obrázek 3-41: Spotřeba energie u některých separačních procesů .......................................................... 262
Obrázek 3-42: Šířky pásma pro měrnou spotřebu sekundární energie různých typů sušáren při odpařování
vody ................................................................................................................................... 265
Obrázek 4-1: Vztahy mezi BAT v oblasti energetické účinnosti ............................................................. 280
Obrázek 5-1: Princip fungování regeneračních hořáků ............................................................................ 304
Obrázek 5-2: Výsledky čistého tepelného výkonu testovacích kotlů u běžných kotlů a u kotlů HiTAC 306
Obrázek 5-3: Podmínky bezplamenného spalování ................................................................................. 306
Obrázek 7-1: Diagram teploty a entropie ................................................................................................. 345
Obrázek 7-2: Proces regulace páry........................................................................................................... 349
Obrázek 7-3: T-s a h-s diagramy příkladu procesu regulace páry............................................................ 349
Obrázek 7-4: Protiproudý tepelný výměník ............................................................................................. 351
Obrázek 7-5: Přehřívací proces toku páry ................................................................................................ 351
Obrázek 7-6: T-s a h-s diagram příkladu přehřívacího procesu páry ....................................................... 352
Obrázek 7-7: Zlomek Ii/RT0 vzhledem k molárnímu zlomku jedné složky směsi ................................... 353
Obrázek 7-8: Míchací komora dvou toků................................................................................................. 354
Obrázek 7-9: T-s diagram příkladu procesu míchání ............................................................................... 355
Obrázek 7-10: Vstupy a výstupy ze zařízení na výrobu monomeru vinyl acetátu (VAM) ...................... 358
Obrázek 7-11: Tokový diagram válcovny plechu .................................................................................... 359
Obrázek 7-12: Měrná spotřeba energie ve válcovně plechu..................................................................... 360
Obrázek 7-13: Měrná spotřeba energie ve válcovně plechu..................................................................... 361
Obrázek 7-14: Schéma procesu bauxitové rafinérie Eurallumina ............................................................ 388
Obrázek 7-15: Doby trvání provozních cyklů ohřívačů ........................................................................... 389
Obrázek 7-16: Systém rekuperace tepla napojený na systém centralizovaného zásobování teplem........ 390
Obrázek 7-17: Vysvětlení jalového a zdánlivého výkonu........................................................................ 430
červen 2008
xxiii
Seznam tabulek
tabulka 1-1 Indikativní Hodnoty horní výhřevnosti a spalného tepla pro různá paliva ..............................29
tabulka 2-1 Rozdělení informací pro systémy a techniky popsané v kapitolách 2 a 3................................52
tabulka 2-2 Příklady činností při energeticky účinném designu (projektování) nového průmyslového
závodu ..................................................................................................................................69
tabulka 2-3 Dosažené úspory a investice v pěti pilotních projektech energeticky účinného designu (EED)
..............................................................................................................................................70
tabulka 2-4 Pilotní projekt EUREM – úspory na účastníka ........................................................................81
tabulka 2-5 Příklady poklesu tlaku způsobeného různými systémy měření ...............................................96
tabulka 2-6 Metodika PINCH: některé příklady aplikací a úspor.............................................................108
tabulka 2-7 Podnikatelské impulsy k využívání systému optimalizace médií a služeb ............................119
tabulka 3-1 Rozdělení informací o systémech a technikách popisovaných v kapitolách 2 a 3.................126
tabulka 3-2 Přehled spalovacích technik přispívajících ke zlepšení energetické účinnosti v LCP a ENE129
tabulka 3-3 Výpočet Siegertova koeficientu pro různé druhy paliva........................................................134
tabulka 3-4 Možné úspory spojené s předehříváním vzduchu pro spalování............................................135
tabulka 3-5 Využití páry v některých průmyslových odvětvích ...............................................................144
tabulka 3-6 Běžné techniky energetické účinnosti pro průmyslové parní systémy. Upraveno a sestaveno
podle [123, US_DOE] ........................................................................................................148
tabulka 3-7 Údaje pro zemní plyn, 15 % přebytečný vzduch a konečná teplota komína 250 oF ..............155
tabulka 3-8 Rozdíly v přenosu tepla .........................................................................................................156
tabulka 3-9 Obsah energie v odluhu .........................................................................................................158
tabulka 3-10 Ztráty tepla na 100 stop neizolovaného parního potrubí......................................................163
tabulka 3-11 Přibližné úspory energie spojené s instalací odstranitelných izolačních tvarovek na ventily
............................................................................................................................................164
tabulka 3-12 Míra úniků z unikajícího oddělovače páry...........................................................................165
tabulka 3-13 Různé provozní fáze oddělovačů páry [29, Maes, 2005].....................................................166
tabulka 3-14 Provozní faktory pro ztráty páry v oddělovačích páry [29, Maes, 2005].....................166
tabulka 3-15 Faktor zatížení pro ztráty páry .............................................................................................166
tabulka 3-16 Procenta z celkové energie přítomné v kondenzátu při atmosférickém tlaku a v mžikové páře
............................................................................................................................................169
tabulka 3-17 Energie získaná ze ztrát spojených s odluhem.....................................................................171
tabulka 3-18 Příklady požadavků na proces a BAT..................................................................................183
tabulka 3-19 Příklady charakteristik pro různé lokality a BAT ................................................................184
tabulka 3-20 Seznam kogeneračních technologií a standardních poměrů elektřiny ku teplu ...................185
tabulka 3-21 Odhadovaná spotřeba elektrické energie ve 25 zemích EU-25 v roce 2002........................200
tabulka 3-22 Míra úspory energie subsystému pohonu.............................................................................213
tabulka 3-23 Opatření na úsporu energie u CAS ......................................................................................218
tabulka 3-24 Běžné složky CAS ...............................................................................................................219
tabulka 3-25 Příklad úspor nákladů ..........................................................................................................232
tabulka 3-26 Úspory získané přívodem studeného venkovního vzduchu do kompresoru ........................236
tabulka 3-27 Charakteristiky a účinnost různých druhů světla .................................................................257
tabulka 3-28 Úspory u osvětlovacích systémů..........................................................................................259
tabulka 3-29 Druhy odpařováků a měrné spotřeby...................................................................................270
tabulka 4-1 Techniky spalovacího systému určené ke zvyšování energetické účinnosti ..........................292
tabulka 4-2 Pára – techniky zlepšování energetické účinnosti..................................................................294
tabulka 4-3 Techniky korekce účiníku směřující je zvýšení energetické účinnosti ..................................296
tabulka 4-4 Techniky zvyšování účinnosti v zásobování elektřinou.........................................................296
tabulka 4-5 Elektromotory – techniky ke zvýšení energetické účinnosti..................................................297
tabulka 4-6 Systémy stlačeného vzduchu: opatření v energetické účinnosti ............................................298
tabulka 4-7 Čerpací systémy – opatření v energetické účinnosti ..............................................................299
tabulka 4-8 Vytápění, klimatizace a ventilace – techniky zvyšování energetické účinnosti.....................301
tabulka 4-9 Osvětlení – techniky zvyšování energetické účinnosti ..........................................................302
tabulka 4-10 Systémy sušení, zahušťování a separace: opatření na zvyšování energetické účinnosti......303
tabulka 7-1 Vybrané hodnoty derivací......................................................................................................353
tabulka 7-2 Maximální hodnoty pro směsi ...............................................................................................354
tabulka 7-3 Celosvětová kapacita výroby akrylamidu 105 t/rok...............................................................364
tabulka 7-4 Porovnání procesů výroby akrylamidu ..................................................................................365
tabulka 7-5 Srovnání spotřeby energie v MJ/kg akrylamidu ....................................................................365
tabulka 7-6 Srovnání emisí CO2 v kg CO2/kg akrylamidu.......................................................................365
tabulka 7-7 Úspory energie, systém EB barviv.........................................................................................366
xxiv
červen 2008
tabulka 7-8 Jednoduchý elektrický model................................................................................................ 369
tabulka 7-9 Údaje tepelného energetického modelu (strana výroby) ....................................................... 371
tabulka 7-10 Údaje tepelného modelu (strana spotřeby) .......................................................................... 373
tabulka 7-11 Hodnoty součinitele provozu pro úniky páry ze separátoru par .......................................... 385
tabulka 7-12 Součinitele zatížení pro úniky páry ..................................................................................... 385
tabulka 7-13 Technické údaje o trigenerační jednotce na letišti Barajas.................................................. 393
tabulka 7-14 Výhody a nevýhody pronájmu CAS zařízení ...................................................................... 397
tabulka 7-15 vVýhody a nevýhody pořízení CAS od ESCO.................................................................... 397
tabulka 7-16 Výhody a nevýhody energetického hospodářství zajištěného podnikem ESCO ................. 398
červen 2008
xxv
Rozsah
ROZSAH
Záměrem tohoto dokumentu i ostatních Referenčních dokumentů této série (viz seznam na zadní
straně titulní stránky), je řešení otázek energetické účinnosti dle Směrnice o IPPC. Energetická
účinnost není striktně omezena pouze na některý průmyslový sektor uvedený v Příloze 1
Směrnice, ale jedná se o horizontální problematiku, kterou je nutné vzít v potaz ve všech
případech (jak je popsáno níže). Ve Směrnici jsou přímé a nepřímé odkazy na energii
a energetickou účinnost, a to v následujících bodech a článcích (v pořadí, v jakém se objevují ve
Směrnici):
•
(bod 1 Úvodu) vzhledem k tomu, že cíle a principy politiky životního prostředí
Společenství, které byly vytyčeny v článku 130r Smlouvy, spočívají zejména v prevenci,
snižování a pokud možno úplném vyloučení znečištění, přičemž prioritu mají zásahy
prováděné přímo u zdroje znečištění, a v zajištění šetrného hospodaření s přírodními
zdroji, v souladu s principem "znečišťovatel platí" a s principem prevence znečištění;
(obecně platí, že většina energie je v Evropě získávána z neobnovitelných přírodních
zdrojů)
•
(bod 2 Úvodu) vzhledem k tomu, že Pátý akční program pro životní prostředí …
v usnesení ze dne 1. února 1993 o programu činnosti Společenství ve vztahu k životnímu
prostředí a udržitelnému rozvoji (4), uděluje prioritu integrovanému omezování
znečištění jako významné součásti přechodu k udržitelnější rovnováze mezi lidskou
činností a socio-ekonomickým rozvojem na straně jedné a zdroji a regenerační
kapacitou přírody na straně druhé;
•
Článek 2 (odst. 2): "znečištění" znamená lidskou činností přímo či nepřímo způsobené
vniknutí látek, vibrací, tepla nebo hluku do ovzduší, vody nebo půdy, které může být
škodlivé lidskému zdraví nebo nepříznivě ovlivnit kvalitu životního prostředí… (vibrace,
teplo a hluk jsou projevy energie)
•
Článek 3: Členské státy přijmou nezbytná opatření k tomu, aby příslušné orgány zajistily
provoz zařízení takovým způsobem, že: … (d) energie je využívána účinně.
•
Článek 6.1: Členské státy přijmou nezbytná opatření zajišťující, aby žádost o povolení
podaná u příslušného orgánu obsahovala popis:
o
surovin a pomocných materiálů, dalších látek a energie, která je v zařízení
používána anebo jím produkována
•
Článek 9.1: Členské státy zajistí, že v povolení budou uvedena všechna opatření nutná ke
splnění požadavků pro udělení povolení podle Článků 3 a 10 (což zahrnuje energetickou
účinnost, viz bod (b) výše)
•
Příloha IV (bod 9): Jednou z otázek, které je třeba brát v úvahu při určování BAT obecně
nebo konkrétně je spotřeba a druh surovin (včetně vody) používaných v technologickém
procesu a jejich energetická účinnost.
Směrnice o IPPC byla novelizována Směrnicí Rady č. 2003/87/ES ze dne 13. října 2003
o vytvoření systému pro obchodování s povolenkami na emise skleníkových plynů ve
Společenství (Směrnice ETS):
•
Článek 9 (odst. 3): Členské státy se mohou rozhodnout, že pro činnosti uvedené
v příloze I směrnice 2003/87/ES nestanoví požadavky týkající se energetické
účinnosti s ohledem na spalovací jednotky nebo jiné jednotky emitující oxid uhličitý
v místě, kde se zařízení nachází.
červen 2008
xxvii
Rozsah
Energetická účinnost je v rámci Evropské unie prioritní otázkou a tento dokument o energetické
účinnosti má vazby na ostatní politiku komise a její právní nástroje. Nejvýznamnějšími příklady
jsou:
Nástroje politiky:
•
•
•
•
•
Berlínská deklarace z března 2007
Akční plán v oblasti energetické účinnosti z října 2007 COM(2006) 545 final
Zelená kniha o energetické účinnosti COM(2005)265 final ze dne 22. června 2005
Sdělení Komise o implementaci Evropského programu změn klimatu (COM(2001)580
final) ECCP v souvislosti s energetickou účinností v průmyslových zařízeních (konkrétní
mandát pro tento dokument, viz Předmluva)
Zelená kniha K evropské strategii v oblasti zabezpečení dodávek energií (COM(2000)769
final) ze dne 29. listopadu 2000
Právní nástroje:
•
Směrnice Rady č. 2004/8/ES ze dne 11. února 2004 o podpoře kombinované výroby
elektrické energie a tepla založené na poptávce po užitečném teple na vnitřním
energetickém trhu, kterou se mění Směrnice 92/42/EHS
•
Směrnice Rady č. 2006/32/ES ze dne 5. dubna 2006 o energetické účinnosti u konečného
uživatele a o energetických službách, kterou se nahrazuje Směrnice Rady č. 93/76/EHS
•
Rámcová směrnice o stanovení rámce pro určení požadavků na ekodesign energetických
spotřebičů (2005/32/ES)
Ostatní nástroje implementace politiky:
•
•
•
Soubor nástrojů energetické účinnosti (Energy Efficiency Toolkit) vytvořený pro malé
a střední podniky v rámci Nařízení o EMAS
Studie a projekty pod záštitou Inteligentní energie – Evropa a SAVE, jež se zabývají
energetickou účinností v budovách a průmyslu.
Akční plán politiky udržitelného průmyslu.
Tento dokument se rovněž prolíná s dokumenty BREF pro konkrétní průmyslové sektory
(„vertikální BREFy“), zejména pak s dokumentem BREF pro velká spalovací zařízení (LCP),
kde je energetická účinnost nejvýznamnějším faktorem. Prolíná se také s dokumenty BREF pro
průmyslové chladící systémy a běžné čištění odpadních vod a odpadních plynů („horizontální
BREFy“, které se vztahují k více než jednomu sektoru).
Energetická účinnost v tomto dokumentu
Politická prohlášení uvádějí energetickou politiku (včetně úspor) a ochranu klimatu (konkrétně
snižování vlivu spalin) mezi nejvyššími prioritami Evropské unie.
Směrnice o IPPC byla novelizována, aby brala v úvahu Směrnici o systému obchodování
s emisemi (ETS)1 (včetně dodatků pro Aarhuskou úmluvu). Účinné využívání energií však i
poté zůstává jedním z jejích hlavních principů. U činností uvedených v Příloze I Směrnice
2003/87/ES se členské státy mohou rozhodnout, že nebudou vznášet požadavky na energetickou
účinnost v souvislosti se spalovacími jednotkami nebo jinými jednotkami, které přímo emitují
oxid uhličitý. Tato flexibilita se nevztahuje na jednotky, které přímo nevypouštějí oxid uhličitý
v rámci téhož zařízení.
1
Směrnice Rady č. 2003/87/ES ze dne 13. října 2003 o vytvoření systému pro obchodování
s povolenkami na emise skleníkových plynů ve Společenství a o novelizaci Směrnice Rady 96/61/ES, viz
Příloha 7.14
xxviii
červen 2008
Rozsah
Tento dokument tudíž obsahuje vodítka pro energetickou účinnost ve všech zařízeních IPPC (a
jejich komponentových jednotkách).
Vodítka v tomto dokumentu mohou být užitečná i pro provozovatele a odvětví, která nepatří do
rámce IPPC.
Směrnice o IPPC se zabývá činnostmi definovanými v její Příloze I a činnostmi přímo
technicky spojenými s těmito uvedenými činnostmi. Nezabývá se produkty. Energetická
účinnost v tomto kontextu tak vylučuje jakékoli úvahy o energetické účinnosti produktů, včetně
případů, kdy zvýšené využívání energie v daném zařízení může přispět k energeticky
účinnějšímu produktu. (Např. tam, kde se energie navíc použije k výrobě pevnější oceli, která
může umožnit, že při konstrukci aut se použije méně oceli a to povede k úsporám paliv.). Jsou
probírány i některé dobré praktiky, které může provozovatel uplatnit ale které jsou mimo sféru
povolování v rámci IPPC, např. doprava (viz Příloha 5).
Jedním z hlavních cílů politiky udržitelnosti je účinné využívání energie a oddělení
(decoupling) využívání energie od růstu. Směrnice o IPPC považuje energii za zdroj a požaduje,
aby byla využívána účinně, aniž by přitom specifikovala zdroj této energie. Tento dokument
tudíž uvažuje o energetické účinnosti z hlediska všech zdrojů energie a jejich využití v rámci
daného zařízení při výrobě produktů nebo poskytování služeb. Nezabývá se využitím
druhotných paliv nebo obnovitelných zdrojů energie jako prostředků zlepšení energetické
účinnosti. Nahrazení fosilních paliv jinými možnostmi je významnou problematikou, která se
však řeší jinde a která představuje přínosy, jakými je např. a čistý pokles emisí CO2 a dalších
skleníkových plynů, větší udržitelnost a zabezpečení dodávek energií. Některé konkrétní
sektorové dokumenty BREF se zabývají využitím druhotných paliv a odpadů jako zdrojů
energie.
Některé odkazy používají termín „management energetické účinnosti“ a jiné „management
energie, energetický management“. V tomto dokumentu (pokud není uvedeno jinak) oba
termíny znamenají dosažení účinného využití fyzikální energie. Oba termíny mohou také
znamenat management nákladů na energii: snížení fyzického množství použité energie vede
zpravidla ke snížení nákladů. Existují však i techniky pro řízení využívání energie (zejména
snižování poptávky ve špičce), jejichž cílem je zůstávat v nižších cenových pásmech a snižovat
náklady, aniž by se nutně musela snižovat celková spotřeba energie. Tyto techniky nejsou
považovány za součást energetické účinnosti, jak ji definuje Směrnice o IPPC.
Tento dokument byl vypracován po první verzi všech ostatních dokumentů BREF. Má se tudíž
za to, že bude sloužit jako referenční materiál o energetické účinnosti pro revize těchto BREFů
(viz Zmocnění v kapitole Předmluva).
červen 2008
xxix
Rozsah
Otázky energetické účinnosti, kterými se zabývá tento dokument
Kapitola Otázky
1
Úvod a definice
1.1
Úvod do energetické účinnosti v EU a tomto dokumentu
Ekonomie a mezisložkové otázky (které jsou podrobněji popsány v dokumentu
BREF o ekonomii a mezisložkových vlivech)
1.2
Termíny používané v oblasti energetické účinnosti, např. energie, práce,
elektrická energie a úvod do zákonů termodynamiky
1.3
Indikátory (ukazatele) energetické účinnosti a jejich použití
Význam definování jednotek, systémů a hranic
Ostatní související termíny, např. primární a sekundární energie, výhřevnosti,
atd.
1.4
Využití indikátorů energetické účinnosti v průmyslu od nejvyšší po nejnižší
úroveň, přístup vycházející z celé lokality a související problémy
1.5
Energetická účinnost v přístupu „zdola nahoru“ a související problémy
Význam systémového přístupu ke zlepšování energetické účinnosti
Významné otázky spojené s definováním energetické účinnosti
2
Techniky, které je třeba zvažovat při dosahování energetické účinnosti na úrovni
závodu
Význam zaujetí strategického pohledu na celou lokalitu, vytýčení cílů
a plánování akcí před investováním (dalších) zdrojů do energetických úspor
2.1
Management energetické účinnosti prostřednictvím specifických nebo
stávajících systémů managementu
2.2
Plánování a stanovování cílů prostřednictvím:
•
neustálého zlepšování životního prostředí
•
uvažování o závodě jako celku a jako o jednotlivých komponentních
systémech
2.3
Uvažování o energetické účinnosti ve fázi projektování nových nebo
modernizaci stávajících zařízení
•
výběr technologií s energeticky účinným procesem
2.4
Zvyšování procesní integrace mezi procesy, systémy a zařízeními za účelem
zvýšení účinného využívání energie a surovin.
2.5
Udržení intenzity iniciativ směřujících k energetické účinnosti v dlouhodobé
perspektivě.
2.6
Zachování dostatečné odbornosti na všech úrovních, aby bylo možné vytvořit
energeticky účinné systémy. Jsou nutné odborné znalosti nejenom managementu
energetiky, ale i procesů a systémů.
2.7
Komunikace o iniciativách a výsledcích v oblasti energetické účinnosti, včetně:
•
využití Sankeyových diagramů.
2.8
Efektivní řízení procesů: zajistit, aby procesy probíhaly co nejúčinněji, pro větší
energetickou účinnost minimalizovat produkty mimo specifikaci atd., pomocí:
•
systémů řízení procesů
•
systémů managementu kvality (statisticky)
2.9
Význam plánované údržby a okamžitá pozornost věnovaná neplánovaným
opravám, které plýtvají energií, jako jsou úniky páry a stlačeného vzduchu.
2.10
Monitoring a měření jsou velmi důležité otázky, včetně:
•
kvalitativních technik
•
kvantitativních měření pomocí přímého odečtu a moderních měřících
systémů
•
aplikace měřidel průtoku nové generace
•
využívání modelů energie, databází a bilancí
•
optimalizace funkčnosti pomocí moderního měření a softwarového řízení
2.11
Energetický audit je základní technikou při zjišťování oblastí s využíváním
energie, možností úspor a při kontrole výsledků přijatých opatření.
xxx
červen 2008
Rozsah
2.12
2.13
2.14
2.15
2.16
3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
4
Přílohy
Technologie PINCH je užitečným nástrojem tam, kde na jednom místě existují
toky vyhřívání i chlazení a kde je možné integrovat výměnu energie.
Analýzy exergie a entalpie jsou užitečnými nástroji při posuzování možností
energetických úspor a také možností využití nadbytečné energie.
Termoekonomie kombinuje termodynamickou a ekonomickou analýzu s cílem
porozumět tomu, kde lze dosáhnout úspor energie a materiálů.
Modely energie zahrnují:
•
využití modelů, databází a bilancí
•
využití sofistikovaného modelování k optimalizaci managementu médií a
služeb, včetně energie
Benchmarking je velmi důležitý nástroj při posuzování výkonu závodu, procesu
nebo systému a provádí se verifikací vůči externím nebo interním úrovním
využívání energie nebo vůči energeticky účinným metodám.
Techniky, které je třeba zvažovat při dosahování energetické účinnosti na úrovni
systému a na úrovni komponentových součástí. Jedná se o techniky
zohledňované při optimalizaci systémů a techniky pro vybavení, které nebylo
optimalizováno v rámci revize systému.
Hlavní techniky spalování jsou popsány v příslušném dokumentu BREF LCP.
V tomto dokumentu jsou zdůrazněny ty nejdůležitější.
Parní systémy
Získávání odpadního tepla pomocí tepelných výměníků a tepelných čerpadel
Pozn.: Chladící systémy jsou probrány v dokumentu BREF CV
Jsou vysvětleny hlavní druhy kogenerace i trigenerace a využití trigenerace při
místním vytápění a chlazení
Způsob, jakým se využívá elektrická energie v určitém zařízení, může vést
k energetické neúčinnosti v systému interních i externích dodávek.
Obecně jsou probírány elektrické, motorem poháněné subsystémy, ačkoli
konkrétní systémy jsou probírány podrobněji (viz kap. 3.7 a 3.8)
Využití a optimalizace systémů stlačeného vzduchu (compressed air systems CAS)
Čerpací systémy a jejich optimalizace
HVAC; vytápění, větrání a klimatizace
Osvětlení a jeho optimalizace
Sušení a separační procesy a jejich optimalizace
Závěry týkající se technik energetické účinnosti
Doplňující údaje a podrobnější příklady.
Hranice tohoto dokumentu s ostatními dokumenty BREF
Tento dokument poskytuje:
•
•
•
horizontální vodítka v oblasti energetické účinnosti pro všechny činnosti uvedené
v Příloze I Směrnice o IPPC
odkazy na dokumenty BREF, v nichž byly konkrétní techniky energetické účinnosti již
podrobně rozebrány, a lze je aplikovat v ostatních sektorech. Např.:
o BREF pro velká spalovací zařízení popisuje energetickou účinnost ve vztahu ke
spalování a zdůrazňuje, že tyto techniky lze aplikovat na spalovací zařízení
s kapacitou menší než 50 MW
o BREF pro průmyslové chladící systémy
Více informací o technikách, které lze najít v ostatních dokumentech BREF, pakliže je to
považováno za užitečné (Např. dokumenty BREF pro speciální organické chemikálie
(OFC) a speciální anorganické chemikálie (SIC) již zahrnují Technologii PINCH.
červen 2008
xxxi
Rozsah
Tento dokument naopak:
•
•
Nezahrnuje informace specifické pro sektory pokryté ostatními BREFy. Např.:
Dokumenty BREF LVIC-S a BREF LVIC-AAF se zabývají energetickou účinností
velkoobjemových procesů v průmyslu anorganické chemie
BREF STM popisuje energetickou účinnost galvanických roztoků
Neodvozuje nejlepší dostupné techniky (BAT) specifické pro určitý sektor.
V Příloze 13 je však pro informaci uveden přehled sektorově specifických BAT z ostatních
BREFů.
Tento dokument poskytuje obecná vodítka a může tudíž obsahovat informace užitečné pro
ostatní odvětví, kterých se Směrnice o IPPC netýká.
Jak tento dokument používat ve spojení s vertikálními sektorovými dokumenty BREF
Je třeba vzít v potaz následující kroky, aby se zajistilo, že informace o (nejlepších dostupných)
technikách v oblastech pokrytých jak vertikálními, tak i horizontálními BREFy (viz obr. 1)
budou co nejlépe využity. Příklady jsou uvedeny ve vztahu k energetické účinnosti (ENE):
Krok 1: konzultujte informace z relevantních vertikálních sektorových dokumentů BREF
Zjistěte vhodné techniky a BAT ve vertikálním sektorovém dokumentu BREF, např. pro
energetickou účinnost. Pokud existuje dostatek dat, použijte při přípravě povolení tuto BAT a
podpůrná data.
Krok 2: zjistěte, konzultujte a přidejte informace z ostatních relevantních vertikálních
sektorových dokumentů BREF pro navazující činnosti na pracovním místě
Ostatní dokumenty BREF mohou obsahovat techniky k posouzení a BAT týkající se činností
v rámci závodu, o kterých vertikální sektorový BREF nepojednává.
Konkrétně pro energetickou účinnost např. BREF LCP poskytuje informace a BAT o spalování
a výrobě a využití páry.
Ostatní vertikální dokumenty BREF mohou také zahrnovat konkrétní odborné informace o
technikách, které lze aplikovat za hranicemi sektoru, ke kterému se vztahují, a pomoci tak
implementaci BAT.
Krok 3: zjistěte, konzultujte a přidejte informace z ostatních relevantních horizontálních
sektorových dokumentů BREF
Abyste si zajistili odborná všeobecně použitelná data, jejichž použití pomůže realizaci BAT
v konkrétním vertikálním sektoru, konzultujte také horizontální dokumenty BREF2. Závod by
mohl zahrnovat systémy nebo činnosti, o kterých vertikální BREF nepojednává.
Například BREF ENE obsahuje BAT a techniky k úvaze pro:
•
Management energie, např. systémy managementu, audit, školení, monitoring, řízení a
údržba
2
Tzv. horizontální BREFy jsou: energetická účinnost (ENE), chlazení (CV), společné čištění odpadních
vod a odpadního plynu/systémy managementu v chemickém sektoru (CWW), ekonomie a mezisložkové
vlivy (ECM), monitoring (MON) a emise ze skladování (ESB).
xxxii
červen 2008
Rozsah
•
Hlavní systémy používající energii v mnoha závodech (pára, získávání tepla, kogenerace,
zásobování elektrickou energií, subsystémy poháněné elektromotory, systémy stlačeného
vzduchu (CAS), čerpací systémy, HVAC, osvětlení a sušení a separace).
Data.
Kombinace:
Údajů
z určité
vertikální
odvětví
Údajů horizontálního BREF
Údaje z ostatních vertikálních
BREF
Krok 1
BREF pro vertikální sektor
Popis specifických technik
pro odvětvově specifické
činnosti, techniky mají
specifické použití (jako
např. ENE), včetně omezení
a BAT specifik pro dané
odvětví
Výstup.
Např. povolení, uplatnění,
návrh, projekt, dokumentace
procesu
Krok 2
Další relevantní vertikální
BREFy
Specifické
odborné
informace o technikách a
BAT pro ostatní činnosti,
např. viz LCP (velká
spalovací zařízení)
Postup
kroků
Krok 3
Horizontální BREFy
Dodatečná, odborná a
obecná data o technikách a
BAT pro systémy a činnosti,
jež jsou částečně nebo
vůbec
popsány
ve
vertikálním BREF, např.
ENE
Uživatel BREF
Např. osoba vydávající
povolení, zpracovatel
žádosti o vydání
povolení, konstruktér
procesu
Obrázek 1-1: Použití vertikálních sektorových BREFů s horizontálními BREFy
červen 2008
xxxiii
Kapitola 1
1 ÚVOD A DEFINICE
[3, FEAD and Industry, 2005] [97, Kreith, 1997]
http://columbia.thefreedictionary.com/energy] [TWG [127, TWG, , 145, EC, 2000]
1.1
1.1.1
Úvod
Energie v sektoru průmyslu v EU
„Chceme společně vést na cestě energetické politiky a ochrany klimatu a přispívat k odvrácení
globální hrozby klimatických změn.“ Berlínská deklarace (25. března 2007).
V roce 2004 činila energie využitá v sektoru průmyslu evropské pětadvacítky 319 Mtoe
(milionů tun ropného ekvivalentu nebo 11004 PJ) neboli 28 % konečného ročního množství
energie využité v EU a 30 % poptávky po primární energii3.
27 % primárních paliv se využívá ve veřejných tepelných elektrárnách. Další dva sektory, které
jsou nejnáročnější na energii, jsou průmysl železa a oceli a chemický průmysl, které spotřebují
19 %, respektive 18 % energie využité v průmyslu. Následují sektory sklářství, keramiky a
stavebních materiálů s 13 % a papírenství a tiskařský sektor s 11 %. Asi 25 % elektřiny
spotřebované v průmyslu produkuje sám průmyslový sektor. Současná čísla nevykazují velké
meziroční výkyvy (tj. mezi roky 2000 a 2004). Ostatní čísla týkající se průmyslových sektorů
IPPC jsou uvedena na obr. 1.1.
Podle Evropského registru emisí znečišťujících látek (EPER) se hlavní IPPC znečišťovatelé
podílejí na veškerých evropských emisích CO2 ze 40 %, na veškerých emisích SOx z asi 70 % a
na všech emisích NOx asi z 25 %. [145, EC, 2000, 152, EC, 2003] [251, Eurostat].
Obrázek 1-1 Procentuální podíly zpracovatelských průmyslových sektorů na poptávce po primární
energii v EU
[145, EC, 2000]
3
Viz kap. 1.3.6.1, kde je uveden popis primárních, sekundárních a konečných (finálních) energií
červen 2008
1
Kapitola 2
1.1.2
Dopady využívání energie
Globální oteplování
Některé plyny přispívají k oteplování atmosféry tím, že absorbují záření z povrchu Země a
opětovně emitují záření s delší vlnovou délkou. Tento jev, kdy část záření je opětovně
emitována do atmosféry a na zemský povrch, se nazývá „skleníkový efekt“ – díky oteplení,
které jej provází. Hlavními skleníkovými plyny (GHG) jsou vodní pára, oxid uhličitý (CO2),
methan (CH4) a ozón (O3) a mj. i oxid dusičitý (NO2). Tento proces oteplování je přirozený a
má zásadní význam pro udržení ekosystémů na Zemi.
Koncentrace oxidu uhličitého, tj. nejvýznamnějšího (antropogenního) skleníkového plynu,
v ovzduší se však ve srovnání s předindustriální dobou v důsledku lidské činnosti zvýšila o
34%, přičemž k urychlenému růstu dochází od 50. let minulého století. Koncentrace ostatních
skleníkových plynů se v důsledku lidské činnosti také zvýšily. Hlavními zdroji jsou CO2 a oxidy
dusíku ze spalování fosilních paliv v průmyslu (včetně výroby elektřiny), domácnostech a
v dopravě. Ostatní zdroje souvisejí se změnou využívání půdy a uvolňováním CO2 a CH4 při
zemědělských činnostech a dochází také k emisím člověkem vytvořených GHG ze specifických
procesů.
Současné koncentrace CO2 a CH4 nebyly překročeny v posledních 420 000 letech a současné
koncentrace N2O v posledních minimálně 1000 letech. Základní předpoklady IPPC (2001)
udávají, že koncentrace skleníkových plynů v několika následujících desetiletích (před rokem
2050) pravděpodobně převýší hodnotu 550 ppm ekvivalentu CO2 – viz obr. 1.2 [252, EEA,
2005]. Scénář z roku 2006 uvádí, že do roku 2050 budou emise CO2 téměř dvaapůlkrát vyšší,
než jsou současné hodnoty [259, IEA, 2006].
Obrázek 1-2: Zvyšování atmosférických koncentrací GHG od roku 1750 a různé scénáře vývoje
ekvivalentu CO2 v ppm
[252, EEA, 2005]
Dopady rostoucí koncentrace GHG a následného globálního oteplování jsou dnes v široké míře
uznávány (různé zprávy IPPC apod.) [262, UK_Treasury]. Ačkoli jsou podrobné informace pro
EU stále ještě omezené, očekává se, že budoucí změny klimatu budou mít široký dopad i
2
červen 2008
Kapitola 1
ekonomické vlivy. Celkové čisté ekonomické dopady jsou stále ještě do značné míry nejisté, ale
existuje určitý silný distribuční vzorec, který hovoří o nepříznivějších dopadech ve Středomoří a
jihovýchodní Evropě. [252, EEA, 2005].
Závislost na fosilních palivech a zabezpečení dodávek
V roce 2001 zůstávala energetická struktura EU do značné míry závislá na fosilních palivech
(79% hrubé spotřeby), a to včetně značného podílu dovážené ropy a plynu. EU dováží více než
polovinu svých dodávek energie a očekává se, že tohoto číslo se v příštích 20 – 30 letech zvýší
až na 70%. [145, EC, 2000]
1.1.3
Příspěvek energetické účinnosti ke snižování vlivů globálního
oteplování a ke zlepšení udržitelnosti
Podle četných studií z roku 2000 [145, EC, 2000] by EU mohla ušetřit minimálně 20 % své
současné spotřeby energie, a to z hlediska nákladů efektivním způsobem. Toto množství
odpovídá 60 miliardám EUR ročně nebo současné společné spotřebě Německa a Finska [Zelená
kniha Evropské komise o energetické účinnosti (COM(2005) final z června 2005)]. Tato Kniha
také zdůrazňuje, že úspory energie jsou bezpochyby tím nejrychlejším, nejúčinnějším
a z hlediska nákladů nejefektivnějším způsobem snížení emisí skleníkových plynů i zlepšení
kvality ovzduší. Energetická účinnost je také významným faktorem managementu přírodních
zdrojů (v tomto případě zdrojů energie) a udržitelného rozvoje a hraje významnou roli při
snižování evropské závislosti na těchto zdrojích. Iniciativa směřující k takovéto účinnosti,
přestože vyžaduje značné investice, by podstatným způsobem přispěla k naplnění lisabonských
cílů, mj. tím, že by vytvořila až milion nových pracovních míst a zvýšila by
konkurenceschopnost [145, EC, 2000, 152, EC, 2003]. V reakci na tuto situaci vytvořila EU
Akční plán v oblasti energetické účinnosti, jehož cílem je úspora až 20% energie v rámci celé
Unie (asi 39 Mtoe – milionů tun ropného ekvivalentu) a 27% energie ve výrobních
průmyslových odvětvích do roku 2020. Tím by se do roku 2020 snížily přímé náklady v EU o
100 miliard EUR ročně a ušetřilo by se asi 780 milionů tun CO2 ročně [142, EC, 2007].
Mnoho sektorů za posledních 20 let svou energetickou účinnost velmi zlepšilo. Hlavními
hnacími silami trhu jsou produktivita, kvalita produktů a nové trhy. Legislativa EU v oblasti
energetické účinnosti je poměrně nová (viz Předmluva), i když v některých členských zemích
tato legislativa existuje již delší dobu. Kroky, které průmysl podnikl, jsou do značné míry
dobrovolné a obvykle vyvolané vysokými náklady, ale souvisejí také s iniciativami EU
a členských států (viz Předmluva a Příloha 7.13). Např. evropský chemický průmysl je jedním
z největších spotřebitelů plynu mezi výrobními odvětvími v EU a energie zde představuje až
60% výrobních nákladů. V letech 1975 – 2003 se však měrná spotřeba energie v chemickém
průmyslu snížila o 55 %.
červen 2008
3
Kapitola 2
Obrázek 1-3: Spotřeba energie v chemickém průmyslu v letech 1975 – 2003
Potřeba vytrvat ve snaze o zlepšování energetické účinnosti je však životně důležitá. Odhady
ukazují, emise CO2 spojené s energií se mohou do roku 2050 vrátit na úroveň roku 2006 a růst
poptávky po ropě lze zmírnit (když se jako základ berou stávající technologie), a to především
díky zvýšené energetické účinnosti (další zlepšení je spojeno s přechodem od fosilních paliv
v případě dopravy a zásobování elektrickou energií). Zvýšení energetické účinnosti je nejvyšší
prioritou pro dosažení udržitelnější budoucnosti v energetice a je také často nejlevnějším,
nejrychlejším a z hlediska životního prostředí nejpříznivějším způsobem snižování emisí a
změny rostoucí poptávky po energii. Podle scénářů odhadovaných v roce 2006 by lepší
energetická účinnost v budovách a v sektorech průmyslu a dopravy měla do roku 2050 vést ke
snížení spotřeby energie o 17 – 33% ve srovnání s výchozím stavem. Energetická účinnost se na
celkovém snížení emisí CO2 do roku 2050 bude podílet ze 45 – 53 % (v závislosti na scénáři) opět ve vztahu k výchozímu stavu. Podle jednoho scénáře, ve kterém se hovoří o zlepšení
globální účinnosti do roku 2050 pouze o 20 %, se mají emise CO2 naopak zvýšit o více než 20
% ve srovnání s ostatními scénáři [259, IEA, 2006].
1.1.4
Energetická účinnost a Směrnice o IPPC
Právní základ energetické účinnosti i tohoto dokumentu je plně popsán v Předmluvě a kapitole
o Rozsahu. Povolovací orgán i provozovatel by si měli být vědomi, co využití energetické
účinnosti znamená, jak jí lze dosáhnout, měřit nebo posuzovat a tím pádem i jak může být brána
v úvahu v příslušném povolení.
Průmyslové činnosti, na které se vztahuje IPPC, jsou uvedeny v Příloze 1 Směrnice o IPPC.
Příklady výrobních procesů, jednotek a lokalit IPPC jsou:
•
Plynová elektrárna, do které vstupuje jako surovina plyn a produktem jejího výrobního
procesu je elektřina. Použitou energií je energie obsažená v plynu. Spolu s elektřinou
vzniká také druhotná tepelná energie, která zpravidla ztratí ochlazováním. Pokud by bylo
4
červen 2008
Kapitola 1
možné ji využít (např. v rámci místního systému vytápění), pak se měrná energetická
účinnost zvýší.
•
Rafinérie, do které vstupuje ropa a transformuje se na benzín, naftu, topný olej a řadu
dalších produktů. Část uhlovodíků zpracovávaných v rafinérii se spaluje interně za
účelem získání nezbytné energie pro proces konverze. Zpravidla je však nutné dodat
určité množství elektrické energie, pokud není v rafinérii instalováno kogenerační
zařízení – v takovém případě by se rafinérie naopak stávala sama dodavatelem elektrické
energie.
•
Do parní krakovací jednotky vstupují kapalné a plynné suroviny z rafinérie, které
jednotka konvertuje na ethylen a propylen a řadu vedlejších produktů. Část spotřebované
energie se vyrábí interně v rámci procesu a do celkového množství se doplňuje externí
dodávkou páry, elektřiny a paliva.
•
Vstup do válcovny v ocelárnách sestává z přibližně 20 cm silných ocelových plátů, které
je třeba vyválcovat do cívky s tloušťkou několika milimetrů. Válcovna se skládá z pecí,
válcovací stolice, chladících zařízení a podpůrných systémů.
•
Spalovna odpadu (v severní Evropě) přijímá 150 000 tun odpadu, který zbývá
po recyklaci materiálů a biologické regeneraci odpadů od půl milionu lidí. Spalovna může
vyrobit 60000 MWh elektřiny ročně, z toho 15000 MWh ročně sama využije v interní
spotřebě a 45000 MWh pak dodává do elektrické sítě. Toto množství pokryje spotřebu
elektrické energie pro 60000 obyvatel. Tam, kde je také poptávka po teple, může
spalovna pracovat v režimu kogenerace (tj. jako kombinovaná výroba elektřiny a tepla):
k výrobě elektřiny se použije vysokotlaká pára a zbývající nízkotlaká nebo střednětlaká
pára se přivádí do místního systému vytápění nebo chlazení, anebo se dodává do
průmyslových podniků. Výroba tepla je účinnější a když se teplo využije mimo závod, je
vyrobené elektřiny méně. Pokud existuje dostatečná poptávka po teple, lze zařízení
konstruovat tak, aby dodávalo pouze teplo. Dodávka a bilance vyrobené elektřiny
a vyrobeného tepla záleží na tom, zda je využití pro teplo, a také na dalších smluvních
podmínkách.
•
Zařízení intenzivního chovu drůbeže (brojlerů) má místa pro 40 000 ptáků a chová kuřata
do váhy požadované pro porážku (po dobu pěti až osmi týdnů). Jednotky tohoto zařízení
používají energii na systémy krmení a napájení, osvětlení, přesun hnoje a podestýlky a
na ventilaci, vyhřívaní nebo chlazení. Hnůj se většinou aplikuje na půdu, ale lze ho využít
i jako surovinu pro bioplynovou stanici v místě chovu nebo jinde. Bioplyn lze využít i
k vytápění jednotek se zvířaty.
•
Zařízení pro hlubotisk má pět tiskařských lisů se 40 inkoustovými jednotkami a tisknou
se zde vysoce kvalitní časopisy a katalogy. Zařízení využívá elektrickou energii pro
motory pohánějící tiskařské lisy, v systémech stlačeného vzduchu a hydraulických
systémech, které se při tiskařském procesu používají, dále využívá zemní plyn při sušení
a páru k regeneraci toluenu (absorpce rozpouštědla v systému zpracování odpadů).
Všechna zařízení IPPC jsou spojena s činnostmi a podpůrnými zařízeními, která spotřebovávají
energie – jsou to např. hydraulické systémy, mazání, systémy stlačeného vzduchu, ventilace,
vytápění, chlazení a s tím spojená čerpadla, ventilátory, motory atd. Jsou zde také údržbářské
dílny, prostory pro zaměstnance, kanceláře, šatny, sklady atd., které potřebují vytápění nebo
chlazení, horkou vodu, osvětlení atd.
červen 2008
5
Kapitola 2
1.1.5
Energetická účinnost v integrované prevenci a omezování
znečištění
Techniky energetické účinnosti jsou dostupné z široké škály zdrojů a v mnoha jazycích. Tento
dokument se zabývá nejdůležitějšími koncepty a technikami z hlediska integrované prevence
a omezování znečištění pro celý podnik. Výměna informací ukázala, že sice lze aplikovat
jednotlivé techniky a uspořit přitom energii, ale podstatného zlepšení energetické účinnosti je
možné dosáhnout jen při strategickém zohlednění celé lokality podniku (pobočky, závodu)
a jeho komponentních systémů. Např. výměna elektrických motorů v systému stlačeného
vzduchu sice může uspořit asi 2 % energetického vstupu, ale kompletní revize celého systému
by mohla uspořit až 37 % (viz kapitola 3.7). Zaměření na techniky na úrovni jednotlivých
konstituentů (komponent) může být skutečně příliš normativní. V některých případech to může
znamenat, že rozhodnutí, která představují větší environmentální přínos, se neuskuteční nebo
opozdí, protože finanční a jiné zdroje se využijí k investicím, které nebyly optimalizovány
z hlediska energetické účinnosti.
Stejně tak mohou techniky energetické účinnosti na úrovni komponentu nebo systému
v některých případech také zachovávat nebo dokonce zvyšovat mezisložkové vlivy (což je
z environmentálního hlediska negativní). Příkladem by mohl být podnik používající organická
rozpouštědla při povrchové úpravě (nátěry). Jednotlivé komponenty (např. motory) mohou být
vyměněny za účinnější, dokonce i extrakce rozpouštědel a systém zpracování odpadních plynů
lze optimalizovat na minimální spotřebu energie, ale největší přínos pro životní prostředí by byl
ve výměně části nebo celého procesu za proces bez rozpouštědel nebo proces využívající jen
malé množství rozpouštědel (tam, kde je to technicky možné). V tomto případě by nový proces
mohl při sušení apod. spotřebovávat více energie než původní proces aplikace nátěrů, ale hlavní
energetické úspory by spočívaly v tom, že již by nebylo nutné extrahovat žádná rozpouštědla
ani zpracovávat odpadní plyny. Navíc by došlo ke snížení celkových emisí rozpouštědel
z lokality podniku (viz kap. 2.2.1 a BREF pro povrchové úpravy s použitím rozpouštědel).
Podrobnosti o rozvržení dokumentu
Podrobnosti o tom, jak je dokument uspořádán, jsou uvedeny v kapitole Rozsah.
Vysvětlení a termíny použité v této kapitole a ostatních kapitolách představují úvod do příslušné
problematiky a oblasti IPPC a ostatních sektorů se týkají jen obecně, nikoli na expertní úrovni.
Rozsáhlejší vědecké informace a vysvětlení (stejně tak jako matematické vzorce a odvození) lze
najít v Příloze 7.1 a ve standardních učebnicích termodynamiky nebo dalších odkazech.
1.1.6
Otázky ekonomie a mezisložkových vlivů
Energie je stejně jako ostatní cenné surovinové zdroje součástí podnikání – a nepředstavuje jen
režii a součást udržování chodu firmy. Energie má vliv na náklady a životní prostředí a je třeba
s ní dobře hospodařit, aby se zvyšovala ziskovost a konkurenceschopnost podniku a zároveň
se snižovala závažnost environmentálních dopadů.
Evropská politika považuje energetickou účinnost za velmi významnou (např. v dokumentech,
jako je Berlínská deklarace, v níž je to jediné environmentální téma [141, EU, 2007]). Při
zvažování ekonomických a mezisložkových vlivů případné realizace BAT v určitém podniku by
se měl brát v úvahu význam energetické účinnosti, i v souvislosti s Čl. 10, odst. 4, tj. povolení
limitních hodnot emisí a ekvivalentních parametrů.
Podle Evropské komise lze očekávat, že opatření integrovaná v rámci celého procesu budou mít
na ziskovost podniků zpravidla pozitivní nebo víceméně neutrální vliv.4 Je nevyhnutelné, že
4
COM(2003) 354 final uvádí: Tzv. koncová opatření („na konci potrubí“) mají často krátkodobý
negativní dopad na ziskovost. Energetická účinnost však nezná žádná koncová opatření. Nejbližší
6
červen 2008
Kapitola 1
náklady na některé BAT se nevrátí v plné výši zpět, ale jejich společenské přínosy převáží
vynaložené náklady a bude dodržen princip „znečišťovatel platí“.
Určení nejlepší dostupné techniky (BAT) spočívá v posouzení odhadnutých čistých nákladů
na realizaci určité techniky ve vztahu k dosaženým environmentálním přínosům. Další
ekonomický test se týká toho, zda lze tuto techniku v příslušném sektoru realizovat za
ekonomicky přijatelných podmínek. Tento test finanční dostupnosti lze s úspěchem aplikovat
pouze na evropské úrovni daného sektoru5 [152, EC, 2003].
Energetická účinnost má tu výhodu, že opatření na snížení vlivů na životní prostředí se obvykle
také finančně vyplatí. Tam, kde byla do výměny informací zařazena i data o nákladech, jsou
tyto údaje uvedeny pro jednotlivé techniky i v následujících kapitolách (nebo jsou uvedeny
v příslušných vertikálních sektorových dokumentech BREF). Často se objevuje otázka
vynaložených nákladů a výsledných přínosů. Ekonomická účinnost každé techniky může
poskytnout informace, na základě kterých lze tuto otázku posoudit. V případě stávajících
podniků je třeba zohlednit ekonomickou a technickou životaschopnost jejich modernizace.
prostředí a tato posuzování budou často ovlivňovat místní okolnosti (jak bylo uvedeno
v Předmluvě). V některých případech se může zvýšit spotřeba energie, aby se dosáhlo snížení
ostatních vlivů na životní prostředí v důsledku realizace IPPC (např. zavedení zpracování
odpadních plynů, aby se snížily emise do ovzduší).
Tyto otázky jsou dále rozpracovány v dokumentu BREF o ekonomii a mezisložkových vlivech,
včetně variant posuzování mezisložkových vlivů a výpočtu nákladů a výnosů. Následující
praktické příklady vzešly z výměny informací a mohou být pro čtenáře užitečné:
v několika členských státech se zvažuje technika, při níž se dosáhne životaschopného
poměru nákladů a výnosů tehdy, když je návratnost investic 5 – 7 let, nebo ROI (výnos)
činí 15 %, přičemž v různých státech a regionech se používají trochu jiná čísla) [249,
TWG, 2007].
(ii)
u energetické účinnosti je možné posuzovat ekonomický přínos mnoha technik
v horizontu nákladů vynaložených po celou dobu jejich životnosti. Např. z
celoživotních nákladů na elektromotory tvoří náklady na nákup 2,5%, údržba tvoří 1,5%
a celých 96% jsou náklady na použitou energii.
(iii)
jeden členský stát zveřejnil mezinárodně uznávanou zprávu o ekonomickém významu
boje proti klimatickým změnám. Ve snaze posoudit možné náklady na škody způsobené
změnami klimatu tento členský stát používá hodnotu 70 GBP/t uhlíku v roce 2000, plus
1 GBP/t ročně pro vyrovnání inflace (19 GBP/t CO2 plus 0,27 GBP/t - roční inflace).
Toto číslo lze použít při porovnávání externalit nebo společenských nákladů ne
mezisložkové vlivy. [262, UK_Treasury, 2006]
http://www.hmtreasury.gov.uk/documents/taxation_work_and_welfare/taxation_and_the_environment/tax_env
_GESWP140.cfm
(i)
(iv)
jedna nedávná mezinárodní zpráva ukazuje, že hodnoty CO2 by se mohly vrátit na
současné hodnoty (nebo se na nich udržet) pomocí stávajících technologií, včetně
zvýšené energetické účinnosti. Tomuto cíli byla přiřazena cena 25 USD (20,68 EUR) za
tunu CO2, což by znamenalo zvýšení nákladů na elektřinu z uhlí asi o 0,02 USD (0,017
EUR) na kWh a nákladů na benzín asi o 0,07 USD/litr (0,058 EUR/litr, 0,28
USD/galon). Průměrné náklady na snížení emisí CO2 o 1 tunu pro celé portfolio
technologií (jakmile budou všechny technologie plně komercionalizovány) jsou méně
analogií je jednoduchá výměna připojených zařízení, jako jsou např. motory. Tato opatření nejspíše
nepředstavují nejlepší environmentální ani ekonomické přínosy. Viz kapitola 1.5.1.
5
„Sektor“ by zde měl být chápán jako relativně vysoká míra specializace, např. spíše jako sektor výroby
chlóru a hydroxidu sodného než jako celý sektor chemického průmyslu.
červen 2008
7
Kapitola 2
než 25 USD (20,68 EUR). To bylo méně než je hodnota za tunu CO2 pro obchodování
v počátečním období fungování systému obchodování s emisemi v rámci EU (při
směnném kursu 1 USD = 0,827 EUR z dubna 2006) [259, IEA, 2006].
Kalkulátory používané k výpočtu úspor nákladů
Byly vyvinuty různé softwarové kalkulátory, které mohou pomoci s výpočtem. Mají však určité
nevýhody, které je nutné vzít při jejich používání v úvahu.
•
•
Často jsou založeny na výměně jednotlivých kusů zařízení, např. motorů, čerpadel,
osvětlení, aniž by se bral v úvahu celý systém, ve kterém dané zařízení pracuje. To může
vést k tomu, že pro celý systém nebo podnik nebude maximální energetické účinnosti
dosaženo (viz kap. 1.3.5 a 1.5.1.1)
Některé z těchto nástrojů produkují nezávislé zdroje, např. vládní agentury, ale některé
jsou komerční, a tudíž nemusejí být úplně nezávislé.
Příklady výpočetních nástrojů jsou uvedeny v kap. 2.17 a také na:
•
•
8
http://www.energystar.gov/ia/business/cfo_calculator.xls
http://www.martindalecenter.com/Calculators1A_4_Util.html
červen 2008
Kapitola 1
1.2
Energie a zákony termodynamiky
[2, Valero-Capilla, 2005, 3, FEAD and Industry, 2005, 97, Kreith, 1997, 154,
Columbia_Encyclopedia, , 227, TWG]
Energie je primární entita a je těžké ji jednoduše definovat, protože nejsprávnější způsob její
definice je pomocí matematiky. Neodborně řečeno, je to schopnost nebo kapacita vykonávat
práci (což by šlo také popsat jako vykonávání změny nebo „dostupná energie“).
Termodynamika je obor, který studuje energii a její transformace, a stanoví základní koncepty,
tj. zákony termodynamiky. Určitá znalost prvních dvou zákonů termodynamiky je nutná pro
pochopení energie a energetické účinnosti. Tato kapitola se snaží podat relativně jednoduché
vysvětlení s minimem odkazů na matematiku. Ve výsledku je tudíž vědecky nepřesná, ale
v Příloze 7.1 [269, Valero, 2007] je uvedeno přesnější a podrobnější vysvětlení. Více informací
je také ve standardních učebnicích (příklady jsou v Příloze 1).
1.2.1
Energie, teplo, síla a práce
Energie se měří z hlediska této změny „systému“ z jednoho stavu do druhého v jednotkách SI –
joulech. Energie může mít mnoho forem a nazývá se podle činnosti konkrétní síly (nebo práce
dosažené touto silou). Existuje šest hlavních forem energie, které se v průmyslu nejčastěji
využívají:
1. Chemická energie je energie, která váže atomy nebo ionty k sobě. V průmyslových
činnostech se uchovává v palivech na bázi uhlíku a uvolňuje se při chemické reakci
(v tomto případě oxidaci, a obvykle spalováním za uvolňování oxidu uhličitého). Uvolněná
energie se zpravidla přeměňuje na využitelnější formy, např. v mechanickou energii
(spalovací motory) nebo tepelnou energii (přímé vytápění).
2. Mechanická energie je spojena s pohybem (jako je např. činnost válců ve spalovacích
motorech) a může být využita přímo k pohonu strojů, např. automobilů apod. Ve velké míře
se využívá také k pohonu generátorů vyrábějících elektrickou energii. Mechanická energie
zahrnuje také vlny a energii přílivu a odlivu.
3. Tepelná energie je vnitřní pohyb částic látky. Lze ji označit buď jako termodynamickou
energii (neboli interní energii) anebo jako synonymum pro teplo. Teplo je však ve
skutečnosti činnost spočívající v přenosu tepelné energie z jednoho systému (nebo
předmětu) do druhého. Tepelná energie se může uvolňovat při chemické reakci, jako je
hoření nebo nukleární reakce, při odporu vůči elektrickému proudu (jako např.
v elektrických kamnech) nebo mechanickým rozptylem (např. třením).
4. Elektrická energie je schopnost elektrických sil vykonávat práci během přeskupování
pozic nábojů (např. když elektrický náboj teče v obvodu). Je úzce spojena s magnetickou
energií, což je forma energie přítomné v každém elektrickém nebo magnetickém poli
(objem obsahující elektromagnetické záření) a často souvisí s pohybem elektrického náboje.
Elektromagnetické záření zahrnuje světelné energie.
5. Gravitační energie je práce vykonávaná zemskou gravitací. I když v průmyslu využití má,
např. při přesunu materiálů směrem dolů, její úloha v energetické účinnosti je omezena
na některé energetické výpočty. Zvedání a čerpání atd. se provádí pomocí strojů
využívajících elektrickou energii.
6. Jaderná energie je energie v jádrech atomů, která se může uvolnit štěpením nebo syntézou
jader. Elektrárny využívající jadernou energii nejsou v rámci IPPC a jadernou energií
se tento dokument nezabývá. Elektřina vyrobená z jádra však tvoří součást energetického
mixu Evropy, viz Příloha 11.
Potenciální a kinetická energie
červen 2008
9
Kapitola 2
Všechny výše uvedené energie jsou potenciální energie, kde je energie nějakým způsobem
uchována, např. v chemických vazbách stabilní látky, v radioaktivním materiálu atd. Gravitační
potenciální energie je energie, která je uchována díky postavení předmětu vůči jiným
předmětům, např. voda umístěná nad přehradou. Kinetická energie je energie pohybu těla nebo
částic. Klasickým příkladem je kyvadlo, kde maximum potenciální energie je uchováno
v kyvadle na vrcholu oblouku, maximum kinetické energie je pak v momentě, kdy je kyvadlo ve
spodní části oblouku. Jak je zřejmé z tohoto základního příkladu, formy energie se různě
proměňují. Většina fundamentálních interakcí v přírodě je spojena s některým druhem
potenciální energie, i když některé energie nelze takto snadno klasifikovat – např. světlo.
Teplo, přenos tepla a práce
Teplo (Q) lze definovat jako energii přenášenou z jedné hmoty do druhé díky rozdílu teplot
mezi těmito hmotami. Odpovídá množství energie přenesené do uzavřeného systému během
procesu jinak než prostřednictvím práce. K přenosu energie dochází pouze ve směru klesající
teploty. Teplo se může přenášet třemi různými způsoby:
•
Vedení (kondukce) je přenos energie od těch částic látky, které mají vyšší energii, do
sousedních částic, které jí mají méně. Děje se tak prostřednictvím interakcí mezi
částicemi. K vedení může docházet v tuhých látkách, kapalinách i plynech.
•
Proudění (konvekce) je přenos energie mezi tuhým povrchem o určité teplotě
a sousedním pohybujícím se plynem nebo kapalinou o jiné teplotě
•
Tepelné záření (radiace) je emitováno látkou v důsledku změn v elektronických
konfiguracích jejích atomů nebo molekul. Tato energie je přenášena elektromagnetickými
vlnami a k šíření nevyžaduje žádné médium a k přenosu může docházet dokonce i ve
vakuu.
V termodynamice je práce (W) definována jako množství energie přenesené z jednoho systému
do druhého. Mechanická práce (hnací síla) je množství energie přenesené silou. Práci lze také
vyjádřit jako užitečný efekt, jaký je systém schopen vyprodukovat, jako např. vyzdvižení určité
hmotnosti do určité výšky.
Síla a energie
V anglických textech (britských a amerických) se termíny „energie“ (energy) a „síla“ (power)
často vzájemně zaměňují a používají se zmateně. Ve fyzice a inženýrství však mají pojmy
„energie“ a „síla“ různé významy. Síla je energie na jednotku času (míra energie převedené na
práci). Jednotka SI pro sílu a elektřinu je watt. Jeden watt je jeden joul za sekundu.
Spojení „tok síly“ nebo „spotřeba určitého množství elektrické síly“ jsou obě nesprávná, protože
správně by mělo být: „tok energie“ a „spotřeba určitého množství elektrické energie“.
Joule není pro praktická měření příliš velkou jednotkou, proto se při probírání výroby nebo
spotřeby energie v případě určitého zařízení, systému nebo závodu (a tudíž i energetické
účinnosti v průmyslu) používají spíše kilojouly (kJ), megajouly (MJ) nebo gigajouly (GJ).
Spotřeba a produkce elektrické energie se vyjadřuje ve wattech. Z praktického hlediska se opět
jedná o příliš malou jednotku, takže své uplatnění mají častěji kilowatt (kW), megawatt (MW) a
gigawatt (GW).6
Zpravidla nemá smysl diskutovat o využití určitého zařízení na „100 wattů za hodinu“, protože
watt je již jednotkou vykonané práce či využité energie 1 joulu za sekundu. Jako vyjádření míry
už watt nepotřebuje být provázen určením času (pokud se nehovoří o změně síly za nějakou
dobu, podobně jako u zrychlení). Používá se jednotka watt-hodina (watt x hodina), která nepatří
do soustavy SI. V průmyslu se tato jednotka většinou násobí a vzniká kilowatthodina (kWh),
megawatthodina (MWh) a gigawatthodina (GWh). Tyto jednotky se často používají u
6
Pentium 4 CPU spotřebuje asi 82 W. Těžce fyzicky pracující člověk produkuje asi 500 W. běžná auta
produkují od 40 do 200 kW mechanické síly. Moderní diesel-elektrická lokomotiva produkuje asi 3 MW
mechanické síly.
10
červen 2008
Kapitola 1
společností dodávajících energii (dodavatelé elektřiny a zemního plynu) a stanoví se ceny za
kilowatthodinu7.
Ostatní termíny, které se používají, je megawatt elektrický (MWe), který se vztahuje na
elektrickou energii, a megawatt tepelný (MWt), který se vztahuje na tepelnou energii a jejich
cílem je právě rozlišení těchto dvou druhů energie. Jedná se o nestandardní termíny, které jsou
teoreticky zbytečné, ale v praxi se používají, zejména tam, kde se pracuje s oběma druhy
energie a je třeba je odlišit.
1.2.2
Zákony termodynamiky
Jak je zřejmé z kapitoly 1.2.1, jednu formu energie lze transformovat v jinou pomocí stroje nebo
zařízení, a tento stroj může díky energii vykonávat práci (viz Příloha 7.1.1).
Vztahy a pojetí těchto různých energií jsou definovány matematicky podle toho, zda se jedná o
“uzavřené“ nebo „otevřené“ systémy. „Uzavřené systémy nedovolují žádnou výměnu částic
s okolím, ale zůstávají s okolím v kontaktu. Teplo a práci lze vyměňovat přes hranice.
Kombinace boxu (systém + jeho okolí tvoří termodynamicky izolovaný systém, jestliže vně
boxu nedochází k přenosu energie ani hmoty), viz obr. 1.4.
Průmyslové systémy jsou ve skutečnosti „otevřené“. Musí být také definovány vlastnosti
systému, jako je teplota, tlak a koncentrace chemických složek a jejich případné změny a míra
těchto změn.
7
Kilowatthodina je množství energie ekvivalentní síle jednoho kilowattu působící po dobu jedné hodiny.
1 kWh = 1000 W * 3600 sekund = 3 600 000 W-sekund = 3 600 000 J = 3,6 MJ
Jednotka, která se obvykle používá k měření elektrické energie, je watthodina, což je množství energie
vydané zátěží jednoho wattu (např. velmi malou žárovkou) za jednu hodinu. Kilowatthodina (kWh), která
je tisíckrát větší než watthodina, je vhodnou velikostí pro měření energie používané v domácnostech nebo
malých podnicích a také k vyjádření výroby energie v malých elektrárnách. Běžný dům spotřebuje
několik set kilowatthodin za měsíc. Megawatthodina (MWh), která je tisíckrát větší než kilowatthodina,
se používá k měření výkonu velkých elektráren nebo pro vyjádření spotřeby energie velkých podniků.
červen 2008
11
Kapitola 2
Hranice systému
Systém
Okolí systému
Obrázek 1-4: Termodynamický systém
1.2.2.1
První zákon termodynamiky: konverze (přeměna) energie
Tento zákon říká, že energii nelze ani vytvořit ani zničit. Je možné jí pouze transformovat. To
znamená, že celkový tok energie do definovaného systému se musí rovnat celkovému toku
vycházejícímu ven ze systému.
Termíny „produkce energie“ nebo „výroba energie“ (i když jsou technicky nesprávné)
se bohužel používají velmi často a objevují se i v tomto dokumentu (protože termín
„transformace energie“ se v průmyslových aplikacích moc často nepoužívá a pro některé
čtenáře by mohl znít neobvykle). Termín „využití energie“ se používá často, protože
neimplikuje ani vytváření ani ničení energie. Zpravidla se má za to, že tyto termíny znamenají
transformaci jedné formy energie v jinou formu energie nebo práci.
•
Pro uzavřený systém první zákon znamená, že změna energie systému se rovná čisté
energii přenesené do systému prostřednictvím tepla a práce. To je:
∆U = U2 – U1 = Q – W (V jednotkách SI, tj. v joulech)
kde:
U1 = vnitřní energie před změnou
U2 = vnitřní energie po změně
Q = teplo Q>0 když jej systém dostane
W = práce W>0 když ji systém produkuje
Teorie relativity spojuje energii a hmotu, takže jak energie tak i hmota jsou zachovány, a toky
energie a hmoty směrem dovnitř definovaného systému a ven z tohoto systému musejí být
v rovnováze. Protože hmota se mění v energii jen při jaderné fúzi a štěpných reakcích, je možné
12
červen 2008
Kapitola 1
vypočítat bilanci energie (a hmoty) pro reakce a procesy. Toto je základ energetických auditů
a bilancí, viz kap. 2.11.
Energetická účinnost podle prvního zákona (tepelná účinnost) je dána jako:
η=
Wnet ,out
Qin
η = účinnost
W = práce
Q = teplo
Kde:
Lze to také popsat následovně:
účinnost η =
výstup energie
práce (W)
=
vstup energie
energie (E)
V jednotkách SI jsou jak využitá práce vykonaná při procesu, tak i energie (E) vyjádřeny
v joulech, takže tento poměr je bezrozměrný, mezi 0 a 1, nebo se vyjadřuje v procentech. (je
třeba vést v patrnosti, že toto neplatí tam, kde pára, teplo a elektrická síla byly vyjádřeny
v ekvivalentech, jako např. v dokumentu BREF WI [254, EIPPCB, 2005, 255, EC, et al., 2005].
1.2.2.2
Druhý zákon termodynamiky: entropie se zvyšuje
Druhý zákon říká, že entropie (viz níže) termodynamicky izolovaného systému má tendenci
se s časem zvyšovat.
Entropie je8:
 ∂Q 
S 2 − S1 = ∫ 

1 T 
2
(v jednotkách SI = J/K)
změna entropie přenos entropie-vratný proces
kde:
S = entropie
Q = teplo
T = teplota
Tento zákon popisuje kvalitu konkrétního množství energie a směr vesmíru a všech procesů.
Matematický termín entropie lze vysvětlit různými způsoby, což by mohlo pomoci tomuto
konceptu porozumět:
•
•
•
Energie, která je rozptýlena, energie „bez užitku“ nebo rozložená na „nenávratné teplo“
(rozptýlené do molekulárního pohybu nebo vibrací)
Měřítko částečné ztráty schopnosti systému vykonávat práci v důsledku nevratnosti
Kvantifikuje množství neuspořádanosti (nahodilosti) mezi počátečním a konečným
stavem systému (např. způsob uspořádání molekul): tj. toto množství se s časem zvyšuje.
V důsledku toho i tlak a chemická koncentrace přecházejí ze systému s vyšším tlakem,
resp. koncentrací, do systémů s nižším tlakem/koncentrací, dokud nejsou systémy
v rovnováze.
Tento zákon má různé důsledky, z nichž některé také mohou pomoci tento koncept vysvětlit9:
8
Pro uzavřený systém a reverzibilní proces, protože Q není pro otevřený systém definováno.
červen 2008
13
Kapitola 2
•
•
•
•
•
Každému procesu nebo činnosti je vlastní tendence ke ztrátě (nebo rozptýlení) užitečné
energie nebo práce (např. prostřednictvím tření).
Teplo se pohybuje předvídatelnými způsoby, např. tokem z teplejšího předmětu do
chladnějšího.
Je nemožné přenášet teplo z chladného do horkého systému, aniž by se přitom určité
množství energie přeměnilo na teplo.
Práci lze plně přeměnit v teplo, ale ne naopak.
Pro zařízení pracující v cyklu je nemožné získávat teplo z jediného zásobníku
(izolovaného zdroje) a produkovat čisté množství práce: může získat pouze užitečnou
práci z tepla, jestliže je toto teplo zároveň přenášeno z teplého do studeného zásobníku
(není tedy možné získat něco ze systému za nic). To znamená, že stroj na bázi perpetum
mobile nemůže existovat.
V praktických podmínkách to znamená, že žádná transformace energie nemůže být účinná
na 100 % (věnujte pozornost vysvětlení tzv. spodní výhřevnosti v kapitole 1.3.6.2). Na druhou
stranu to také znamená, že snížení nárůstu entropie v procesu, jakým je třeba chemická reakce,
vede k vyšší energetické účinnosti.
Na energii systému lze tudíž pohlížet jako na sumu „užitečné (využitelné)“ energie
a „neupotřebitelné“ energie.
Entalpie (H) je využitelné teplo (tepelná energie) obsažené v systému a souvisí s vnitřní energií
(U), tlakem (P) a objemem (V):
H = U + PV
(v jednotkách SI je vyjádřena v joulech)
(U je spojena s mikroskopickými formami energie v atomech a molekulách.)
S tím, jak se systém proměňuje z jednoho stavu do druhého, je změna entalpie ∆H rovna
entalpii produktů mínus entalpii reagujících látek:
∆H = Hfinal – Hinitial
(v jednotkách SI, je vyjádřena v joulech)
Výsledná ∆H bude záporná, pokud se teplo uvolňuje (exotermní reakce), a kladná, pokud
se teplo odebírá z okolí (endotermní reakce). V případě reakce, při níž vzniká sloučenina ze
svých kompozitních prvků, se změna entalpie nazývá slučovací teplo (nebo měrná změna
entalpie) této sloučeniny. Existují měrné změny entalpie pro spalování, hydrogenaci, apod.
Fyzikální změny stavu nebo fáze hmoty jsou také doprovázeny změnami entalpie, které
se nazývají latentní teplo nebo teplo transformační. Změna, která je spojena s přechodem
z tuhé do kapalné fáze, se nazývá skupenské teplo tání a změna spojená s přechodem z kapalné
do plynné fáze se nazývá výparné skupenské teplo.
Na změnu energie systému lze tudíž pohlížet jako na součet „užitečné (využitelné)“ energie
a „neupotřebitelné“ energie. Abychom získali práci, je nutná interakce dvou systémů. Exergie
(B) je maximální využitelná práce získaná v případě, že je systém uveden do rovnováhy
s okolním prostředím (např. stejné hodnoty T, P, chemické složení – viz kapitola 1.2.2.4).
Podíl exergie ku energii v určité látce lze považovat za měřítko energetické kvality. Formy
energie, jako je např. kinetická energie, elektrická energie a Gibbsova volná energie (G), lze
plně transformovat v práci a jejich exergie se tudíž rovná jejich energii. Naopak formy energie,
jako je např. záření a tepelná energie, však nelze plně konvertovat v práci a mají tudíž nižší
obsah exergie, než činí jejich obsah energie. Přesný podíl exergie v látce záleží na množství
entropie ve vztahu k okolnímu prostředí, jak o tom hovoří druhý zákon termodynamiky.
9
Existují další závěry učiněné na základě tohoto zákona, jako např. ten, že vesmír se v čase stává stále
více neuspořádaným.
14
červen 2008
Kapitola 1
Pro exergii potřebujeme, aby byly definovány parametry systému (T, P, chemické složení,
entropie, entalpie) a lze ji vyjádřit podle toho, které parametry jsou vedeny jako konstantní.
Např. v systému s danou koncentrací chemických látek při dané teplotě a tlaku se exergie rovná
Gibbsově volné energii G:
Exergie (B) = G = entalpie + entropie; G = H - S
U chemických procesů je důležitější změna G při teplotě T:
∆G = ∆H - T∆S
Pro praktickou ilustraci „využitelné“ energie: 300 kg páry při 400 oC a tlaku 40 bar a 6 tun vody
při 40 oC obsahuje stejné množství energie (za předpokladu stejné referenční teploty), tj. 1 GJ.
Pára při tlaku 40 bar může dosáhnout využitelné práce (prostřednictvím zařízení), jako je výroba
elektřiny, pohyb mechanickým zařízením, vytápění atd., ale voda při 40 oC má jen omezené
využití. Energii toku s nízkou teplotou lze zvýšit, ale vyžaduje to náklady na energii. Např.
tepelná čerpadla lze využít ke zvýšení exergie, ale spotřebuje se přitom energie na práci.
1.2.2.3
Bilance exergie: kombinace prvního a druhého zákona
První a druhý zákon lze spojit do formy, která je užitečná mj. pro provádění analýz exergie,
potenciálu práce a účinností dle druhého zákona. Tato forma umožňuje také další porozumění
systémům, jejich provozu a optimalizaci, viz kapitola 2.13.
Bilance exergie pro otevřený systém
Bilance množství (rychlosti) exergie při konstantním objemu je rovna:
 T
dE cv
= ∑ 1 − 0
 T
dt
j 
j

Q1 − Wcv − P0 dVcv  + ∑ m i e i − ∑ m e e e − I

dt  i

e

míra změny exergie
kde:
míra přenosu exergie
míra zániku exergie
Ecv = exergie při konstantním objemu
T = teplota
t
= čas
Termíny miei a mese = množství přenosu exergie dovnitř a vně systému, které
doprovází tok hmoty m (mi až me)
Qj = časová rychlost přestupu tepla v místě na rozhraní, kde okamžitá teplota
je Tj
I = rychlost destrukce exergie
P = tlak
V = objem
Wcv = práce při konstantním objemu
Pro systém s ustáleným tokem je získaná bilance následující:
.
.
.
.
 T  .
0 = ∑ 1 − 0  Q j − W cv + ∑ m i ei − ∑ me ee − I
 T 
j 
i
e
j 
Průmyslové aplikace:
červen 2008
15
Kapitola 2
Aplikace exergie na jednotkové operace v chemických průmyslových zařízeních byla částečně
odpovědná za obrovský růst chemického průmyslu ve 20. století. V té době se většinou
nazývala využitelnou prací.
Jedním z cílů metod, které v inženýrství pracují s energií a energií, je výpočet bilancí mezi
vstupy a výstupy v několika možných návrzích (projektech) ještě předtím, než je jednotka nebo
proces vybudován. Po dokončení bilancí bude inženýr pravděpodobně chtít vybrat ten
nejúčinnější proces. To však není jednoznačné (viz kap. 2.13):
•
•
energetická účinnost neboli účinnost dle prvního zákona bude určovat nejúčinnější proces
na základě ztrát co nejmenšího množství energie vzhledem ke vstupům energií
exergetická účinnost neboli účinnost dle druhého zákona bude určovat nejúčinnější
proces na základě ztrát a destrukce co nejmenšího množství využitelné práce vzhledem
k danému vstupu využitelné práce.
Vyšší exergetická účinnost představuje vybudování dražšího zařízení a je nutné stanovit bilanci
mezi kapitálovými investicemi a provozní účinností.
1.2.2.4
Diagramy vlastností (parametrů)
Jestliže jsou parametry systému (např. teplota T, tlak P, koncentrace atd.) měřeny a systém
nevykazuje žádnou další tendenci ke změně těchto parametrů v čase, pak lze hovořit o tom, že
tento systém dosáhl rovnovážného stavu. Podmínky systému v rovnováze lze reprodukovat
v jiných (podobných) systémech a lze je definovat pomocí souboru parametrů, které jsou
stavovými veličinami: tento princip je známý jako postulát stavu. To znamená, že stav
systému jedné čisté látky lze zobrazit v diagramu se dvěma nezávislými parametry. Pět
základních parametrů (vlastností) látky, které jsou obvykle v diagramech parametrů známy, je:
tlak (P), teplota (T), měrný objem (V), měrná entalpie (H) a měrná entropie (S). Kvalita (X)
se zobrazí, jestliže se jedná o směs dvou nebo více látek. Nejčastějšími diagramy parametrů jsou
diagramy: tlak – teplota (P-T), tlak – měrný objem (P-V), teplota – měrný objem (T-V), teplota
– entropie (T-S), entalpie – entropie (H-S) a teplota – entalpie (T-H), které se používají
v metodice PINCH (viz kap. 2.12). Tyto diagramy jsou velmi užitečné při zobrazování procesů
v grafech. První tři diagramy navíc pomáhají při vysvětlování vztahů mezi třemi fázemi hmoty.
Fázový diagram tlak – teplota
Fázové diagramy zobrazují podmínky rovnováhy mezi fázemi, které jsou termodynamicky
odlišné.
Diagram p-T (Obr. 1.5) pro čistou látku zobrazuje plochy představující jednofázové oblasti
(tuhá, kapalná a plynná fáze), kde je fáze látky fixována jak teplotou tak i tlakem.
Čáry (nazývané fázová rozhraní) představují oblasti (nebo podmínky, v tomto případě T a P),
kde dvě fáze existují v rovnováze. V těchto oblastech nejsou tlak a teplota nezávislé a pro
fixování stavu látky je třeba jen jedné intenzivní vlastnosti (parametru) (T nebo P). Sublimační
čára odděluje oblasti tuhé fáze a par, čára odpařování odděluje oblast kapalné fáze a par a čára
tání nebo tuhnutí odděluje oblasti tuhé a kapalné fáze.
Všechny tři čáry se setkávají v trojném bodě, kde všechny tři fáze koexistují zároveň
v rovnováze. V tomto případě zde nejsou žádné nezávislé intenzivní vlastnosti: pro látku v jejím
trojném stavu existuje jen jeden tlak a jedna teplota.
Na konci čáry odpařování se nachází kritický bod. Při tlacích a teplotách nad tento kritický bod
se říká, že látka je v superkritickém stavu, kde nelze jasně rozlišovat mezi kapalnou fází
a parou. To znamená, že při extrémně vysokých teplotách a tlacích již není možné rozlišovat
plynnou a kapalnou fázi. U vody je to při asi 647 K (374 oC) a 22064 MPa. Říká se, že látka
nalevo od čáry odpařování je v tomto bodě ve stavu podchlazené nebo stlačené kapaliny,
napravo od této čáry je pak tato látka ve stavu superohřáté páry.
16
červen 2008
Kapitola 1
Obrázek 1-5: Fázový diagram Tlak – Teplota
[153, Wikipedia]
1.2.2.5
Další informace
Další informace lze najít v běžných učebnicích termodynamiky, fyzikální chemie atd.
Mnoho příruček a databází poskytuje informace v podobě tabulek hodnot termodynamických
parametrů pro různé látky, včetně diagramů jejich vzájemných vztahů. Tyto informace jsou
odvozeny z experimentálních dat. Nejčastěji uváděnými parametry v tabulkách jsou: měrný
objem, vnitřní energie, měrná entalpie, měrná entropie a měrné teplo. Tabulky vlastností lze
najít v termodynamických příručkách, na internetu apod.
Protože musejí být známé dvě intenzivní vlastnosti (parametry), aby bylo možné fixovat stav
v jednofázové oblasti, jsou oproti teplotě uváděny hodnoty V, U, H a S při vybraných tlacích
pro superohřátou páru a stlačenou kapalinu. Pokud nejsou pro stlačenou kapalinu k dispozici
žádná data, je třeba provést vhodnou aproximaci a brát stlačenou kapalinu jako nasycenou
kapalinu při dané teplotě. Je to proto, že vlastnosti stlačené kapaliny závisejí více na teplotě než
na tlaku.
Pro stavy nasycené kapaliny a nasycené páry se používají tabulky pro tzv. „nasycení“. Jelikož
ve dvoufázových oblastech nejsou tlak a teplota nezávislé, postačí k fixování stavu jen jeden
z těchto parametrů. V tabulkách pro nasycené stavy jsou tak parametry V, U, H a S pro
nasycenou kapalinu a nasycenou páru uvedeny vždy ve vztahu k teplotě nebo ve vztahu k tlaku.
V případě nasycené směsi kapalina-pára musí být definována další vlastnost zvaná kvalita (x).
kvalita je definována jako podíl hmoty páry v nasycené směsi kapalina-pára.
Podrobnosti o databankách a programech termodynamické simulace lze najít v Příloze 7.1.3.21.
červen 2008
17
Kapitola 2
1.2.2.6
Zjišťování ireverzibilit
V termodynamice je reverzibilní proces teoretický. V praxi jsou všechny reálné systémy
nevratné (ireverzibilní). To znamená, že se nemohou vrátit do původního stavu spontánně, ale
pouze po aplikaci energie (důsledek druhého zákona termodynamiky). Z podmínek mechanické,
tepelné a chemické rovnováhy termodynamického systému zároveň vyplývají tři příčiny
nerovnováhy nebo ireverzibilit (ty lze v praxi považovat za termodynamické neúčinnosti).
Změny jsou způsobeny hnacími silami (např. teplota, tlak, koncentrace, atd., jak o tom hovoří
druhý zákon termodynamiky). Čím menší jsou hnací síly, tím větší to znamená potřebnou
velikost zařízení, např. povrch výměníku tepla se zvyšuje, když střední logaritmická teplotní
diference (LMTD) klesá. Karnotův cyklus, který představuje nejvyšší účinnost, při které lze
teplo přeměnit na sílu, vychází v zásadě z nulových hnacích sil a v praxi nelze účinností
Karnotova cyklu v reálných operacích dosáhnout (další vysvětlení Karnotova cyklu je uvedeno
v dokumentu BREF LCP [125, EIPPCB] nebo ve standardních učebnicích).
Mechanické ireverzibility jsou způsobeny změnami tlaku a také se vždy objevují v procesech,
které zahrnují tření. S mechanickými ireverzibilitami je vždy spojeno zvýšení entropie a pokles
exergie. Čím větší je změna tlaku, tím větší se v systému vytvoří ireverzibilita.
Tepelné ireverzibility se objevují tam, kde je v systému konečná změna teploty, jako např. u
každého výměníku tepla. Teplo přechází z teplejšího tělesa na chladnější spontánně, a tím
dochází ke ztrátě exergie. Opět platí, že čím větší je změna teploty, tím větší je ztráta exergie
a tím je proces více ireverzibilní.
Chemické ireverzibility jsou způsobeny chemickou nerovnováhou, ke které dochází ve
směsích, roztocích a při chemických reakcích. Když se např. smíchá voda se solí, exergie
systému se sníží. Tuto ztrátu exergie si lze představit jako minimální práci, která byla předtím
třeba na vyčištění vody za účelem získání soli, např. destilací, iontovou výměnou nebo
membránovou filtrací, sušením atd. Veškeré znečištění ovzduší a vody je spojeno s chemickými
ireverzibilitami. Je velmi snadné kontaminovat (směšovat), ale na vyčištění je třeba mnoho
exergie.
Termodynamická analýza nevratných procesů ukazuje, že abychom dosáhli dobré účinnosti
a ušetřili energii, je nutné řídit a minimalizovat veškeré mechanické, tepelné a chemické
ireverzibility, k nimž v zařízení dochází.
Příklady každé z těchto ireverzibilit jsou uvedeny v Příloze 1.
Čím větší jsou ireverzibility, tím větší je prostor pro zlepšování účinnosti energetického
systému. Příčiny špatného energetického designu vyplývají ze značných rozdílů konečného
tlaku, teploty a/nebo chemického potenciálu a z oddělení dodávky a poptávky. Důležitou roli
hraje v systémech energetické účinnosti také čas. Energetické systémy spontánně snižují svůj
tlak, teplotu a chemický potenciál, aby dosáhly rovnováhy se svým okolím. Pro dosažení tohoto
stavu existují dvě strategie. Jednou je okamžité spojení dárců energie s příjemci energie (viz
např. kap. 3.3). Další možností je uchování energie uzavřením systému pevnými stěnami kvůli
tlaku, adiabatickými stěnami kvůli teplotě a/nebo uchováním chemických systémů
v metastabilním stavu. Jinými slovy – uchování systémů v nádržích, které zachovají v čase
jejich intenzivní vlastnosti na konstantní úrovni.
Termodynamika také hraje svou roli při dosahování nejlepší dosažitelné energetické účinnosti a
v praxi se aplikuje pomocí:
• Energeticky účinného designu, viz kap. 2.3
• Analytických nástrojů, jako je PINCH, analýza exergie a entalpie, viz kap. 2.12 a 2.13
• Termoekonomie, která kombinuje termodynamickou analýzu s ekonomikou, viz kap.
2.11.
18
červen 2008
Kapitola 1
1.3
Definice a ukazatele (indikátory) energetické účinnosti
a zvyšování energetické účinnosti
1.3.1
Energetická účinnost a její měření ve Směrnici o IPPC
[4, Cefic, 2005, 92, Motiva Oy, 2005] [5, Hardell and Fors, 2005]
„Energetická účinnost“ je termín, který se často používá v kvalitativní rovině jako prostředek
k popisu různých cílů, např. v politice na národní i mezinárodní úrovni, i k charakterizování
podnikatelských aktivit, zejména pak v oblasti (jak je uvedeno již v Předmluvě)10:
•
•
•
Snižování emisí uhlíku (ochrana klimatu)
Posílení bezpečnosti dodávek energií (prostřednictvím udržitelné produkce)
Snižování nákladů (zlepšení konkurenceschopnosti).
Zpočátku se zdá, že „energetické účinnosti“ lze snadno porozumět. Obvykle však není
definováno, kde se vlastně využívá, takže „energetická účinnost může znamenat různé věci
v různém čase a na různých místech za různých okolností.“ Tato nejasnost byla popsána jako
„těžko pochopitelná a proměnlivá“ a vede k „nevyrovnanosti a zmatku“. Tam, kde je třeba
prezentovat energetické úspory kvantitativně, je nedostatek adekvátních definic „trapný,
obzvláště, když se provádějí srovnání mezi hlavními průmyslovými sektory.“ Ve Směrnici
o IPPC není žádná definice energetické účinnosti a tato kapitola probírá otázky, které jsou
spojeny s její definicí v kontextu nějakého zařízení a povolení. [62, UK_House_of_Lords, 2005,
63, UK_House_of_Lords, 2005].
Protože se Směrnice o IPPC zabývá výrobními procesy v zařízeních, zaměřuje se tento
dokument na fyzikální energetickou účinnost právě na úrovni zařízení a podniku. Ačkoli jsou
životní cykly produktů nebo surovin při uvažování o zdrojích relevantní, tato Směrnice se jimi
nezabývá (ty jsou řešeny v politice týkající se produktů, viz též Rozsah).
Hovoří se zde také o ekonomické účinnosti – tam, kde jsou k dispozici data a/nebo kde je to
relevantní (jako např. u jednotlivých technik, viz kap. 1.5.1). O termodynamických účinnostech
je pojednáno výše a tam, kde je to relevantní, i u jednotlivých technik.
Energetickou účinnost mohou snižovat opatření na zlepšování vlivů produktů a vedlejších
produktů na životní prostředí (viz kap. 1.5.2.5). Tato problematika je však mimo zaměření
tohoto dokumentu.
1.3.2
Účinné a neúčinné využívání energie
[227, TWG]
O energetické účinnosti (nebo naopak neúčinnosti) lze uvažovat dvěma způsoby, které lze
charakterizovat takto11:
1. Výstup získaný (navrácený) za vstup energie. Vzhledem k zákonům termodynamiky nikdy
nemůže dosáhnout 100 % - viz kap. 1.2. Základem neúčinností jsou termodynamické
ireverzibility (viz kap. 1.2.2.6), zahrnují přenos energie vedením, sdílením nebo zářením
(tepelné ireverzibility). Např. k přenosu tepla nedochází pouze v žádaném směru, tj. do procesu,
ale i skrze stěny reaktoru nebo pece atd. Nicméně ztráty lze snížit pomocí různých technik a o
10
Další významnou oblastí politiky energetické účinnosti je snižování chudoby z hlediska paliv (např.
domácnosti, které si v zimě nemohou dovolit topit). Jedná se o sociální otázku, která není přímo spojena
s průmyslovou energetickou účinností a IPPC.
11
V angličtině existuje pouze jeden termín, tj. energetická účinnost (energy efficiency), přičemž opak,
tedy neúčinnost (inefficiency) může způsobovat zmatek. Ostatní jazyky mají dva různé termíny pro
účinnost/ztráty, jako např. francouzština: 'rendements/pertes énergétiques' a pro opatrné/neopatrné
používání: 'efficacités/inefficacités énergétiques '
červen 2008
19
Kapitola 2
mnohých takových technikách se hovoří dále v tomto dokumentu, jedná se např. o snížení ztrát
sálavého tepla ze spalovacích procesů.
2. Opatrné (neboli účinné) využívání energie, tj. v optimálním množství. Neúčinnost (neboli
neúčinné využívání) je výsledkem špatného vyrovnávání poptávky po energii její nabídkou,
včetně špatného designu, provozování a údržby, udržování zařízení vchodu i době, kdy není
třeba (např. osvětlení), provoz procesů při vyšší teplotě, než je nutné, nedostatek vhodného
uchování energie apod.
1.3.3
Ukazatele (indikátory) energetické účinnosti
[5, Hardell and Fors, 2005]
Energetická účinnost je definována ve Směrnici12 [148, EC, 2005] jako:
poměr mezi výstupem výkonu, služeb, zboží nebo energie a vstupem energie.
Toto je množství energie spotřebované na jednotku produktu/výstupu a označuje se jako měrná
spotřeba energie (specific energy consumption - SEC). Tato definice se v průmyslu používá
nejčastěji. (Pozn.: níže uvedená definice se běžně používá v petrochemickém a chemickém
průmyslu, ale nazývá se „faktor energetické intenzity“ (EIF) nebo indikátor energetické
účinnosti (energy efficiency indicator – EII), viz níže a v Příloze 7.9.1).
Ve své nejjednodušší formě lze měrnou spotřebu energie (SEC) definovat jako:
SEC =
Využitá energie
(energie importovaná – energie exportovaná)
=
Vyrobené produkty
produkty/vyrobené výstupy
Rovnice 1.1
SEC je číslo s rozměrem, např. GJ/t a může se používat pro jednotky produkující produkty,
které se měří v jednotkách hmoty. V odvětvích, kde se vyrábí energie (elektrárny, spalovny
odpadů), bude citlivější definovat faktor energetické účinnosti definovaný jako rovný
vyprodukované energii (GJ)/energií importovanou (GJ).SEC lze vyjádřit i pomocí jiných
poměrů, jako např. energie/m2 (např. při nátěru cívek nebo výrobě automobilů),
energie/zaměstnance, atd.
Používá se také termín „faktor energetické intenzity“ (EIF) (viz výše uvedená poznámka o jeho
používání v petrochemickém a chemickém průmyslu). Ekonomové ho zpravidla chápou jako
poměr použité energie ku finanční hodnotě, jako je obchodní obrat, přidaná hodnota, HDP atd.
Např.:
EIF =
použitá energie
[GJ/ EUR obratu]
obrat zařízení (podniku)
Rovnice 1.2
Protože však ceny výstupů v čase zpravidla stoupají, může EIF klesat, aniž by došlo
k jakémukoli zvýšení fyzikální energetické účinnosti (pokud se ovšem nepočítají zpětně k určité
referenční ceně). Při posuzování fyzikální energetické účinnosti zařízení je tudíž třeba se tomuto
termínu vyhnout.
Používá se také na makroekonomické úrovni (např. evropské nebo národní) a pak se vyjadřuje
např. jako GJ na jednotku HDP, což lze pak využít k poměřování energetické účinnosti
národních ekonomik (viz výše – poznámka o tom, jak ekonomové používají tento termín) .
12
Směrnice o produktech využívajících energii č. 2005/32/ES o stanovení rámce pro určení požadavků
na ekodesign energetických spotřebičů
20
červen 2008
Kapitola 1
Je tudíž nutné si ujasnit používané jednotky, obzvláště při porovnávání průmyslů nebo sektorů.
[158, Szabo, 2007]
Je důležité věnovat pozornost rozdílu mezi primárními energiemi (např. fosilní paliva)
a sekundárními energiemi (nebo finálními energiemi), např. elektřina, pára, viz kapitola 1.3.6.1.
Veškerá sekundární energie by měla být v ideálním případě převedena na obsah primární
energie a tento termín se pak stane měrnou spotřebou primární energie. Lze ji vyjádřit jako např.
primární energie na tunu produktu v MJ/tunu nebo GJ/tunu [91, CEFIC, 2005]. Má to však
určité výhody i nevýhody, o kterých dále pojednává kap. 1.3.5.1.
Jmenovatel v měrné spotřebě energie a index energetické účinnosti
V nejjednodušším případě bude výrobní jednotka produkovat jeden hlavní produkt, který lze
pak využít jako dělitele ve vzorci SEC. V mnoha případech je však situace složitější, je zde více
produktů (např. rafinérie nebo velké chemické podniky) a jejich mix se mění v čase anebo zde
není žádní zřejmý produkt, a výstupem je určitá služba, jako např. u zařízení na zpracování
odpadů. V takových případech (jak o tom hovoří kapitola 1.4) lze použít další kritéria produkce,
jako např. tam, kde:
existuje několik stejně důležitých produktů nebo několik významných ko-produktů. Tam, kde je
to vhodné, lze jako dělitele použít součet těchto produktů, jinak je třeba rozhodnout
o rozumných procesních hranicích mezi bilancí energie a bilancí produktů
SEC =
použitá energie
(importovaná energie – exportovaná energie)
=
∑ vyprodukované produkty
∑ vyprodukované produkty
kde existuje několik produktových toků a počet surovinových toků (přísun materiálů) je nízký,
může být jmenovatelem surovina. Příkladem jsou rafinérie minerálních olejů, kde je zpravidla 5
– 7 výstupních toků a jeden tok vstupní. Toto se doporučuje v případě, že je spotřeba energie
dána hlavně množstvím suroviny a méně samotnými produkty (což může nastat tehdy, když je
kvalita produktu závislá na vstupních materiálech). Použití suroviny jako jmenovatele neodráží
ztrátu (nebo pokles) energetické účinnosti, když spotřeba surovin a energie zůstane stejná, ale
sníží se množství produktů
SEC =
použitá energie
(importovaná energie –exportovaná energie)
=
∑ vstup surovin
∑ vstup surovin
existuje několik produktů (nebo jeden produkt s různými specifikacemi) vyráběných v dávkách
nebo kampaních. Příkladem je podnik, který vyrábí různé stupně polymeru, z nichž každý
se vyrábí nárazově a po různě dlouhá období, podle potřeb trhu. Každý stupeň bude mít svou
vlastní spotřebu energie. Vyšší stupně kvality zpravidla vyžadují vyšší vstupy energie. Mohlo
by být užitečné definovat pro každý stupeň referenční energetickou účinnost (vycházející
z průměrné spotřeby energie pro daný stupeň). Relevantní měrná spotřeba energie pro konkrétní
období by pak mohla být definována:
∑ Xi * SEC
SEC =
i − A , B ,C
refi
Energie použitá ve výrobní jednotce za dané období
∑ produktů A, B, a C vyprodukovaných během období
Kde:
Xi
je podíl stupně i na celkovém produktu vyprodukovaném za dané období
SECref,i je referenční faktor energetické účinnosti pro stupeň i (vypočítaný např.
zprůměrováním ukazatele energetické účinnosti za referenční období, kdy se vyráběl pouze
stupeň i).
červen 2008
21
Kapitola 2
není zde žádný zřejmý produkt, a výstupem je určitá služba, např. u zařízení na zpracování
odpadů. V takovém případě je produkčním kritériem, které má vztah k použité energii, vstupní
odpad.
SEC = (energie importovaná pro podporu procesu spalování – energie exportovaná)
(tuny zpracovaného odpadu)
Tam, kde je odpad převážně spalitelný (např. komunální odpad), bude tento indikátor negativní,
protože část LHV (hodnoty spodní výhřevnosti) spalovaného odpadu se získává jako
exportovaná energie, která bude větší než energie importovaná (pokud zde vůbec nějaká tato
energie bude).
ostatní případy, kdy je poměr energie ku koncovému produktu je příliš proměnný, než aby bylo
možné jej použít. Příkladem jsou tiskařská zařízení, kde množství potištěného papíru
na vstupu/výstupu nemá vždy vztah k použité energii. Je to proto, že množství tisku a sušení
kolísá podle množství barvy nutné na pokrytí tiskem a podle použitých procesů. Viz dokument
BREF STS.
Definování zlepšení energetické účinnosti
Směrnice 2005/32/ES o stanovení rámce pro určení požadavků na ekodesign energetických
spotřebičů (EuP) [147, EC, 2006] definuje zlepšení energetické účinnosti jako zvýšení
energetické účinnosti v koncovém využití v důsledku technologických a/nebo ekonomických
změn a změn v chování. Druhy změn, které splňují tato kritéria, jsou popsány v kap. 1.5
a všeobecně použitelné techniky jsou popsány v kapitole 2 a 3.
Zlepšení účinnosti lze tudíž vyjádřit jako [5, Hardell and Fors]:
•
•
•
získání nezměněné výstupní hodnoty při snížené úrovni spotřeby energie nebo
získání zvýšené výstupní hodnoty při nezměněné spotřebě energie nebo
získání výstupní hodnoty, která v relativním pojetí překonává nárůst spotřeby energie.
Hlavním účelem ukazatelů energetické účinnosti je, aby byly schopné monitorovat vývoj
energetické účinnosti dané výrobní jednotky a dané množství výroby v určitém čase a vyjádřit
vliv opatření a projektů na zlepšení energetické účinnosti na energetický výkon výrobního
procesu nebo jednotky. SEC ukazuje, kolik energie se použije na daný výstup, avšak jediná
hodnota má bez dalších referenčních dat jen omezené využití. Změnu v daném časovém období
lze vyjádřit pomocí Indexu energetické účinnosti (EEI); tento index je užitečnější při
monitoringu energetické účinnosti systému, procesu nebo zařízení. Je definován jako podíl
referenční hodnoty SEC (SECref) ku SEC příslušné jednotky nebo procesu. SECref může být
buď referenční číslo, které je v průmyslovém sektoru, do něhož výrobní proces patří, obecně
přijímáno, nebo to může být SEC výrobního procesu v daném referenčním roce:
EEI =
SECref
SEC
Rovnice 1.3
Index energetické účinnosti je bezrozměrné číslo.
Pozn.:
•
SEC je číslo, které s rostoucí energetickou účinností klesá, zatímco EEI je číslo, které
se zvyšuje. Energetický management tudíž usiluje o co nejnižší možnou hodnotu SEC
a co nejvyšší možnou hodnotu EEI.
•
Zjištění skutečné energetické účinnosti v indikátoru může vyžadovat korekci faktorů
energie.
22
červen 2008
Kapitola 1
Časový rámec
Měl by být stanoven co nejvhodnější časový rámec (viz kap. 2.16 a BREF o monitoringu).
Pokud se bude ukazatel energetické účinnosti sledovat hodinově, mohl by u kontinuálních
procesů vykazovat velké výkyvy a nebyl by vhodný pro procesy vsádkové. Tyto výkyvy lze
vyrovnat v rámci delšího časového období, jako je měsíc nebo rok. Je však třeba připomenout,
že kolísání v kratším časovém rámci by se také mělo brát v úvahu, protože může prozrazovat
příležitosti k energetickým úsporám.
Vedle dvou hlavních ukazatelů, kterými se zde zabýváme, existují i další indikátory
a subindikátory, viz kap. 2.10 a 2.16.
1.3.4
Úvod do využití ukazatelů (indikátorů)
V průmyslu je nejčastěji používaným ukazatelem měrná spotřeba energie (SEC) na daný výstup
(nebo vstup) a budeme ji často používat i v tomto dokumentu. Definice vypadá zdánlivě
jednoduše. Zkušenosti s pokusy o kvantifikaci tohoto konceptu pro monitoring procesů však
ukazují, že pro lepší definování a měření energetické účinnosti je třeba určitý rámec. Je zde
několik komplikujících faktorů, např.:
•
•
•
Různí provozovatelé a zaměstnanci nepočítají energii vždy stejným způsobem
a nepoužívají stejné parametry
Často je nutné pohlížet na energetickou účinnost výrobního procesu v rámci energetické
účinnosti výrobního místa, které zahrnuje několik výrobních procesů
Definice nedává informace o tom, zda je energie využívána nebo produkována efektivně.
Aby měla energetická účinnost výpovědní hodnotu a byla užitečná, musí být porovnatelná, např.
s jinou jednotkou nebo zařízením, za určité období, a musí existovat pravidla nebo konvence
pro takováto srovnání. V případě porovnávání energetických účinností je obzvláště důležité
definovat hranice systému, aby se zajistilo, že všichni uživatelé jsou bráni rovnocenně.
Definice ve své nejjednodušší formě nepohlíží na to, jak účinně je energie produkována, ani
na to, jak je využita „odpadní“ energie mimo hranice systému. Tyto a další otázky by měly být
objasněny tak, aby bylo možné hodnotit zlepšování energetické účinnosti. Tyto otázky jsou
probrány v kap. 1.4 a 1.5.
Pro IPPC se o energetické účinnosti uvažuje z perspektivy:
•
•
na úrovni závodu, při povolování závodu, kde se může uvažovat o
o energii celého závodu
o energii jednotlivých výrobních procesů/jednotek a/nebo systémů
na evropské úrovni, pro průmyslový sektor nebo činnost při stanovení hodnot energetické
účinnosti spojených s BAT (benchmarky), např. v sektorovém dokumentu BREF.
Měrná spotřeba energie a index energetické účinnosti (viz kap. 1.3.3) jsou příklady ukazatelů
energetické účinnosti. Vhodnost různých metod a ukazatelů energetické účinnosti je třeba
zvažovat na bázi sektoru a procesu, nikoli případ od případu (viz diskuse o Benchmarkingu,
kap. 2.12). Veškerá průmyslová zařízení mají své individuální charakteristiky. Existují rozdíly
mezi surovinami, procesními technologiemi, kvalitou produktů, mixem produktů, metodami
monitoringu apod. Stáří jednotky může mít také velký vliv na energetickou účinnost – nová
zařízení mají zpravidla lepší energetickou účinnost než stará [156, Beerkens, 2004, 157,
Beerkens R.G.C. , 2006]. Vezmeme-li v úvahu širokou škálu proměnných, které ovlivňují
energetickou účinnost, může srovnání mezi různými zařízeními podle ukazatelů energetické
účinnosti vést k chybným závěrům, obzvláště když je v praxi složité (nebo dokonce nemožné)
zohlednit všechny proměnné vhodným způsobem [127, TWG].
červen 2008
23
Kapitola 2
Při hodnocení energetické účinnosti nám může pomoci, když [Cefic, 325]:
•
•
•
•
posoudíme místo procesu a rozhodneme, zda lze pro celé místo stanovit nějaký ukazatel
měrné energie (specific energy indicator – SEI)
jestliže ukazatel měrné energie pro dané místo nelze stanovit, nebo pokud to pomůže při
analýze energetické účinnosti, rozdělíme místo na výrobní nebo provozní jednotky
definujeme ukazatele pro každý výrobní proces a pro dané místo nebo jeho část
kvantifikujeme ukazatele měrné energie, zaznamenáme, jak byly definovány, a budeme je
udržovat a sledovat veškeré změny v čase (např. v produktech, v zařízení).
1.3.5
Význam systémů a jejich hranic
Nejlepší energetická účinnost pro určité místo není vždy rovna součtu optimálních
energetických účinností jednotlivých součástí a komponent tam, kde jsou všechny tyto
komponenty optimalizovány zvlášť. Skutečně – pokud by byl každý proces optimalizován
nezávisle na ostatních procesech v daném závodě, je zde riziko, že v místě bude produkována
např. nadbytečná pára, která se bude muset vypouštět. Vezme-li se v úvahu integrace jednotek,
lze páru vybilancovat a příležitosti k využití zdrojů tepla z jednoho procesu k vytápění jiného
procesu mohou vést k nižší celkové spotřebě energie v závodě. Můžeme tedy dosáhnout
synergie, vezmeme-li v úvahu (v následujícím pořadí):
1. celkové místo/lokalitu/závod a to, v jakém jsou různé jednotky a/nebo systémy vzájemném
vztahu (např. kompresory a vytápění). Může to také znamenat úvahy o určité deoptimalizaci
energetické účinnosti pro jeden nebo více výrobních procesů nebo jednotek, aby se dosáhlo
optimální energetické účinnosti celého provozu (místa, lokality). Je třeba posoudit účinné
využívání procesů, jednotkových zařízení nebo navazujících činností, či dokonce i když
jsou vhodné ve své současné formě.
2. následně optimalizaci různých jednotek a/nebo systémů (např. CAS, chladící systém, parní
systém).
3. nakonec optimalizaci zbývajících složek a součástí (např. elektrických motorů, čerpadel,
ventilů).
Abychom porozuměli významu úvah o úloze systémů v energetické účinnosti, je velmi důležité
porozumět tomu, jak definice systému a jeho hranice ovlivní dosažení energetické účinnosti.
Hovoří o tom kapitola 1.5.1, která se věnuje hranicím systému, a kap. 2.2.2.
Rozšířením hranic i mimo činnosti firmy a integrováním průmyslové výroby a spotřeby energie
do potřeb obce či města mimo lokalitu firmy je navíc možné ještě dále zvýšit celkovou
energetickou účinnost, např. dodáváním levné energie k vytápění obce, např. v kogeneraci, viz
kap. 3.4.
1.3.6
Ostatní použité termíny
Ostatní použité termíny lze najít v Glosáři, v Příloze 7.1 nebo ve standardních textech.
1.3.6.1
Primární energie a sekundární energie
Primární energie je energie obsažená v surových palivech (tj. přírodní zdroje před jakýmkoli
zpracováním), včetně spalitelných odpadů a jakékoli jiné formy energie získané systémem
jakožto vstup do tohoto systému. Tento koncept se využívá především v energetických
statistikách během kompilace energetických bilancí.
Primární energie jsou v procesech energetické konverze transformovány do pohodlnějších
forem energie, jako je elektrická energie, pára nebo čistší paliva. V energetických statistikách
se tyto následné formy energie nazývají sekundární energie. Finální (konečná) energie je
24
červen 2008
Kapitola 1
energie v takové formě, v jaké ji přijímají uživatelé, takže to může být jak primární, tak i
sekundární energie (např. zemní plyn jako primární energie a elektřina jako sekundární energie
použitá v závodě). Jejich vztah vysvětluje obr. 1.6.
Ztráty při
tranformaci/přeměně
Ztráty při konečné spotřebě
Užitečná energie
Proces přeměny
Sekundární
energie
Konečná energie
Konečná spotřeba
Procesní teplo
Primární
energie
Přímé teplo
Hybná síla
Osvětlení
Ostatní
Obrázek 1-6: Definice primární, sekundární a finální energie [260, TWG, 2008]
Využití primárních a sekundárních energií zobrazuje kap. 1.4.2.1. Když se porovnávají různé
vektory energie (např. pára a/nebo teplo vyrobené v zařízení ze surových paliv ve srovnání
s elektřinou vyrobenou externě a dodávanou prostřednictvím národní sítě), je důležité zohlednit
neúčinnosti ve vektoru/vektorech externí energie. Pokud se to neudělá, jako v příkladu v kap.
1.4.2.1, pak se může externí vektor jevit jako podstatně účinnější.
Příklady vektorů energie, kterou je možné dodávat z vnějšku jednotky nebo zařízení, jsou:
Elektřina: účinnost kolísá podle paliva a technologie, viz [125, EIPPCB]. U konvenčních
parních elektráren účinnost výroby elektřiny z primárních paliv kolísá mezi 36 % a 46 %. U
technologií kombinovaného cyklu je účinnost 55 % - 58 %. U kogenerace (kombinované
výroby tepla a elektřiny - KVET, viz kap. 3.4) může celková účinnost pro elektřinu a teplo
dosahovat až 85 % nebo více. Účinnost jaderné elektřiny a obnovitelných zdrojů se počítá jinak.
Pára: energetickou hodnotu páry lze definovat takto:
Energetická hodnota páry =
(hs-hw)
ηb
kde:
hs
hw
ŋb
Entalpie páry
Entalpie vody přiváděné do kotle (po odvzdušnění)
Tepelná účinnost kotle
Toto posouzení je však příliš omezeno. Správně by se při definování energetické hodnoty páry
měly zahrnout i tyto energetické vstupy:
parní systém, např.
•
teplo přidané do vody přicházející do kotle, aby dosáhla teploty odvzdušňovacího
zařízení
červen 2008
25
Kapitola 2
•
pára použitá v odvzdušňovacím zařízení k odstranění kyslíku z vody přiváděné do kotle
pomocné systémy, např.:
•
energie nutná pro čerpání vody přicházející do kotle na provozní tlak kotle
•
energie spotřebovaná ventilátorem, který zajišťuje nucený tah pro kotel.
Existují i další faktory, které by se měly vzít v potaz, jako jsou komodity atd. Způsob definování
toho, jak je definována primární energie páry, by měl být jasně popsán v postupu výpočtu
ukazatelů energetické účinnosti a v benchmarcích energie. Je důležité, aby každý používal
stejný základ výpočtu primární energie páry, viz kap. 3.2.1, kde jsou uvedeny standardy pro
výpočet účinnosti kotle. [249, TWG, 2007, 260, TWG, 2008]
Podobným způsobem je třeba uvažovat i o dalších médiích, jako jsou:
•
•
•
stlačený vzduch, viz kap. 3.7
horká voda
chladící voda: viz kap. 3.4.3.
Ostatní vstupy se možná nepovažují za „média“ v konvenčním smyslu. Mohou se však
produkovat v podniku nebo mimo něj a jejich použití i následný vliv, který mají na využití
energie, mohou být značné. Např.:
•
•
dusík: viz kap. 3.7 o stlačeném vzduchu a výrobě málo kvalitního dusíku
kyslík: pokud je použit při spalování, lze říci, že zvyšuje jeho účinnost. Jestliže je však
brána v úvahu i energie použitá na výrobu kyslíku, pak spalování s kyslíkem může být
spojeno se stejnou nebo dokonce vyšší energií, než jaká se uspoří při spalovacím procesu,
v závislosti na peci, ačkoli tento proces představuje značný přínos ve snižování NOx, viz
kap. 3.1.6. [156, Beerkens, 2004, 157, Beerkens R.G.C., 2006]
Přepočet energie na primární energii však vyžaduje čas (i když ho lze snadno zautomatizovat
pro opakované výpočty v definované situaci) a jsou s ním spojeny i problémy s interpretací.
Např. nové zařízení vybavené energeticky nejúčinnějšími technologiemi může být v provozu
v zemi, kde jsou výroba elektřiny i distribuční systém zastaralé. Pokud se vezme v úvahu nízká
účinnost tamních systémů výroby a distribuce elektřiny, může být ukazatel energetické
účinnosti tohoto zařízení ve srovnání s podobnými zařízeními v jiných zemích špatný [127,
TWG]. Různé zdroje elektřiny mají také různou účinnost výroby a mix zdrojů pro tuto výrobu
se v různých zemích liší. Tento problém lze překonat použitím standardních hodnot, jako je
např. Evropský energetický mix, viz Příloha 7.17. Lze však použít i jiné ukazatele, jako např.
bilanci uhlíku, kdy se bere v úvahu produkce vektoru sekundární energie a mezisložkové vlivy –
v závislosti na okolnostech.
Od 1. července 2004 zavedla Směrnice 2003/54/ES13 povinnost poskytovatelů elektřiny
zveřejňovat svůj palivový mix. Přesné prezentace poskytnutých dat jsou podle uvážení
členských států EU:
http://europa.eu/eur-lex/pri/en/oj/dat/2003/l_176/l_17620030715en00370055.pdf
Poznámka Evropské komise k implementaci je k dispozici na:
http://ec.europa.eu/energy/electricity/legislation/doc/notes_for_implementation_2004/labelling_
en.pdf
Směrnice o podpoře kogenerace [146, EC, 2004] a pokyny s ní spojené vysvětlují referenční
hodnoty pro produkci páry a elektřiny, včetně korekčních faktorů, které závisejí na geografické
lokalitě. Směrnice také vysvětluje metodiku stanovování účinnosti kogeneračního procesu.
13
Směrnice 2003/54/ES ze dne 26. června 2003 týkající se společných pravidel pro vnitřní trh
s elektřinou a rušící Směrnici 96/92/ES
26
červen 2008
Kapitola 1
Existují různé další zdroje dat, jako jsou např. národní palivové mixy:
http://www.dti.gov.uk/energy/policy-strategy/consumer-policy/fuel-mix/page21629.html
Alternativou k převádění všech energií na primární energii je výpočet SEC jako vektorů hlavní
energie, např. na str. 338 [220, EIPPCB], je uvedeno, celková poptávka po energii (spotřeba) ve
formě tepla (páry) a elektřiny pro neintegrovanou papírnu vyrábějící jemný papír [276, Agency,
1997]představovala:
•
•
provozní teplo: 8 GJ/t (≈ 2222 kWh/t)
elektřina: 674 kWh/t.
To znamená, že se spotřebuje asi 3 MWh elektřiny a páry / tunu produktu. Zohledníme-li
potřebu primární energie na konverzi fosilního paliva v elektřinu, jsou třeba celkem 4 MWh/t
papíru. Výtěžek primární energie u generátoru elektřiny jsme předpokládali ve výši 36,75 %. V
tomto případě spotřeba elektřiny 674 kWh/t odpovídá 1852 kWh/t primární energie (např. uhlí).
Primární energie se obvykle může používat:
•
•
při srovnání s ostatními jednotkami, systémy, podniky v rámci sektoru, atd.
při provádění auditu za účelem optimalizace energetické účinnosti a porovnání různých
vektorů energie vůči konkrétním jednotkám nebo zařízením (viz kap. 1.4.1 a 1.4.2).
Primární energie vypočítaná na místní (nebo národní) úrovni se může využít při srovnáních
zaměřených na konkrétní lokalitu, např.:
•
•
chceme-li porozumět lokálním (nebo národním) efektům, např. při porovnávání zařízení
v různých lokalitách v rámci jednoho sektoru nebo firmy
při provádění auditu za účelem optimalizace energetické účinnosti a porovnání různých
vektorů energie vůči konkrétním jednotkám nebo zařízením (viz kap. 1.4.1 a 1.4.2). Např.
když zvažujeme přechod od parní turbíny na elektrický motor, by bylo optimální použít
aktuální faktor pro účinnost produkce elektřiny v dané zemi.
Výpočet primární energie na regionální úrovni (např. energetický mix EU) slouží pro:
•
monitoring činností, jednotek nebo zařízení na regionální úrovni, např. pro určitý
průmyslový sektor.
Sekundární nebo finální energii lze použít:
•
•
pro monitoring probíhající definované situace
v případě výpočtu na základě vektorů energie pak pro monitoring účinnosti podniku
a průmyslového sektoru.
V kapitole 1.4.1 lze k porovnání zařízení v různých zemích použít konečnou (nebo sekundární)
energii, a toto je základ pro konkrétní požadavky na energii, které jsou uvedeny v některých
vertikálních dokumentech BREF (např. v BREFu PP). Naopak primární energii by bylo možné
použít k vyjádření celkových účinností na národní úrovni (např. k posouzení různých účinností
průmyslových sektorů v různých zemích).
Mějte na paměti, že jak Komise (v DG-JRC IPTS Energie), tak i IPPC citují obě hodnoty ve
svých zprávách s ohledem na jasnost [158, Szabo, 2007].
1.3.6.2
Výhřevnosti paliva a účinnost
červen 2008
27
Kapitola 2
V Evropě se obsah využitelné energie v palivu vypočítává zpravidla pomocí hodnoty spodní
výhřevnosti (lower heating (combustion) value – LCV) nebo čisté výhřevnosti (net calorific
value – NCV) tohoto paliva, tj. jedná se o teplo získané spálením paliva (oxidací) a měřené tak,
že vyprodukovaná vodní pára zůstává v plynném stavu a nekondenzuje na kapalnou vodu. Je to
kvůli reálným podmínkám v kotli, kde se vodní pára neochladí pod svůj rosný bod a latentní
teplo není pro vytvoření páry k dispozici.
Ve Spojených státech i jinde se používá hodnota spalného tepla („horní výhřevnosti“) (higher
heating value – HHV, higher calorific value (HCV) nebo gross calorific value (GCV)), která
zahrnuje latentní teplo pro kondenzaci vodní páry. Při použití HCV tak nelze překročit
termodynamické maximum 100 %. HCVdry je HCV pro palivo neobsahující žádnou vodu ani
vodní páru a HCVwet je pro případy, kdy palivo obsahuje vodní vlhkost.
Při použití LCV se však může zdát, že kondenzující kotel dosahuje „účinnosti vytápění“ vyšší
než 100 %, což by však bylo popřením prvního zákona termodynamiky.
Je důležité brát výše uvedené skutečnosti v úvahu při porovnávání dat o výhřevnosti z USA
a Evropy. Nicméně tam, kde se tyto hodnoty používají v poměrech, jako je EEI, může být rozdíl
jak v čitateli, tak ve jmenovateli, vzájemně se pak vyruší. Některé indikativní hodnoty HCV
a LCV jsou uvedeny v Tabulce 1.1, ze které je také zřejmé, že poměr LCVwet ku HCVwet může
kolísat mezi 0,968 a 0,767. je třeba brát v potaz, že poměr HCV/LCV kolísá podle zdroje, času
apod.
28
červen 2008
Kapitola 1
Obsah
vlhkosti
[ % w.b.]
Obsah vodíku
[kgH/kgpaliva]
HCVdry
[MJ/kg]
HCVwet
[MJ/kg]
LCVdry
[MJ/kg
]
LCVwet
[MJ/kg]
Poměr
LCVwet/
HCVwet
[-]
Bituminózní
uhlí
2
4.7
29.6
29.0
28.7
28.1
0.968
Zemní plyn 1
0
54.6
54.6
49.2
49.2
0.901
0
47.3
54.6
42.7
42.7
0.903
Palivo
(Uregnoj,
Rusko)
Zemní plyn 2
(Kansas,
USA)
Těžký topný
0.3
10.1
43.1
43.0
40.9
40.8
olej
Lehký topný
0.01
13.7
46.0
46.0
43.0
43.0
olej
Borová kůra
60
5.9
21.3
8.5
20
6.5
nesušená
Borová kůra
30
5.9
21.3
14.9
20
13.3
sušená
Zemní plyn 1: CH4 (97.1vol- %), C2H6 (0.8 %), C3H8 (0.2 %), C4H10 (0.1 %), N2 (0.9 %), CO2 (0.1 %)
Zemní plyn 2: CH4 (84.1vol- %), C2H6 (6.7 %), C3H8 (0.3 %), C4H10 (0.0 %), N2 (8.3 %), CO2 (0.7 %)
0.949
0.935
0.767
0.890
tabulka 1-1 Indikativní Hodnoty horní výhřevnosti a spalného tepla pro různá paliva
[153, Wikipedia]
1.3.6.3
Management na straně poptávky a na straně nabídky
Strana nabídky (dodávky) se týká dodávek energie, jejího přenosu a distribuce. Strategie
a management dodávek energie mimo zařízení stojí mimo rámec Směrnice o IPPC (ačkoli
činnost výroby energie je zde pokryta, jak je popsáno v Příloze 1 (1.1) Směrnice). Je třeba mít
na paměti, že v zařízeních, kde se vyrábí elektřina nebo teplo v samostatné jednotce nebo
v navazujícím procesu, může být dodávka této energie do další jednotky nebo procesu v rámci
téhož zařízení také považována za „stranu dodávky/nabídky“.
Management na straně poptávky znamená management poptávky podniku (výrobní lokality)
po energii. O této otázce pojednává velké množství literatury týkající se technik energetické
účinnosti. Je však důležité poznamenat, že má dvě složky: náklady na energii na jednotku
a počet použitých jednotek energie. Je rovněž důležité zjistit rozdíl mezi zlepšováním
energetické účinnosti z ekonomického hlediska a z hlediska fyzické energie (tato
problematika.je podrobněji vysvětlena v Příloze 7.11).
červen 2008
29
Kapitola 2
1.4
1.4.1
Ukazatele energetické účinnosti v průmyslu
Úvod: definování ukazatelů a dalších parametrů
Hlavním cílem ukazatelů je pomoci při vlastní analýze a monitoringu a také při porovnávání
energetické účinnosti jednotek, činností nebo zařízení. Ačkoli rovnice 1.1 a 1.5 vypadají
jednoduše, existují i další související otázky, které musí být definovány a rozhodnuty ještě
předtím, než se ukazatele použijí, obzvláště při porovnávání jednoho výrobního procesu
s jiným. Definují se např. hranice procesu, hranice systému, vektory energie a způsob
porovnávání různých paliv a jejich zdrojů a také toho, zda se jedná o interní nebo externí zdroje.
Jakmile jsou tyto faktory definovány pro konkrétní závod, podnik nebo pro benchmark v rámci
jedné lokality, je nutné se jich držet.
Tato kapitola popisuje, jak se definuje energetická účinnost a ukazatele pro individuální
průmyslové výrobní procesy, jednotky a lokality (stanoviště). Vysvětluje, jaké jsou relevantní
otázky a jak je zvažovat tak, aby bylo možné měřit a hodnotit změny v energetické účinnosti.
Jsou problémy se zajištěním toho, aby data z jednotlivých jednotek nebo stanovišť byla
skutečně kompatibilní, a pokud ano, zda je možné vyvodit ohledně ekonomiky stanoviště
závěry, které se dotýkají důvěrného charakteru a konkurence. Tyto otázky a použití těchto
ukazatelů jsou rozebrány v kap. 2.16, Benchmarking.
Kapitola 1.3.3 zdůrazňuje, že ukazatele mohou být založeny na nejvhodnějších poměrech, podle
procesu, např. GJ/tunu, GJ/vyprodukované jednotky, vyprodukovaná energie/energii
importovanou (u sektorů vyrábějících energii), energie/m2 (např. při nátěrech nebo výrobě
automobilů), energie/zaměstnance atd.
1.4.2
Energetická účinnost ve výrobních jednotkách
Následující dva příklady ilustrují koncepty SEC a EEI a zdůrazňují klíčové otázky interpretace.
1.4.2.1
Příklad 1. Jednoduchý případ
Obr. 1.7 ukazuje příklad jednoduché výrobní jednotky14. Pro jednoduchost je proces zobrazen
bez exportů energie a pouze s jedním přívodem surovin a jedním produktem. Tento výrobní
proces využívá páru, elektřinu a palivo.
14
Obrázky jsou pouze ilustrativní a přesnost není jejich účelem. Pro páru není uveden tlak, ale lze
předpokládat, že je stejný v obou částech příkladu. Analýza exergie by byla užitečnější, ale vymyká se
tomuto jednoduchému příkladu.
30
červen 2008
Kapitola 1
Výrobní
jednotka
Surovina F
Pára
Es,in
Elektrická
energie
Ee,in
Hlavní produkt P
Import
paliva
Ef,in
Obrázek 1-7: Vektory energie v jednoduché výrobní jednotce
SEC pro tento proces je dán rovnicí:
SEC =
Es,in + Ee,in + Ef,in
P
Rovnice 1.4
Kde:
=
energie dodaná do procesu prostřednictvím páry za účelem výroby určitého
Es,in
množství produktu P
Ee,in
=
energie dodaná do procesu prostřednictvím elektřiny za účelem výroby určitého
Ef,in
=
energie dodaná do procesu prostřednictvím paliva za účelem výroby určitého
V rovnici 1.5 je nanejvýš důležité, aby různé vektory energie (toky energie) byly vyjádřeny jako
primární energie a na stejné bázi (viz kap. 1.3.6.1). např. na výrobu 1 MWh elektřiny je nutné
vynaložit více energie než na výrobu 1 MWh páry, protože elektřina se vyrábí většinou
s účinností 35 – 58 %, zatímco pára s účinností 85 – 95 %. Energii využitou v rámci různých
vektorů energie ve výše uvedené rovnici je tudíž třeba vyjádřit jako primární energii. To
zahrnuje i účinnost výroby pro daný vektor energie.
Příklad výpočtu energetické účinnosti:
Předpokládejme, že k výrobě 1 tuny produktu P1 je nutné použít následující vektory energie:
•
•
•
0,01 t paliva
10 kWh elektřiny
0,1 tuny páry.
Předpokládejme následující15:
•
•
•
•
spodní výhřevnost paliva = 50 GJ/t
účinnost výroby elektřiny = 40 %
pára se vyrábí z vody při 25 oC a rozdíl mezi entalpií páry a entalpií vody při 25 oC = 2,8
GJ/t
pára se vyrábí s účinností 85%.
Při výrobě 1 tuny produktu P1 činí spotřeba energie (převedeno na GJ):
15
Čísla mají pouze ilustrativní charakter a nejde o jejich přesnost. Není uveden tlak pro páru, ale lze
předpokládat, že bude stejný v obou částech příkladu. Analýza exergie by byla užitečnější, ale je mimo
rámec tohoto jednoduchého příkladu.
červen 2008
31
Kapitola 2
•
•
•
Ef,in
Ee,in
Es,in
= 0.01 tuny paliva x 50 GJ/tunu = 0.50 GJ
= 10 kWh x 0.0036 GJ/kWh x 100/40 = 0,09 GJ (kde 1 kWh = 0,0036 GJ)
= 0,1 tuny páry x 2,8 GJ/tunu x 1/0,85 = 0,33 GJ.
SEC tohoto procesu je pak:
•
SEC = (0,50 + 0,09 + 0,33) GJ/tunu = 0,92 GJ/tunu.
Pro určování EEI předpokládejme, že toto je referenční SEC. Dále předpokládejme, že podnik
realizuje řadu projektů na zlepšení energetické účinnosti, takže o rok později bude spotřeba
energie výrobního procesu tato:
•
0,01 t paliva
•
15 kWh elektřiny
•
0,05 tuny páry.
V důsledku těchto projektů na zlepšení energetické účinnosti bude nová SEC procesu tato:
•
SEC = (0,5 + 0,135 + 0,165) GJ/tunu = 0,8.
EEI tohoto procesu je potom:
•
EEI = 0,92/0,8 = 1,15.
Znamená to, že energetická účinnost výrobního procesu se zvýšila o 15 %.
Je důležité poznamenat, že neúčinnosti výroby elektřiny byly v tomto případě internalizovány
(použitím primární energie: tyto neúčinnosti jsou ve skutečnosti vůči stanovišti (lokalitě
podniku) externí). Pokud by se toto nevzalo v úvahu, vstup elektrické energie by se zdál být
o 50 % účinnější, než je:
(0,09 – 0,036)
= 1,5 tj. 150 %
0,036
Ignorování primární energie může vést např. k rozhodnutí o přechodu jiných energetických
vstupů na elektřinu. Byla by však třeba složitější analýza jdoucí za rámec tohoto příkladu, aby
bylo možné zjistit množství využitelné energie dostupné v aplikaci zdrojů. Takovou analýzou
by byla např. analýza exergie.
Tento příklad ukazuje, jak je důležité vědět, na jakém základě jsou SEC a EEI vypočítávány.
Rovněž je důležité věnovat pozornost tomu, že pro další média, která by mohla být přivedena do
jednotky, procesu nebo zařízení z vnějšku hranic (spíše než vyrobena uvnitř těchto hranic), platí
stejná logika. Jedná se např. o páru, stlačený vzduch, dusík atd. (viz primární energie, kap. 1.3.
6.1).
1.4.2.2
Příklad 2. Typický případ
Obr. 1.8 zobrazuje komplikovanější případ, kdy dochází jak k exportu energie, tak i k interní
recyklaci paliva nebo energie. Tento případ ilustruje principy, které lze po vhodných úpravách
aplikovat v mnoha průmyslových odvětvích.
32
červen 2008
Kapitola 1
Elektri
cká
energie
Ee,in
Pára
Es,out
Další
Eo,out
Hlavní produkty P1
Výrobní
jednotka
Další produkty P2
Odpad/ztráty W
(spalování, fléra,
odpadní toky do
životního prostředí)
Surovina F1
Surovina Fn
Recyklované palivo Pf
Pára
Es,in
Elektri
cká
energie
Ee,in
Další
Eo,in
Import
paliva
Ef,in
Recyklované palivo
Ef,rec
Obrázek 1-8: Vektory energie ve výrobní jednotce
SEC =
(Es,in + Ee,in + (Ef,in + Ef,rec) + Eo,in ) – (Es,out + Ee,out + Eo,out )
P1
Tento generický vzorec lze aplikovat na každý výrobní proces, jednotku nebo zařízení, ale jeho
různé komponenty je nutné přizpůsobit právě každému konkrétnímu výrobnímu procesu,
jednotce nebo stanovišti. Jednotkou tohoto ukazatele je (jednotka energie)/jednotku hmoty,
zpravidla GJ/t produktu nebo MWh/t produktu. Mohly by však existovat násobné produkty nebo
jeden hlavní produkt a významné vedlejší produkty.
Některé faktory, které je třeba vzít v úvahu při aplikaci rovnice 1.5, jsou popsány
v následujících šesti bodech (některé lze aplikovat i na rovnici 1.4):
1.
Toky vstupů/produktů (F1-n, P1)
Na obr. 1.8 je zobrazen tok hmoty – surovin a produktů – v horizontálním směru. Vstupy F1 – Fn
(F1-n) představují různé suroviny používané k výrobě hlavních produktů P1 a vedlejších
produktů. Tyto vedlejší produkty se dělí na dvě frakce: frakce, která se recykluje jako palivo
(Pf) a zbývající vedlejší produkty (P2).
Příklady této situace mohou být:
•
Krakování ethylenových par v petrochemickém průmyslu, kde lze spotřebu energie
vyjádřit v GJ na tunu ethylenu, v GJ na tunu olefinů (ethylen, propylen) nebo v GJ
na tunu vysoce hodnotných chemických látek (olefinů + butadienu + benzenu + čistého
vodíku).
•
Ve výrobě chlóru a alkálií, kde se spotřeby energií většinou vztahují na tuny vyrobeného
chlóru (hlavní produkt) a kde vodík a NaOH jsou vedlejší produkty.
2.
Vektory energie (toky energie) (Ein)
Vektory energie ukazují různé druhy energetických toků směrem do jednotky a ven z této
jednotky. Importovaná energie a energie, která je exportovaná pro využití někde jinde, jsou
zobrazeny v obr. 2.2 ve vertikální rovině. Jedná se o následující vektory energie:
•
•
Es = pára a/nebo horká voda
Ee = elektřina do procesu
červen 2008
33
Kapitola 2
•
•
Ef = palivo (plyn, kapalina, tuhé palivo). Rozlišuje se externě zakoupené palivo Ef
a palivo, které se interně recykluje v procesu Ef,rec . Pozn.: pokud se palivo vyrábí jako
produkt pro použití mimo závod, bude se o něm uvažovat jako o P1 nebo P2 (nikoli jako o
Ef,out), viz bod 5 níže
Eo = ostatní: tato energie pokrývá jakékoli médium, které potřebuje ke své výrobě energii.
Příkladem může být horký olej, chladící voda, stlačený vzduch nebo dusík (jestliže
se zpracovávají v místě, na stanovišti). Tato chladící voda vyžaduje ke své výrobě energii
(energie je nutná pro provoz čerpadel, která umožňují cirkulaci chladící vody a pro chod
ventilátorů chladících věží).
Je důležité, aby na straně výstupu byly počítány pouze ty vektory energie, které jsou s přínosem
používány v nějaké jednotce v jiném procesu. Především pak energie spojená s chlazením
procesu pomocí chladící vody nebo vzduchu by v rovnici 1.5 nikdy neměla být zařazena jako
„energie směřující ven“. Je také nutné vzít v úvahu energii používanou při dodávkách do
různých zařízení a dalších navazujících systémů. Například pro chladící vodu (provoz čerpadel
a ventilátorů), stlačený vzduch, produkci dusíku, souběžné vytápění, páru do turbín atd. ostatní
ztráty tepla do ovzduší by také neměly být nikdy započítány jako výstupy využitelné energie.
Příslušné části kapitoly 3 věnované těmto přidruženým systémům uvádějí více údajů o jejich
účinnostech a ztrátách.
3.
Různé úrovně páry (Es) (a úrovně horké vody)
Výrobní závod by mohl využívat i produkovat více než jeden druh páry (tj. páry o různých
tlacích a/nebo teplotách). Každá úroveň páry nebo vody bude možná potřebovat svůj vlastní
faktor účinnosti. Každou z těchto úrovní páry je třeba zařadit do termínu Es tím, že se sečtou
jejich exergie [127, TWG]. Viz informace o páře v kap. 3.2.
Pokud se používá horká voda (nebo se produkuje a používá v jiném výrobním zařízení), mělo
by se s ní zacházet podobně.
4. Toky odpadních materiálů (W) a ztráty energie
Při každém procesu bude také vznikat určité množství odpadních produktů a bude docházet ke
ztrátám energie. Těmito odpadními produkty mohou být tuhé odpady, kapaliny nebo plyny
a mohou být:
•
•
•
•
Likvidované na skládce (pouze tuhé odpady)
Spalovány při současném získávání energie nebo bez něj
Použity jako palivo (Pf)
Recyklovány.
Relevance tohoto odpadního toku bude probrána podrobněji v kap. 1.5.2.3.
Příklady ztrát energie ve spalovnách jsou:
•
Komínové zplodiny
•
Ztráty tepla zářením skrze stěny zařízení
•
Teplo ve strusce a popílku
•
Teplo a nezoxidovaný uhlík v neshořelých materiálech
5.
Palivo nebo produkt nebo odpad (E0, Pf)
Na obr. 1.8 není palivo zobrazeno jako vektor exportované energie. Důvodem je to, že toto
palivo (P1 nebo P2 nebo by se mohlo považovat za Ef) je považováno spíše za produkt než za
nosič energie a že výhřevnost, která by byla tomuto palivu přiřazena, je již započítána ve
vstupech do výrobní jednotky. Tato konvence je standardní v rafinériích a chemickém
průmyslu.
V ostatních odvětvích se mohou uplatňovat odlišné postupy. Např. ve výrobě chlóru a alkálií,
počítají někteří provozovatelé vodík (H2) (vedlejší produkt vedle vyrobeného chlóru a NaOH)
34
červen 2008
Kapitola 1
jako vektor energie nezávisle na tom, zda se tento vodík následně využívá jako chemická látka
nebo jako palivo (vzplanutý vodík se nezapočítává).
Je tudíž důležité stanovit pravidla definování energetické účinnosti specifická pro daný
průmyslový sektor, včetně vstupů a vstupních materiálů, produktů, nosičů importované energie
a nosičů exportované energie. Viz též kap. 1.5.2.3.
6.
Měření nebo odhad
Rovnice 1.5 předpokládá, že různé vektory energie jdoucí do výrobního procesu jsou známé.
U běžného výrobního procesu však nejsou některé parametry, např. různé spotřeby médií
(chladící voda, dusík, souběžné vytápění, pára do turbíny, elektřina), vždy měřeny. Často
se měří jenom hlavní spotřeby jednotlivých médií ve výrobním procesu, aby bylo možné proces
řídit (např. pára do vařáku, palivo do pece). Celková spotřeba energie je pak součtem mnoha
jednotlivých příspěvků, z nichž některé se měří a jiné odhadují. Pravidla pro takový odhad
musejí být transparentně definována a zdokumentována. Viz kap. 1.5 a 2.10.
červen 2008
35
Kapitola 2
1.4.3
Energetická účinnost provozovny (závodu)
Složité výrobní závody (stanoviště) provozují více než jeden výrobní proces nebo jednotku. Při
definování energetické účinnosti celého závodu je nutné jej rozdělit na jednotlivé menší
jednotky, které obsahují procesní jednotky a jednotky médií. Vektory energie zasahující do
výrobního závodu lze schématicky znázornit tak jako např. na obr. 1.9.
Exportovaná energie
Jednotka
Jednotka
Suroviny vstup
Produkty výstup
Jednotka
Jednotka
Importovaná energie
Obrázek 1-9: Vstupy a výstupy ze závodu
Výrobní závod pravděpodobně vyrábí různé druhy produktů, z nichž každý má svůj vlastní
faktor energetické intenzity. Není tudíž vždy jednoduché definovat pro závod či stanoviště
smysluplný ukazatel energetické účinnosti. Tento ukazatel (indikátor) může být vyjádřen jako:
EEI =
∑P
1,i
i = jednotka
× EIFref ,i
Energie použitá závodem za příslušné období
Kde:
Pi,j = součet produktů z jednotek
SECref j = referenční SEC pro produkty, j
Toto je stejný vzorec, jaký je uveden v kap. 1.3.3, bod 0. jediným rozdílem je to, že v kap. 1.3.2
se vzorec týkal různých produktů vyrobených na jedné produktové lince, zatímco zde (kap.
1.4.3) se týká různých produktů vyrobených na různých produktových linkách.
Média a služby
Když se výrobní závod rozděluje na výrobní jednotky (viz kap. 2.2.2), mělo by se centrum
médií brát zodpovědně v úvahu. Pokud centrum médií produkuje média pro více než jednu
výrobní jednotku, uvažuje se o něm často jako o separátní, samostatně postavené výrobní
jednotce. Totéž médium může stejně tak dodávat i jiný provozovatel, např. viz ESCOs, kap.
7.12.
Sekci médií a služeb samu o sobě lze rozdělit do několika sekcí: např. součást týkající
se skladování a plochu pro nakládku a vykládku, součást týkající se horkých médií (např. páry
a horké vody) a součást týkající se studených médií (chladící voda, dusík, stlačený vzduch).
Kap. 1.5 se zabývá výpočtem vektorů energie ze služeb a médií, i v souvislosti s primární
a sekundární energií.
36
červen 2008
Kapitola 1
Následující rovnice by se měla vyzkoušet vždy:
Energie
(závodem)
kde:
Kde:
použitá
stanovištěm = Σ SECi1 × Pi + energie použitá sekcí médií
a služeb
i=jednotky
∑ SECi = součet hodnot SEC pro i jednotek
i −units
i=jednotky
Různé agregace jednotek na různých stanovištích (závodech)
Příkladem je v tomto případě zařízení na hydrogenaci (hydrotreatment) benzínu v parním
krakování. Benzín je ko-produkt zařízení na parní krakování (tudíž se v Obr. 1.8 počítá spíše
v P2 než v P1). Avšak předtím, než může být přidán k benzínovým produktům, je třeba ho
hydrogenovat, aby se nasytily přítomné olefíny a diolefíny a aby se odstranily sirné složky.
Většina provozovatelů by zařízení na hydrogenaci brala jako separátní jednotku parního
krakovacího zařízení. Na některých stanovištích je však zařízení na hydrogenaci benzínu
integrováno do krakovacího zařízení tak, že (z důvodů jednoduchosti) je někdy včleněno do
hranic systému krakovacího zařízení. Není tudíž překvapením, že ta krakovací zařízení, která
mají hydrogenaci benzínu v rámci hranic svého systému, budou mít tendenci k vyšší spotřebě
energií než ty, které ji ve svém systému nemají. To samozřejmě neznamená, že je jejich
energetická účinnost nižší.
Je tudíž zřejmé, že při realizaci energetického managementu stanoviště je velmi důležité:
•
•
•
Rozdělit stanoviště na jednotlivé výrobní jednotky, vymezit přesně systémové hranice
těchto výrobních jednotek (viz též kap. 1.5 níže). Rozdělení stanoviště (závodu)
na výrobní jednotky bude záviset na složitosti celého výrobního stanoviště a v každém
případě by o něm měl rozhodovat odpovědný provozovatel.
Jasně definovat toky energií směrem do a ze stanoviště a mezi jednotlivými výrobními
jednotkami (jednotkové boxy v Obr. 1.9).
Zachovávat tyto definované hranice, pokud nejsou vyžadovány nebo vynuceny změny,
např. změnou výroby a/nebo médií či služeb, anebo přechodem na jiný základ, na kterém
vznikne dohoda na úrovni závodu, firmy nebo sektoru, atd.
Tímto je pak jasně definován způsob, jakým se vypočítává energetická účinnost daného
výrobního procesu.
červen 2008
37
Kapitola 2
1.5
Otázky, které je třeba zvažovat při definování ukazatelů
energetické účinnosti
Kapitola 1.3 se zabývá tím, jak definovat energetickou účinnost, a zdůraznila i důležité
související otázky, jako je např. primární a sekundární energie. Tato kapitola také uvedla
koncept energetické účinnosti pro média a služby a/nebo systémy. Kapitoly 1.4.2 a 1.4.3 hovoří
o tom, jak utvářet ukazatele energetické účinnosti pro výrobní jednotku a pro stanoviště (závod)
z perspektivy směřující shora dolů, a také o problémech, se kterými je možné se v tomto
procesu setkat.
V této kapitole:
•
Kap. 1.5.1 popisuje význam nastavení správných hranic systému při optimalizaci
energetické účinnosti. Zabývá se relativními dopady energetické účinnosti
komponentních součástí a systémů a uplatňuje přitom postup jdoucí „zdola nahoru“.
•
Kap. 1.5.2 se zabývá dalšími důležitými otázkami, o kterých může provozovatel uvažovat
a které by se měly brát v úvahu v definic energetické účinnosti a ukazatelů.
1.5.1
Definování hranic systému
[5, Hardell and Fors, 2005]
Následující příklady se zabývají jednotlivými komponenty, subsystémy a systémy, a zkoumají,
jak lze posuzovat zlepšení energetické účinnosti. Příklady vycházejí z posuzování energetické
účinnosti v běžné společnosti. Následující příklad ukazuje efekt, který nastane, pokud se systém
pro požadované médium či službu zvažuje na příliš nízké úrovni (komponent/konstituent či
složka nebo subsystém).
Fyzikální energetická účinnost je dána v kap. 1.2.2.1 (viz též Příloha 7.1.1):
Energetická účinnost η =
Vstup energie
práce W
=
(obvykle vyjádřeno v %)
Výstup energie
energie E
Kde: práce W je množství využitelné práce vykonané komponentem, systémem nebo
procesem (v joulech)
Energie E je množství energie (v joulech) použité komponentem, systémem, procesem
nebo zařízením
Zlepšení (změna) energetické účinnosti je:
Zlepšení =
Změna v použité energii
Původně použitá energie
Příklad: Systém 1: Elektrický motor
Starý elektromotor
Jedna společnost provedla průzkum existujících motorových pohonů. Byl zjištěn starý motor
se vstupní elektrickou energií 100 kW. Účinnost motoru byla 90 % a výstupní mechanická
energie tak byla 90 kW (viz obr. 1.10).
38
červen 2008
Kapitola 1
Starý elektromotor
Elektrický příkon 100 kW
Elektrický výkon 90 kW
Hranice systému
Příkon (100 kW)
Výkon (90 kW)
Účinnost (90 %)
Obrázek 1-10: Hranice systému – starý elektrický motor
Nový elektrický motor
Pro zlepšení účinnosti byl tento motor nahrazen vysoce účinným motorem. Efekt této změny je
zobrazen na obr. 1.11. Elektrická energie potřebná k vyvinutí stejné výstupní energie, tedy 90
kW, je nyní vzhledem k vyšší účinnosti nového motoru 96 kW. Zlepšení energetické účinnosti
je tak 4 kW, nebo:
Energetické zlepšení = 4/100 = 4 %
Nový elektromotor
Elektrický výkon 90 kW
(93,7 %)
Hranice systému
Příkon (96 kW)
Výkon (90 kW)
Zlepšení účinnosti (4 kW)
Obrázek 1-11: Hranice systému – nový elektrický motor
Příklad: Systém 2: Elektrický motor a čerpadlo
Jak ukazuje obr. 1.10, k provozu čerpadla, které přivádí chladící vodu do chladícího systému,
se používá elektrický motor. Kombinace motoru a čerpadla se zde považuje za jeden subsystém.
Nový elektrický motor a staré čerpadlo
Výstupní hodnotou tohoto subsystému je hydraulická síla ve formě toku a tlaku chladící vody.
Vzhledem k nízké účinnosti čerpadla je výstupní hodnota omezena na 45 kW.
červen 2008
39
Kapitola 2
Nový elektromotor
Hydraulický výkon (45 kW)
(50 %)
(93,7 %)
Hranice systému
Příkon (96 kW)
Chladící voda
Výkon (45 kW)
Účinnost (47 %)
Obrázek 1-12: Hranice systému – nový elektrický motor + staré čerpadlo
Nový elektrický motor a nové čerpadlo
Staré čerpadlo je nahrazeno novým, čímž se zvýší účinnost čerpadla z 50 na 80 %. Výsledek
této výměny je zobrazen na obr. 1.13.
Nový elektromotor
(80 %)
(93,7 %)
Hranice systému
Příkon (96 kW)
Chladící voda
Výkon (45 kW)
Účinnost (47 %)
Obrázek 1-13: Hranice systému – nový elektrický motor a nové čerpadlo
Účinnost nového subsystému je mnohem vyšší než u subsystému předchozího. Hydraulická síla
se zvýšila ze 45 na 67 kW. Zvýšení energetické účinnosti lze zobrazit jako (viz kap. 1.3.1):
EEF =
Účinnost
75
= 1,60 tj. zvýšení energetické účinnosti o 60 %
Referenční účinnost 47
Příklad: Systém 3: Nový elektrický motor a nové čerpadlo s konstantní hodnotou výstupu
Jak již bylo naznačeno na obr. 1.12, chladící systém fungoval uspokojivě dokonce i při
hydraulické síle 45 kW. Přínos zvýšení hydraulické síly o 50% na 67 kW není zřejmý a ztráty
při čerpání by teď mohly být přeneseny na kontrolní ventil a potrubní systém. To však nebylo
zamýšleným cílem výměny komponent ze energeticky efektivnější.
40
červen 2008
Kapitola 1
Komplexní studie chladícího systému možná ukázala, že hydraulická síla 45 kW byla
dostatečná, a v tomto případě lze výkon na hřídeli odhadnout na 45/0,8 = 56 kW. Elektrická
energie potřebná k pohonu motoru by pak činila asi 56/0,937 = 60 kW.
Nový elektromotor a nové čerpadlo s regulačním ventilem konstantního výkonu
Elektrický příkon (60 kW)
(80 %)
(93,7 %)
Hranice systému
Příkon (60 kW)
Výkon (45 kW)
Účinnost (75 %)
Obrázek 1-14: Nový elektrický motor a nové čerpadlo s konstantním výstupem
V tomto případě byl vstup energie o 40 kW nižší než předtím, viz obr. 1.10. Účinnost zůstává
na 75 %, ale spotřeba energie v Systému 1 (starý motor a předpokládejme, že i staré čerpadlo)
se snížila o 40 % a v Systému 2 (nový motor, nové čerpadlo) se snížila o 33%.
Při případném posouzení by se mohlo zkoumat, zda bylo možné snížit velikost jak motoru, tak
i čerpadla, aniž by to mělo nepříznivý dopad na chlazení, anebo snížit požadovanou
hydraulickou sílu na např. 20 kW. Tím by se mohly ušetřit kapitálové náklady na zařízení
a rovněž by došlo ke zlepšení energetické účinnosti.
Příklad: Systém 4: Systém 3 spojený s výměníkem tepla
Na obr. 1.13 byly hranice systému rozšířeny a subsystém nyní zahrnuje nový motor, nové
čerpadlo a starý výměník tepla pro chladící proces. Procesní chladící energie je 13000 kWth (th
= thermal).
červen 2008
41
Kapitola 2
Nový elektromotor, nové čerpadlo a starý tepelný výměník
Regulační ventil
(80 %)
Teplo z procesů
(13 000 kWth)
Hranice systému
Chladící voda
Příkon (90 kW)
13 000 kWth
Hodnota výkonu 1: Chlazení procesu 13 000 kWth
Hodnota výkonu 2: Hydraulický výkon 67 kW
)
Obrázek 1-15: Nový elektrický motor, nové čerpadlo a starý výměník tepla
Výstupní hodnoty jsou odstranění procesního tepla a hydraulická síla spojená se zvýšeným
tokem a tlakem vody.
Nicméně z hlediska definování tohoto systému (viz kap. 1.3.1 a 1.4.1) je poskytovanou službou
chlazení. Systém je navržen tak, aby zajišťoval chlazení procesu nebo procesů v hodnotě 13000
kWth. Procesní teplo v tomto systému nehraje žádnou roli a výstupní teplo je ztraceno. Účinnost
zůstává na 75 % jako v Systému 3 – pokud se měří na základě vstup-výstup. Bylo by však
možné ji měřit na základě SEC a pak energie potřebná k realizace konkrétního chlazení (viz
kap. 1.3.1):
SEC =
Použitá energie
(importovaná energie – exportovaná energie)
=
Vyprodukované produkty
produkty/vyprodukované výstupy
SEC =
Energie použitá v chladícím systému
90 – 67 kW
=
poskytnutá služba
13000 kWth chlazení
= 0,00177 kW/kWth chlazení = 1,77 W/kWth chlazení
Jestliže jsou potřeby chlazení sníženy, např. kvůli snížení produkce na 8000 kW chlazení, pak
bude SEC = 2,88 W/kWth. Jak bylo uvedeno v kap. 1.3.1, jedná se o nárůst SEC a tím pádem
o pokles energetické účinnosti, tj. ztráta:
(2,88 – 1,77)
= 62 %
1,77
Pozn.: toto neřeší účinnost chlazení procesu, pouze energetickou účinnost chladícího systému.
Příklad: Systém 5: Systém 4 se získáváním (regenerací) tepla
Z environmentálních důvodů přijala firma rozhodnutí snížit emise oxidů uhlíku a dusíku tím, že
se získá teplo z chladící vody a tím se sníží množství oleje používaného ve výtopně (viz obr.
1.16):
42
červen 2008
Kapitola 1
Nový elektromotor, nové čerpadlo a dva tepelné výměníky
Regulační ventil
(80 %)
Teplo z procesů
(8 000 kWth)
8 000 kWth
Rekuperované
teplo, nahrazuje
topný olej při
vytápění
prostor:
(4 000 kWth)
Hranice systému
Chladící voda
Hydraulický
výkon:
67 kW
Nevyužité teplo
4 000 kWth
Příkon (90 kW)
Hodnota výkonu 1: Chlazení procesu 8 000 kWth
Hodnota výkonu 2: Rekuperované teplo 4 000 kWth
)
Hodnota výkonu 2: Hydraulický výkon 67 kW
)
Obrázek 1-16: Nový elektrický motor, nové čerpadlo a dva výměníky tepla
Výpočet týkající se výhradně vstupů a výstupů do, resp. z chladícího systému ukazuje:
Energie použitá v chladícím systému
90 – 67 kW
=
poskytnuté služby
4000 kW chlazení
= 0,00575 kW/kWth chlazení = 5,75 W/kWth chlazení.
Ve srovnání s výpočty týkajícími se Systému 4 se zde jedná o pokles účinnosti, zatímco výtopna
na olej bude vykazovat zvýšení účinnosti.
Je zřejmé, že uspořádání systému získávání tepla představuje nárůst energetické účinnosti. Pro
odhad podrobnější hodnoty získaného tepla je třeba vzít v úvahu i výtopnu na olej. Rovněž je
třeba vzít v úvahu hodnotu snížení spotřeby oleje a snižující se získávání tepla z horkých spalin
z výtopny.
V tomto případě, podobně jako ve většině dalších, jsou subsystémy vzájemně propojeny, což
znamená, že energetická účinnost jednoho subsystému má často vliv na účinnost druhého.
1.5.1.1
Závěry týkající se systémů a hranic systémů
Je důležité uvažovat o závodě z hlediska jeho komponentních jednotek/systémů. Maximální
návratnosti investic lze dosáhnout tehdy, když bude bráno v úvahu celé stanoviště (závod)
a jeho vzájemně propojené jednotky nebo systémy (např. viz obecné BAT 13 a 14 v dokumentu
BREF STS a BAT 81 pro nátěry automobilů). Jinak (jak ukazují výše popsané Systémy 1 a 2)
se může stát, že změna jednotlivých komponent povede k investicím do nesprávně
dimenzovaného vybavení a k promarnění úspor spojených s nejefektivnější účinností.
červen 2008
43
Kapitola 2
Mělo by se provést určité šetření, jehož cílem je zjistit potřeby daného stávajícího systému
a subsystémů a také to, zda by nešlo požadovaných služeb (např. chlazení, ohřívání) dosáhnout
modifikovaným nebo nějakým úplně jiným způsobem zlepšení energetické účinnosti.
Jednotky/systémy musejí být:
•
•
•
Definovány z hlediska hranic a interakcí na příslušné úrovni
Zkoumány z hlediska poskytování konkrétních, potřebných služeb nebo produktů
Posuzovány z hlediska současných nebo plánovaných potřeb výše zmíněných služeb nebo
produktů (tj. nikoli z hlediska minulosti).
Maximální energetická účinnost pro zařízení může znamenat, že energetická účinnost jednoho
nebo více systémů může být deoptimalizována, aby se dosáhlo celkové maximální účinnosti
(toto platí v matematické rovině, protože účinnosti dosažené jinde nebo jiné změny mohou
znamenat změnu faktorů ve výpočtech platných pro konkrétní individuální systém. Nemusí to
vést k celkově vyššímu množství používané energie). Viz Příloha 7.2.1.
1.5.2
1.5.2.1
Ostatní důležité otázky, které je třeba zvažovat na úrovni závodu
Zaznamenávání používaných postupů v oblasti podávání zpráv
Na úrovni závodu by se měla přijmout a dodržovat jednotná praxe (či soubor zvyklostí)
v oblasti podávání zpráv. Hranice pro výpočty energetické účinnosti a jakékoli změny
v hranicích a provozní praxi by měly být identifikovány v interní a externí databázi historie.
Pomůže to zachovat interpretaci a srovnatelnost mezi jednotlivými roky.
1.5.2.2
Interní produkce a využívání energie
U některých procesů (např. rafinérie, černý louh v papírnách) se palivo, které se v procesu
vyrábí, následně interně spotřebovává. Je nanejvýš důležité, aby se energie obsažená v tomto
palivu brala při řešení energetické účinnosti příslušného procesu v úvahu. Skutečně – jak
dokládá kap. 2.2.2. – rafinérie by měly velmi nízkou spotřebu energií, protože asi 4 – 8 %
vstupní ropy se využívá interně jako kapalné nebo plynné palivo. Rafinérie mohou navíc také
importovat energetické zdroje, jako je elektřina, pára a (příležitostně) zemní plyn. Rafinérie
mohou být vybaveny zařízením na kogeneraci a mohou exportovat elektřinu a zvyšovat přitom
svou interní spotřebu paliv. Podle rovnic 1.1 a 1.3 by se rafinérie vybavená kogenerací
teoreticky mohla jevit jako čistý producent energie, protože by se mohla stát čistým
producentem elektřiny.
Je zřejmé, že to, co je uvedeno výše, neodráží realitu, protože rafinérie spotřebovávají značná
množství energie. Zatímco hranice systému a vektory energie lze zvolit tak, aby vyjadřovaly
situaci v závodě, po jejich nadefinování pro konkrétní závod je již nutné se jich striktně držet.
1.5.2.3
Získávání energie z odpadů a prostřednictvím fakulí
(bezpečnostních hořáků)
Při všech procesech vzniká určité množství tuhých, kapalných nebo plynných odpadů. Tyto
odpady mívají energetickou hodnotu, kterou lze interně nebo externě získat nebo regenerovat.
Tuhé a kapalné odpady lze exportovat do externí spalovny, odpadní plyny lze spalovat ve
fakuli. Viz kap. 3.1.5.
Odpady
Příklad: určitý odpad se dříve exportoval do externí spalovny. Firma nyní hledá způsob, jak
tento odpad interně využít, např. jako palivo pro své kotle nebo pece, a potřebuje zjistit, zda
se tím zlepší energetická účinnost výrobní jednotky/stanoviště, s tím, že:
44
červen 2008
Kapitola 1
•
•
interní využití tohoto odpadu snižuje potřebu externích paliv, ale celková spotřeba
energie stále zůstává stejná
na druhou stranu externí spalovna může mít zařízení, kde se výhřevnost tohoto odpadu
využije na výrobu páry. V takovém případě nemusí přesun odpadního toku směrem do
interního využití jako paliva (na rozdíl od jeho zaslání do spalovny) přinést celkové
zlepšení energetické účinnosti, když se na věc podíváme z pohledu celku, tj. producent +
firma provozující spalovnu.
Pozn.: Přechod od externího spalování k internímu využití bývá motivován obchodními
podmínkami a nikoli energetickou účinností.
Závěry k tomuto tématu jsou uvedeny níže v Celkovém shrnutí.
Fakule (bezpečnostní hořáky)
Fakule jsou především bezpečnostní zařízení a se používají k bezpečnému odvodu odpadních
plynů ze zařízení, jako jsou rafinérie minerálních olejů, chemičky nebo skládky. Jejich využití
jako cesty pro odvod odpadních plynů je však obvykle jen sekundární funkcí16. Fakule je
zároveň i bezpečnostní zařízení a pokud je závod dobře navržen, udržován a provozován, proudí
do fakule za normálních provozních podmínek jen malý nebo zanedbatelný tok plynu. Ve
většině závodů však do fakule proudí malý, konstantní tok, který souvisí např. s úniky
na pojistných a jiných ventilech a s úniky při naplňování a vyprazdňování zásobních nádrží.
Veškerý plyn přivedený do fakule se spálí, aniž by se získala energie v něm obsažená. Je možné
instalovat systém získávání fakulového plynu, který bude toto malé množství získávat
a recyklovat zpět do plynového palivového systému závodu.
Příklad: Provozovatel výrobního procesu, který předtím neměl systém získávání fakulového
plynu, se rozhodne takový systém instalovat. Sníží se tím externí spotřeba plynného paliva, ale
celková spotřeba plynného paliva v procesu zůstane stejná. Provozovatel potřebuje zjistit, jak je
tento systém získávání plynného paliva brán v úvahu z hlediska energetické účinnosti. Ještě
důležitější je to v případě, kdy jeden výrobní proces získává nejenom své vlastní fakulové
ztráty, ale i ztráty z ostatních výrobních procesů v závodě.
Závěry k tomuto tématu jsou uvedeny níže v Celkovém shrnutí.
Celkové shrnutí
Podle rovnice 1.5 v kap. 1.4.2.2 nevykazuje regenerace odpadu na palivo žádný přímý přínos.
Nicméně tam, kde dochází k interní recyklaci, se toto palivo může využít ke snížení množství
importovaného paliva (Ef,in). Tam, kde se energie získává v externí spalovně, je případ
analogický výpočtu primární energie (viz kap. 1.3.1) a je možné s ním i stejným způsobem
počítat. Další možností je definovat pro daný proces určitou referenční praxi či postup týkající
se množství produkovaného odpadu a toho, do jaké míry je tento odpad recyklován, a udělit
energetický kredit těm provozovatelům, kteří jsou schopni využívat odpad účinněji, než
v daném referenčním případě. Celkový obraz se však může stát velmi složitým, pokud nejsou
v rámci závodu produkována značná množství odpadů s obsahem energie (proporcionálně ke
vstupům energie do závodu).
Z výše popsaných úvah by mělo být zřejmé, že je důležité se dohodnout na pravidlech, jak je
třeba se zabývat odpadem při stanovování rámce pro definování SEC/EEI určitého procesu nebo
jednotky. V různých průmyslových sektorech bude různá praxe a způsoby zhodnocení interního
využití odpadů v energetické účinnosti. Je důležité, aby každý průmyslový sektor a/nebo
společnost jasně definovala aplikovanou standardní praxi.
16
Výjimkou může být těžba ropy, kde se fakule skutečně používá k likvidaci plynu, který provází
čerpanou ropu. U všech ostatních průmyslových odvětví (zejména pokud jsou přítomny toxické plyny) se
k likvidaci odpadního plynu považuje za vhodnější spalovací zařízení. Hlavní výhodou fakule je však
mnohem vyšší poměr uzavření než u spalovacího zařízení.
červen 2008
45
Kapitola 2
Každé průmyslové odvětví by mělo také jasně definovat, jakým způsobem se bude zabývat
odpady, aby to umožnilo spravedlivé porovnání mezi konkurenčními výrobními procesy. Na
úrovni zařízení by se měla přijmout a dodržovat jednotná praxe v oblasti podávání zpráv.
Změny by se měly promítnout do externích a interních databází záznamů tak, aby se zachovala
srovnatelnost mezi jednotlivými roky.
1.5.2.4
Koeficient zatížení (snižování SEC s rostoucí produkcí)
Snižování měrné spotřeby energie s rostoucí mírou produkce je celkem normální a je způsobeno
dvěma faktory:
•
•
Výrobní zařízení bude v provozu po delší časové období, jestliže je míra produkce
vysoká. To znamená, že období prostojů budou kratší. Některé druhy zařízení jsou
v provozu kontinuálně, dokonce i v době, kdy k produkci nedochází. Doba prostojů
se zkrátí s tím, jak se bude zkracovat právě doba bez produkce.
Existuje určitá základní spotřeba energie, která nezávisí na využití výrobní kapacity. Tato
spotřeba souvisí s najetím výrobního zařízení a udržováním jeho teploty (bez jakékoli
produkce, viz citelné teplo, kap. 1.5.2.10), osvětlením, používáním ventilátorů,
kancelářských strojů apod. vytápění prostor také nezávisí na míře produkce, ale spíše
na venkovní teplotě, jak ukazuje obr. 1.17. Při vyšších mírách produkce se tyto spotřeby
rozloží na více (tun) produktů.
Při eliminaci vlivu koeficientu zatížení na skutečnou energetickou účinnost stanoviště, závodu
nebo jednotky může provozovatel využít korekční faktory (koeficienty) specifické pro daný
sektor, stanoviště nebo jednotku. Stejně tak lze změřit, vypočítat nebo odhadnout (např.
extrapolací z různých hodnot produkčních výkonů) základní zatížení stanoviště nebo jednotky.
Tato situace je analogická s finančním účetnictvím a v konkrétních případech [127, TWG]
mohou být vhodné bilance energetické účinnosti.
Provozovatel by měl aktualizovat své interní a externí databáze historie, aby se tak zachovala
srovnatelnost mezi jednotlivými roky.
1.5.2.5
Změny ve výrobních technikách a vývoj produktů
Lze realizovat změny ve výrobních technikách, např. v důsledku technického rozvoje nebo kvůli
novým komponentům nebo technickým systémům, které jsou k dispozici na trhu. Bude
pravděpodobně třeba nahradit zastaralé technické systémy a s tím může vzniknout potřeba
zavedení nových řídících systémů pro zlepšení účinnosti výroby. Zavádění takových změn ve
výrobních technikách může také vést ke zlepšením v oblasti energetické účinnosti. Změny ve
výrobních technikách, které přinášejí účinnější využívání energií, jsou považovány za opatření
na zlepšení energetické účinnosti. Viz kap. 2.3 a 2.3.1.
V některých případech by mohlo být potřeba přidat k výrobnímu procesu nové jednotky, aby
se pokryla poptávka na trhu nebo aby byly splněny nové specifikace produktu nebo
environmentální požadavky. V těchto případech se může poté, co je nová jednotka uvedena do
provozu, zhoršit SEC, protože tato nová jednotka potřebuje dodatečnou energii. To neznamená,
že stanoviště v managementu energie selhává.
Obecně lze opět říci, že provozovatel by měl aktualizovat své interní a externí databáze historie,
aby se tak zachovala srovnatelnost mezi jednotlivými roky.
Příklady:
•
Nové specifikace paliv (pro nízkosirnatou naftu a benzín stanovené v předpisech EURO
IV) požadovaly přizpůsobení rafinérií minerálních olejů v letech 2000 – 2005. To vedlo
k nárůstu spotřeby energie v rafinériích.
46
červen 2008
Kapitola 1
•
•
V průmyslu celulózy a papíru vedla zlepšení vláken používaných v procesu ke snížení
spotřeby energie. Později se zlepšila také kvalita finálního produktu, což vyžadovalo
zvýšené mletí. Po těchto dvou krocích technického rozvoje bylo konečným výsledkem
zvýšení celkového množství použité energie.
Ocelářský průmysl může zlepšit pevnost vyráběných ocelových produktů. Nové procesy
však zvyšují spotřebu energie. Zákazníci mohou zmenšit tloušťku oceli ve svých
produktech o několik desítek procent. Díky snížené hmotnosti produktů, např.
automobilů, může docházet k energetickým úsporám. Tyto úspory jsou součástí
posuzování životního cyklu (LCA) produktů a nefiguruje ve výpočtech energetické
účinnosti pro zařízení (podobně jako Směrnice o IPPC nezahrnuje LCA produktů).
Změny v uspořádání produkce
Změny v uspořádání produkce mohou znamenat, že např. neziskové výrobní linky budou
vyřazeny z provozu, systémy podpory budou změněny, podobné linie podnikání budou
sloučeny. Změny v uspořádání výroby se mohou provádět také s cílem dosáhnout lepší
To může mít vliv na jmenovatele SEC a provozovatel by měl aktualizovat své interní a externí
databáze historie, aby se tak zachovala srovnatelnost mezi jednotlivými roky.
Ukončení výroby produktu s vysokými vstupy energie
Společnost se může rozhodnout ukončit výrobu produktu, který vyžaduje vysoké vstupy
energie. Bude snížena jak celková, tak i měrná spotřeba energie. Lze to prohlásit za opatření
na zlepšení energetické účinnosti, i když žádná další opatření nebyla přijata.
Provozovatel by měl opět podle skutečného balíku produktů aktualizovat své interní a externí
databáze historie, aby se tak zachovala srovnatelnost mezi jednotlivými roky.
Outsourcing
Dodávka médií nebo služeb je řešena prostřednictvím outsourcingu mimo závod, jedná se např.
o výrobu a dodávku stlačeného vzduchu (viz kap. 3.7). Spotřeba energie by se při koupi
stlačeného vzduchu z externího zdroje snížila. Energie použitá dodavatelem stlačeného vzduchu
se zvýší. Změnou je třeba se zabývat tak, jak je to popsáno v kapitole o primární energii
(1.3.6.1).
Uzavření smluv na kroky procesu
Provozovatel může zvažovat uzavření smluv na realizaci procesu, který je energeticky náročný,
jako je např. tepelné zpracování kovových komponent. Protože operaci je i přesto nutné provést,
nelze tento krok považovat za opatření na zlepšení energetické účinnosti a měla by být zařazena
do výpočtů, pokud není tato změna uvedena v záznamech a nejsou podle toho upraveny SEC a
EEI. Pozn.: subdodavatel provádějící daný proces může být energeticky účinnější, protože může
disponovat širšími expertními znalostmi tohoto procesu (což umožňuje jeho lepší optimalizaci).
Může zde být také vyšší výkon, což snižuje koeficient zatížení.
Příklad: provozovatel zařízení na sériovou výrobu automobilů se rozhodne zvýšit nákup
určitých komponent, místo toho, aby tyto komponenty vyráběl sám. Výsledkem bude, že
se celková i měrná spotřeba energie sníží. Tuto skutečnost je nutné vzít v úvahu při aktualizaci
ukazatelů energetické účinnosti a záznamů.
1.5.2.6
Integrace energetického hospodářství
1.
Interní výroba energie
Interní výroba energie (elektřiny nebo páry), aniž by se přitom zvyšovalo množství použité
primární energie, je uznána jako způsob zlepšování energetické účinnosti. Lze ji optimalizovat
výměnou energie se sousedními jednotkami nebo zařízeními (nebo neprůmyslovými uživateli);
viz kap. 2.4, 2.12, 2.13 a 3.3. Je třeba definovat hranice systému a vyřešit případné nejasnosti. O
stanovení hranic pojednávají kap. 1.4 a 1.5 a o výpočtu primární energie pak kap. 1.3.6.1.
červen 2008
47
Kapitola 2
2.
Využití kyslíku ve spalovacím zařízení
Ve spalovacím zařízení se může používat kyslík ke zvýšení účinnosti spalování a snížení vstupů
paliva. Má také kladný vliv na energetickou účinnost tím, že snižuje tok vzdušné masy ve
spalinách a omezuje emise NOx. K produkci kyslíku (v místě nebo mimo něj) se však také
používá energie a s touto skutečností je třeba počítat. Tato problematika je rozebírána v kapitole
o primární energii (kap. 1.3.6.1), kap. 3.1.6 a v Příloze 7.9.5, Sklářský průmysl.
3.
Integrace procesů a rozdělování společnosti
V posledních několika desetiletích lze pozorovat dva trendy:
•
•
Integraci procesů
Dezintegraci společností, zejména v chemickém sektoru.
Rozvoj stanovišť s vysokým stupněm integrace představuje značné ekonomické výhody. V
ostatních případech je strategií trhu rozdělit společnosti na jejich jednotlivé komponentní
výrobní entity. V obou případech jsou výsledkem tohoto procesu složitá stanoviště s mnoha
provozovateli a s médii a službami, které spravuje buď jeden z těchto provozovatelů nebo
dokonce třetí strana. Dalším výsledkem této situace mohou být také složité toky energie mezi
různými provozovateli.
Obecně lze říci, že tyto rozsáhlé integrované komplexy nabízejí díky integraci vysoký potenciál
pro efektivní využívání energie.
1.5.2.7
Neúčinné využívání energie přispívající k udržitelnosti a/nebo
celkové účinnosti stanoviště
Jak již bylo uvedeno v kap. 1.4 a 1.5, u těchto složitých stanovišť (jako jsou např. stanoviště
popsaná v kap. 1.5.2.6 atd.) je třeba věnovat zvláštní péči definování hranic systému pro účely
energetické účinnosti. Zdůrazňuje se, že při konkrétním zkoumání jednotlivých výrobních
procesů nám některé možnosti použití energie mohou připadat neúčinné, dokonce i když
v rámci integrovaného systému stanoviště představují vysoce účinný přístup. Jednotliví
provozovatelé jednotek, procesů a systémů, kteří nemohou provozovat své jednotky s nejlepší
účinností, mohou získat komerční kompenzaci, aby se dosáhlo maximálně konkurenčního
prostředí pro integrované stanoviště jako celek.
Některé příklady jsou:
•
Použití páry v procesu sušení se zdá být méně energeticky účinné než přímé použití
zemního plynu. Nízkotlaká pára však pochází z procesu CHP spojeného s vysoce účinnou
výrobou elektrické energie (viz kap. 3.4 a 3.11 3.2)
•
Kogenerační jednotky umístěné na výrobním stanovišti nejsou vždy v majetku tohoto
stanoviště, ale mohou být společným podnikem s místní elektrárenskou společností. Páru
vlastní provozovatel stanoviště a elektřinu vlastní elektrárenská společnost. Je tudíž třeba
věnovat pozornost tomu, jak jsou tato zařízení započítávána.
•
Elektřina se vyrábí a spotřebovává na tomtéž stanovišti, dosahují se však mnohem menší
ztráty při přenosu.
•
V rámci vysoce integrovaného systému se do energetického cyklu vracejí zbytky
obsahující energii z výrobních procesů. Příkladem je třeba návrat páry nesoucí odpadní
teplo zpět do parní sítě, využití vodíku z procesu elektrolýzy jako paliva nahrazujícího
plyn v procesu výroby tepla a/nebo elektřiny nebo jako chemické látky (např. suroviny ve
výrobě peroxidu vodíku), anebo spalování zbytků z výroby v kotlích elektrárny nebo
spalování odpadních plynů jako paliva, které mají nižší účinnost než v případě použití
např. zemního plynu (v uhlovodíkových plynech v rafinérii nebo CO ve zpracování
neželezných kovů). Viz kap. 3.1.6.
48
červen 2008
Kapitola 1
I když obnovitelné/udržitelné zdroje energie a/nebo paliva nespadají do rozsahu tohoto
dokumentu (viz Rozsah) mohou snížit celkové emise oxidu uhličitého do atmosféry. Lze to
započítat pomocí bilance uhlíku, viz kap. 1.3.6.1 a Přílohu 7.9.6.
1.5.2.8
Vytápění a chlazení prostor
Vytápění a chlazení prostor je způsobem použití energie, který do značné míry závisí
na venkovní teplotě, jak ukazuje obr. 1.17.
Obrázek 1-17: Spotřeba energie v závislosti na venkovní teplotě
Pokud jsou přijata opatření, jako je např. získávání tepla na výstupu ventilačního vzduchu nebo
lepší izolace budov, pak se čára na obr. 1.17 posune dolů.
Požadavky na vytápění a chlazení tudíž nezávisejí na produkčním výkonu a tvoří součást
koeficientu zatížení (viz kap. 1.5.2.4).
1.5.2.9
Regionální faktory
Vytápění a chlazení (kap. 1.5.2.8) jsou regionální faktory, přičemž větší nároky na vytápění
bývají v severní Evropě, potřeba chlazení je zase větší na jihu. Tato skutečnost může mít vliv
na výrobní procesy, např. ve Finsku je v zařízeních na zpracování odpadů v zimě třeba udržovat
odpad při teplotě zpracování, v jižní Evropě je třeba více chlazení pro uchování čerstvosti
potravinářských produktů, atd.
Regionální a lokální klimatické rozdíly mají také další omezení v energetické účinnosti:
účinnost uhelných kotlů v severní Evropě je obvykle asi 38%, ale v jižní Evropě je to jen 35%,
účinnost mokrých chladících systémů ovlivňuje okolní teplota a rosný bod apod.
1.5.2.10
Citelné teplo
Teplo, které má za následek změny teploty, se nazývá „citelné“ (tj. ty, které jsou zřejmé nebo je
lze „pocítit“, i když se tento termín už přestává používat), viz kap. 3.1. Např. požadavek
červen 2008
49
Kapitola 2
na ohřátí veškerých vstupů do rafinérského zařízení z okolní teploty na 104,4 oC se nazývá
citelné teplo.
1.5.2.11
Další příklady
Příloha 7.3 uvádí následující příklady procesů
Příklad 1: krakovací zařízení ethylenu
Příklad 2: výroba VAM (monomer vinyl acetátu)
Příklad 3: válcovny oceli
Tyto procesy ilustrují tuto problematiku
rozmanitá a složitá stanoviště
složité toky energií
násobné produkty s výhřevností
účinnost elektrické energie kolísá s produkcí
specifické celosektorové hodnoty EEI (ukazatel energetické účinnosti) pro
rafinérie, tzv. Solomon Energy Benchmark, viz Příloha 7.9.1.
50
červen 2008
Kapitola 2
2 TECHNIKY, KTERÉ JE TŘEBA ZVAŽOVAT PRO DOSAŽENÍ
ENERGETICKÉ ÚČINNOSTI NA ÚROVNI ZÁVODU
[9, Bolder, 2003, 89, European Commission, 2004, 91, CEFIC, 2005, 92, Motiva Oy, 2005, 96,
Honskus, 2006, 108, Intelligent Energy - Europe, 2005, 127, TWG]
Pro kapitoly 2 a 3 byl použit hierarchický přístup:
•
•
Kapitola 2 popisuje techniky, které je třeba zvažovat na úrovni celého závodu
s potenciálem dosažení optimální energetické účinnosti
Kapitola 3 uvádí techniky, které je třeba zvažovat na úrovni pod závodem: primárně
na úrovni systémů používajících energii (např. stlačený vzduch, pára) nebo činností (např.
spalování), a následně na nižší úrovni pro některé komponentní součásti nebo zařízení
používající energii (např. motory).
Do těchto dvou kapitol jsou zařazeny systémy managementu, do procesu integrované techniky
a konkrétní technická opatření, ale při hledání optimálních výsledků se tyto tři oblasti úplně
překrývají. Všechny tyto tři druhy opatření dokládá mnoho příkladů integrovaného přístupu.
Díky tomu je oddělení jednotlivých technik kvůli jejich popisu poněkud složité.
Ani tato kapitola ani kapitola 3 neuvádějí vyčerpávající seznam technik a nástrojů – mohou
existovat nebo se vyvíjet i další techniky, které mohou být v rámci IPPC a BAT stejně vhodné.
Techniky z této kapitoly i kapitoly 3 mohou být využívány samostatně nebo v kombinacích
a jsou podpořeny informacemi uvedenými v kapitole 1 – aby se dosáhlo cílů IPPC.
Tam, kde je to možné, používá se v této kapitole a v kapitole 3 k popisu každé techniky
standardní struktura, jak ukazuje tabulka 2.1. Mějte na paměti, že tato struktura se používá
i k popisu souvisejících systémů, jako jsou např. (na úrovni závodu) energetický management
a (na nižší úrovni) stlačený vzduch, spalování atd.
červen 2008
51
Kapitola 2
Druh zvažovaných informací Druh zařazených informací
Popis
Stručné popisy technik energetické účinnosti prezentovaných
spolu s obrázky, schématy toků, atd., jež tyto techniky
představují
Dosažené environmentální
Hlavní environmentální přínosy podpořené příslušnými údaji
přínosy
o měřených emisích a spotřebách. V tomto dokumentu
se jedná konkrétně o zvyšování energetické účinnosti, ale
včetně
veškerých
informací
o snižování
množství
znečišťujících látek a spotřeby
Mezisložkové vlivy
Všechny vedlejší efekty a nevýhody způsobené realizací
techniky a mající vliv na životní prostředí. Podrobnosti
o environmentálních problémech techniky ve srovnání
s ostatními.
Provozní údaje
Údaje o výkonech v souvislosti s energií a dalšími spotřebami
(surovin a vody) a o emisích a odpadech. Všechny ostatní
užitečné informace o tom, jak techniku provozovat, udržovat
a řídit, včetně bezpečnostních aspektů, překážek v provozu,
kvality výstupu apod.
Použitelnost
Rozbor faktorů týkajících se aplikace a dodatečného vybavení
techniky (např. potřebný prostor, specifika procesu, ostatní
překážky nebo nevýhody techniky)
Ekonomie
Informace
o nákladech
(investičních
a provozních)
a souvisejících energetických úsporách, EUR, KWh (teplo
a/nebo elektřina) a ostatních možných úsporách (např. snížené
spotřebě surovin, poplatcích za odpady), také v souvislosti
s kapacitou techniky
Hybná síla pro zavedení
Důvody (jiné než IPPC) pro realizaci techniky (např.
legislativa, dobrovolné závazky, ekonomické důvody)
Příklady
Odkazy na alespoň jednu situaci, kde je zaznamenáno použití
techniky
Reference
Zdroje informací a literatura obsahující větší podrobnosti
o technice
tabulka 2-1 Rozdělení informací pro systémy a techniky popsané v kapitolách 2 a 3
52
červen 2008
Kapitola 2
2.1
Systémy managementu energetické účinnosti (ENEMS)
Popis
Všechny průmyslové společnosti mohou uspořit energii aplikací stejných principů a technik
kvalitního managementu, které používají jinde ve svém podnikání u klíčových zdrojů, jako jsou
finance, suroviny a pracovní síla, stejně dobře jako pro životní prostředí a ochranu zdraví
a bezpečnost. Tyto manažerské postupy zahrnují plnou zodpovědnost manažerů za využívání
energie. Management spotřeby energie a nákladů na energii eliminuje odpad a v čase pak
přináší kumulativní úspory.
Mějte na paměti, že některé techniky energetického managementu, které zajišťují finanční
úspory, nepředstavují snižování množství použité energie (viz kap. 7.11).
Nejlepšího environmentálního výkonu se zpravidla dosáhne zavedením nejlepší technologie
a jejím provozováním co nejefektivnějším a nejúčinnějším způsobem. Právě o tom hovoří
definice „techniky“ uvedená ve Směrnici o IPPC – „jak použitá technologie, tak i způsob, jakým
je závod vyprojektován, postaven, udržován, provozován a vyřazen z provozu.“
Nástrojem, který provozovatelé podniků IPPC mohou využít při systematickém
a demonstrovatelném řešení těchto projektů, stavby, údržby, provozu a vyřazení z provozu, je
systém environmentálního managementu (EMS). EMS zahrnuje organizační strukturu,
odpovědnosti, praktiky, postupy, procesy a zdroje pro vytvoření, realizaci, údržbu, revizi
a monitoring environmentální politiky. Systémy environmentálního managementu jsou
nejefektivnější a nejúčinnější tam, kde tvoří nedílnou součást celkového managementu
a provozu závodu.
Management, jehož cílem je dosažení energetické účinnosti, také vyžaduje, aby byla energii
věnována strukturovaná pozornost s cílem neustále snižovat spotřebu energie a zvyšovat
účinnost výroby, médií a služeb a také udržet dosažené výsledky jak na úrovni stanoviště
(závodu), tak na úrovni celé firmy. Znamená to vytvoření struktury a základu pro určování
aktuální energetické účinnosti, definování možných zlepšení a zajištění neustálého
zkvalitňování.
Všechny
standardy,
programy
a průvodci
v oblasti
efektivního
environmentálního managementu a managementu energetické účinnosti obsahují problematiku
kontinuálního zlepšování, což znamená, že energetický management je proces, nikoli projekt,
který nakonec dospěje k nějakému konci.
Existují různé návrhy a projekty procesů, ale většina systémů managementu vychází z přístupu
PDCA (plan-do-check-act), tj. plán-provedení-kontrola-akce, který se hojně používá v jiných
kontextech firemního managementu. Tento cyklus je reiterativním dynamickým modelem, kde
dokončení jednoho cyklu přechází v začátek cyklu následujícího, viz obr. 2.1.
červen 2008
53
Kapitola 2
5. Revize managementu (zlepšení)
Reportování managementu
Reportování odchylek
Revize cílů
fert
4.
Kontrola
a
nápravné
akce
(monitorová)
Kontrola odchylek + nápravná opatření
Systém interního a externího auditu
Benchmarking
Přístup Plán – Realizace – Kontrola - Zlepšení
1. Energetická politika (závazek)
legislativa, LTA
cíle, CO2 nebo energetická účinnost
BAT, LCA, LCC
2. PLÁN
Cíle a plán akcí (ECP)
EM systém, standardy, návrh
3. Zavedení a provoz
Organizace a odpovědnost
Motivace, odměňování, školení
Energetický monitoring a reportování
Nákup energie, reportování LTA
Obrázek 2-1: Kontinuální zlepšování systému managementu energetické účinnosti
[92, Motiva Oy, 2005]
Nejlepší výkony jsou spojovány se systémy energetického managementu, které vykazují
následující (z „Energy management matrix“, [107, UK Good Practice Guide, 2004]):
•
•
•
•
•
•
Energetická politika – energetická politika, akční plány a pravidelné revize zahrnují
závazky nejvyššího managementu jako součást environmentální strategie
Organizování – energetický management plně integrovaný do struktury managementu.
Jasné delegování odpovědnosti za spotřebu energií
Motivace – formální a neformální komunikační kanály jsou pravidelně využívány jak
energetikem, tak i dalšími zaměstnanci v oblasti energetiky na všech úrovních
Informační systémy – komplexní systém stanoví cíle, monitoruje spotřebu, zjišťuje
závady, kvantifikuje úspory a umožňuje sledování plnění rozpočtu
Marketing – marketing hodnoty energetické účinnosti a výkonu v energetickém
managementu, jak v rámci organizace, tak i mimo ni
Investice – pozitivní diskriminace ve prospěch „zelených“ postupů s podrobným
investičním oceněním všech nově postavených a modernizovaných projektů.
Z těchto zdrojů může být vidět, že systém managementu energetické účinnosti (ENEMS) pro
závod podléhající IPPC by měl obsahovat tyto komponenty:
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)
(k)
54
závazek nejvyššího managementu
definice politiky energetické účinnosti
plánování a stanovování cílů a cílových stavů
implementace a provoz postupů a procedur
benchmarking
kontrola a nápravná opatření
revize managementu
příprava pravidelných prohlášení o energetické účinnosti
validace certifikačním orgánem nebo externí verifikační autoritou pro ENEMS
již při projektování zvažovat vyřazení závodu z provozu na konci jeho životnosti
vývoj technologií energetické účinnosti.
červen 2008
Kapitola 2
Tato problematika je podrobněji vysvětlena v následujícím textu. Podrobné informace
o položkách (a) až (k) jsou uvedeny níže v referencích. Příklady jsou pak v Příloze 3.
(a)
závazek nejvyššího managementu
Závazek nejvyššího managementu je nutnou podmínkou pro úspěšný management energetické
účinnosti. Nejvyšší management by měl:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
(b)
dávat energetickou účinnost mezi nejvyšší priority firmy, učinit ji viditelnou a dávat jí
vážnost
jmenovat jednoho vrcholného manažera s odpovědností za energetickou účinnost (nemusí to
být osoba odpovědná za energii podle analogie se systémy managementu kvality)
pomoci vytvářet kulturu energetické účinnosti a vytvářet i nezbytné hnací síly pro realizaci
definovat strategii (dlouhodobé vize) dosažení energetické účinnosti v rámci cílů
integrované prevence a omezování znečišťování
stanovit pro firmu cílové stavy, které představuje dosažení cílů v oblasti energetické
účinnosti spolu s cíly IPPC
definovat konkrétní krátkodobé a střednědobé akce na dosažení dlouhodobé vize
poskytnout platformu pro integraci rozhodování, aby bylo dosaženo integrované prevence
znečištění včetně úspor energií, zejména pak v případě plánování nových zařízení nebo
podstatných modernizací
vést firmu k tomu, aby činila taková rozhodnutí v oblasti investic a nákupu, která povedou
k trvalé integrované prevenci spojené s energetickými úsporami. IPPC je dosaženo
prostřednictvím integrovaného rozhodování a kroků, včetně nákupu médií a služeb,
plánování, produkce, údržby i environmentálního managementu.
Definovat politiku energetické účinnosti, viz bod (b) níže.
definice politiky energetické účinnosti
Nejvyšší management je odpovědný za definování politiky energetické účinnosti pro závod
a musí zajistit, aby:
• tato politika odpovídala povaze (včetně místních podmínek, např. klimatu), rozsahu
a energii používané v činnostech vykonávaných v závodě
• zahrnovala závazek energetické účinnosti v rámci IPPC
• zahrnovala závazek plnění veškeré relevantní legislativy a předpisů platných pro
energetickou účinnost, i ostatních požadavků (včetně energetických dohod), ke kterým
se organizace zavázala
• poskytovala rámec pro vytyčování a revizi cílů a cílových stavů v oblasti energetické
účinnosti
• byla zdokumentována a sdělena všem zaměstnancům
• mohla být k dispozici veřejnosti a všem zájemcům.
(c)
•
•
•
•
plánování a stanovování cílů a cílových stavů (viz kap. 2.2)
postupy zjišťování aspektů energetické účinnosti zařízení a průběžná aktualizace těchto
informací
postupy hodnocení návrhů nových procesů, jednotek a vybavení, modernizací, přestaveb
a přemístění tak, aby se zároveň zjišťovaly aspekty energetické účinnosti a plánování
a nákupy se ovlivňovaly tak, aby se zároveň optimalizovala energetická účinnost a IPPC
postupy zjišťování a zajištění přístupu k právním a ostatním požadavkům, ke kterým
se organizace zavázala a které se vztahují na aspekty energetické účinnosti při jejích
činnostech
vytyčování a revize zdokumentovaných cílů a cílových stavů v oblasti energetické
účinnosti, přičemž jsou brány v úvahu právní a jiné požadavky a názory zainteresovaných
stran
červen 2008
55
Kapitola 2
•
(d)
zavedení a pravidelná aktualizace programu managementu energetické účinnosti, včetně
určení odpovědnosti za dosažení cílů a cílových stavů pro každou relevantní funkci
a úroveň, i včetně prostředků a časového rámce pro jejich dosažení.
implementace a provoz postupů a procedur
Je důležité mít k dispozici systémy, které zajistí, aby postupy a procedury byly známé, správně
chápané a plněné, takže účinný energetický management zahrnuje:
(i)
Struktura a odpovědnost
• Definování, dokumentování, podávání zpráv a komunikace v oblasti rolí, odpovědností
a autorit, případně správních orgánů, což zahrnuje pověření jednoho konkrétního zástupce
managementu (kromě vrcholného manažera, jak již bylo uvedeno výše, viz bod (a))
• Poskytování zdrojů, které mají zásadní význam pro implementaci a řízení systému
energetického managementu, včetně lidských zdrojů a specializovaných dovedností,
technologie a finančních zdrojů
(ii)
Školení, povědomí a kompetence
• Zjišťování potřeb v oblasti školení, jehož cílem je zajistit, aby všichni pracovníci, jejichž
práce může podstatným způsobem ovlivňovat energetickou účinnost činnosti firmy, prošli
příslušným školením (viz kap. 2.6).
(iii)
Komunikace
• Zavedení a udržování interní komunikace mezi různými úrovněmi a funkcemi v závodě. Je
obzvláště důležité, aby všichni jednotlivci i týmy, kteří hrají určitou roli v energetické
účinnosti, měli zavedené postupy udržování kontaktu - zejména pak ti, kteří nakupují
zařízení používající energii i ti, kteří jsou odpovědní za výrobu, údržbu a plánování
• Zavedení postupů, které pečují o dialog s externími zainteresovanými stranami, a také
postupy pro přijímání, zdokumentování a v případě potřeby i reagování na relevantní
podněty od těchto stran (viz kap. 2.7).
(iv)
Zapojení zaměstnanců
• Zapojení zaměstnanců do celého procesu, jehož cílem je dosažení vysoké úrovně
energetické účinnosti prostřednictvím aplikace vhodných forem účasti, jakou může být
např. kniha připomínek a podnětů, projektové skupinové práce nebo výbory pro životní
prostředí (viz kap. 2.7)
(v)
Dokumentace
• Zavedení a udržování aktuálních informací, v papírové i elektronické formě, které popisují
klíčové prvky systému managementu a jejich interakce a poskytují odkazy na související
dokumenty
(vi)
Účinné řízení procesu (viz kap. 2.8)
• Adekvátní řízení procesů ve všech režimech provozu, tj. příprava, najetí, rutinní provoz,
ukončení provozu a nestandardní podmínky
• Stanovení hlavních ukazatelů výkonu pro energetickou účinnost a metod měření a řízení
těchto parametrů (např. průtok, tlak, teplota, složení a množství)
• Optimalizace těchto parametrů pro provoz energetické účinnosti
• Zdokumentování a analýza nestandardních provozních podmínek; cílem je zjistit hlavní
příčiny a poté je řešit tak, aby se podobné události neopakovaly (tento proces lze usnadnit
tzv. „kulturou bez obviňování“, kdy atmosférou, kdy se zjištění nedostatků přikládá větší
význam, než potrestání jednotlivce)
(vii)
Údržba (viz kap. 2.9)
• Zavedení strukturovaného programu údržby vycházejícího z technických popisů zařízení,
norem atd. i z jakýchkoli případných selhání těchto zařízení a jejich důsledků
56
červen 2008
Kapitola 2
•
•
•
Podpora programu údržby prostřednictvím vhodných záznamových systémů
a diagnostického testování
Při rutinní údržbě, haváriích a/nebo nestandardních situacích zjišťovat možné ztráty
energetické účinnosti nebo možnosti jejího zvýšení
Jasné delegování odpovědnosti za plánování a výkon údržby
(viii) Připravenost a reakce na havarijní situace
• Brát v úvahu možné energetické využití při získávání nebo přepracování surovin nebo
produktů zasažených havárií
(e)
•
(f)
Benchmarking, tj.:
Provádění systematických a pravidelných srovnání na sektorové, národní nebo regionální
úrovni (další podrobnosti v kap. 2.16)
kontrola a nápravná opatření, tj. (viz též benchmarking, bod (e) výše):
(i) Monitoring a měření (viz kap. 2.10)
• zavedení a provádění zdokumentovaných procedur, při kterých pravidelně monitoruje
a měří hlavní charakteristiky operací a činností, které mohou mít zásadní dopad
na energetickou účinnost, včetně záznamů informací o výkonu sledování (tracking),
příslušných provozních kontrol a souladu s cíli a cílovými stavy zařízení a závodu.
• zavedení a provádění zdokumentované procedury, při níž se pravidelně hodnotí soulad
s příslušnou legislativou, předpisy a dohodami v oblasti energetické účinnosti (tam, kde
takové dohody existují)
(ii) Nápravná a preventivní opatření
• zavedení a provádění procedur, jejichž cílem je definovat odpovědnost a autoritu v oblasti
řešení a zkoumání nesouladu s podmínkami povolení, dalších právních požadavků
a závazků, jakož i cílů a cílových stavů, přičemž se přijímají opatření na zmírnění
jakýchkoli případných způsobených dopadů a na iniciování a dokončení nápravných
a preventivních opatření, která svým rozsahem odpovídají velikosti problému a vzniklého
dopadu na energetickou účinnost
(iii) Záznamy a podávání zpráv
• zavedení a provádění procedur, jejichž cílem je založení, vedení a likvidace čitelných,
identifikovatelných a dohledatelných záznamů o energetické účinnosti, včetně záznamů
o školeních a výsledcích auditů a revizí
• zavedení pravidelného podávání zpráv určené osobě (osobám) o pokroku na cestě k cílovým
stavům v oblasti energetické účinnosti
(iv) Energetický audit a energetická diagnóza (viz kap. 2.11)
• zavedení a dodržování programu (programů) a procedur pravidelných auditů, které se týkají
systému managementu energetické účinnosti a které zahrnují diskuse se zaměstnanci,
inspekce provozních podmínek a zařízení a revizi záznamů a dokumentace. Výsledkem
auditu je písemná zpráva, kterou zpracují nestranně a objektivně buď zaměstnanci (interní
auditoři) nebo externisté (externí auditoři) a která popisuje rozsah auditu, frekvenci
a metodiku, ale i odpovědnosti a požadavky na provádění auditů a podávání zpráv
o výsledcích. Tímto způsobem se zjistí, zda systém managementu energetické účinnosti
splňuje to, co bylo v této oblasti naplánováno, a zda je řádně zaveden a vykonáván
• dokončení auditu, resp. cyklu auditů v intervalech nepřesahujících tři roky, v závislosti
na charakteru, rozsahu a složitosti činností a na samotném auditu, na významu použitého
množství energie, souvisejících vlivech na životní prostředí, významu
naléhavosti
problémů zjištěných při předchozích auditech a historii veškeré energetické neúčinnosti
nebo jiných problémů. Složitější činnosti s významnějšími vlivy na životní prostředí
podléhají častějším auditům
červen 2008
57
Kapitola 2
•
mít k dispozici vhodné mechanismy, které zajistí, že se závěry auditu budou realizovat
(v) Pravidelné hodnocení souladu s legislativou, dohodami apod.
• revize souladu s platnou legislativou v oblasti energetické účinnosti, s podmínkami
environmentálních povolení vydaných pro daný závod i se všemi dohodami v této oblasti
• zdokumentování hodnocení
(g)
•
•
•
(h)
•
revize managementu, tj.:
nejvyšší management v intervalech, které si stanoví, reviduje systém managementu
energetické účinnosti, aby se tak zajistila jeho nepřetržitá adekvátnost, efektivnost
a přiměřenost (viz kap. 2.5)
zajistit, aby byly shromažďovány nutné informace, které managementu umožní toto
hodnocení provádět
dokumentování revizí
příprava pravidelných prohlášení o energetické účinnosti
příprava tzv. prohlášení o energetické účinnosti, které věnuje zvláštní pozornost výsledkům
dosaženým v závodě z hlediska cílů a cílových stavů v oblasti energetické účinnosti.
Vydává se pravidelně jednou ročně nebo méně často, v závislosti na významu množství
použité energie atd. Bere v potaz informační potřeby relevantních zájemců a je k dispozici
veřejnosti (např. v elektronických publikacích, knihovnách atd.), podle Použitelnosti (viz
níže).
Při práci na tomto prohlášení může provozovatel využít relevantní existující ukazatele
energetické účinnosti, ale musí se ujistit, že zvolené ukazatele:
i.
přesným způsobem hodnotí výkon závodu
ii.
jsou srozumitelné a jednoznačné
iii.
umožňují každoroční srovnání a tím i zhodnocení vývoje výkonu závodu
v oblasti energetické účinnosti
iv.
umožňují srovnání s mezníky (benchmarks) v rámci sektoru, na národní nebo
regionální úrovni
v.
umožňují srovnání s požadavky příslušných předpisů.
(i)
validace certifikačním orgánem nebo externí verifikační autoritou pro ENEMS
•
Jsou-li systém managementu energetické účinnosti, postup auditu a politika v oblasti
energetické účinnosti přezkoumány a validovány akreditovaným certifikačním orgánem
nebo externí verifikační autoritou, může to zvýšit důvěryhodnost systému (viz Použitelnost
– níže).
(j)
již při projektování zvažovat vyřazení daného závodu z provozu na konci jeho
životnosti
•
•
brát v úvahu environmentální vlivy vyřazení dané jednotky z provozu na konci její
životnosti již ve fázi jejího projektování vede k tomu, že vyřazení z provozu je pak
snadnější, levnější a čistší
vyřazení z provozu představuje environmentální rizika související s kontaminací půdy
a spodních vod a často vzniká také velké množství tuhého odpadu. Preventivní techniky
jsou pro každý proces specifické, ale určité obecné úvahy při výběru technik energetické
účinnosti mohou zahrnovat např.:
i.
ii.
iii.
58
nepoužívání podzemních konstrukcí
začlenění prvků, které usnadňují demontáž
volba povrchových úprav, které lze snadno dekontaminovat
červen 2008
Kapitola 2
iv.
použití takové konfigurace zařízení, která minimalizuje množství zachycených
chemikálií a usnadňuje odvodňování nebo mytí
v.
projektování flexibilních, soběstačných jednotek, které umožňují fázové
uzavírání
vi.
používání biologicky rozložitelných a recyklovatelných materiálů tam, kde je to
možné
vii.
nepoužívat nebezpečné látky tam, kde existují náhrady (např. výměníkové
a izolační kapaliny). Tam, kde se nebezpečné materiály používají, je nutné vhodným způsobem
řídit rizika spojená s užíváním, údržbou a vyřazením z provozu.
(k)
•
vývoj technologií energetické účinnosti:
energetická účinnost by měla být vlastní každému projektování, které provozovatel provádí,
protože techniky začleněné v nejranější fázi projektu jsou efektivnější a levnější (viz kap.
2.3). Vývoj energeticky účinných technologií je možné vzít v potaz např. prostřednictvím
výzkumných a vývojových činností nebo studií. Určitou alternativou interních aktivit
mohou být dohody, které umožní držet krok s vývojem a využít práci ostatních
provozovatelů nebo výzkumných institucí aktivních v příslušném oboru.
Dosažené environmentální přínosy
Implementace a dodržování ENEMS zaměřuje pozornost provozovatele na výkon energetické
účinnosti závodu. Zejména dodržování jasných provozních postupů v normálních
i nestandardních situacích a související linie odpovědnosti by měly zajistit, aby podmínky
povolení daného závodu a ostatní cíle v oblasti energetické účinnosti byly vždy plněny.
Systémy managementu energetické účinnosti zpravidla zajišťují kontinuální zlepšování výkonu
energetické účinnosti závodu. Čím horší se výchozí situace, tím výraznější lze očekávat
krátkodobá zlepšení. Pokud má závod v energetické účinnosti již dobrý výkon, pak tento systém
provozovateli pomůže udržet vysokou úroveň tohoto výkonu.
Techniky managementu energetické účinnosti by měly být navrženy tak, aby zapadaly do
ostatních environmentálních cílů a braly v potaz celkový vliv na životní prostředí, což je
v souladu s integrovaným přístupem popsaným ve Směrnici o IPPC. Je však pravděpodobné, že
energetická účinnost bude jen jedním z několika cílů, zatímco ostatní cíle (jako např. úspory
surovin, zlepšená kvalita výrobků, snížení emisí do životního prostředí) mohou spotřebu energií
naopak zvyšovat. Tato skutečnost je dále rozebrána v dokumentu BREF pro ekonomiku
a mezisložkové vlivy.
Provozní údaje
Nebyly oznámeny žádné konkrétní informace. Viz níže uvedené příklady.
Použitelnost
1.
Komponenty
Výše popsané komponenty lze aplikovat v téměř všech závodech podléhajících IPPC. Rozsah
(např. míra podrobnosti) a povaha E2MS (např. standardizovaný nebo nestandardizovaný)
budou většinou souviset s charakterem, velikostí a složitostí závodu, s množstvím použité
energie i s rozsahem dalších vlivů na životní prostředí, které tento závod může mít.
Např.:
• v malých závodech může být nejvyšší manažer v kap. 2.1 (a) a 2.1 (d)(i) tatáž osoba
• 2.1 (b) energetická politika může být zveřejněna jako součást environmentálního
prohlášení nebo prostřednictvím zprávy o sociální odpovědnosti firmy
• 2.1 (h) ostatní faktory, jako je legislativa týkající se konkurence a důvěrnosti informací,
je nutné vzít rovněž v úvahu. Energetickou účinnost je možné zveřejnit pomocí indexů
nebo ukazatelů (např. Y% snížení, když loňské množství spotřebované energie X bylo
červen 2008
59
Kapitola 2
100%), kdy se spojí čísla za všechny závody nebo provozovny v rámci firmy (viz kap.
1.3 a příklady v Příloze 3).
2.
Standardizovaný a nestandardizovaný EMS a/nebo ENEMS
V Evropské unii se mnoho organizací dobrovolně rozhodlo zavést systémy energetického
managementu. Tyto systémy mohou představovat:
•
•
Připojení konkrétních požadavků na energetickou účinnost k již existujícímu systému
managementu – obvykle (ale nikoli výlučně) se jedná o EMS (systémy ENEMS popsané
v dalším bodě jsou navrženy tak, aby byly v souladu s existujícím EMS). EMS může
vycházet z EN ISO 14001:1996 nebo z EMAS, systému environmentálního managementu
a auditů dle směrnice EU. EMAS zahrnuje požadavky na systém managementu dle EN ISO
14001, ale klade větší důraz na soulad s legislativou, environmentální profil organizace
a zapojení zaměstnanců. Vyžaduje také externí verifikaci systému managementu a validaci
veřejného environmentálního prohlášení. Vlastní prohlášení dle EN ISO 14001 je
alternativou k externí verifikaci. Existuje také mnoho organizací, které se rozhodly zavést
nestandardizovaný systém EMS.
Využití zvláštních systémů managementu energetické účinnosti (ENEMS). Ty mohou
představovat:
energetický management založený na národních normách (jako je např. dánská DS
2403, irská IS 393, švédská SS627750, německá VDI Richtlinie No. 46
Energetický management, finská nebo jiná vodítka pro tuto oblast) nebo jiných
standardech (např. mezinárodní standardy nebo pokyny k energetickému
managementu). Evropská norma (CEN) se připravuje.
Systém energetického managementu na nestandardizovaném základě a upravený
tak, aby splňoval vlastní potřeby a strukturu managementu společnosti
Revize benchmarkingu a systémů energetického managementu ukázala [165, BESS_EIS]:
•
Výhody standardizovaného systému (např. Dánsko – DS 2403):
strukturovaný přístup soustředěný na energii, který je snadno dosažitelný, pokud je
již zavedeno ISO nebo jiný systém managementu
struktura a terminologie jsou stejné jako u ISO 14001 a ISO 9001
prokázané úspory energie v Dánsku – 10 až 15 %
energetická účinnost se stává organizačním požadavkem nejvyššího managementu
po schválení je vydán certifikát
velké společnosti preferují certifikované nebo strukturované systémy managementu
certifikační proces je hodnotný, podnětný a podrobný
týká se všech témat kolem dodávky energie, transformace, používání, chování,
technologie, lidí
je dobře zdokumentovaný (na základě ISO 9001)
lze jej využít v jakýchkoli energetických dohodách
•
Nevýhody
sám o sobě garantuje jen minimální úroveň energetického managementu
míra, do které společnosti implementují např. DS 2403, kolísá
společnosti se zaměřují na uspokojení systému, nikoli na zavedení nejlepší praxe
v energetickém managementu
pokud není zaveden žádný formální zdokumentovaný systém managementu,
vyžaduje to realizaci dalších zdrojů a odborných dovedností navíc.
Zavedení a dodržování mezinárodně přijatého standardizovaného systému, jako je EN ISO
14001:1996, může dát větší důvěryhodnost systému EMS, zejména když je podroben řádně
provedené externí verifikaci. EMAS poskytuje větší důvěryhodnost také díky interakci
s veřejností prostřednictvím environmentálního prohlášení a mechanismu, s jehož pomocí
60
červen 2008
Kapitola 2
se zajišťuje soulad s platnou environmentální legislativou. Nestandardizované systémy však
mohou být v zásadě stejně účinné za předpokladu, že jsou správně navrženy a implementovány.
3.
Externí verifikace
V závislosti na zvoleném systému se může provozovatel rozhodnout pro externí verifikaci
a/nebo veřejné energetické prohlášení.
4. Zveřejňování politiky v oblasti energetické účinnosti (viz bod (h) výše)) může být omezeno
z důvodů konkurence a důvěrnosti informací. I když to může být hnací silou, samo o sobě to
energetickou účinnost nezvýší. Obecnou politiku v oblasti energetické účinnosti lze dát
k dispozici veřejnosti ve zprávě o sociální odpovědnosti firmy nebo lze data prezentovat jen
jako ukazatele, viz Příklady a Přílohu 7.4.
Ekonomie
Je složité přesně stanovit náklady a ekonomické přínosy zavedení a dodržování dobrého
ENEMS. Je však třeba připomenout, že (čisté) úspory přispívají přímo k hrubému zisku.
Viz níže uvedené příklady.
Systémy managementu energetické účinnosti mohou představovat řadu výhod, např.:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
větší přehled o aspektech energetické účinnosti společnosti
lepší výkonnost v oblasti energetické účinnosti a soulad s opatřeními (dobrovolnými nebo
povinnými) přijatými za účelem zlepšení této účinnosti
větší konkurenceschopnost, zejména v souvislosti s rostoucími cenami energií
další příležitosti ke snižování provozních nákladů a zlepšování kvality produktů
lepší základ pro rozhodování
větší motivace zaměstnanců
lepší image společnosti
větší atraktivita pro zaměstnance, zákazníky a investory
větší důvěra ze strany regulačních orgánů, která může vést k poklesu kontrol
usnadňuje využívání liberalizovaných trhů s energií, vznikajících energetických služeb,
energetických dohod a pobídek k energetické účinnosti (viz např. Přílohy 7.4, 7.11, 7.12,
7.13 a 7.14), atd.
Příklady (viz Příloha 3)
Outokumpu, Tornio works, Finsko [160, Aguado, 2007]
Aughinish Alumina (AAL), Irsko [161, SEI, 2006]
Dow Chemical Company [163, Dow, 2005] Společnost Dow dosáhla stanoveného snížení
energetické náročnosti o 20% z 13849 kJ/kg produktu na 11079 kJ/kg , měřeno jako kg
celkového mixu produktů firmy Dow
Prokázané úspory energie v Dánsku [165, BESS_EIS]
Reference
[160, Aguado, 2007, 161, SEI, 2006, 163, Dow, 2005]
1. Hlavní environmentální standardy
Nařízení Evropského parlamentu a Rady č. 761/2001, které umožňuje dobrovolné zapojení
organizací do EMAS, systému environmentálního managementu a auditů dle ES, Úřední věstník
L 114, 24/4/2001, http://europa.eu.int/comm/environment/emas/index_en.htm
červen 2008
61
Kapitola 2
EN ISO 14001:1996, http://www.iso.ch/iso/en/iso9000-14000/iso14000/iso14000index.html;
http://www.tc207.org
2. Normy energetické účinnosti
• IS 393:2005 Systémy energetického managementu (Irsko)
• DS2403 Systémy energetického managementu (Dánsko)
• SS627750 Systémy energetického managementu (Švédsko)
62
červen 2008
Kapitola 2
2.2
Plánování a stanovování cílů a cílových stavů
2.2.1
Pokračující zlepšování v oblasti životního prostředí
a mezisložkových vlivů
Popis
Důležitým prvkem systému environmentálního managementu (EMS, který je nejlepší
dostupnou technikou ve všech sektorech IPPC) je dodržování trendu kontinuálního zlepšování
v environmentální oblasti. Je nanejvýš důležité, aby provozovatel rozuměl tomu, co se stane
se vstupy (tj. chápal proces) a jak jejich spotřeba vede ke vzniku emisí. Je to také důležité při
řízení významných vstupů a výstupů a pro udržení správné rovnováhy mezi snížením emisí
a mezisložkovými vlivy, jako je spotřeba energie, vody a surovin. Snižuje se tak ekologická
stopa daného podniku nebo závodu.
Aby bylo dosaženo integrovaného přístupu k omezování znečištění, je důležité zahrnout
neustálé zlepšování v environmentální oblasti do celkového zaměření a plánování pro příslušný
podnik nebo zařízení. Týká se to krátkodobého, střednědobého i dlouhodobého plánování
a všech složkových procesů i systémů v rámci podniku. Je třeba poznamenat, že „pokračování“
v tomto kontextu znamená, že cíl spočívající ve zlepšování životního prostředí je kontinuální a
že plánování a následné akce při dosahování tohoto cíle se vždy po nějakém čase opakují.
Veškeré výrazné spotřeby (včetně energií) a emise by se měly řídit koordinovaně
v krátkodobém, střednědobém i dlouhodobém horizontu, spolu s finančním plánováním
a investičními cykly. Např. pokud budou pro snížení emisí volena tzv. „end-of-pipe“ řešení (tj.
instalace čistícího zařízení na konci celého procesu, ze kterého vycházejí emise), může to pro
provozovatele znamenat dlouhodobé připoutání k vyšší spotřebě energie a odložení investic do
řešení, která by byla z environmentálního hlediska přínosnější (viz Příklady). Tato situace
vyžaduje, aby byly vzaty v úvahu i mezisložkové vlivy. Určitým vodítkem v této otázce
i v problematice nákladů a nákladové účinnosti jsou informace uvedené v kap. 1.1.6 a
podrobněji pak v dokumentu BREF ECM [167, EIPPCB, 2006] a v kapitole o energeticky
účinném designu a dalších podkapitolách (kap. 2.2.2 atd.).
Environmentální přínosy nemusejí být nutně lineární, např. nebývá možné dosáhnout 2%
energetických úspor každý rok po dobu 10 let. Je spíš pravděpodobné, že přínosy budou
nepravidelné a po krocích a budou odrážet investice do projektů energetické účinnosti (viz kap.
2.2.1). také zde mohou být mezisložkové vlivy z jiných zlepšení životního prostředí, např. by
mohlo být nutné zvýšit spotřebu energie, aby bylo možné snížit množství některé látky
znečišťující ovzduší. Obr. 2.2 ukazuje, jak by využití energie mohlo:
•
Poklesnout po prvním energetickém auditu a následných opatřeních
•
Stoupnout, jestliže se instaluje další zařízení ke snižování emisí
•
Opět poklesnout po dalších opatřeních a investicích
•
Celkový trend v množství používané energie má v čase sestupnou tendenci, což je
výsledkem dlouhodobějších plánů a investic.
červen 2008
63
Kapitola 2
Obrázek 2-2: Příklad možného kolísání ve využití energie v průběhu času
[256, Tempany, 2007]
Evropská politika považuje energetickou účinnost za velmi významnou (např. v dokumentech,
jako je Berlínská deklarace, v níž je to jediné environmentální téma [141, EU, 2007]). Při
zvažování ekonomických a mezisložkových vlivů případné realizace BAT v určitém podniku by
se měl brát v úvahu význam energetické účinnosti, i v souvislosti s Čl. 10, odst. 4, tj. povolení
limitních hodnot emisí a ekvivalentních parametrů.
Dlouhodobé snížení spotřeby energie, vody a surovin a tím pádem i emisí. Environmentální
dopady nelze nikdy omezit na nulu a za nějaký čas se dospěje do bodu, kdy další opatření
přinesou jen velmi malý finanční efekt, případně nepřinesou vůbec žádný. V dlouhodobějším
horizontu však dochází ke změnám technologií a nákladů (např. cen energií) a spolu s nimi se
může měnit i životaschopnost.
Část emisí a provozní spotřeby může být po určité období proporcionálně vyšší, dokud
se nebudou realizovat dlouhodobé investice.
Provozní údaje
Studie z 90. let ukázala, že mnoho společností ignoruje zjevně velmi dobrou návratnost
energetických investic. Došla k závěru, že většina firem jasně rozlišuje mezi „hlavním
podnikáním“ a „tím ostatním“, přičemž oněm „ostatním aktivitám“ věnuje v managementu jen
velmi málo úsilí, pokud se nejedná např. o návratnost v řádu 18 – 24 měsíců. U podnikatelských
oborů, které nejsou energeticky náročné, byly náklady na energie buď považovány za fixní
režijní náklady, nebo byly rovnou ignorovány. Ale zdá se, že ani společnosti s vyššími náklady
na energii příliš nezkoumají možnosti energetických investic. [166, DEFRA, 2003]
Použitelnost
Ve všech podnicích IPPC. Rozsah bude záviset na velikosti závodu a počtu proměnných (viz též
Dosažené environmentální přínosy). Kompletní studie mezisložkových vlivů se zpracovává jen
zřídka.
64
červen 2008
Kapitola 2
Ekonomie
Umožňuje realizovat kapitálové investice moudrým, poučeným způsobem, nejlépe zhodnotit
peníze a snižovat celkové zatížení životního prostředí.
Snižování nákladů v krátkodobé, střednědobé i dlouhodobé perspektivě.
Příklady
Příklad toho, jak mohou být brány v úvahu mezisložkové vlivy, je uveden dokumentu BREF
ECM [167, EIPPCB, 2006].
Teoretickým příkladem je výrobce vozidel, který se snaží dále snižovat emise rozpouštědel. Lze
dosáhnout velkých změn, ale vyžaduje to kompletní výměnu celé lakovny, která má provozní
životnost 25 let a kapitálové náklady činí asi 500 milionů EUR. Spotřeba energie v lakovně činí
asi 38–52 % celkové spotřeby energie závodu a pohybuje se v řádu 160000 – 240000 MWh (z
čehož 60 % tvoří plyn). Množství použitých surovin, účinnost aplikace a množství ztracených
rozpouštědel lze ovlivnit také mírou automatizace. Při rozhodování o následujících faktorech je
třeba zvážit i provozní a kapitálové náklady, ale také spotřeby a emise po dobu návratnosti
investic:
•
•
•
•
Volba druhu nátěru a aplikačního systému
Míra automatizace
Množství zpracovávaného odpadního plynu a barev, které systém vyžaduje
Provozní životnost stávající lakovny (viz kap. 2.2.1).
Reference
[127, TWG, , 141, EU, 2007, 152, EC, 2003, 159, EIPPCB, 2006, 166, DEFRA, 2003, 167,
EIPPCB, 2006, 256, Tempany, 2007]
2.2.2
Systémový přístup k energetickému managementu
Popis
Práce v rámci programu SAVE17 ukázaly, že zatímco optimalizací jednotlivých komponent
(jako jsou motory, čerpadla nebo tepelné výměníky apod.) lze dosáhnout určitých úspor,
největší přínos v oblasti energetické účinnosti přináší až systémový přístup, který začíná u
celého podniku, zahrnuje jednotlivé jednotky a systémy a optimalizuje (a) způsob jejich
vzájemné interakce a (b) optimalizuje celý systém. Teprve poté by měly být optimalizovány
veškerá zbývající jednotlivá zařízení.
Toto je důležité pro systémy médií a služeb. V minulosti se provozovatelé zaměřovali spíše
na zlepšování procesů používajících energii a na ostatní vybavení – jednalo se o energetický
management na straně poptávky. Množství energie používané v závodě lze však také snižovat
způsobem, jakým se energie přivádí od zdroje a dodává – jedná se o tzv. energetický
management na straně nabídky/dodávky (neboli management médií a služeb). Viz kap. 2.15.2.
Kap. 1.3.5 a 1.5.1 se zabývají tím, jak je důležité uvažovat o energetické účinnosti celých
systémů, a ukazují, jak může systémový přístup vést k dosažení větších přínosů v energetické
účinnosti (v tomto případě se jedná o přístup „shora dolů“).
Vyšší úspory energie se dosahují na úrovni komponent (přístup jdoucí „zdola nahoru“) – viz
Příklady: U systémového přístupu lze také docílit snížení množství odpadů, odpadních vod,
ostatních emisí, procesních ztrát apod.
17
SAVE je program Evropské komise v oblasti energetické účinnosti
červen 2008
65
Kapitola 2
Nejsou.
Provozní údaje
Podrobnosti jsou uvedeny v příslušných kapitolách, jako např.:
•
•
Kap. 2.15.2: Optimalizace a management médií a služeb založený na modelech
Kapitola 3 pojednává převážně o jednotlivých systémech.
Použitelnost
Ve všech podnicích.
Ekonomie
Vit příslušné kapitoly.
Náklady. Zvýšená účinnost. Snížení kapitálových investic.
Příklady
Viz příslušné kapitoly. Např.: nový motor v systému stlačeného vzduchu (CAS) nebo čerpacím
systému může uspořit 2 % vstupní energie. Optimalizací systému lze docílit úspor ve výši 30 %
nebo i více (v závislosti na stavu systému). Viz kap. 3.6 a 3.7.
Reference
[168, PNEUROP, 2007, 169, EC, 1993, 170, EC, 2003, 171, de Smedt P. Petela E., 2006]
2.3
Popis
Ve fázi plánování nového závodu nebo zařízení (anebo ve fázi přípravy podstatné modernizace
zařízení stávajícího) by se měly posuzovat náklady na energii nutnou pro chod procesů
i systémů vybavení, médií a služeb během celé životnosti. Často se pak stává, že náklady
na energie lze považovat za hlavní část celkových nákladů nebo nákladů po celou dobu
životnosti daného zařízení nebo závodu, jak to ukazuje obr. 2.3 pro běžná průmyslová zařízení.
66
červen 2008
Kapitola 2
Obrázek 2-3: Příklady celkových nákladů pro běžné průmyslové závody (více než 10 let životnosti)
Zkušenosti ukazují, že pokud je energetická účinnost brána v úvahu již při plánování
a projektování nového závodu, je potenciál úspor větší a investice nutné k dosažení těchto úspor
jsou mnohem nižší ve srovnání s optimalizací již existujícího komerčně provozovaného závodu.
Tuto skutečnost ilustruje obr. 2.4.
Náklady
(1)
Potenciál
úspor
Investiční
náklady
(2)
Etapa
projektování
Čas
Etapa
provozu
Obrázek 2-4: Potenciály úspor a investice ve fázi projektování ve srovnání s fází provozu
Energeticky účinný design využívá stejné technické znalosti a stejné činnosti a metodiku, jaké
se používají při provádění energetických auditů existujících závodů. Hlavní rozdíl spočívá
v tom, že oblasti, jako jsou základní parametry projektu, výběr použitého procesu (viz kap.
2.3.1) a hlavní zařízení procesu, mohou být řešeny již ve fázi projektování, jak ukazuje obr. 2.5.
To umožňuje vybrat energeticky nejúčinnější technologie. Změny v těchto oblastech jsou u již
provozovaných zařízení většinou nemožné nebo velmi drahé.
červen 2008
67
Kapitola 2
Jednání
Údržba
Řízení a
provoz
Problémové
oblasti ve fázi
provozu
Projekt
provozovny
Typ
procesu
Problémové
oblasti ve fázi
projektování
Energetická
služba
Obrázek 2-5: Oblasti, které je třeba řešit spíše ve fázi projektování než ve fázi provozu
Typickými oblastmi, kde lze řešit a analyzovat energetické služby a skutečnou potřebu energie,
je stanovení:
•
•
•
•
•
Požadavků na průtok vzduchu v plánovaných zařízení určených pro vytápění, větrání
a klimatizaci (HVAC) – co lze učinit pro snížení průtoku vzduchu v centrálních systémech
vytápění, větrání a klimatizace? (viz kap. 3.9)
Požadavku na nízkou teplotu kapaliny v chladícím systému - které procesy by měly být
změněny nebo optimalizovány, aby se snížila chladící zátěž a zvýšila teplota této kapaliny?
Tepelné zatížení procesu sušení – které parametry procesu a které principy daného zařízení
lze změnit, aby se tak minimalizovalo tepelné zatížení (viz kap. 3.11)?
Potřebu páry v procesním zařízení – bylo by možné použít horkou vodu tak, aby mohlo být
odpadní teplo využito k vytápění? (viz kap. 3.2)
Potřeba tlaku u stlačeného vzduchu – je možné snížit tlak nebo rozdělit systém
na vysokotlakou a střednětlakou část? (viz kap. 3.7)
Odpověď na tyto otázky se zdá být jednoduchá, ale při objasnění potenciálu úspor je třeba
vyřešit řadu otázek.
Zkušenosti ukazují, že největších úspor se dosahuje u nových staveb a významných
modernizací. Tato skutečnost by však neměla bránit aplikaci této techniky při plánování
a projektování dodatečného vybavení, přestaveb a významných modernizací. Odpovědí
na některé z těchto otázek může být tzv. metodika PINCH – zejména tam, kde existují horké
i studené toky v jedné jednotce nebo zařízení (viz kap. 2.12).
Zkušenosti opět ukazují, že harmonogramy procesu plánování a projektování jsou náročné
a často napjaté, bývá k dispozici jen málo času nebo zdrojů pro další analýzu potenciálních
úspor. V důsledku toho by se měl pracovní proces energeticky účinného designu přísně držet
činností zahrnujících plánování a projektování, jak ukazuje následující tabulka 2.2 na příkladu
běžného stavebního procesu.
Fáze stavby
Základní
projekt
koncepční projekt
68
/ •
•
•
•
Činnost energeticky účinného designu (projektování)
Sběr dat týkajících se energie použité v novém zařízení
Posouzení skutečných potřeb energie
Posouzení nákladů na energii po celou dobu životnosti
Revize těch parametrů základního projektu, které ovlivňují
červen 2008
Kapitola 2
•
Podrobný projekt
•
•
•
•
•
•
•
•
Výběrová řízení
•
•
Stavba
•
Uvedení do provozu
Fáze provozu
•
•
•
spotřebu energie
Určení klíčových osob a stran, které ovlivňují energetickou
účinnost nového zařízení
Minimalizace energetických služeb
Zavedení nejlepší dostupné techniky
Projektový návrh optimálních procesních zařízení a systémů
médií a služeb
Posouzení potřeb řízení a instrumentace
Integrace procesu/systémy získávání tepla (technologie PINCH)
Minimalizace ztrát tlaku, teploty atd.
Výběr účinných motorů, čerpadel, pohonů atd.
Doplňkové specifikace k materiálům pro výběrová řízení
v souvislosti s energetickou účinností
Žádat účastníky výběrových řízení a výrobce o energeticky
účinnější řešení
Řízení kvality projektů zařízení a specifikací ve výběrových
řízeních
Řízení kvality specifikací pro instalované vybavení ve srovnání
s vybavením specifikovaným ve výběrových řízeních
Optimalizace procesů, médií a služeb podle specifikací
Energetické audity
Energetický management
tabulka 2-2 Příklady činností při energeticky účinném designu (projektování) nového
průmyslového závodu
„Posouzení skutečných potřeb energie“ má pro energetický účinný design zásadní význam a je
východiskem pro zjišťování nejdůležitějších oblastí, které bude třeba řešit v pozdějších fázích
plánování a projektování. Toto pořadí činností lze teoreticky použít jak při projektování
složitých závodů, tak i při dodávkách jednoduchých strojů a zařízení. Měly by být určeny hlavní
plánované a rozpočtované investice, např. v ročním přehledu managementu, a také konkrétní
pozornost, kterou je třeba věnovat stanovené energetické účinnosti.
Cílem metodiky energeticky účinného designu je maximální využití potenciálu, který má
průmysl v oblasti energetických úspor. Umožňuje aplikaci energeticky účinných řešení, které by
možná nebylo možné realizovat při doplňování výbavy. Ve velkém počtu projektů bylo
dosaženo úspory ve výši 20 – 30 % z celkové spotřeby energie. Tyto úspory jsou mnohem vyšší
než úspory dosažené při energetických auditech již provozovaných závodů.
Žádné se nepředpokládají na základě integrovaného přístupu k projektu.
Provozní údaje
Některé příklady výsledků energeticky účinného designu v různých průmyslových sektorech
jsou uvedeny v tabulce 2.3.
červen 2008
69
Kapitola 2
Společnost
Přísady do potravin:
• Nové koncepce chlazení
• Změna procesu kvašení
• Snížení HVAC v procesu balení
• Získávání tepla z fermentační
kádě
• Nové zásady pro osvětlení
Cukrovinky:
• Lepší kontrola procesu sušení
• Optimalizace chladícího okruhu
• Snížení infračerveného sušení
produktů
• Snížení tlaku stlačeného vzduchu
• Levnější zdroj tepla (lokální
vytápění)
Hotová jídla:
• Změna zdroje tepla pro pece
• Nová technologie mražení
• Nová koncepce získávání tepla
• Optimalizace NH3 chlazení
• Optimalizované výměníky tepla
Plasty:
• Nová
koncepce
chlazení
(přirozené chlazení)
• Získané teplo použito k vytápění
budov
• Snížený tlak stlačeného vzduchu
• Snížení systémů HVAC
Jatka:
• Komplexní získávání tepla
• Optimalizace procesů čištění
• Snížená zátěž pro chlazení
a mražení
• Lepší kontrola chladících procesů
• Využití loje k vytápění prostor
Úspory
(EUR/rok)
130 000
Úspory
Investice
(%)
(EUR)
30
115 000
Návratnost
(roky)
0,8
65 000
20
50 000
0,7
740 000
30
1 500 000
2,1
130 000
20
410 000
3,2
2 000 000
30
5 000 000
2,5
tabulka 2-3 Dosažené úspory a investice v pěti pilotních projektech energeticky účinného designu
(EED)
Ve srovnání s klasickými energetickými audity jsou celkové sociálně-ekonomické poměry
nákladů a výnosů pro realizované úspory z EED 3 – 4 krát vyšší.
Doporučuje se, aby se práce na EED prováděla v několika fázích projektu, např.:
1.
2.
3.
4.
5.
Posouzení dat o spotřebě energie a oblastí zaměření
Minimalizace energetických služeb a aplikace BAT
Poskytnutí vstupů pro projekt zařízení nebo závodu, pro řízení a instrumentaci
Zajištění kvality výběrových řízení
Navazující činnosti
Každá fáze projektu by měla přinést specifické výstupy, aby se provozovatel mohl rozhodnout,
která další zkoumání by se měla provést.
70
červen 2008
Kapitola 2
Aby se při práci na energeticky účinném designu dosáhlo nejlepšího možného výsledku, je
důležité věnovat pozornost těmto kritériím:
•
•
•
I když plánované investice nejsou v raných stádiích koncepčního projektu nebo základního
projektu ještě dobře definovány, měl by být energeticky účinný design zahájen i v této fázi,
aby se pak dosáhlo maximálních úspor a projektování se neprotahovalo.
Všechny údaje o spotřebě energie a nákladech po celou dobu životnosti by se měly spočítat
a dát k dispozici již ve fázi počátku koncepčního projektu/základního projektu. Je velmi
důležité, aby všechny údaje o spotřebě energie byly posuzovány osobou odpovědnou za
energeticky účinný design. Dodavatelé a výrobci velmi často nemohou (nebo nebudou)
v této fázi tyto údaje předkládat a náklady v horizontu celé životnosti daného zařízení je
nutné posoudit pomocí jiných nástrojů. Zpravidla je třeba provést sběr dat, buď jako součást
projektové práce nebo zvlášť.
Práce na energeticky účinném designu by měl provádět expert na energetiku, který je
nezávislý na projektantské organizaci, jak ukazuje obr. 2.6, zejména v odvětvích, která
nejsou náročná na energii (viz Použitelnost).
Výrobce
Kontraktor
Podnik/
závod
Technický
konzultant
Architekt atd.
Expert na
energetiku
Obrázek 2-6: Doporučená organizace procesu plánování a projektování nových zařízení a závodů,
včetně experta na energetiku
•
•
•
Kromě běžné spotřeby v rámci konečného využití energie by se úvodní zkoumání spotřeby
mělo zaměřit i na to, které strany v projektových organizacích mají vliv na budoucí spotřebu
energie. Např. zaměstnanci (např. provozní a technický personál) v (existující) továrně jsou
často odpovědní za specifikaci nejdůležitějších parametrů projektu, které pak vedou
k optimalizaci energetické účinnosti budoucího závodu nebo zařízení.
Posouzení rizik u výběrových řízení a ostatních údajů by mělo objasnit, kteří výrobci
nebudou mít přínos z optimalizace energetické účinnosti svých produktů dodávaných do
projektu. Např. silná cenová konkurence si často vynutí, že výrobci zařízení použijí levné
komponenty, minimalizují výměníky tepla apod., což pak vede ke zvýšeným provozním
nákladům na zařízení po celou dobu jeho životnosti.
Na druhou stranu – pokud se energetická účinnost stanoví jako klíčový faktor ve
výběrových řízeních na nová zařízení nebo přestavby a bude se jí přisuzovat odpovídající
váha, bude to znamenat prosazení té energeticky nejúčinnějších varianty.
Je třeba zdůraznit, že práce na EED zahrnuje často několik oborů a expert na energetiku
(nezávislý nebo interní) by měl být kvalifikovaný nejenom po technické stránce, ale měl by mít
značné zkušenosti i se složitými organizacemi a složitými technickými problémy.
červen 2008
71
Kapitola 2
Použitelnost
Prokázalo se, že aplikace tzv. energeticky účinného designu (EED) je jedním z nákladově
nejúčinnějších a nejatraktivnějších způsobů zvyšování energetické účinnosti v průmyslu
i v dalších sektorech, které se významným způsobem podílejí na spotřebě energie. Energeticky
účinný design byl úspěšně aplikován ve většině průmyslových sektorů a úspory byly zavedeny
na úrovni závodů, procesních jednotek i systémů médií a služeb.
Významnou překážkou stojící v cestě úspěšné realizaci je fakt, že výrobci (zejména v sektorech
méně náročných na energii) jsou často konzervativní nebo nejsou ochotní měnit dobře zavedené
standardní designy a projekty, ani aktualizovat záruky na své produkty apod. na druhou stranu
je často nemožné určit všechny důsledky změny, např. z hlediska kvality a výkonu. Určité
systémy managementu, jako např. TQM (total quality management) brání výrobci provádět
změny, které by mohly ovlivnit kvalitu produktů.
Je důležité, aby byla práce na energeticky účinném designu zahájena již v raných fázích práce
na koncepčním projektu a aby byla dobře organizována a předešlo se tak zpožděním v procesu
plánování a projektování.
I když se EED většinou zaměří na dobře známé technologie a principy, často se zavádějí i nové
technologie nebo složitější řešení. Tuto skutečnost je třeba posuzovat jako riziko viděné
z hlediska klienta.
Pro odvětví náročná na energii (chemičky, rafinérie, spalovny odpadů, výroba oceli) platí
následující body týkající se využití experta na energeticky účinný design nezávislého na
organizaci:
•
Podniky v odvětvích náročných na energii mají své vlastní odborníky na energeticky
účinný design. Hlavním důvodem je konkurence a potřeba uchovat důvěrný charakter
designů, proto jsou vyloučeny služby externích odborníků.
•
Energetická účinnost může tvořit součást specifikací pro výběrová řízení na výrobce a
dodavatele zařízení (energetická účinnost by skutečně měla tvořit součást požadavků
výběrových řízení – viz posuzování rizik u tendrů v Provozních údajích). Výrobci tudíž
mohou být na energetickou účinnost a své produkty pravidelně porovnávají s ostatními.
•
Ve výběrových řízeních na složitá zařízení a systémy, v nichž mají používání energie a
výroba zásadní význam, tendry obvykle hodnotí odborníci na energetiku na straně
zákazníka.
Ekonomie
Honorář pro nezávislého odborníka na energetiku může být v řádu 0,2 – 1 % z plánovaných
investic, v závislosti na velikosti a charakteru spotřeby energie. Je složité posuzovat náklady
tam, kde EED provádí výrobce procesního zařízení nebo firemní tým.
V mnoha případech vede proces EED kromě úspor energie i k nižším investicím, protože
základní energetické služby lze minimalizovat (jako např. chlazení, vytápění, systém stlačeného
vzduchu apod.).
Bylo prokázáno, že dobře projektově připravený závod nebo zařízení má často vyšší kapacitu
než klasicky navržené zařízení, protože nejdůležitější vybavení, jako jsou výměníky tepla apod.,
mají větší kapacitu, aby se minimalizovaly ztráty energie.
Hlavní hybné síly pro energeticky účinný design jsou:
•
•
•
72
Nižší provozní náklady
Aplikace nových technologií (příležitost pro zavedení BAT)
Dobře projektově připravená zařízení nebo závody díky lepšímu postupu při projektování
a kvalitnějším podkladům.
červen 2008
Kapitola 2
Mohou zde být i přínosy v podobě vyššího výkonu, nižšího množství odpadů nebo vyšší kvality
produktů (viz kap. 2.3.1).
Příklady
Byly poskytnuty informace o několika (10) oficiálních dánských projektech, např.:
•
Nové jatky společnosti Danish Crown v Horsens (Dánsko) (www.danishcrown.com). Tyto
jatky jsou největší v evropské pětadvacítce a jejich provozovatel měl rozsáhlé odborné
znalosti v energetickém managementu, protože náklady na energii jsou zde velmi podstatné.
Když se však prvotní design podrobil procesu externího energeticky účinného designu, byly
zjištěny další úspory energie po dobu životnosti, a to ve výši 30 %.
• Nová továrna na hotová jídla společnosti Danpo ve Farre (Dánsko) (www.danpo.dk)
• Nový závod na přísady do jídel společnosti Chr. Hansen v Avedøre Holme (Dánsko)
(www.chrhansen.dk)
Oficiální zprávy (v dánštině) o těchto projektech jsou k dispozici u Dánské energetické agentury
(www.ens.dk).
Design ustájení zvířat je zařazen do BAT pro energetickou účinnost v dokumentu BREF pro
intenzivní chov prasat a kuřat [173, EIPPCB, 2003].
•
Nový závod na výrobu bramborového škrobu společnosti Karup Kartoffelmelfabrik
(Dánsko) (projekt EU LIFE).
Oficiální zprávy o těchto projektech (v dánštině) jsou k dispozici u Dánské energetické agentury
(www.ens.dk).
Projektování budov pro ustájení zvířat je součástí BAT pro energetickou účinnost v intenzivních
chovech prasat a kuřat [173, EIPPCB, 2003].
Projekt EED prováděný externě pro farmaceutickou společnost v Irsku zjistil úspory energie po
dobu životnosti ve výši 64%. Proces EED byl však zahájen příliš pozdě, než aby bylo možné
zahrnout všechna opatření, i když se nakonec podařilo realizovat asi polovinu potenciálních
úspor.
Reference
Sdružení konzultantů (FRI) provedlo komplexní studii, jejímž cílem bylo vyvinout metodiku
a vodítka v oblasti energeticky účinného designu. Tento materiál (v dánštině) lze objednat
na www.frinet.dk.
Danish Agreements Scheme (Dánský systém dohod) popisuje řadu případů i metodik, kterých
se může držet většina průmyslových odvětví, která spotřebovávají energii (v dánštině), viz
www.end.dk.
[172, Maagøe Petersen, 2006]
ILF BREF 2003, kapitoly 5.2.4 a 5.3.4.
Reference pro výrobu bramborového škrobu: LIFE04ENV/DK/67 [174, EC, 2007]
http://ec.europa.eu/environment/life/project/Projects/
2.3.1
Výběr technologie pro konkrétní proces
Popis
Volba technologie pro energeticky účinný proces je klíčovou součástí energeticky účinného
designu, která si zaslouží, aby byla zdůrazněna, protože volbu technologie pro daný proces je
možné provádět zpravidla jen u nových staveb nebo významných modernizací. V mnoha
případech to může být jediná příležitost k realizaci energeticky nejúčinnější a nejúspornější
červen 2008
73
Kapitola 2
varianty. Je dobré, když že jsou brány v úvahu novinky technického rozvoje v oblasti daného
procesu (viz kap. 2.1 (k)).
Je složité dělat napříč všemi sektory IPPC obecné závěry týkající se volby technologie, proto
jsou v sekci „Příklady“ ilustrována čtyři různá odvětví.
V nejširším smyslu existují pro změnu technologie procesu různé možnosti:
•
Změna vědeckého pojetí procesu
•
Změna zařízení
•
Změna vědeckého pojetí i zařízení
V procesu může existovat více než jeden krok, který využívá různé technologie, např. mohou
vznikat meziprodukty, které se pak následně dále zpracovávají. Jeden nebo více těchto kroků se
může změnit při budování nového závodu nebo při podstatné modernizaci. Nejlepších výsledků
se obvykle dosáhne tehdy, když se nahradí celý proces, což umožní uvažovat o nových cestách
k dosažení výsledného produktu.
Závislé na procesu: změna procesu může vést k výrazným úsporám energií a také ke snížení
odpadů a/nebo poklesu jejich nebezpečného obsahu, snížení dalších emisí, jako jsou např.
rozpouštědla, apod. Viz Příklady.
Závisejí na procesu. Viz Příklady.
Provozní údaje
Závisejí na procesu. Viz Příklady.
Použitelnost
Závisí na závodu. Viz Příklady.
Ekonomie
Závisí na procesu. Viz Příklady.
Závislé na procesu: může se to týkat snižování nákladů, vyšších výnosů, vyšší kvality produktů
(např. stereospecificita), méně vedlejších produktů, nižší toxicita odpadů apod.
Pro katalyzátory:
• Potřeba výběrovosti produktů v některých případech
• Některé reakce nemohou probíhat bez katalyzátoru (ačkoli určitá reakce by podle
termodynamických výpočtů mohla proběhnout).
Příklady
Příklady v Příloze 4 jsou:
1. Použití katalyzátorů v chemických reakcích. Katalyzátory mohou snižovat aktivační
energii a v závislosti na reakci mohou i snižovat nutnou vstupní tepelnou energii.
Katalyzátory se používají po mnoho let, ale u všech typů i nadále probíhá výzkum. V
současné době je velký zájem o biotechnologické postupy (např. biokatalýzu) a jejich
úlohu při výrobě organických chemikálií, léčiv, biopaliv apod. Příloha 4 – Příklad:
Enzymatická výroba akrylamidu (Mitsubishi Rayon, Japonsko).
2. Použití barev a nátěrových systémů využívajících záření namísto tradičních nátěrů
na bázi rozpouštědel
3. Získávání tepla a jeho využití pro podlahové vytápění ustájeného dobytka.
4. nový závod na výrobu bramborového škrobu, Karup Kartoffelmelfabrik, Dánsko
(projekt EU LIFE).
Reference
[164, OECD, 2001, 173, EIPPCB, 2003, 175, Saunders_R., 2006]
74
červen 2008
Kapitola 2
Odkaz na výrobu škrobu: LIFE04ENV/DK/67 [174, EC, 2007];
[257, Clark, 2006]
červen 2008
75
Kapitola 2
2.4
Vyšší integrace procesu
Popis
Intenzifikace využití surovin a energie mezi více než jedním procesem nebo systémem. Jedná se
o problematiku, která je specifická pro danou lokalitu a proces, ale lze ji ilustrovat pomocí
Příkladů.
• Vyšší energetická účinnost
• Vyšší materiálová účinnost, včetně surovin, vody (chladící a demineralizované vody) a
ostatních médií a služeb
• Snížené emise do ovzduší, půdy (např. skládkování) a vody.
Ostatní přínosy jsou specifické pro dané provozy.
Předpokládá se, že žádné mezisložkové vlivy nejsou pravděpodobné.
Provozní údaje
Nebyly poskytnuty žádné informace.
Použitelnost
Obecně použitelná technika. Obzvláště dobře použitelná je tam, kde jsou procesy již na sobě
nějakým způsobem vzájemně závislé. Možnosti zlepšení však budou záviset na konkrétním
případě.
U integrovaného závodu nebo stanoviště je třeba mít na paměti, že změny v jednom zařízení by
mohly ovlivňovat provozní parametry ostatních zařízení. Platí to i pro změny související
s environmentálními podmínkami .
•
Úspory nákladů
•
Další přínosy specifické pro daný provoz.
Ekonomie
Finanční přínos spojený s úsporami energie a surovin bude závislý na jednotlivých případech.
Příklady
1. Grande Paroisse, Rouen, Francie. Úspory provozních nákladů dosáhly 1 milionu EUR ročně.
V tomto podniku (viz BREF LVIC-AAF, kap. 1.4.1) byla zvýšena integrace zařízení pro
kyselinu dusičnou a dusičnan amonný (NH4NO3).
Byla přijata následující opatření:
•
•
•
•
76
Plynný (super-ohřátý) NH3 je běžnou surovinou a obě zařízení mohou sdílet jeden
odparník NH3, zahřívaný procesní parou ze zařízení pro dusičnan amonný
Nízkotlaká pára, která je k dispozici v zařízení pro dusičnan amonný, se může využít
k ohřevu vody přiváděné do kotle, a to ze 43 oC na asi 100 oC pomocí dvou výměníků
tepla
Tuto horkou vodu přiváděnou do kotle lze pak také využít k předehřátí zbytkového plynu
ze zařízení na pro kyselinu dusičnou
Kondenzát ze zařízení pro dusičnan amonný se recykluje do absorpční kolony v zařízení
pro kyselinu dusičnou.
červen 2008
Kapitola 2
Výsledkem bylo:
•
Vyšší energetická účinnost
•
Menší spotřeba demineralizované vody
•
Nižší investice díky využití společného odparníku pro amoniak.
2. Nový závod na výrobu bramborového škrobu společnosti Karup Kartoffelmelfabrik (Dánsko)
(projekt EU LIFE).
Reference
1. [154, Columbia_Encyclopedia]
2. [221, Yang W., 25 May 2005,]
Odkazy na výrobu bramborového škrobu: LIFE04ENV/DK/67 [174, EC, 2007];
2.5
Dlouhodobé udržení podnětů a pobídek pro iniciativy
v oblasti energetické účinnosti
Popis
Několik problémů s dlouhodobým udržením podnětů a s realizací programů v oblasti
energetické účinnosti již bylo popsáno. Je třeba zjistit, zda úspory v energetické účinnosti
vyplývající ze zavedení nové technologie nebo techniky budou v průběhu času udrženy.
Pozornost zde však není věnována „skluzu či ztrátám“ způsobeným neúčinným provozováním
nebo údržbou zařízení apod.
Zjištěné problémy zahrnují (některé techniky vhodné k překonání těchto problémů jsou popsány
v ostatních kapitolách, viz níže):
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Na vývoj strategií lze pohlížet z hlediska životního cyklu, ve kterém se strategie naplňují.
Je třeba je revidovat (po dostatečně dlouhé době, která umožní posouzení strategie, a to
může být několik let), aby se zajistilo, že budou i nadále vyhovovat z hlediska cílů
a metod intervence
Ukazatele energetické účinnosti se mohou v některých oblastech stále ještě vyvíjet (viz
kap. 1.3.3, která uvádí podrobnosti a potíže)
Management a prosazování energetické účinnosti jsou těžké tam, kde neexistují řádné
měřící nástroje
Zatímco energetickou účinnost zařízení a jednotek lze monitorovat poměrně dobře,
přesné ukazatele energetické účinnosti pro integrované systémy jsou problém: k měření
přispívá zároveň mnoho faktorů a potíže jsou i s definováním hranic pro měření (viz kap.
1.4 a 1.5)
Energetická účinnost je často spojována s fixními náklady nebo režií a často s jinými
rozpočtovými liniemi (či středisky) než výroba
Je třeba provádět v rámci strategie určité „udržovací“ činnosti, které zajistí správný obsah
komunikace. Jedná se např. o aktualizaci informací a monitoring dopadů, ale i o využití
interaktivních metod komunikace atd. (viz kap. 2.7).
Zachování úspor spojených s energetickou účinností a dodržování dobré praxe v míře,
která bude zakotvena v běžné praxi daného podniku
Určitá „únava“ na straně managementu může ovlivnit entusiasmus, se kterým se šíří
informace a předávají zkušenosti (viz též kap. 2.6 a 2.7)
Školení a kontinuální rozvoj na všech úrovních zaměstnanců (viz též kap. 2.6)
Technický rozvoj (viz kap. 2.2.1, 2.2.2, 2.3 atd.).
Techniky, které mohou programům v oblasti energetické účinnosti přidat nové podněty, jsou:
•
Zavedení konkrétního systému managementu energetické účinnosti (viz kap. 2.1)
červen 2008
77
Kapitola 2
•
•
•
•
•
Zohlednění množství používané energie na základě skutečných (naměřených) hodnot
a nikoli odhadů nebo fixních podílů z celkové spotřeby závodu. Tím přechází břímě
odpovědnosti za energetickou účinnost na uživatele, resp. plátce účtů (viz kap. 2.10.3
a 2.15.5).
Vytvořit energetickou účinnost jako centrum zisku ve firmě (jako tým nebo jako
rozpočtové středisko), aby investice a úspory energie (nebo snížení nákladů na energie)
byly v témže rozpočtu a lidé odpovědní za energetickou účinnost mohli svým nadřízeným
doložit, že vytvářejí pro firmu zisk. Investice do energetické účinnosti lze demonstrovat
jako ekvivalent vyprodukovaného zboží, které se prodá navíc (viz Příklady)
Nový pohled na stávající systémy, např. využití tzv. přístupu „Operational Excellence“
(popsáno v Příkladech níže).
Odměny za výsledky při aplikaci nejlepších postupů nebo BAT
Využití technik patřících do managementu změn (rovněž souvisí s přístupem
„Operational Excellence“). Člověk se ve své přirozené povaze brání změnám, dokud
osoba, která má změnu provést, v ní nespatří určitý přínos. Výpočet přínosů jednotlivých
variant (on-line nebo off-line, např. pomocí tzv. scénářů „co by kdyby“), které lze
demonstrovat jako spolehlivé, a jejich přesvědčivé sdělování tak mohou přispět
k podnícení nutných změn (příklad týkající se poskytování dat je uveden v kap. 2.15.2).
Operational Excellence (provozní dokonalost): stálé nebo kvalitnější podněty pro programy
v oblasti energetické účinnosti. Protože je to přístup holistický, zlepšuje také realizaci ostatních
environmentálních opatření.
Žádné.
Provozní údaje
Viz Popis a Příklady
Použitelnost
Techniky přicházející v úvahu závisejí na druhu a velikosti podniku. Například:
•
ENEMS je vhodný ve všech případech (viz kap. 2.1), i když složitost je úměrná velikosti
a druhu provozu
•
Vhodné školení lze také doporučit pro všechny druhy podniků (viz kap. 2.6)
•
Náklady na nezávislé poradenství v programech energetické účinnosti může především u
malých a středních podniků dotovat stát (viz kap. 2.6)
•
Princip „Operational Excellence“ byl úspěšně použit u velkých společností s mnoha
provozy
•
Principy systému managementu energetické účinnosti a Operational Excellence lze
aplikovat v širokém měřítku.
Přílišné zúžení energetické účinnosti může být v rozporu s účinnosti provozu (stanoviště) a
může vést k sub-optimalizaci (podobně jako výše uvedené techniky, přímé měření na bázi
uživatele).
Ekonomie
Viz příklady. O systému managementu energetické účinnosti pojednává také kap. 2.1. V případě
Operational Excellence nízké kapitálové investice a významná návratnost.
Úspory nákladů. Protože se jedná o holistický přístup, zlepšuje také aplikaci ostatních opatření
v řízení výroby. Jeho výsledkem je snížené množství odpadů, kratší doba cyklů apod.
78
červen 2008
Kapitola 2
Příklady
Operational Excellence
Přístup zvaný Operational Excellence (vynikající průběh provozu či provozní dokonalost,
známý také jako OpX) je holistický přístup k systematickému managementu bezpečnosti,
ochrany zdraví, životního prostředí, spolehlivosti a účinnosti. Integruje metodiky operačního
managementu, jako jsou Lean Manufacturing a Six Sigma, s managementem změn s cílem
optimalizovat způsob, jakým společně fungují lidé, zařízení a procesy. Je spojen s tématy, jako
je např. „stav nebo podmínky nadřízenosti v operacích a výkon podnikatelských procesů“
a „dosažení výkonu světové třídy“.
Jedná se o neustálé vylaďování nejdůležitějších provozních procesů a zaměření na snižování
množství odpadů a dobu cyklů, a to pomocí souboru technik, jako jsou 5-S, Error-proofing,
QFD, SPD atd.
Učiněnými kroky jsou opatření zjištěná v systémech managementu energetické účinnosti (viz
kap. 2.1), s důrazem na:
•
•
•
•
Určení nejlepší praxe (cíle, o které provozní týmy usilují při vykonávání konkrétního
procesu na excelentní úrovni)
Podrobné popisy každé z nejlepších provozních praxí (včetně změn a zlepšení)
Stanovení postupů pro měření úrovně výkonu v operacích
Hlavní dovednosti, které provozní personál musí mít, aby byl schopen proces vykonávat.
Pro nejdůležitější témata se využívají vlastní experti z firmy, včetně odborníků z ostatních
jednotek (nebo přidružených společností). Utvářejí se tak ad hoc týmy, jejichž úkolem je zjistit
nejlepší pracovní postupy, pracovat se zaměstnanci z ostatních neoptimalizovaných jednotek
apod.
Příklady systému managementu energetické účinnosti uvádí Příloha 3
Vytváření rozpočtového nebo ziskového centra pro energetickou účinnost
Jeden z příkladů demonstrování energetické účinnosti jako ziskového centra v rámci firmy
ukázal, že přidání pohonu s proměnnými otáčkami k velkému čerpadlu se rovnalo nárůstu tržeb
o 11%.
Reference
[176,
Boden_M.,
2007,
177,
Beacock,
2007,
227,
červen 2008
TWG]
79
Kapitola 2
2.6
Péče o zachování odbornosti – lidské zdroje
Popis
O tomto faktoru pojednávají i kapitoly 2.1 (d)(i) a (ii). Podíl zkušených zaměstnanců prakticky
ve všech evropských podnicích se v posledních desetiletích snížil. Po stávajících zaměstnancích
se někdy požaduje, aby plnili mnoho nejrůznějších úkolů a zvládali obsluhovat vícero různých
zařízení. I když se tím mohou pokrýt běžné operace a v některých oblastech se úroveň
odbornosti zachová, v průběhu času se poznatky specialistů o jednotlivých systémech (např.
systém stlačeného vzduchu) nebo specializacích, jako je např. energetický management, snižují
a zmenšují tak schopnost zaměstnanců provádět nerutinní práci, jako jsou např. energetické
audity a následná šetření.
Školící činnost byla označena za významný faktor realizace programů v oblasti energetické
účinnosti a začleňování energetické účinnosti do organizační kultury. Tato činnost zahrnuje:
•
•
•
Osnovy vyššího a profesionálního vzdělávání
Možnosti školení specifických dovedností a dalších dobrovolně zvolených oblastí a další ad
hoc školení napříč profesionálními, manažerskými, administrativními a technickými sektory
Kontinuální rozvoj v oblasti energetického managementu; všichni manažeři by měli mít
povědomí o energetické účinnosti, nejenom nově vyškolení energetici.
Určitá „únava“ na straně managementu může ovlivnit entusiasmus, se kterým se šíří informace
a předávají zkušenosti s energetickou účinností a který pomáhá dosahovat pozitivních změn
v mechanismech lidských zdrojů. Může se to týkat rotace, dočasného najímání pracovníků z jiné
organizace, dalšího školení apod.
Pro dosažení energetických úspor budou provozovatelé možná potřebovat další zdroje, jak
z hlediska počtu pracovníků, tak i jejich dovedností.
Toho lze dosáhnout pomocí jednoho nebo více kroků, např.:
•
•
•
•
•
Náborem a/nebo proškolením stálých zaměstnanců
Pravidelným zařazováním pracovníků na akce, při nichž provádějí konkrétní šetření nebo
šetření za pevně stanovených podmínek (ve svém původním závodě nebo v jiném, viz
Příklady a kap. 2.5)
Sdílení společných firemních zdrojů mezi stanovišti/závody (viz Příklady a kap. 2.5)
Využití konzultantů s vhodnými zkušenostmi k šetření za pevně stanovených podmínek
Outsourcing specializovaných systémů a/nebo funkcí (viz kap. 7.12).
Školení mohou vést interní zaměstnanci, externí odborníci nebo se může jednat o formální
kursy, samostudium nebo vlastní rozvoj (individuální udržování a rozvíjení jejich vlastních
profesionálních dovedností). Velké množství informací je k dispozici v členských státech na
národní i místní úrovni, také na internetu (např. viz odkazy v tomto dokumentu a také elearning). Data se také poskytují různým sektorům, odborovým a profesním organizacím nebo
jiným organizacím v členských státech (např. informace o energetické účinnosti v intenzivním
chovu zvířat lze získat na ministerstvu zemědělství).
E-learning v oblasti energetického managementu a energetické účinnosti v průmyslu se stále
vyvíjí. Po celém světě existuje jen několik fungujících stránek, které nabízejí komplexní vodítka
v otázkách energetického managementu, energetické účinnosti, nejlepších postupů,
energetických auditů, benchmarkingu energie apod. Tyto stránky mohou zpravidla nabízet
školení v jednom nebo více témat, anebo se zaměřují na neprůmyslové uživatele (např.
komerční sféru, malé a střední podniky a domácnosti). Často lze najít spíše údaje o konkrétních
tématických oblastech (např. pára, LVAC, apod.) – než obecná vodítka nebo výukové materiály
o úsporách energií nebo o účinnosti.
80
červen 2008
Kapitola 2
V rámci programu SAVE se realizuje projekt školení, jehož cílem je dosažení kvalifikace
EUREM (European Energy Manager – Production). Po úspěšné pilotní fázi byl tento projekt
rozšířen.
Umožňuje realizaci energetické účinnosti.
Nejsou zjištěny.
Provozní údaje
Nebyla dodána žádná data.
Použitelnost
Na všech stanovištích. Rozsah a druh školení bude záviset na druhu odvětví a velikosti a
složitosti podniku. Existují i možnosti vhodné pro malé podniky. Stojí za povšimnutí, že
dokonce i provozy, které dosahují vysoké úrovně energetické účinnosti, měly přínos
z dodatečných informací (viz kap. 2.5).
Ekonomie
Náklady na další zaměstnance nebo konzultanty. Některé členské státy mají v oblasti
energetické účinnosti iniciativy, kdy je dotováno nezávislé poradenství nebo šetření právě
v energetické oblasti (viz kap. 7.13), zejména pro malé a střední podniky.
Viz EUREM v odstavci Příklady.
Úspory nákladů, kterých si firma nebývá vědoma, dokonce i v účinně fungujících organizacích.
Příklady
Je uvedeno mnoho příkladů, kdy byli přizváni externí odborníci, aby doplnili interní zdroje –
viz odstavec Reference, např. Nemocnice Atrium v Heerleenu (Nizozemsko) , Honeywell (viz
Příloha 7.7.2).
Pilotní projekt EUREM proškolil 54 odborníků ze čtyř zemí (Německo, Rakousko, Velká
Británie a Portugalsko). Kurs sestával z asi 140 hodin a dalších asi 60 hodin samostudia
po internetu a na studii proveditelnosti. Úspory dosažené na jednoho účastníka jsou uvedeny
v tabulce 2.4. V Německu (Nürnberg) kurs běží 6 měsíců ve formě lekcí (pátky a soboty každé
2 až 3 týdny) a 3 – 4 měsíce ve formě práce na projektu. Náklady se liší podle jednotlivých zemí
a dostupného vybavení. Např. v Německu je to 2100 ER a v Rakousku 2300 EUR (2005 –
2006). Úspěchy dosažené v tomto projektu jsou popsány v tabulce 2.4.
Plán
Úspory energie na účastníka
400 MWh/rok
Úspory nákladů na účastníka
16000 EUR/rok
Průměrná
doba
splácení nutných investic
Průměrné splácení (přímých
nákladů na kurs, na základě
230 pracovních dnů za rok)
Skutečnost
1280 MWh/rok
73286 EUR/rok
3,8 roku
33 krát náklady na školení (7
pracovních dnů)
tabulka 2-4 Pilotní projekt EUREM – úspory na účastníka
červen 2008
81
Kapitola 2
E-learning
Některé příklady zdarma:
•
•
Společný program US EPA a DOE (ministerstvo životního prostředí):
- http://www.energystar.gov/index.cfm?c=business.bus_internet_presentations
britský zdroj:
- http://www.create.org.uk/
Ostatní jsou za poplatek a mohou být částečně financovány státem, např.:
•
http://www.greenmatters.org.uk/
•
http://www.etctr.com/eetp/home.htm
Reference
[161, SEI, 2006, 176, Boden_M., 2007, 179, Stijns, 2005, 180, Ankirchner, 2007, 188,
Carbon_Trust_(UK), 2005, 227, TWG]
[261, Carbon_Trust_UK, 2005], na
http://www.thepigsite.com/articles/5/housing-and-environment/1408/energy-use-in-pig-farming
2.7
Komunikace
Popis
Komunikace je důležitým nástrojem k dosahování motivace, který moderní firmy mohou využít
při realizaci mnoha různých otázek. Je důležité informovat zaměstnance o energetické účinnosti
a systematicky je podporovat, povzbuzovat a motivovat k tomu, aby přispívali k energetické
účinnosti tím, že budou šetřit energií, předcházet její zbytečné spotřebě a budou pracovat
efektivně (viz kap. 2.2.5 a 2.3). Dobré postupy zajistí účinnou oboustrannou komunikaci
ohledně snah o dosažení energetické účinnosti a měly by zaměstnancům také umožnit, aby
dávali svá vlastní doporučení a vyslovili své názory na dosahování energetické účinnosti.
Komunikace by měla zaměstnancům poskytovat zpětnou vazbu o výkonu jejich firmy a/nebo
jednotky a měla by se i pozitivním způsobem využívat k vyjádření uznání těm, kdo v této
oblasti dosáhnou úspěchu. Dobře strukturovaná komunikace zprostředkovává tok informací o
cílech a závazcích i o dosažených výsledcích.
Existují různé prostředky komunikace, např. zpravodaje, noviny, bulletiny, plakáty, týmové
porady, konkrétní schůzky o energetice, atd. K přenosu dat o energetické účinnosti se mohou
využít již existující komunikační kanály ve firmě. Tato data by měla zahrnovat konkrétní čísla o
spotřebě energie (denní, týdenní, měsíční a/nebo roční), a to průběžně nebo v korelaci
s významnými relevantními parametry, např. mírou produkce, povětrnostními podmínkami (viz
kap. 1.4 a 1.5.1). Tyto údaje je možné kombinovat s popisy úspěšných projektů, které mohou
vycházet v pravidelně zveřejňovaných zprávách. Graficky zpracované informace jsou také
výborné – např. různé grafy znázorňující výsledky v oblasti energetické účinnosti během
určitého období nebo porovnávající různé jednotky v rámci firmy nebo mezi jednotlivými
závody apod. (viz kap. 2.2.1).
Komunikace je důležitá nejenom mezi managementem (který usiluje o dosažení cílů) a
zaměstnanci, kteří na jejich dosažení pracují, ale i horizontálně mezi různými skupinami
profesionálů v rámci firmy, např. mezi pracovníky odpovědnými za energetiku, projektování,
provoz, plánování a finance (viz kap. 2.2.1). Kapitola 2.7.1 uvádí příklad užitečné techniky
znázorňování toků energie.
Komunikace se také využívá k podnícení výměny informací s ostatními firmami a jejím účelem
je sdílení nápadů na nejlepší postupy a předávání dobrých zkušeností z jedné firmy do druhé
apod.
82
červen 2008
Kapitola 2
Komunikace a motivace mohou zahrnovat:
•
Zapojení všech pracovníků v jedné společnosti
•
Zapojení několika společností ze stejného sektoru do jedné pracovní skupiny (energetický
networking) za účelem výměny zkušeností se ukázalo jako velmi užitečné (i v rámci
různých jednotek v téže společnosti). Firmy by měly být všechny na stejné úrovni
realizace energetického managementu. Networking je obzvláště užitečný při řešení
běžných problémů, jako je definování indexu energetické účinnosti nebo založení
systému monitoringu energie. Networking může také vnést prvek určité konkurence
v energetické účinnosti a poskytnout určitou platformu pro jednání s potenciálními
dodavateli zařízení nebo služeb v této oblasti.
•
Jasné zviditelnění pozitivních výsledků, např. oceněním nejlepších postupů, inovací a
největších úspěchů.
Příspěvek k energetické účinnosti.
Nepředpokládají se.
Provozní údaje
V mnoha organizacích dochází k velkému toku informací z mnoha různých oblastí, např.
BOZP, účinnost výroby, provozní postupy, finanční výkon apod. Mnoho zaměstnanců si stěžuje
na přetížení informacemi. Komunikace tudíž musí být efektivní a aktuální. Komunikační
techniky se mohou pravidelně měnit a data (např. plakáty) je třeba pravidelně aktualizovat.
Použitelnost
Komunikaci lze využít ve všech podnicích. Druh a složitost se budou lišit podle jednotlivých
závodů, např. v malých závodech mohou být vhodné osobní schůzky s prezentací dat, u velkých
podniků se často využívají podnikové noviny.
Ekonomie
Závisí na úrovni přístupu a existujících kanálech. Může být levná a pokud se zajistí, že
zaměstnanci budou nápomocni při realizaci energetické účinnosti, velmi se vyplatí.
Pomáhá při sdílení dat o energetické účinnosti a zajišťuje úspory nákladů.
Příklady
Technika má široké využití.
Reference
[249, TWG, 2007]
2.7.1
Sankeyův diagram
Popis
Sankeyovy diagramy jsou zvláštním druhem vývojového diagramu, ve kterém je šířka
zobrazených šipek úměrná množství v průtoku. Jedná se o grafické znázornění toků, jako je
např. energie nebo přesun materiálů v rámci procesu nebo mezi procesy.
Diagram vizuálně vysvětluje data o energii a hmotnostním toku a může se využívat i k vyjádření
finančních toků. Obzvláště užitečný je pro rychlou komunikaci a přenášení dat, zejména mezi
pracovníky s odlišnou odborností.
Diagram také pomáhá při motivaci zaměstnanců (viz kap. 2.1) a je užitečný i pro neustálé
udržování podnětů a iniciativ v oblasti energetické účinnosti (kap. 2.5).
červen 2008
83
Kapitola 2
Při zpracování dat do diagramu lze využít poměrně levný software.
Obrázek 2-7: Sankeyův diagram: paliva a ztráty v běžné továrně
[186, UBA_AT]
Zlepšuje komunikaci o otázkách energetické účinnosti.
Nejsou známy.
Provozní údaje
Viz Popis.
Použitelnost
U všech podniků, které potřebují znázorňovat toky energií.
Ekonomie
Jedná se o levnou techniku.
Pomáhá při komunikaci týkající se dat o energetické účinnosti.
Příklady
Technika má široké použití.
Reference
Nástroj pro vytváření Sankeyových diagramů v MS ExcelTM je zdarma k dispozici na:
http://www.doka.ch/sankey.htm
[127, TWG, , 153, Wikipedia, 186, UBA_AT]
84
červen 2008
Kapitola 2
2.8
2.8.1
Účinné řízení procesu
Systémy řízení procesů
Popis
Pro dobrý management energií má zásadní význam správné řízení procesů a systémy řízení
médií a služeb. Systém řízení je součástí celkového monitoringu (viz kap. 2.10 a 2.15).
Automatizace výrobního závodu zahrnuje vyprojektování a vybudování řídícího systému,
včetně čidel, nástrojů, počítačů a aplikace zpracování dat. Je zřejmé, že automatizace výrobních
procesů je důležitá nejenom kvůli zlepšení kvality výrobků a bezpečnosti na pracovišti, ale i
kvůli zvýšení účinnosti samotného procesu a zlepšení energetické účinnosti.
Účinné řízení procesu zahrnuje:
• Adekvátní řízení procesů ve všech režimech provozu, tj. příprava, najetí, rutinní provoz,
ukončení provozu a nestandardní podmínky
• Stanovení hlavních ukazatelů výkonu pro energetickou účinnost a metod měření a řízení
těchto parametrů (např. průtok, tlak, teplota, složení a množství)
• Zdokumentování a analýza nestandardních provozních podmínek; cílem je zjistit hlavní
příčiny a poté je řešit tak, aby se podobné události neopakovaly (tento proces lze usnadnit
tzv. „kulturou bez obviňování“, kdy atmosférou, kdy se zjištění nedostatků přikládá větší
význam, než potrestání jednotlivce)
Plánování
Existuje několik faktorů, které jsou zvažovány při projektování řídícího systému. Prvotní
analýza systému konkrétního procesu může odhalit existující limity účinnosti tohoto procesu i
alternativní přístupy, které mohou vést ke stejným nebo lepším výsledkům.
Navíc je nutné zjistit úrovně výkonu z hlediska kvality produktů, požadavků příslušných
předpisů a bezpečnosti práce. Řídící systém musí být spolehlivý a přátelský pro uživatele, tj.
musí být snadné ho provozovat a udržovat.
Management a zpracování dat jsou také faktory, které se musí vzít při projektování řídícího
systému v úvahu.
Řídící systém by měl vybalancovat potřeby přesnosti, konzistence a pružnosti, které jsou nutné
pro zvýšení celkové účinnosti výrobního procesu na jedné straně, a potřebu řízení výrobních
nákladů na straně druhé.
Pokud je řídící sytém specifikován citlivě, pak výrobní proces poběží hladce. Nedostatečná
nebo nadměrná specifikace nevyhnutelně povede k vyšším provozním nákladům a/nebo
zpožděním ve výrobě.
Za účelem optimalizace systému konkrétního procesu:
•
By specifikace stanovené pro řídící systém v každém kroku procesu měly být přesné a
úplné, přičemž je třeba věnovat pozornost reálným tolerancím u vstupů
•
Inženýr odpovědný za projektování řídícího systému by měl být obeznámen s celkovým
procesem a měl by být schopen komunikovat v výrobcem zařízení
•
Musí se ustavit rovnováha, tj. ptát se, zda je nutné realizovat sofistikovanou technologii
řízení procesu nebo zda postačí jednoduché řešení.
Moderní systémy řízení procesů odkazují na soubor technik, které lze využít ke zlepšení výkonu
procesu, včetně energetické účinnosti. Tyto techniky zahrnují:
•
Konvenční a pokročilé řízení
•
Techniky optimalizace, tvorbu harmonogramů a management výkonu.
červen 2008
85
Kapitola 2
V konvenčním řízení jsou integrovány:
•
řízení odvozené podle poměrů k celku (PID)
•
kompenzace prostojů
•
kaskádové řízení.
V pokročilém řízení jsou integrovány:
•
řízení na bázi modelových předpovědí (MBPC)
•
adaptivní řízení
•
tzv. fuzzy řízení.
V technikách managementu výkonu jsou integrovány (viz kap. 2.8.2):
•
monitoring a targeting (zacílení)
•
statistické řízení procesů (viz kap. 2.8.2)
•
expertní systémy.
Techniky monitorování výkonu lze využít ke znázornění lepšího výkonu, dosažení cílů a
souladu s environmentálními předpisy, včetně povolení IPPC.
Mozkem řídícího systému je logický programovatelný ovladač-kontroler. Jedná se o malý
industrializovaný počítač, který spolehlivě funguje v prostředí výrobního závodu. Stavebními
kameny řídícího systému jsou různá čidla, inteligentní ventily, logické programovatelné řízení
(PLC) a systémy SCADA (dohledová kontrola a sběr dat/údajů).
Tyto komponenty jsou pak spojeny se systémem výrobního procesu, což umožňuje, aby každá
funkce tohoto systému fungovala s vysokou přesností. Automatizace a začlenění řídícího
systému do systému procesu účinně snižují počet pracovníků zapojených do provozu tohoto
složitého zařízení a zajišťuje spolehlivý a konzistentní výkon.
Systém PLC dohlíží na digitální a analogové senzory a spínače (na vstupech), čte řídící
program, provádí matematické výpočty a následně řídí různý hardware (na výstupech), jako
např. ventily, relé a servomotory – a to vše v řádu milisekund.
Systém PLC je schopen si vyměňovat informace s rozhraními HMI (rozhraní člověk-stroj) a
systémy SCADA na podlaze továrny. Výměna dat na úrovni podniku (informační služby,
účetnictví a plánování) většinou vyžaduje interakci se separátním balíčkem SCADA.
Zpracování dat
Provozní data se shromažďují a zpracovávají pomocí infrastruktury, která zpravidla integruje
senzory a přístroje v závodě i prvky konečného řízení, jako jsou ventily, a také zahrnuje PLC,
systémy SCADA a distribuované řídící systémy (DCS). Všechny tyto systémy dohromady pak
mohou poskytovat včasná a použitelná data pro ostatní počítačové systémy i operátory a
inženýry.
SCADA umožňuje projektantům realizovat v daném řídícím systému sběr a archivaci dat.
Kromě toho také umožňuje zavedení složitějších forem řízení, např. statistické procesy (viz kap.
2.8.2).
SCADA je nedílnou součástí projektování řídícího systému, která uživateli umožňuje
„pohlédnout oknem“ do procesu v reálném čase. Systém SCADA může být také navržen tak,
aby uživateli ve vzdáleném místě umožňoval stejný přístup do konkrétního procesu jako
operátorovi, který stojí přímo před zařízením.
Snížené náklady na energie a zlepšení životního prostředí.
86
červen 2008
Kapitola 2
Malá množství chemických látek použitá k čištění, možné ztráty tlaku v měřících zařízeních (viz
kap. 2.10.4).
Provozní údaje
Viz Popis.
Čištění měřících zařízení
Význam řízení (a jeho přesnosti), které se hojně využívá ve zpracovatelských odvětvích a které
je začleněno do procesních systémů, nelze podceňovat. Existuje široká škála přístrojů a měřící
techniky či senzorů, např. rezistory, které závisejí na teplotě, pH sondy, konduktometry,
průtokoměry, časovače, senzory hladiny a alarmy, které jsou v kontaktu s kapalinami a plyny
používanými v procesu a vyžadují pravidelné čištění, aby fungovaly účinně a přesně. Čištění lze
provádět manuálně, v rámci programu údržby nebo v rámci automatizovaných systémů čištění
na místě (CIP – clean-in-place).
Plně automatizovaný systém řízení musí poskytovat čas pro cykly oplachů a sušení a pro
recirkulaci různých čistících roztoků. Tento systém musí být také schopen měnit teplotu,
průtoky, složení a koncentraci čistících roztoků.
Hlavní řídící jednotka většinou vychází ze zařízení PLC, často jako několikanásobné panely v
operátorské stanici, včetně zapínání a vypínání ventilů. Pro systém řízení procesu je zásadní
řízení a minimalizace hydraulického šoku, který je častým problémem v jednotkách CIP a který
může omezovat životnost jednotky.
Pro správné čištění ventilů, přírubových těsnění, těsnících kroužků a sedel ventilů je třeba
správné nastavení sekvencí či „pulsování“.
Použitelnost
Systémy řízení procesů lze aplikovat ve všech podnicích IPPC. Může se jednat o časovače,
spínače, řízení teploty, řízení přísunu surovin (např. u malých intenzivních farem), až po složité
systémy, např. v sektoru papírenství, chemické výroby, dolů nebo výroby potravin.
Ekonomie
Případové studie prokázaly, že přínosů lze dosáhnout nákladově účinným způsobem. Doba
návratnosti do jednoho roku je běžná, zejména pak tam, kde je již zavedena moderní řídící a
monitorovací infrastruktura, tj. DCS nebo SCADA. V některých případech byla doložena doba
návratnosti v řádu měsíců nebo dokonce týdnů.
Zvýšený výkon, lepší bezpečnost, nižší údržba, delší životnost zařízení, vyšší a konzistentnější
kvalita a menší požadavky na pracovní sílu.
Snížení nákladů na proces a rychlá návratnost investic dosažená v několika podnicích podstatně
přispěly k realizaci těchto systémů i v ostatních závodech.
Příklady
Široké uplatnění, např.:
•
•
•
•
výroba potravin, nápojů a mléka: British Sugar, Joshua Tetley, Ipswich, Velká Británie
chemická výroba: BP Chemicals, Hull, Velká Británie; ICI Chemicals and Polymers,
Middlesborough, Velká Británie;
železné kovy: Corus, Port Talbot, Velká Británie
cement a vápno: Blue Circle, Westbury, Velká Británie
červen 2008
87
Kapitola 2
•
•
papírenský průmysl: Stora Enso Langerbrugge N.V., Gent, Belgie; SCA Hygiene
Products GmbH, Mannheim, Německo; SCA Hygiene Products GmbH, Pernitz,
Rakousko
Spalování na fluidním loži: Rovaniemi Energy, Rovaniemi and Alholmens Kraft,
Pietarsaari, Finsko; E.ON Kemsley, Velká Británie.
Reference
[36, ADENE, 2005] [261, Carbon_Trust_UK, 2005]
2.8.2
Systémy managementu (řízení, zajištění) kvality
Popis
Pokud se produkt vyřadí např. do šrotu nebo se přepracovává, pak je energie použitá při
původním výrobním procesu ztracena (podobně jako suroviny, práce, výrobní kapacita a další
zdroje). Pro přepracování bývá třeba nepoměrně více energie a dalších zdrojů než pro původní
výrobní proces. Účinné řízení procesu zvyšuje množství produktů, které splňují požadavky
výroby či zákazníků, a snižuje množství zbytečně vynaložené energie.
Zařízení IPPC jsou většinou určena pro velkokapacitní výrobu, případně velké objemy výstupů.
Výrobky musejí většinou splňovat požadavky na následné využití. Aby bylo splnění těchto
požadavků zajištěno, byly vyvinuty systémy zajištění kvality (QA), které vycházejí z principu
PDCA (plan-do-check-act), tj. plán-provedení-kontrola-akce (viz kap. 2.1).
Tento postup byl původně založen na testování produktů, jejich přijetí nebo odmítnutí, vyřazení
do odpadu nebo přepracování produktů, které již prošly celým výrobním procesem. Od počátku
40. let se vyvíjely statistické metody vzorkování a testování na statistické bázi s cílem zajistit
určitou úroveň souladu se standardy, např. 95 %.
Bylo zjištěno, že vyrobený produkt podléhá různým výkyvům a odchylkám, které jsou
ovlivněny různými parametry procesu. Byl vyvinuto Statistické řízení procesů (SPC), které
se aplikuje na řízení každého parametru. Konečným výsledkem je zpravidla více řízený produkt.
SPC může být nákladově velmi účinné a zpravidla vyžaduje sběr a třídění dat, která jsou již
k dispozici, posuzování odchylek procesu a přijímání nápravných opatření tak, aby se proces
udržel v předem stanovených parametrech (např. teplota, tlak, koncentrace chemických látek,
barva atd.).
Zároveň byly zavedeny celofiremní přístupy ke kvalitě (systémy managementu kvality, QMS).
Lze je definovat jako soubor politik, procesů a postupů, které je nutné dodržovat při plánování
a realizaci (výroby, vývoje a služeb) v hlavních obchodních činnostech dané organizace. QMS
integruje různé interní procesy v rámci organizace a jeho cílem je vytvořit procesní přístup pro
realizaci projektů. QMS firmám umožňuje identifikovat, měřit, řídit a zlepšovat různé
významné podnikatelské procesy, které nakonec povedou ke zvýšení kvality ve všech oblastech
podnikání. Modely zajištění kvality v současné doby definují mezinárodní standardy obsažené
v sérii ISO 9000 a konkrétní specifikace pro systémy kvality. Systémy environmentálního
managementu a energetického managementu byly vyvinuty na stejných systémových principech
(viz kap. 2.1).
Snížení množství vyřazených nebo přepracovávaných výrobků, které představují mrhání
původní vstupní energií a mohou vyžadovat větší vstupy energie při přepracování.
Nejsou známy.
88
červen 2008
Kapitola 2
Provozní údaje
Viz Popis.
Při zavádění nových postupů a metod v oblasti kvality se často využívají služby konzultantů
nebo dalších dodavatelů, protože v některých případech nemá daná firma k dispozici vlastní
soubor dovedností a zkušeností. Když je navíc třeba, aby současný systém kvality posílily nové
iniciativy a zlepšení, je dočasné využití konzultantů při alokaci zdrojů určitou reálnou možností.
Pro systémy managementu a proti nim byly vzneseny tyto argumenty:
•
Měřené parametry musejí být relevantní pro dosažení požadované kvality procesu nebo
produktů, nesmí se jednat pouze o snadno měřitelné parametry
•
Statistické metody jako Six Sigma jsou efektivní ve svém záměru, ale jsou navrženy
velmi úzce, fungují jen pro existující proces a nepomáhají při vývoji nových produktů
nebo technologií. Definice metody Six Sigma také vychází z libovolných standardů.
Zatímco přibližně 3,4 závady na jeden milion produktů může být pro určité produkty
nebo procesy dobrý výsledek, pro jiné už vhodný nebude.
•
Aplikace těchto přístupů získává v manažerských kruzích popularitu, pak ji ztrácí
a životní cyklus se podobá Gaussově křivce.
•
Termín TQM je spojen s pozitivním významem a užitečností, bez ohledu na to, co jím
manažeři mysleli. Svůj pozitivní aspekt však ztratil a někdy vyvolával i negativní
asociace. I přesto však koncepce jako TQM nebo Re-engineering zanechaly svou stopu,
aniž by se jejich názvy explicitně používaly, protože jejich základní myšlenky mohou být
cenné.
•
K určité ztrátě zájmu o tyto systémy nebo k jejich degradaci v očích odborníků mohlo
dojít proto, že spíše než porozumění a zlepšení prosazují systémy jako ISO 9000
specifikaci, řízení a procedury a mohou firmy mylně dovést k domnění, že certifikace
znamená lepší kvalitu. To může podkopávat potřebu organizace stanovit si své vlastní
standardy kvality. Totální, slepé spoléhání se na specifikace ISO 9000 nezaručí úspěšný
systém zajištění kvality. Tato norma může mít větší sklon k selhání, jestliže se bude
firma zajímat více o certifikaci než o kvalitu. Vzniká tak riziko, že se vytvoří papírový
systém, který organizaci ve skutečnosti k ničemu lepšímu nepomůže.
•
Certifikace nezávislým auditorem je často považována za určitý problém a byla
kritizována jako nástroj k rozšíření konzultačních služeb. Samotné ISO říká, že ISO 9000
může být implementováno bez certifikace, jednoduše kvůli přínosům, kterých může být
v oblasti kvality dosaženo.
Použitelnost
Management kvality lze aplikovat ve všech podnicích IPPC. Druh systému a míra složitosti
aplikovaných systémů managementu kvality budou záviset na jednotlivých provozech a
požadavcích zákazníků.
Ekonomie
Častá kritika formálních systémů, jako je ISO 9000, hovoří o množství peněz, času
a administrativy nutné pro registraci. Oponenti tvrdí, že to je jen kvůli dokumentaci. Zastánci
věří, že pokud firma své systémy kvality zdokumentovala, pak byla většina administrativy již
provedena.
Obecně se uznává, že řádný management kvality zlepšuje výsledky podnikání a často má
pozitivní dopad na investice, podíl na trhu, růst tržeb, obchodní marže, konkurenční výhody
a předcházení soudním sporům.
Příklady
Viz Příloha 3
červen 2008
89
Kapitola 2
Termín „technika řízení procesu“ (Prozessleittechnik, Bayer AG, Německo 1980) byl vyvinut
jako pracovní název pro měření, řízení a skupiny v elektroinženýrství. Jedná se o statistickou
a technickou disciplínu, která se zabývá architekturou, mechanismy a algoritmy řízení výstupů
konkrétního procesu.
Poslední vývoj zahrnuje např.:
•
•
•
•
•
•
Right First Time („Správně napoprvé“)
Six Sigma: tam, kde se pravděpodobnost nečekaného selhání omezuje na šest standardních
odchylek (přičemž sigma je standardní odchylka a rovná se 3,4 defektů na jeden milion)
Measurement Systems Analysis (MSA)
Failure Mode and Effects Analysis (FMEA)
Advance Product Quality Planning (APQP)
Total Quality Management (TQM).
Ostatní nástroje používané v SPC zahrnují diagramy příčiny a následku, kontrolní listy,
schémata řízení, histogramy, Paretův diagram, chatter diagram a vrstvení (stratifikace).
Dalším přístupem (který lze kombinovat s výše uvedenými) jsou kruhy kvality (quality circles).
Jedná se o malé skupiny zaměstnanců ze stejné pracovní oblasti, kteří se v pravidelných
intervalech dobrovolně scházejí, aby zjišťovali, analyzovali a řešili pracovní problémy. Kruhy
kvality mají výhodu kontinuity, kruh zůstává nedotčen a přechází z projektu na projekt.
Využívaly se v Japonsku a v inovačních firmách ve skandinávských zemích, i když se uvádí, že
se v současné době již nepoužívají.
Reference
[163, Dow, 2005, 181, Wikipedia, , 182, Wikipedia, , 227, TWG, , 249, TWG, 2007]
Wikipedia uvádí mnoho odkazů na pozitivní i negativní aspekty systémů posuzování kvality.
Další informace podá např. Americká společnost pro kvalitu: www.asq.org.
2.9
Údržba
Popis
Údržba veškerých zařízení a vybavení má zásadní význam a tvoří i součást systému
managementu energetické účinnosti (viz kap. 2.1 (d) (vii)).
Je důležité dodržovat program údržby a vést záznamy o všech kontrolách a údržbářské činnosti.
Tyto činnosti jsou popsány v jednotlivých kapitolách.
Cílem moderní preventivní údržby je zachovat použitelnost výroby a navazujících procesů po
celou dobu jejich provozní životnosti. Program preventivní údržby může být podporován
a organizován pomocí počítačového softwaru. Tento software může např. každý den evidovat
plánovanou údržbu až do jejího dokončení. Díky tomu se zajistí, že se na žádné údržbářské
práce nezapomene.
Je důležité, aby softwarová databáze a karty s technickými údaji o zařízení mohly snadno
vytvářet rozhraní s ostatními programy údržby a řízení. Při klasifikaci a podávání zpráv se často
využívají indikátory, jako jsou např. standardy MPI (údržba ve zpracovatelském průmyslu). Při
tvorbě softwaru mohou pomáhat i požadavky na údržbu v rámci ISO 9000.
Využití softwaru usnadňuje řešení problémů se záznamem nebo vznikem dat se statistickou
chybou. S předpovědí chyb a návrhem zařízení mohou pomoci simulační nástroje.
90
červen 2008
Kapitola 2
Provozovatelé jednotlivých procesů by měli činit kroky na své místní úrovni a měli by
se zaměřovat na neplánovanou údržbu, jako je např.:
•
•
•
•
•
Zjišťování a ohlašování úniků, rozbitého zařízení, prasklého potrubí apod.
Požadování včasné výměny opotřebovaných ložisek
Zajištění optimalizace nastavitelných zařízení (např. u tiskařských lisů)
Vypnutí zařízení, které se nepoužívá nebo není potřeba
Čištění znečištěných povrchů a potrubí
Úspory energie. Snížení hluku (např. z opotřebovaných ložisek, unikající páry).
Provozní údaje
Programy preventivní údržby závisejí na konkrétním zařízení. Úniky, rozbitá zařízení,
opotřebovaná ložiska apod., jež ovlivňují nebo řídí spotřebu energie, by se měly zjistit a opravit
co nejdříve.
Použitelnost
Obecně použitelné. Promptní provádění oprav je třeba vyrovnávat s potřebou zachovat kvalitu
produktů a stabilitu procesů i s otázkami BOZP při provádění oprav na zařízeních, která jsou
v provozu.
Ekonomie
Závisí na konkrétním zařízení.
Obecně uznávaná technika pro zvýšení spolehlivosti zařízení, zkrácení doby poruchovosti,
zvýšení výkonu a vyšší kvalitu.
Příklady
Velmi rozšířená ve všech sektorech.
Reference
Několik dokumentů BREF, [125, EIPPCB, , 159, EIPPCB, 2006, 254, EIPPCB, 2005, 267,
EIPPCB, 2006].
2.10
[55, Best practice programme, 1998][56, Best practice programme, 1996] [98, Sitny, 2006].
Monitoring a měření jsou základní součástí kontroly v systému PDCA (plan-do-check-act, tj.
plán-provedení-kontrola-akce i systému managementu energetické účinnosti (kap. 2.1 (f) (i)).
Tato kapitola se zabývá možnými technikami měření, výpočtu a monitoringu nejdůležitějších
parametrů provozu a činnostmi, které mohou mít výrazný dopad na energetickou účinnost. Kap.
2.15 také pojednává o sběru dat, databázích a automatizaci řídících systémů a zařízení, zejména
pak o několika vzájemně propojených systémech a o jejich energetické optimalizaci.
Monitoring a měření tvoří pravděpodobně součást řízení procesů (viz kap. 2.8), podobně jako
provádění auditů (viz kap. 2.11). Je důležité, aby se při měření mohly získávat spolehlivé
a dohledatelné informace o otázkách, které ovlivňují energetickou účinnost, jak z hlediska
množství (MWh, kg páry atd.) tak i z hlediska kvality (teplota, tlak atd.), podle vektoru. U
červen 2008
91
Kapitola 2
některých vektorů (pára, horká voda, chlazení apod.) bude stejně důležité znát parametry
vektoru energie ve vratných okruzích nebo vystupujícím odpadu (např. odpadní plyny,
vypouštěná chladící voda), které umožní provedení analýzy a bilance energie (viz Příklady
v kap. 2.12).
Nejdůležitějším aspektem monitoringu a měření je, aby účetnictví nákladů mohlo být založeno
na skutečných spotřebách energie a nikoli na libovolných nebo odhadovaných hodnotách, které
mohou být navíc zastaralé. Tento fakt je impulsem ke změnám směřujícím k energetické
účinnosti. Nicméně u stávajících podniků může být složité zavést nová monitorovací zařízení,
např. najít dostatečně dlouhé potrubí, kde bude možné změřit průtok v oblasti s nízkou
turbulencí. V takových případech, anebo tam, kde je spotřeba energie v zařízení nebo při
činnosti úměrně menší (ve vztahu k většímu systému nebo závodu, jehož jsou součástí), pak je
stále možné použít výpočet nebo odhad.
Tato kapitola se nezabývá vytvářením dokumentace ani ostatními procedurami, které vyžaduje
systém managementu energetické účinnosti.
Toky materiálů se často měří kvůli řízení procesu a tak je tato data možné využít při utváření
ukazatelů energetické účinnosti apod. (viz kap. 1.4).
2.10.1
Techniky nepřímého měření
Popis
Infračervené skenování těžkých strojů poskytuje fotografický důkaz o problematických místech,
která způsobují úniky energie a zbytečné namáhání pohyblivých částí. Tyto doklady lze je
využít v auditu.
U kritických ložisek, kondenzátorů (viz kap. 3.5.1) a ostatního zásadního vybavení, které
ovlivňuje spotřebu energie, se může provozní teplota monitorovat kontinuálně nebo
v pravidelných intervalech. Když začíná porucha ložiska nebo kondenzátoru, jeho teplota
se zvyšuje.
Lze provádět i jiná měření změn energetických ztrát, např. u zvýšení hluku apod.
Úspory energie.
Nejsou známy.
Provozní údaje
Viz Popis.
Použitelnost
Použitelné v široké míře.
Ekonomie
Závisí na každém jednotlivém případu.
Jako součást preventivní údržby:
•
•
•
92
Předchází nečekanému uzavření provozů
Umožňuje plánovanou výměnu
Prodlužuje životnost zařízení apod.
červen 2008
Kapitola 2
Příklady
• Široké použití, např. Aughinish Alumina (AAL), Irsko
• Viz kap. 3.2, 3.7 apod.
Reference
[161, SEI, 2006, 183, Bovankovich, 2007]
2.10.2
Odhady a výpočty
Popis
Odhady a výpočty spotřeby energie lze provádět pro zařízení a systémy, obvykle na základě
specifikací výrobce nebo projektanta. Výpočty často vycházejí ze snadno měřitelného
parametru, např. počtu hodin provozu motorů nebo čerpadel. V takových případech však bude
nutné znát (nebo vypočítat) i další parametry, jako je např. zatížení, hladina nebo otáčky,
protože tyto parametry mají přímý vliv na spotřebu energie. Výrobce zařízení tyto informace
většinou poskytuje.
Na internetu je k dispozici široká škála kalkulátorů (viz Reference a konkrétní kapitoly v tomto
dokumentu). Cílem je zpravidla posouzení možný úspor energie u různých zařízení.
Pomoc při zjišťování a dosahování úspor energie.
Nejsou známy.
Provozní údaje
Viz Popis.
Použitelnost
Široké použití. Aplikace kalkulátorů by se měla zvažovat i z hlediska možných úspor nákladů
na přesnější měření, dokonce i třeba jen dočasně.
U online kalkulátorů je třeba si dát pozor na několik věcí:
• Jejich funkcí může být porovnání nákladů na zařízení od různých dodavatelů
• Rady v kap. 2.2.2 jsou důležité: nejprve je třeba vzít v úvahu celý systém, v němž se
zařízení používá – spíše než samotné jednotlivé zařízení
• Online kalkulátory mohou být příliš zjednodušené a nemusejí brát v potaz zatížení
apod. (viz Popis).
Problémem u odhadů a výpočtů je to, že se mohou použít opakovaně, každoročně, a původní
základ se může ztratit nebo stát neznámým. To může vést k drahým chybám (viz Příklady a
Příloha 6). Základ výpočtu by se měl pravidelně kontrolovat.
Ekonomie
Nevyžaduje žádné investice do zařízení. Měl by se však vzít v úvahu čas zaměstnanců, kteří se
věnují přesným výpočtům, a také možná rizika a z nich vyplývající náklady.
Úspory nákladů.
Příklady
Široké použití. Příklady online kalkulátorů lze najít v Referencích.
červen 2008
93
Kapitola 2
Reference
[270, Tempany, 2008]
Při vyhledávání kalkulátorů energetické účinnosti v průmyslu byly zjištěny tyto odkazy, které
nebyly potvrzeny (pozn.: tyto podniky se mohou v čase měnit nebo zanikat):
•
Centrum online kalkulátorů. Rozsáhlý seznam kalkulátorů:
http://www.martindalecenter.com/Calculators1A_4_Util.html
•
Průvodce pro manažery v malých a středních výrobních podnicích při odhadu
potenciálních úspor: http://www.ceere.org/iac/assessment%20tool/index.html
•
Kalkulátory energie a nástroje benchmarkingu:
http://energypathfinder.blogspot.com/2007/02/energy-calculators-and-benchmarking.html
•
Obecné podnikání, osvětlení, vybavení kanceláře.
http://www1.eere.energy.gov/femp/procurement/eep_eccalculators.html
•
Kalkulátory VSD: ventilátory, čerpadla, horká/studená voda, chladící věže:
http://www.alliantenergy.com/docs/groups/public/documents/pub/p010794.hcsp
•
osvětlení: http://www1.eere.energy.gov/femp/procurement/eep_hid_lumen.html
•
kotle, HVAC, osvětlení, VSD:
http://www.alliantenergy.com/docs/groups/public/documents/pub/p013446.hcsp
•
kalkulátor gigajoulů a energie: http://oee.nrcan.gc.ca/commercial/technicalinfo/tools/gigajoule.cfm?attr=20
•
účinnost kotle: http://oee.nrcan.gc.ca/industrial/technicalinfo/tools/boilers/index.cfm?attr=24
•
ztráty tepla, průmyslové budovy
http://www.energyideas.org/default.cfm?o=h,g,ds&c=z,z,2633
2.10.3
Měření a moderní měřící systémy
Popis
K vystavení účtů za energii spotřebovanou v průmyslových zařízeních se používají užitková
měřidla. Moderní technologický pokrok však přináší levnější měřidla, která lze instalovat bez
přerušení dodávek energie (jsou-li instalovány se zvláštními senzory proudu) a která vyžadují
mnohem méně místa než starší přístroje.
Moderní měřící infrastruktura (AMI) nebo Moderní management měření (AMM) se týkají
systémů, které měří, sbírají data a analyzují používání energie pomocí moderních zařízení, jako
jsou elektroměry, plynoměry a vodoměry, a to pomocí různých komunikačních médií na
požádání nebo podle určitého předem stanoveného harmonogramu. Tato infrastruktura zahrnuje
hardware a software pro komunikace, zákaznické systémy a management naměřených dat.
Centra pro zúčtování energie jsou ty jednotky na stanovišti, kde lze použitou energii vztáhnout
na proměnnou produkce, jako je např. množství vyrobených produktů (viz kap. 1.4). Příklad
struktury moderního měřícího systému je na obr. 2.8.
Moderní měřící systém má zásadní význam pro automatizované systémy energetického
managementu, viz kap. 2.15 a 2.15..2
94
červen 2008
Kapitola 2
PROVOZOVNA
Úroveň 1
ODDĚLENÍ
Úroveň 2
Účetní centrum
Úroveň 3
ODDĚLENÍ
Úroveň 2
Účetní centrum
Úroveň 3
Účetní centrum
Úroveň 3
Účetní centrum
Úroveň 3
MĚŘIČE
SPOTŘEBY
Obrázek 2-8: Struktura moderního měřícího systému
[98, Sitny, 2006]
Lepší řízení využití energie.
Nejsou.
Provozní údaje
Umožňuje přesné měření použité energie pro centra pro zúčtování energie v rámci závodu, kde
jsou specifické jednotky a systémy.
Použitelnost
Tam, kde je více než jeden systém jednotek používajících energii.
Několik studií ukázalo, že hlavním důvodem pro nerealizaci technik energetické účinnosti je, že
manažeři jednotlivých jednotek nejsou schopni identifikovat a řídit náklady na své vlastní
energie. Nemohou mít tudíž žádný přínos z kroků, které realizují.
Ekonomie
Alokace nákladů na základě skutečně použité energie.
Viz Ekonomie.
Příklady
Viz Příloha 6.
Reference
[183, Bovankovich, 2007]
Schott glass: [127, TWG]
Atrium Hospital, Heerleen, NL [179, Stijns, 2005].
červen 2008
95
Kapitola 2
2.10.4
Měření toku v potrubích s nízkým poklesem tlaku
Popis
Měření toku se používá u tekutin, jako jsou kapalné a plynné suroviny a produkty, voda (surová
voda, kotelní voda a voda používaná v procesech), pára apod. Průtok se měří zpravidla pomocí
uměle vyvolaného poklesu tlaku přes clonku v potrubí, Venturiho nebo Pitotovy trubice anebo
pomocí induktivního průtokoměru. Většinou to vede k trvalému poklesu tlaku, zejména u
clonek a Venturiho trubice, a tudíž i ke ztrátám energie v systému.
Nová generace zařízení na měření průtoku podstatně snižuje ztráty tlaku a zvyšuje přesnost.
Ultrazvukové měření lze využít u kapalin, které jsou ultrazvukově vodivé a mají odpovídající
tok (neturbulentní). Mohou být trvalé nebo připojené k danému potrubí. Druhá možnost je
vhodná pro kontrolu stávajících průtokoměrů, kontrolu a kalibraci čerpacích systémů apod.
protože nenarušují tok, nedochází ani k poklesu tlaku. Ultrazvukové měřiče mohou mít přesnost
1-3% měřené hodnoty 0,5%, přičemž kalibrace závisí na aplikaci.
Průtokoměry a Pitotovy trubice nové generace mají velmi vysokou přesnost a potenciál
k omezení ztrát tlaku, přičemž ztráty energie činí 1 – 2 % energetických ztrát běžných u
klasické clonky a asi 8 % energetických ztrát běžných u klasické Pitotovy trubice.
Nejsou.
Provozní údaje
Základní data
Q max (t/h)
T
(°C)
P
(barabs)
Vnitřní průměr potrubí (mm)
Elektrárna
s vysokotlakou párou
200
545
255
157
Diferenciální tlak v mbar (přibližně):
clonka
Dosavadní Pitotovy trubice
Pitotovy trubice nové
generace
Spalování odpadu
se superohřátou párou
45
400
40
130,7
2580
1770
1288
Trvalý pokles tlaku v mbar a na měřící systém v mbar (přibližně):
clonka
993
237
19,3
generace
1850
595
444
914
99
7,3
Ztráty kinematické energie na měřící systém v kWh/h (se 100 mbar ≈ 67,8 kWh/h - přibližně):
clonka
673
620
161
67
13
5
generace
tabulka 2-5 Příklady poklesu tlaku způsobeného různými systémy měření
Použitelnost
Nové nebo podstatně modernizované podniky.
96
červen 2008
Kapitola 2
Ultrazvuková měření je třeba provádět pečlivě a zajistit minimální turbulenci a ostatní efekty
měřené kapaliny (interferenci suspendovaných látek).
Ekonomie
Náklady na měřidlo nové generace včetně instalace se pohybují okolo 10000 EUR. Tato částka
může kolísat podle počtu nainstalovaných měřidel. Návratnost investic je zpravidla méně než
jeden rok.
Úspory nákladů. Přesnost dat pro řízení procesů a optimalizaci (viz kap. 2.6).
Příklady
Viz Provozní údaje.používá se hojně ve všech sektorech.
Reference
www.flowmeters.f2s.com/article.htm
2.11
Energetické audity a energetická diagnostika
Popis
Audit je, obecně řečeno, hodnocení osoby, organizace, systému, procesu, projektu nebo
produktu. Audity se provádějí s cílem potvrdit platnost a spolehlivost informací a také posoudit
interní řízení systému. V minulosti se audity týkaly hlavně posuzování finančních systémů
a záznamů. V současnosti se však provádějí audity i kvůli získání dalších informací o systému –
např. environmentální audity [182, Wikipedia]. Audit je založen na vyhodnocení vzorků a tudíž
ani stanoviska auditu nemohou být absolutně bez chyb. Cílem je však veškeré chyby
minimalizovat a pracovat s platnými a spolehlivými informacemi.
Termín „energetický audit“ se běžně používá a znamená systematickou kontrolu, přezkoumání
a analýzu toků energií v budově, procesu nebo systému s cílem porozumět energetické
dynamice studovaného systému. Energetický audit se zpravidla provádí s tím, že se zároveň
hledají možnosti snížení množství energie vstupující do systému, aniž by to negativně ovlivnilo
jeho výstup(y).
Energetická diagnostika může být důkladným počátečním auditem, anebo může jít dál a vytvořit
referenční rámec pro audit: stanovit metodiku, nezávislost a transparentnost auditu, jeho kvalitu
a profesionalitu atd. Viz níže. [250, ADEME, 2006]
V praxi existuje široké spektrum druhů a složitostí energetického auditu. V různých fázích
energetického managementu a v různě složitých situacích se mohou využít různé druhy auditu.
Různé rozsahy, hloubky a cíle jsou zobrazeny na obr. 2.9.
červen 2008
97
Kapitola 2
ROZSAH
Zvláštní
systém/oblast
ÚZKÝ
ŠIROKÝ
Všechny
systémy/všechny
provozovny
DŮKLADNOST
Všeobecné
vyhodnocení
potenciálu
HRUBÉ SÍTO
JEMNÉ SÍTO
Podrobné
vyhodnocení
potenciálu
PŘEDLOŽENÍ
Zvláštní
opatření úspor
energie
CÍL
Obecné oblasti
úspor energie
STANOVENÍ
Obrázek 2-9: Vlastnosti modelů energetických auditů
[7, Lytras, 2005]
Některé nástroje, které lze využít při provádění nebo standardizaci energetických auditů, jsou
uvedeny v Příloze 7.
Různé modely energetických auditů lze podle rozsahu rozdělit na dva hlavní typy:
•
•
vyhledávací modely auditu (scanning models)
analytické modely auditu (analytical models)
V rámci těchto dvou typů existují různé modely, které mohou být dále specifikovány podle
svého rozsahu a hloubky. V praxi se pak audit specifikuje tak, aby naplnil potřeby dané situace.
Existují některé standardy, většinou v rámci auditorských firem nebo systémů energetických
úspor. První národní norma pro energetické audity již existuje. Jedná se o referenční rámec pro
energetickou diagnostiku, který:
•
navrhuje metodu provádění energetické diagnózy
•
stanoví obecné zásady a cíle takového projektu – objektivnost, nezávislost,
transparentnost
•
dává doporučení, která mají zásadní význam pro dosažení prvotřídních služeb.
Pro provozovatele spočívají výhody referenčního rámce v popisu dohodnuté metody, usnadnění
dialogu, nástroji pro úsporu času a v příkladech výstupů (seznamy zařízení, bilance, zahájení
monitorovací kampaně, apod.).
Konkrétní typ auditu je audit zaměřený na investice. Jedná se audit, jehož cílem je posoudit
varianty investic do energetické účinnosti. Jednou z klíčových charakteristik je zde posouzení
chyby v predikci energetických úspor: pokud společnost navrhne investovat 1 milion EUR do
energetické účinnosti, měla by znát rizika spojená s predikovanými úsporami i způsob jejich
minimalizace (např. nejistotu chyby ve výpočtech a nejistotu investic).
Podobně jako u finančních auditů i energetické audity může provádět interní pracovník nebo
externista – závisí to na cílech auditu, složitosti závodu a dostupných zdrojích. Některé malé
a střední podniky asi nebudou mít dostatek vlastních zkušeností ani pracovníků a využijí služeb
externích konzultantů (zejména pokud je to možné v rámci určité iniciativy, viz Příloha 7.12).
Velké podniky mají pravděpodobně pro tuto práci vyčleněné své vlastní pracovníky, ale také
mohou buď využívat externí konzultanty k dodatečným nebo jednorázovým auditům, nebo si
mohou vytvořit dočasný tým z jiných oddělení nebo závodů (viz kap. 2.5 a 2.6).
(1) Vyhledávací modely
Hlavním cílem vyhledávacího modelu energetického auditu je zjistit oblasti, kde existují (nebo
mohou existovat) možnosti úspor energie a zdůraznit nejvhodnější úsporná opatření.
98
červen 2008
Kapitola 2
Vyhledávací audity nejdou do hloubky co se týče ziskovosti zjištěných oblastí ani do
podrobností navrhovaných opatření. Před učiněním jakéhokoli kroku je třeba zjištěné oblasti
dále analyzovat.
Vyhledávací model auditu je dobrou volbou v případě, že je třeba v krátké době zvládnout velký
objem auditorské práce. Tyto druhy auditů jsou obvykle levnější a jsou provedeny rychle.
Vyhledávací model nemusí provozovateli vždy přinést očekávané výsledky, protože jeho
výsledkem nemusejí být nutně reálná úsporná opatření připravená k realizaci, ale většinou
se jedná jen o návrhy další analýzy klíčových oblastí. V dalším textu jsou popsány dva hlavní
příklady vyhledávacího modelu:
•
•
rekapitulační energetický audit
předběžný energetický audit
Rekapitulační energetický audit
Rekapitulační energetický audit je vhodný pro malé a střední průmyslové závody, kde výrobní
procesy nejsou příliš komplikované z hlediska toků primární a sekundární energie, vzájemně
propojených procesů, příležitostí pro opakované využití nižších úrovní tepla apod.
Rekapitulační energetický audit poskytuje přehled o využívání energie v závodě, zdůrazní
nejdůležitější možnosti úspor i potřebné další kroky (doplňující „druhá fáze“ auditů).
Předběžný energetický audit
Vyhledávací model energetického auditu pro velké podniky se často nazývá předběžný
energetický audit. Audity tohoto druhu se nejčastěji používají ve zpracovatelském průmyslu.
Ačkoli je hlavní cíl předběžného energetického auditu v souladu s rekapitulačním energetickým
auditem, velikost a druh závodu vyžadují odlišný přístup.
Většina práce v předběžném energetickém auditu spočívá ve vytvoření přehledného obrazu
o aktuální celkové spotřebě energie, určení oblastí s výraznou spotřebou energie a často
i v pravděpodobných úsporných opatřeních. Zprávy o těchto auditech se také často zabývají
oblastmi, kde je třeba provést doplňkovou, „druhou fázi“ auditu, a co by mělo být jejím cílem.
Předběžný energetický audit je většinou třeba provádět v týmu odborníků.
Odborné znalosti jsou třeba jak při samotném provádění auditu, tak i ve výrobním procesu.
Předběžný audit vždy vyžaduje aktivní spolupráci ze strany technického personálu závodu.
(2) Analytické modely
Výsledkem analytických modelů energetického auditu jsou podrobné specifikace opatření
na úsporu energie, které auditovanému klientovi poskytnou dostatek informací k rozhodování.
Audity tohoto druhu jsou dražší, vyžadují více práce a delší časový harmonogram, ale přinášejí
konkrétní návrhy na úspory energie. Provozovatel může potenciál úspor přímo vidět a nejsou
třeba žádná další šetření.
Analytické modely lze rozdělit na dva hlavní typy:
•
selektivní energetické audity, kdy je auditorovi dovoleno si zvolit hlavní oblasti zájmu
•
cílené energetické audity, kdy hlavní oblasti zájmu stanoví provozovatel. Jedná
se zpravidla :
o energetický audit specifický pro určitý systém
o komplexní energetický audit.
Selektivní energetický audit
Selektivní energetický audit hledá hlavně nejvýznamnější možnosti úspor a minoritním
úsporným opatřením nevěnuje pozornost. Tento model auditu je nákladově velmi účinný,
jestliže ho provede zkušený auditor, ale v nejhorším případě se může jednat o tzv. cream
červen 2008
99
Kapitola 2
skimming, tzn. je zde vždy riziko, že
opatření, ta ostatní budou ignorována.
když bude nalezeno několik výrazných úsporných
Cílený energetický audit
Obsah práce cíleného energetického auditu je specifikován v podrobných pokynech od
provozovatele a to znamená, že většina systémů, které má cílený audit pokrývat, je známa
předem. Pokyny od provozovatele mohou některé oblasti libovolně vyloučit. Důvodem pro
vyloučení některých oblastí může být to, že nejsou z hlediska nákladů většinou relevantní.
Výsledkem cíleného energetického auditu je zpravidla rozpis spotřeby a podrobné výpočty
energetických úspor a investic. Pokud jsou pokyny a vodítka adekvátní, je výsledkem tohoto
auditu i standardní zpráva.
Z hlediska provozovatele je zde vždy riziko, jestliže se opomene řízení kvality cíleného
energetického auditu – auditoři mohou být v pokušení přejít pomalu k selektivnímu
energetickému auditu, protože tento model vždy zahrnuje méně práce.
Energetický audit specifický pro určitý systém
Příkladem cíleného energetického auditu v nejmenší a nejjednodušší formě je energetický audit
specifický pro určitý systém. Tento druh auditu má úzce vymezený cíl (jeden systém, zařízení
nebo proces), ale ve své analýze jde zpravidla velmi do hloubky. Přínos tohoto modelu je v tom,
že je možné specifikovat pro tuto práci odborné znalosti, které však mohou být hlubší, než
znalosti, které může poskytnout všestrannější auditor.
Výsledkem energetického auditu specifického pro určitý systém je podrobný popis systému
a všech úsporných opatření, včetně různých variant týkajících se tohoto systému a popisu jejich
nákladů a přínosů.
Je dobré kombinovat tento typ auditu s některými komplexnějšími modely, např. provést
předběžný energetický audit a následně specifický audit nebo audity těch systémů, u nichž byla
zjištěna možnost výrazných úspor energie.
Energetické audity specifické pro určité systémy představují vysoký potenciál úspor ve srovnání
s aktuální spotřebou energie v daném systému. Problém však spočívá v tom, že při zkoumání
pouze jedné části podniku se ztrácí komplexnější, „větší obrázek“ a je zde riziko, že bude
provedena jen částečná optimalizace. Např. pokud se analyzuje pouze energetická účinnost
systému stlačeného vzduchu nebo chlazení, nelze hodnotit možnosti získávání tepla, protože
neexistují znalosti o tom, kde by se teplo dalo nejefektivněji využít. Energetické systémy jsou
většinou vzájemně propojené a jen zřídka jsou nezávislé.
Komplexní energetický audit
Komplexní energetický audit je cílený energetický audit v nejširším slova smyslu (viz obr. 2.9).
Zahrnuje veškerou energii využívanou v závodě, včetně mechanických a elektrických systémů,
systémů dodávek do procesů, veškerých procesů, které využívají energii, atd. Lze vyloučit
některé minoritní systémy, které mají proporcionálně jen malý vliv na celkovou spotřebu
energie (např. dveře poháněné elektrickými motory).
Rozdíl mezi komplexním energetickým auditem a cíleným energetickým auditem je v tom, že
cílený audit záměrně ignoruje některé oblasti, které jsou známé a předem specifikované,
a komplexní audit zahrnuje skutečně veškerou významnou spotřebu energie.
Výchozím bodem komplexního energetického auditu je vždy analýza podrobného rozpisu
celkové spotřeby. Tento druh auditu se vyjadřuje ke všem systémům, které používají energii
specifikovanou na počátku, bez ohledu na zjištěné úspory. Vyzdvihuje všechna potenciální
úsporná opatření a zahrnuje podrobné výpočty energetických úspor a investičních nákladů.
100
červen 2008
Kapitola 2
Tento model také vytváří základ pro velmi standardní a podrobné podávání zpráv, což přináší
provozovateli určité výhody, zejména v řízení kvality a monitoringu.
Protože energetický audit definuje hlavní oblasti, operace a druhy energie používané v jednotce,
procesu nebo závodě, mohou být jeho zjištění použita ke stanovení těch nákladově
nejúčinnějších opatření na úsporu energie i k určení jejich priorit.
Nejsou.
Provozní údaje
Viz Popis.
Použitelnost
Viz Popis.
Druh energetického auditu a frekvence jeho provádění závisejí na daném závodě. Rekapitulační
energetický audit je většinou vhodný pro malé závody.
Energetický audit by se mohl provádět za účelem prvotního posouzení stavu energetické
účinnosti v závodě nebo systému. Následně by se mohly provést audity až po provedení
významných změn, které by v podniku mohly upravit výrobu nebo spotřebu energie, výrazných
změn v provozních parametrech apod. Tento přístup předpokládá, že všechny energetické audity
jsou komplexní. Nicméně dokonce i po obdobích bez zjevných podstatných změn by se měl
provést audit, aby se zajistilo, že nedošlo k posunu od energeticky účinného provozu.
Alternativou je provedení předběžného auditu, který zjistí oblasti, kde je dobré provést
intenzivnější auditorskou práci. Lze je uspořádat podle faktorů, jako je snadná aplikace technik
energetické účinnosti, finanční požadavky apod. (viz kap. 2.2.1). Kompletní audit
individuálního systému lze tudíž provádět nepravidelně, ale v rámci závodu by se u změněných
systémů měly audity provádět pravidelně.
Ekonomie
Viz Popis.
Úspory nákladů. Dodržení dohod o úsporách energií apod.
Příklady
Metoda má široké použití. Komplexní energetický audit pro danou organizaci se může provádět
dle Obr. 2.10:
Francouzská národní norma: Referenční rámec pro energetickou diagnózu v průmyslu. AFNOR
BP X 30 - 120
Reference
[7, Lytras, 2005, 31, Despretz, , 40, ADENE, 2005, 92, Motiva Oy, 2005, 165, BESS_EIS, ,
227, TWG, , 250, ADEME, 2006]
červen 2008
101
Kapitola 2
Obrázek 2-10: Schéma komplexního energetického auditu
[11, Franco, 2005]
102
červen 2008
Kapitola 2
2.12
Metodika PINCH
Popis
Tzv. metodika PINCH je aplikací technologie PINCH. Jedná se o metodiku směřující
k minimalizaci spotřeby energie v procesech pomocí výpočtů termodynamicky proveditelných
energetických cílů a k jejich dosažení prostřednictvím optimalizace systémů získávání tepla,
postupů při dodávkách energií a také prostřednictvím provozních podmínek v procesu. Ačkoli je
také známá jako integrace procesů, integrace energie, toto jsou výstupy aplikace výsledků
metodiky PINCH (viz kap. 2.4).
Všechny procesy sestávají z horkých a studených proudů. Horký proud je definován jako proud,
který vyžaduje chlazení, a studený proud je naopak definován jako proud, který vyžaduje ohřev.
Pro jakýkoli proces lze zakreslit jednoduchou čáru teploty a entalpie, která představuje buď
všechny horké proudy nebo všechny studené proudy v rámci procesu. Jednoduchá čára, která
představuje buď všechny horké proudy nebo všechny studené proudy, se nazývá buď horká
složená křivka nebo studená složená křivka. Sestavení složené křivky je zobrazeno na Obr. 2.11.
V diagramu teploty a entalpie jsou uvedeny dva horké proudy.
200
Teplota v °C
c°
CP=1
150
100
CP=2
50
100
200
300
Tepelný obsah v kW
Obrázek 2-11: Dva horké proudy
Proud 1 se ochlazuje z 200 oC na 100 oC. Má hodnotu CP (tj. hmotnostní tok x měrná tepelná
kapacita) rovno 1, ztrácí tedy 100 kW tepla. Proud 2 se ochlazuje ze 150 oC na 50 oC. Má CP
rovno 2, takže ztrácí 200 kW tepla.
Horká složená křivka se získá prostým součtem obsahů tepla v rozpětí teplot:
•
•
•
mezi 200 oC a 150 oC existuje pouze jeden proud a ten má CP rovno 1. Ztráta tepla v tomto
teplotním rozpětí je tedy 50 kW.
mezi 150 oC a 100 oC existují dva horké proudy s celkovým CP = 3. celková ztráta tepla
mezi 150 oC a 100 oC je 150 kW. Protože celkové CP mezi 150 oC a 100 oC je vyšší než
CP mezi 200 oC a 150 oC, stává se tato část horké složené křivky v druhém teplotním pásmu
od 150 oC do 100 oC plošší.
Mezi 100 oC a 50 oC existuje pouze jeden proud s CP = 2. Celková ztráta tepla je tudíž 100
kW.
Obr. 2.12 ukazuje horkou složenou křivku.
červen 2008
103
Kapitola 2
Obrázek 2-12: Horká složená křivka
Studená složená křivka je konstruována stejným způsobem. V praktických aplikacích je počet
proudů většinou mnohem větší, ale tyto proudy jsou konstruovány naprosto stejným způsobem.
Obr. 2.13 zobrazuje horkou a studenou složenou křivku zanesenou do stejného diagramu teploty
a entalpie. Diagram představuje celkové požadavky procesu na ohřev a vytápění.
QH,min
Teplota
∆ Tmin
QC,min
Entalpie
Obrázek 2-13: Složené křivky zobrazující cíle PINCH a energie
Podél osy entalpie se křivky překrývají. Horkou složenou křivku lze použít k „ohřátí“ studené
složené křivky pomocí výměny tepla mezi procesy. Na obou koncích však existuje převis, takže
horní část studené složené křivky potřebuje externí zdroj tepla (QH,min) a spodní část horké
složené křivky zase potřebuje externí chlazení (QC,min). Jedná se o tzv. horké a studené cíle
v oblasti médií a služeb.
104
červen 2008
Kapitola 2
Bod, ve kterém se křivky nejvíce přibližují vzájemnému dotyku, se nazývá PINCH (v angl.
„štípnutí “ nebo „krajní případ či situace“). V tomto bodě jsou křivky oddělené minimálním
rozdílem teplot ∆Tmin. Pro tuto hodnotu ∆Tmin vykazuje oblast překrytí maximální možné
množství tepla vyměněného mezi procesy. Navíc QH,min and QC,min jsou minimální požadavky
na média a služby.
Jakmile byly pro určitý proces identifikovány horké a studené cíle v oblasti médií a služeb a bod
PINCH, mohou se aplikovat tři „zlatá pravidla“ metody PINCH. Proces lze považovat za dva
separátní systémy (viz Obr. 2.14) – systém nad bodem PINCH a systém pod tímto bodem.
Systém nad bodem PINCH potřebuje kladné množství tepla z externího zdroje a je tudíž
„spotřebitelem“ tepla, zatímco systém pod bodem PINCH má teplo, které odmítá, a je tudíž
zdrojem tepla.
QH,min + α
Spotřebitel
tepla
Tok nulového
tepla
Teplota
α
Zdroj tepla
Qc,min + α
Entalpie
Obrázek 2-14: Schématické znázornění systémů nad a pod bodem PINCH
Tři pravidla metody PINCH jsou následující:
•
•
•
Teplo se nesmí přenášet přes bod PINCH
Nad bodem PINCH nesmí být žádné vnější chlazení
Pod bodem PINCH nesmí být žádný vnější ohřev.
Jestliže množství tepla, které přechází přes bod PINCH, je α, pak musí být dodáno navíc
množství horkého média (α) a zároveň je požadováno navíc množství studeného média α (viz
Obr. 2.15). Podobně jakékoli vnější chlazení „spotřebitele“ tepla a jakékoli vnější ohřívání
zdroje tepla zvyšuje požadavky na energii.
červen 2008
105
Kapitola 2
QH,min + α
Spotřebič
tepla
Teplota
α
Zdroj tepla
Qc,min + α
Entalpie
Obrázek 2-15: Přechod tepla přes bod PINCH od „spotřebitele“ tepla ke zdroji tepla
Tedy:
T=A–α
kde
T = cílová spotřeba energie
A = skutečná (aktuální) spotřeba energie
α = tok tepla přes bod PINCH.
Pro dosažení energetických cílů je třeba eliminovat toky tepla přes bod PINCH.
Optimalizace bilance energie ve výrobně.
Nejsou považovány za pravděpodobné.
Provozní údaje
Klíčem k aplikaci metody PINCH v nekontinuálních procesech je získávání dat. Neexistuje zde
žádná „zkratka“ – podrobná měření a správná načasování všech proudů v rámci procesů mají
zásadní význam, pakliže mají být nalezeny možnosti úspor nákladů (= úspor energie).
Použitelnost
Metodiku PINCH lze aplikovat v mnoha průmyslových oblastech, kde se v procesech vyskytují
proudy s různými teplotami. Používá se při projektování nových závodů nebo jednotek, u
významných modernizací nebo při podrobném zkoumání výkonu určitého závodu, např.:
•
•
•
•
•
106
Energetická analýza jednotek v rámci procesu
Analýza systému elektrické energie, tepla, médií a služeb
Projektování a analýza sítě tepelných výměníků
Analýza celého závodu za účelem optimalizace integrace procesu a médií a služeb
Analýza systému vodíku a vody.
červen 2008
Kapitola 2
První aplikace této metody byly v rafinériích, petrochemických a chemických závodech, kde
skutečně došlo k úsporám energie a tím i nákladů. V poslední době se však tato metodika
prosadila i v širokém spektru dalších procesů a průmyslových odvětví, včetně kogenerace,
výroby léčiv, papírenského průmyslu, výroby cementu, potravin, nápojů a mléka (např.
pivovary, výroba kávy, zmrzliny a mléčných výrobků), viz Příklady.
Metodika PINCH se také používá v různých druzích procesů, tj. vsádkových, částečně
kontinuálních i kontinuálních, ve kterých se různě mění provozní parametry, např. různé vstupní
suroviny, dochází k sezónnímu kolísání poptávky, je zde více druhů médií a energií a je třeba
řešit problémy s kvalitou a environmentální problémy.
Ekonomie
Doby návratnosti jsou uvedeny v Tabulce 2.5.
Metodika PINCH je často považována za drahou a složitou. U jednoduchých problémů se však
mohou provést výpočty manuálně nebo pomocí softwarových nástrojů (některé jsou k dispozici
zdarma). Projekty mohou začínat na asi 5000 EUR. Požadavek na data pro provedení analýzy je
velmi malý a analýza PINCH je základním prvkem technického inženýrského vzdělávání.
Ve složitějších situacích bude k provedení analýzy PINCH, simulace procesu, odhadu nákladů
a provozu zařízení třeba zkušený tým.
Úspory provozních a kapitálových nákladů.
Využití této technologie ve stávajících provozech většinou znamenalo pro tyto procesy přínos,
např. v lepší flexibilitě závodu, odstranění nerovnováhy v organizaci práce, vyšší kapacitě
a menších dopadech závad.
červen 2008
107
Kapitola 2
Příklady
Úspory spojené s některými aplikacemi metodiky PINCH* (Náklady: USD**, dle Ullmana 2000)
Popis procesu
Ropná jednotka
Úspory
Úspory 1,75 milionu USD při návratnosti 1,6
roku
komplex vyrábějící Úspory více než 7 milionů USD s návratností
HDPE,
LDPE od 12 do 20 měsíců
Velký petrochemický
ethylen,
butadien,
a polypropylen
Chemické látky na objednávku, vsádkové
procesy s 30 reaktory a více než 300 produkty
Speciální chemické látky na bázi síry,
vsádkový a kontinuální proces
Úspory 0,45 milionu USD při návratnosti 3
měsíce až 3 roky
30 % úspory z celkového účtu závodu za
energie (ve výši 0,18 milionu USD při
návratnosti 9 – 16 měsíců
Rafinérie jedlého oleje, vsádkový provoz, Úspory až 70 % energie ve výši 0,79 milionů
široké spektrum vstupních surovin
USD s návratností 12 až 18 měsíců, lepší
organizace práce (bez špiček) přinesla nárůst
kapacity 15 %
Vsádková
výroba
mléčných
produktů Úspory 30 % odpovídající 0,2 milionu USD
a sušených nápojů
s návratností méně než 1 rok
Pivovar
Úspory od 12 do 25 % nákladů na energie
s návratností od 9 měsíců do 2 let
Moderní továrna na výrobu whisky
Výrazně lepší organizace (bez špiček)
a úspory 0,35 milionu USD s návratností od
18 měsíců do 2 let
Papírny
Úspory 8 – 20 % nákladů na energii
s návratností od 1 do 3 let
Kontinuální zpracování octanu celulózy
Úspory 0,28 milionu USD při návratnosti 1
rok
Kontinuální výroba suchého cementu
Velké úspory energie
* Výše uvedené úspory se primárně týkají nákladů na energie. Většina firem měla přínos i ze
zvýšeného výkonu a lepší flexibility a operability procesů, ale ekonomická hodnota těchto
přínosů není do této tabulky zahrnuta.
** pro tato data není uveden směnný kurs a aplikace nejsou známy.
tabulka 2-6 Metodika PINCH: některé příklady aplikací a úspor
[266, Ullmann's, 2000]
108
červen 2008
Kapitola 2
Obrázek 2-16: Úspory energie zjištěné metodikou PINCH
Pozn.: zkratky odkazují na stupně polymerů a organických chemických procesů
[51, Pini, 2005]
Reference
[117, Linnhoff March], [118, KBC], [12, Pini, 2005, 51, Pini, 2005, 67, Marttila, 2005, 119,
Neste Jacobs Oy]
Software PINCH zdarma: Pinch2.0 od Fraunhofer ISI/Peter Radgen.
Touto technikou se zabývají i jiné dokumenty BREF: OFC, SIC, LVIC-S, REF, atd.
2.13
Analýza exergie a entalpie
Popis
Analýza energie (nebo entalpie) a analýza exergie jsou techniky založené na stanovení energie
nebo exergie toků studovaného tepelného systému a bilancích energie nebo exergie pro
komponenty napojené na tyto toky.
Při provádění těchto analýz je nutné učinit tyto kroky:
1. Je nutné přesně specifikovat hranice analyzovaného systému (celý závod nebo jeho
část).
2. Celý systém je třeba rozložit na několik částí spojených tokem hmoty nebo energie.
Podrobnosti tohoto rozkladu záleží na požadované hloubce analýzy a na dostupných
informacích.
3. Je nutné určit termodynamické vlastnosti definující tyto toky: hmotnostní tok, tlak,
teplota, složení, síla na hřídeli, tepelný tok atd. když se analyzuje skutečný systém,
získají se data z měření. Pokud se však analýza provádí pro závod, který se má stavět,
využije se simulace.
4. jakmile byly plně charakterizovány všechny definované toky, je možné stanovit jejich
entalpii a exergii (viz kap. 1.2.2 a Přílohu 7.1).
červen 2008
109
Kapitola 2
5. Entalpie a exergie lze využít k určení ostatních parametrů, jako jsou ztráty energie
v komponentech, ireverzibilita, účinnosti, a také ke znázornění, např. pomocí
Sankeyova diagramu (energie) nebo Grassmannova diagramu (exergie).
6. Tyto bilance lze provádět v reálném čase v různých časových intervalech a informace o
„nákladech na exergii“, např. množství zdrojů exergie potřebné k vyprodukování
daného toku, lze využít k diagnóze odchylek výkonu zařízení od dohodnutého
referenčního stavu.
7. nakonec je možné snadno zjistit vztah mezi termodynamikou a ekonomií, protože
náklady na špatné fungování nebo neúčinnost subsystému v rámci závodu mají dvě
složky: první je množství materiálních zdrojů a druhá jsou peníze vydané na
kompenzaci špatného fungování. Teorie vysvětlující základy takovéto techniky se
nazývá termo-ekonomie (viz kap. 2.14).
Jak je zřejmé, analýzy energie a exergie mohou probíhat paralelně a měří se ve stejných
jednotkách. Nicméně analýza exergie (i když se používá méně a je složitější) je užitečnější,
protože ukáže přímo na místo, kde lze uspořit energii.
Energie je konzervativní: nelze ji ani vytvořit ani zničit, takže analýza energie může vzít
v úvahu pouze ztráty energie prostřednictvím hranic systému (tepelné ztráty, plyny jdoucí do
komína atd.). Každá transformace energie však vede ke snížení její kvality: energie se
uchovává, ale její užitná hodnota vždy klesá. V této souvislosti je exergie měřítkem, které bere
v úvahu kvalitu energie. Elektřina nebo mechanická práce jsou nejkvalitnější formy energie,
takže jejich energie a exergie jsou tytéž. Na druhé straně masa vody ohřáté na teplotu o 20
stupňů vyšší, než je teplota okolí, má energii, ale její obsah exergie je zanedbatelný. Obsah
exergie měří přesně maximální konvertibilitu (v jednotkách energie) daného toku směrem do
jiných forem energie. Exergie tudíž není konzervativní. V každém ustáleném procesu je exergie
vstupujících toků vždy vyšší než exergie vystupujících toků. Tento rozdíl se nazývá
ireverzibilita a její kvantifikace prostřednictvím analýzy exergie umožňuje zjišťovat, kde se
ztrácí kvalita energie (jinými slovy, kde lze energii ušetřit). (Tyto otázky jsou vysvětleny
podrobněji v Příloze 7.1).
Jako příklad si uveďme kotel používaný k výrobě nízkotlaké páry pro daný proces. Pokud se
provede analýza energie, může mít tento kotel energetickou účinnost až 85% a vypadá jako
účinné zařízení. Kvalita energie obsažené v páře je však nízká a exergetická účinnost kotle
může být jen 25%. Toto nízké číslo značí, že je zde vysoký potenciál k energetickým úsporám,
pokud se kotel nahradí např. parním generátorem se získáváním tepla v kogeneračním systému,
ve kterém se vstupní horké plyny využijí k pohonu turbíny, která zachytí vysoce kvalitní
energii. paradoxně – čím nižší kvalita je na výstupu, tím vyšší je energetická účinnost kotle,
které lze průmyslově dosáhnout. Ukazatele exergetické účinnosti však již nevyznějí paradoxně.
Tyto analýzy umožňují zjistit, kde se ztrácí energie a exergie a kde jsou body s nejvyšším
potenciálem k úsporám. Protože exergie je závislá na všech vlastnostech definujících daný tok,
lze ji také využít k vysledování toho, kde v závodě vznikají znečišťující látky a jaké je jejich
množství.
Nepovažují se za pravděpodobné.
Provozní údaje
Klíčovým bodem aplikace této techniky je dostupnost informací o tocích v energetickém
systému. Tyto informace se získávají z měření v provozovaných závodech a simulací ve fázi
projektování. Hloubka analýzy je omezena těmito okolnostmi.
Použitelnost
Koncept exergie se používá v mnoha situacích, aby se zjistilo, kde se ztrácejí přírodní zdroje
(viz Reference).
110
červen 2008
Kapitola 2
Techniku lze aplikovat na každý tepelný systém. Hlavní výhodou je, že umožňuje přímé
srovnání různých závodů. Analýza exergie navíc poskytuje absolutní referenci: ideální systém,
což je systém bez ireverzibilit.
Analýzu lze využít k určení stavu provozovaného zařízení, pomocí dostupných měření, a k jeho
srovnání s projektovanými hodnotami. Kromě toho je užitečné analyzovat i alternativy a
možnosti zlepšení ve fázi projektování.
Využití exergie ve firmách je však stále omezené. Např. v Nizozemsku se koncept exergie
využívá v technických odděleních velkých firem, jako je Shell, Dow Chemical, Unilever, DSM,
AKZO NOBEL atd., a v řadě velkých inženýrských firem. Bylo provedeno několik studií. Tyto
studie vedly k závěru, že analýzy exergie poskytují cenné informace, ale že zaberou příliš
mnoho času a že není dostatek dat, se kterými by se výsledky porovnaly. Např. benchmarking
na základě exergetických účinností není snadný právě kvůli nedostatku dat pro srovnání. Pro
usnadnění analýz exergie byl vyvinut komerční program pro výpočet exergie. S jeho pomocí lze
vypočítat exergii toků v patentovaných technologických schématech a podstatně snížit čas nutný
k provedení analýz exergie. Tato schémata jsou však drahá a pouze omezený počet firem je
využije natolik, aby se jim to vyplatilo.
Většina malých a středních podniků tento typ softwaru nevyužívá kvůli jeho vysoké ceně,
nedostatku proškoleného personálu a míře přesnosti požadované pro vstup dat do těchto
programů. Pro tyto podniky byla navržena nová metoda, která se ještě dále vyvíjí.
Ekonomie
Analýza exergie má pověst složité a drahé záležitosti. Pokud jsou však k dispozici informace o
vlastnostech toků (což je běžná situace), lze provést analýzu entalpie a exergie s nízkými
náklady. Je k dispozici jen omezený počet nástrojů k provádění analýzy ve spojení s balíčkem
technologických schémat. Tímto způsobem lze tuto analýzu provádět rychle a efektivně. Ztráty
exergie označí místa, kde by mohlo být dosaženo nejvíce úspor (materiálů, energie a tím pádem
i peněz). Náklady na analýzu exergie začínají na 5000 EUR.
Navíc pro menší projekty lze tuto analýzu provést manuálně. Zde je využití analýzy exergie
velmi omezené. V současnosti se vyvíjí nová metoda nazvaná Exergy Scan, která by
představovala užitečný nástroj.
Jedná se o nízkonákladovou techniku, která může dát hodnotu měřením v závodě. Jasně také
ukáže na komponenty, kde lze potenciálně ušetřit energii. informace získané z této analýzy
mohou využít jiné nástroje, jako třeba Sankeyovy diagramy (viz kap. 2.7.1).
Příklady
Analýza energie (entalpie) má široké využití v analýze tepelných systémů při projektování i
v provozu. Využití exergie není tak velké, i když narůstá. Jak již bylo řečeno, využívají ho
společnosti, jako je Shell, Dow Chemical, Unilever, DSM, AKZO NOBEL atd. a velké
inženýrské firmy.
Reference
[227, TWG]
Informace a příklady analýzy entalpie (a také exergie) lze najít v kterékoli pokročilé učebnici
termodynamiky. Více podrobností o exergii je uvedeno v:
•
T. J. KOTAS. Krieger, The Exergy Method of Thermal Plant Analysis, Florida, 1996
•
Kotas, T.J., The Exergy Method of thermal and chemical processes, Krieger Publishing
Company, Melbourne, USA, 1999.
•
Szargut J., Morris D.R., Steward F.R., Exergy Analysis of Thermal, Chemical and
Metallurgical Processes, Hemisphere, New York, 1988
červen 2008
111
Kapitola 2
•
•
Cornelissen, R.L., 1997, Thermodynamics and sustainable development, The use of
exergy analysis and the reduction of irreversibility, doktorandská práce, University of
Twente, http://www.ub.utwente.nl/webdocs/wb/1/t0000003.pdf
Cornelissen, R.L., and Boerema C. 2001, Exergy Scan - the new method for cost effective
fuel saving, sborník ECOS 2001, str. 725-731, Istanbul.
Nástroje:
•
kalkulátor exergie: http://www.exergoecology.com/excalc
•
ExerCom a Exergy Scan: více informací o obou: www.exergie.nl
2.14
Termo-ekonomie
Popis
Techniky termo-ekonomické analýzy kombinují první a druhý zákon termodynamiky
s informacemi o nákladech na úrovni systému. Tyto techniky pomáhají porozumět procesu
tvorby nákladů, minimalizovat celkové náklady na produkt a přiřadit náklady více než jednomu
produktu vyrobenému v témže procesu.
Jak bylo uvedeno v kap. 1.2, energie se v procesech nespotřebovává, ale využitelná forma
energie se degraduje na méně využitelné formy. Vysoce ireverzibilní procesy, jako např.
spalování, přenos tepla, škrcení apod. lze analyzovat pouze pomocí analýzy exergie (viz kap.
2.13). Exergie je objektivním a univerzálním měřítkem změny a lze ji považovat za most mezi
termodynamikou a metodami účtování nákladů, protože se vztahuje na intenzivní vlastnosti,
jako je tlak, teplota, energie atd., které lze měřit. Ekonomická analýza může vypočítat náklady
na palivo, investice, provoz a údržbu zařízení.
Termo-ekonomie tedy posuzuje náklady na spotřebované zdroje, peníze a ireverzibility systému
z hlediska celkového výrobního procesu. Termo-ekonomie pomáhá zjistit, jak by se zdroje
mohly využívat efektivněji a jak by se mohly šetřit. Finanční náklady vyjadřují ekonomický
efekt neúčinností a používají se ke zlepšení nákladové účinnosti výrobního procesu. Posouzení
nákladů na toky a procesy v závodě pomáhá porozumět procesu tvorby nákladů, od vstupních
zdrojů až po konečné produkty.
Především úspory energií, ale i snížení materiálové náročnosti, odpadů a emisí.
Nepředpokládají se u výpočetní techniky.
Provozní údaje
Tyto analýzy mohou řešit problémy spojené se složitými energetickými systémy, které by nešlo
řešit pomocí konvenčních energetických analýz. Kromě dalších aplikací se termo-ekonomie
využívá k:
•
Posouzení cen produktů na základě fyzikálních kritérií
•
Optimalizace konkrétních proměnných procesní jednotky za účelem minimalizace
nákladů na finální výrobky, tj. globální a lokální optimalizace
•
Zjištění neúčinností a výpočet jejich ekonomických dopadů v provozovaných podnicích,
tj. termo-ekonomická diagnóza provozu závodu.
•
Hodnocení různých variant projektu nebo provozních rozhodnutí a maximalizace
ziskovosti
•
Energetické audity.
Použitelnost
Nebyla dodána data.
112
červen 2008
Kapitola 2
Ekonomie
Závisí na jednotlivých případech.
Úspory nákladů a materiálů.
Příklady
Různé elektrárny, rafinérie, chemičky, cukrovary, lokální teplárny apod.
Reference
[258, Tsatsaris and Valero, 1989]
http://teide.cps.unizar.es
Valero: Thermoeconomics: A new chapter of physics, etc.
A.Valero a C. Torres: Thermoeconomic analysis
Více informací na: http://www.eolss.net/E3-19-toc.aspx
2.15
Energetické modely
2.15.1
Energetické modely, databáze a bilance
Popis
Energetické modely, databáze a bilance jsou užitečnými nástroji pro provádění úplné
a hloubkové energetické analýzy a budou pravděpodobně i součástí analytického či
komplexního energetického auditu (viz kap. 2.11). Model je plán nebo popis, jehož cílem je
ukázat, kde a jak se v závodě, jednotce nebo systému používá energie. V modelu se tedy
snažíme o zaznamenání technických informací o závodě, jednotce nebo systému. Zaznamenává
se druh zařízení, spotřeba energie a provozní údaje, jako je např. doba, po kterou je zařízení
v chodu. Údaje by měly být dostatečně kompletní pro daný úkol (ale nejenom pro něj), snadno
dostupné pro různé uživatele z oddělení provozu, energetického managementu, údržby, nákupu,
účetnictví apod. Může se snadno stát součástí systému údržby nebo na něj může být napojen.
Usnadní se tak aktualizace záznamů např. o převinutí motorů, datu kalibrace atd. (viz kap. 2.9).
Energetický model lze postavit na základě hranic systému a auditor nebo ten, kdo sbírá data
musí dbát na to, aby zaznamenaná účinnost byla skutečně reálnou účinností (viz kap. 1.5). Jedná
se např. o:
•
•
Jednotky (oddělení, výrobní linka atd.)
o systém
o jednotlivé vybavení (čerpadla, motory)
Systémy médií a služeb (např. stlačený vzduch, čerpání, vakuum, vnější osvětlení atd.)
o jednotlivé vybavení (čerpadla, motory)
Protože je energetický model nebo databáze strategickým nástrojem energetického auditu, bývá
dobrým zvykem ho před použitím validovat, a to provedením bilance. Prvním krokem je
srovnání celkového množství spotřebované energie, jak je odvozeno z výpočtů, s množstvím
spotřebované energie podle naměřených dodávek energie. Tam, kde se jedná o složitý závod,
lze bilanci provést na úrovni jednotky nebo systému (viz hranice systému kap. 1.5 a měření kap.
2.10.3). Pokud není dosaženo rovnováhy mezi vypočítanými a naměřenými spotřebami, pak by
se měla data v modelu znovu překontrolovat, zejména pak v případě jakýchkoli odhadů. Pokud
je to nutné, měly by se stanovit s větší přesností. Další příčinou chyb je, že nebyla
identifikována všechna zařízení používající energii.
červen 2008
113
Kapitola 2
Umožňuje plánování na základě znalosti míst, kde se používá energie.
Nejsou považovány za pravděpodobné.
Provozní údaje
Elektrická energie
U elektrického modelu, databáze nebo bilance lze pro každé elektricky poháněné zařízení
(motory a pohony, čerpadla, kompresory, elektrické pece apod.) sbírat následující data:
•
•
•
•
jmenovitá elektrická energie
jmenovitá účinnost
koeficient zatížení
počet hodin v provozu za rok.
Zatímco elektrickou energii a účinnost lze většinou snadno odečíst přímo na etiketě připevněné
na zařízení, koeficient zatížení a počet hodin v provozu za rok se musejí odhadnout.
Příklady dat shromážděných pro jednoduchý model elektrické energie jsou uvedeny v Příloze
7.7.3.
Když se odhadne, že koeficient zatížení je vyšší než 50 %, pak se vlastní koeficient zatížení
rovná přibližně:
LF =
P( ef .)
P( jmen ).
×η
kde:
•
•
•
•
LF je koeficient zatížení (load factor)
P(eff) je odhadnutá průměrná elektrická energie, kterou zařízení účinně absorbuje během
doby svého provozu (kW)
P(rated) je jmenovitá elektrická energie (kW)
Ŋ je jmenovitá účinnost zařízení (při plném zatížení).
Je nutné, aby Peff bylo možné měřit pomocí elektroměrů.
Je třeba zdůraznit, že účinnost a účiník daného zařízení závisí na koeficientu zatížení dle obr.
2.7, který v tomto případě zobrazuje obvyklý motor.
114
červen 2008
Kapitola 2
Obrázek 2-17: Účiník zařízení v závislosti na koeficientu zatížení
[11, Franco, 2005]
Tepelná energie
Sestavení modelu tepelné energie, databáze nebo bilance je složitější než u energie elektrické.
Pro vytvoření úplného obrazu o spotřebě tepla se vytvářejí dva druhy modelů (nebo databází či
bilancí) – pro první a druhou úroveň.
Pro sestavení energetického modelu první úrovně je nutné provést soupis všech uživatelů
veškerých druhů paliv. Pro každé zařízení spotřebovávající palivo (např. kotle, pece apod.) by
se měla zjistit následující data:
•
•
•
•
•
•
•
Druh paliva dodávaného za konkrétní časové období, většinou za rok
Druh nosiče tepla, který vstupuje do kotle (např. tlaková voda), průtok, teplota, tlak
Kondenzát: procento recyklace, teplota, tlak
Těleso kotle: výrobce, model, rok instalace, výhřevnost, jmenovitá účinnost, plocha
výměnného povrchu, počet hodin provozu za rok, teplota tělesa, průměrný koeficient
zatížení
Hořák: výrobce, model, rok instalace, výhřevnost
Odpadní plyny: průtok, teplota, průměrný obsah oxidu uhličitého
Druh nosiče tepla odcházejícího z kotle (např. pára): teplota, tlak.
Ačkoli by se měly shromáždit všechny tyto údaje, u tepelného modelu první úrovně („strana
generátorů“) je třeba vzít v úvahu pouze hlavní uživatele energie (Tabulka 7.9). Obvykle
pomůže, když se všechny energie převedou na primární energii nebo konkrétní druhy energie
používané v průmyslu, aby bylo později možné provést srovnání (viz kap. 1.3.6.1).
Modely druhé úrovně („strana uživatelů“) se rovněž provádějí tak, že se udělá soupis veškerého
zařízení, které potřebuje tepelnou energii v jakékoli formě (horká voda, pára, horký vzduch
apod.) s výjimkou paliv (paliva jsou zahrnuta do modelu první úrovně). Pro každou položku,
resp. zařízení používající tepelnou energii by se měla shromáždit následující data:
•
•
•
•
Druh použitého nosiče tepla
Počet hodin za rok, kdy je poptávka po teple
Koeficient zatížení, při kterém se tepelná energie využívá
Jmenovitá výhřevnost.
Příklad možného uspořádání dat je uveden v Příloze 7.7.3, Tabulka 7.9.
červen 2008
115
Kapitola 2
Model druhé úrovně („strana uživatelů“) je užitečný v tom, že umožňuje posoudit, do jaké míry
teplo dodávané z kotlů, tepelných generátorů apod. odpovídá teplu požadovanému uživatelem,
resp. jaký je mezi nimi rozdíl.
Pokud je tento rozdíl přijatelný, pak je možné oba modely považovat za validované. V opačném
případě je třeba provést opakované výpočty a další šetření.
Pokud je rozdíl mezi oběma množstvími velký, bude to pravděpodobně kvůli vysokým ztrátám
v systému výroby, distribuce a využívání pro jednotlivé nosiče tepla (např. páru, horkou vodu
apod.). V tomto případě je třeba podniknout kroky směřující k vyšší energetické účinnosti.
Použitelnost
Druh modelu a podrobnost shromažďovaných informací závisejí na daném zařízení. Analýza
každého kusu zařízení, které spotřebovává energii, často není proveditelná ani nutná. Modely
elektrické energie jsou vhodné pro menší závody. Analýza procesu včetně podrobné spotřeby
elektrické a teplené energie je pak vhodnější u větších závodů.
Priority mohou spočívat v maximalizaci poměru vynaložených nákladů a výsledného zisku pro
sběr dat, např. se jedná o data o zařízení, které překročí určitou spotřebu elektřiny, nebo o pokyn
nejprve sbírat data o 20 % zařízení, která využívají 80 % energie (např. páry, elektřiny), atd. Je
třeba poznamenat, že s tím, jak se tento model používá a zvyšuje se energetická účinnost, tak se
pak mohou přidávat zbývající zařízení – opět dle plánu.
Ekonomie
Závisí na jednotlivém stanovišti.
Úspory nákladů.
Příklady
Příklady energetických datových listů a bilančních výpočtů jsou uvedeny v Příloze 6.
Reference
[127, TWG][11, Franco, 2005]
2.15.2
Optimalizace a management médií a služeb na základě modelů
Popis
V tomto případě dochází ke spojení technik popsaných např. v kap. 2.10.3 až 2.15
a počítačových systémů modelování a/nebo řízení.
U jednoduchých závodů je díky dostupnosti levného a snadného monitoringu, sběru
elektronických dat a řízení pro provozovatele jednodušší shromažďovat data, posuzovat
energetické potřeby procesů a tyto procesy následně řídit. Tyto práce mohou začít u
jednoduchého načasování, zapínání a vypínání, řízení teploty a tlaku, přístrojů pro zápis dat atd.
Usnadňuje je využití softwarových modelů v případě sofistikovanějšího řízení.
Ve složitějších případech budou mít velké závody systém managementu informací, který
zaznamenává a řídí veškeré podmínky procesů.
Specifickou aplikací je aplikace při řízení způsobu, jakým jsou vybírány zdroje a jak je energie
dodávána (energetický management na straně dodávky/nabídky, neboli management distribuce,
médií a služeb), viz Použitelnost. Využívá se přitom softwarový model napojený na řídící
systémy, s jehož pomocí se optimalizují a řídí média a energetické služby (elektřina, pára,
chlazení atd.).
116
červen 2008
Kapitola 2
Snížení spotřeby energií a s nimi spojených emisí. Viz Příklady.
Účinnosti se obvykle sčítají, ale v některých případech, pokud se nebere v úvahu strana
dodávky/distribuce médií a služeb, pak nedojde k realizaci přínosů vyplývajících ze snížení
poptávky. Např. když úspory páry v jedné procesní jednotce vedou jednoduše k odvodu páry
na jiném místě, protože parní systém nebyl opětovně vybalancován.
Provozní údaje
S rostoucí složitostí lze optimálního a energeticky účinného provozu dosáhnout pomocí
správných nástrojů – od simulačních nástrojů vycházejících z jednoduchých tabulkových
procesorů nebo programování distribuovaných systémů řízení (DCS – distributed control
system) až po výkonnější systém managementu a optimalizace médií a služeb na základě
modelů, který by se mohl napojit na ostatní výrobní a výkonné systémy na stanovišti.
Systém optimalizace médií a služeb posoudí pracovníci s nejrůznějšími zkušenostmi a cíli (např.
inženýři, provozovatelé, manažeři zařízení, nákupčí, účetní). Důležité obecné požadavky jsou
tyto:
•
•
•
•
Snadné používání – k systému potřebují mít přístup různí uživatelé a systém tak potřebuje
mít různá uživatelská rozhraní a umožňovat integraci dat s ostatními informačními
systémy, aby se předešlo opakovanému vkládání dat. Souvisí to např. s ERP (Enterprise
Resource Planning – plánování podnikových zdrojů), plánováním výroby, historií dat
Robustnost – potřebuje vykazovat konzistentnost a spolehlivost, aby ho mohli uživatelé
přijímat
Blízkost realitě – musí představovat realitu daného závodu (náklady, zařízení, dobu
zahájení provozu), aniž by zaváděl neřiditelnou míru podrobností
Flexibilita – musí být flexibilní, aby bylo možné snadno provádět úpravy při
nejrůznějších změnách (např. dočasná omezení, aktualizace nákladů).
Systém managementu a optimalizace médií a služeb by měl být schopen spolehlivě vypočítat
přínosy různých variant (online nebo offline, např. scénáře „co by kdyby“) a přispívat tak
k motivování nezbytných změn (viz kap. 2.5).
Hlavní požadavky na systém managementu a optimalizace médií a služeb na základě modelů
jsou:
•
•
•
•
•
•
•
Model procesů a distribučních systémů v oblasti paliv, páry a výroby elektrické energie.
Model musí představovat minimálně:
o vlastnosti všech paliv, včetně hodnoty spodní výhřevnosti a složení
o termodynamické vlastnosti všech toků vody a páry v zařízení
o výkon všech zařízení v oblasti médií a služeb v průběhu jejich normálního provozu
Model všech smluv na nákup a prodej, které se týkají systému médií a služeb
Schopnost optimalizace, která umožní rozhodování o zapnutí nebo vypnutí zařízení médií
a služeb i přerušení v modelu kontraktů a/nebo v modelu procesu médií a služeb
Online validace dat a detekce závažných chyb
Otevřená smyčka
Online optimalizace
Možnost provádět studie „co by kdyby“ u offline studií (jedná se o zkoumání dopadu
projektů, různých druhů smluv, např. na elektřinu nebo paliva).
Použitelnost
Jednoduché řídící systémy lze aplikovat dokonce i v malých závodech. Složitost systému
se bude zvyšovat úměrně se složitostí procesu a stanoviště.
červen 2008
117
Kapitola 2
Optimalizace a management médií a služeb se mohou uplatnit na stanovištích, kde se energie
využívají vícero způsoby (pára, chlazení apod.) a jsou zde různé možnosti energetických zdrojů
mezi těmito nosiči energie a/nebo včetně vlastní výroby elektrické energie (tj. kogenerace
a trigenerace, viz kap. 3.4).
Základními požadavky na optimalizaci médií a služeb na základě modelů jsou model procesů
paliva, páry a výroby elektřiny a distribučního systému. V minimální verzi musí model přesně
znázorňovat vlastnosti všech paliv, včetně hodnoty spodní výhřevnosti a složení. To může být
komplikované u různorodých a složitých paliv, jakými je např. komunální odpad, což snižuje
možnosti optimalizace exportu energie.
Ekonomie
Viz Příklady
Hlavní hnací silou jsou náklady. Úspory nákladů dané nižší spotřebou energie komplikuje (viz
kap. 7.11) složitost tarifů na stále více deregulovaných trzích s médii a službami, obchodování
s elektřinou a palivy a monitoring, management a obchodování s emisemi. Tabulka 2.6 uvádí
hlavní podnikatelské impulsy.
Podnikatelský/obchodní proces
Předpovídání poptávky: znalost současné a předpovídané budoucí
poptávky po médiích a službách v určitých časových obdobích (dny,
týdny, měsíce, roky, v závislosti na procesu a trhu). Pomáhá
minimalizovat:
• Používání horkých zařízení v režimu standby (např. kotle)
• Odtahy nadbytečné páry
• Ztráty dodávek kvůli nedostatečnému řízení.
Plánování produkce médií a služeb: vytváří profily poptávky
a sestavuje plán optimalizované výroby vycházející z jejich
dostupnosti. Může být taktický (24 hodin) nebo strategický (kdy
najet nebo odstavit zařízení kvůli údržbě)
Optimální provoz závodu (online optimalizace): je sice možné
vypracovat předem určitý plán (např. na každých 24 hodin), ale
reálný provoz může kolísat a tento plán narušit. Systém optimalizace
médií a služeb může dávat provoznímu personálu aktuální informace
v reálném čase a pomoci mu tak provozovat systém s nejnižšími
náklady na základě aktuálních potřeb a cen.
Monitoring výkonu zařízení pro média a služby: Systém
optimalizace médií a služeb může sledovat výkon jednotlivých
položek a systémů. Toho lze využít k optimalizaci údržby a plánům
úklidu i k varování přes provozními problémy.
118
řídící se hlavně
energetic
náklady
kou
na energie
účinností
/smlouva
mi
+
+
+
+
+
+
červen 2008
Kapitola 2
Podnikatelský/obchodní proces
Plánování investic: Systém optimalizace médií a služeb se může
využít také při hodnocení projektových variant nového vybavení
a změn ve stávajícím vybavení, jak v rámci procesů, tak i v systému
médií a služeb, např.:
• Ohřívání vody přiváděné do odvzdušňovacího zařízení pomocí
procesního tepla
• Volba pohonu (motor nebo parní turbína) nebo možný dvojí
pohon procesu, který umožní větší flexibilitu při vyrovnávání
parního systému
• Lepší vracení kondenzátu
• Změna v dodávce energie (např. využití nízkotlaké páry ke
snížení používání střednětlaké páry)
• Využití páry k předehřívání spalovacího vzduchu přiváděného do
pecí
• Integrace se stávající parní sítí v případě, že má být na stanovišti
postavena nová jednotka, nebo úprava stávající sítě v případě
uzavření nějaké jednotky.
Monitoring, management a obchodování s emisemi: Určité plynné
emise (SOx a CO2) lze přímo vztáhnout na spalovaná paliva (tam,
kde jsou složení paliva a jeho změny známé). NOx vyžadují
predikativní modely, protože jejich vznik závisí na palivu, teplotě
plamene, zařízení apod. Systém optimalizace médií a služeb může
zahrnovat i předpovídání a oznamování emisí tam, kde to vyžaduje
povolení (např. kvůli splnění emisních limitů). Systém optimalizace
médií a služeb může také pomoci při rozhodování v managementu
a obchodování s emisemi tím, že předpoví poptávku a tím
i odpovídající emise.
Management smluv: (viz kap. 7.11): Systém optimalizace médií
a služeb provozovateli poskytuje údaje, na jejichž základě je možné
minimalizovat a posunout nejvyšší poptávku (špičku).
Vyhodnocení tarifů: Deregulace v oblasti médií a služeb vedla
k ohromnému počtu možných tarifů. Manuální výpočet a následná
volba nejsou dostatečně přesné a rychlé. U velkých uživatelů je tento
proces automatizován.
Obchodování s elektrickou energií a palivy: zpracovatelský
průmysl stále více investuje do kogenerace a trigenerace s možností
energii dále prodávat. Tato skutečnost komplikuje vyhodnocování
tarifů a systém optimalizace médií a služeb může pomoci dosáhnout
účinného obchodování s energií.
Vyúčtování nákladů: Systém optimalizace médií a služeb poskytuje
přesnou alokaci nákladů v reálném čase i informace o skutečných
marginálních nákladech. Může tak pomoci při rozhodování v případě
kolísajících energetických zdrojů.
řídící se hlavně
energetic
náklady
kou
na energie
účinností
/smlouva
mi
+
+
+
+
(+)
+
+
+
+
tabulka 2-7 Podnikatelské impulsy k využívání systému optimalizace médií a služeb
Příklady
1. Schott AG, Německo. Viz Příloha 7.7.1.
Náklady:
• Software: asi 50.000 EUR
• Hardware: asi 500 EUR na jeden měřený bod
červen 2008
119
Kapitola 2
Roční úspory:
• Snížení špičkového zatížení při dodávce elektřiny o asi 3 – 5 %
• Období návratnosti: 0,9 – 2 roky (v závislosti na projektu).
2. Nemocnice Atrium, Heerleen, Nizozemsko. Viz Příloha 6.
Byl zaveden systém managementu médií a služeb v reálném čase, s interní návratností investic
(ROI) 49 % (s asi 75.000 – 95.000 EUR/rok na variabilní náklady na energie ve výši asi 1,2
milionu EUR).
Valero Energy Corporation, Rafinérie, Houston, Texas, USA
Systém managementu médií a služeb byl v rafinérii zaveden v roce 2002. první rok přinesl
přínosy ve výši 2,7 milionu dolarů, včetně snížených nákupů zemního plynu a elektřiny.
DSM, chemická továrna v Geleenu, Nizozemsko
Byly zjištěny přínosy v návratnosti investic vyšší než 25 %, s úsporami celkových nákladů
na energie pro závod ve výši 3 – 4 %. Výsledkem byly jak úspory energie, tak i příznivější
smluvní podmínky s dodavateli.
Reference
Obecné informace, příklady Valero a DSM: [171, de Smedt P. Petela E., 2006]
Schott glass:[127, TWG]
Nemocnice Atrium [179, Stijns, 2005]
2.16
Benchmarking
Popis
Benchmark je ve své nejjednodušší formě určitým referenčním bodem. V podnikání pak pojem
benchmarking znamená proces, který organizace používá k hodnocení různých aspektů svých
procesů ve vztahu k nejlepší praxi, zpravidla ve svém vlastním sektoru. Tento proces byl popsán
následovně:
•
•
„benchmarking je o srovnávání s ostatními společnostmi a následném poučení se z toho, co
každá z těchto společností dokázala“ (Evropský kodex chování v benchmarkingu)
„benchmarking znamená, že budeme dostatečně pokorní, abychom připustili, že někdo jiný
je v něčem lepší, a budeme také dostatečně moudří, abychom se poučili, jak můžeme být
stejně dobří jako oni nebo dokonce lepší“ (Americké centrum produktivity a kvality).
Benchmarking je účinný nástroj, který pomáhá překonat „slepotu paradigmatu“ (kterou lze
vyjádřit jako „způsob, jakým to děláme, je nejlepší, protože jsme to tak dělali odjakživa“).
Benchmarking je tudíž možné využít k neustálému zlepšování a udržování podnětů a iniciativ
(viz kap. 2.2.1 a 2.5).
Energetický benchmarking pracuje s údaji, které byly shromážděny a analyzovány (viz měření
a monitoring a audit, kap. 2.10 a 2.11). Jsou zavedeny ukazatele energetické účinnosti, které
provozovateli umožňují posuzovat výkon závodu v čase nebo tento výkon porovnávat
s ostatními v témže sektoru. Kapitoly 1.3, 1.4 a 1.5 se zabývají otázkami zavádění a používání
těchto ukazatelů.
Je důležité poznamenat, že kritéria používaná při sběru dat je možné dohledat a pravidelně
aktualizovat.
V některých případech může být významný důvěrný charakter dat (např. tam, kde energie tvoří
velmi významnou součást výrobních nákladů). Je tudíž velmi důležité brát v úvahu názory
120
červen 2008
Kapitola 2
zúčastněných firem a sektorových asociací, aby se zachoval důvěrný charakter firemních dat
i dobrá přijatelnost nástrojů pro uživatele. Důvěrný charakter dat lze chránit:
•
•
•
pomocí dohod
prezentací dat způsobem, který chrání důvěrná data (např. prezentací dat a cílů souhrnně pro
několik závodů nebo produktů)
ponecháním dat k zajištění třetí důvěryhodnou osobou (např. obchodní organizace, vládní
agentura apod.).
Benchmarking se může týkat také procesů a pracovních postupů (viz též Operational
Excellence, kap. 2.5 a níže uvedené Příklady).
Sběr energetických dat by se měl provádět pečlivě. Data by měla být porovnatelná. V některých
případech by data mohla potřebovat úpravu korekčními faktory (normalizaci). Měly by se brát
v úvahu např. vstupní suroviny, stáří zařízení apod. (viz níže o benchmarkingu ve sklářském
průmyslu) a o těchto aspektech by měla existovat vhodná dohoda (na národní nebo mezinárodní
úrovni). Nejvýznamnější příklady by měly zajistit, aby energie byla porovnávána na vhodném
základě, např. na základě primární energie nebo spodní výhřevnosti, viz kap. 1.3, 1.4 a 1.5.
Posuzování lze provádět na základě časových úseků, což
•
•
ilustruje přínos daného opatření (nebo skupiny opatření) dosažený v celkové spotřebě
energie (v rámci firmy, sektoru, regionu apod.)
je jednoduchá metoda, kterou lze aplikovat interně, pokud jsou k dispozici požadovaná
referenční data, a tam, kde je složité stanovit externí referenční body nebo srovnávací
kritéria (benchmarks).
Hlavní nevýhodou srovnání na bázi časových úseků je to, že základní podmínky musejí zůstat
stejné, aby bylo možné provést posouzení energetické účinnosti.
Posouzení je rovněž možné provést oproti teoretické potřebě energie nebo entalpie (viz níže
o benchmarkingu ve sklářském průmyslu). Ta se vypočítá z tepelných energií, energií tání,
kinetických nebo potenciálních energií pro určitý proces. Tyto hodnoty:
•
•
•
tvoří dobrý základ počátečních odhadů
měly by se s příslušnou zkušeností relativně snadno používat
měly by ukázat rozdíl mezi skutečně používanou energií a její teoretickou potřebou (lze to
spojit se srovnáním na bázi časových úseků, což pomůže odhadnout náklady a výnosy
dalších opatření).
Hlavní nevýhodou je, že výpočet nemůže vzít nikdy v úvahu všechny specifické charakteristiky
určité operace.
Účinný nástroj, který pravidelně pomáhá realizovat opatření v oblasti energetické účinnosti.
Nejsou známy.
Provozní údaje
Viz Popis.
Použitelnost
Benchmarking lze snadno využít v jakémkoli závodě, skupině firem, zařízeních nebo
obchodních asociacích. Mohlo by být také užitečné nebo dokonce nutné provést benchmarking
jednotlivých jednotek, procesů nebo médií, jak o tom hovoří kap. 3 (viz též kap. 1.3, 1.4 a 1.5).
červen 2008
121
Kapitola 2
Validovaná data zahrnují ve vertikálních sektorových dokumentech BREF anebo data
verifikovaná třetí stranou.
Období mezi jednotlivými benchmarkingy závisí na každé sektoru a bývají dlouhá (tj. v letech),
protože benchmarkingová data se jen zřídka změní podstatně během krátké doby.
Také je třeba se zabývat otázkami konkurenceschopnosti, včetně problematiky důvěrného
charakteru dat. Např. výsledky benchmarkingu mohou zůstat důvěrné, anebo není možné
benchmarking provádět – např. v případě, kdy v EU nebo ve světě existuje jen jeden závod nebo
velmi malý počet závodů), které vyrábějí tentýž produkt.
Ekonomie
Největší náklady by mohly být na sběr dat. Další náklady však vznikají i při zpracování dat
na širším základě nebo modelování normalizačních dat.
Úspory nákladů.
Příklady
Podrobnosti o těchto benchmarkingových činnostech jsou uvedeny v Příloze 8.
Rakouská energetická agentura (AEA)
Zpráva Rakouské energetické agentury „Energetický benchmarking na úrovni firmy, firemní
zpravodajský deník“ uvádí faktory benchmarkingu, s výjimkou měrné spotřeby energie.
Systém pro malé a střední podniky v Norsku
Norsko má internetový benchmarkingový systém pro malé a střední podniky.
Smlouvy o benchmarkingu, Nizozemsko (podobný systém funguje ve flanderské provincii
v Belgii)
V Nizozemsku existují dlouhodobé smlouvy (dohody) mezi vládou a velkými společnostmi (se
spotřebou více než 0,5 PJ/rok) o benchmarkingu.
Benchmarking ve sklářském průmyslu
Sklářský průmysl zkoumá několik metod, jak zjistit energeticky nejúčinnější operace tavení
skla. Byly publikovány některé výsledky:
• metody nejlepší praxe a aplikace energetických bilancí
• stanovení teoretické potřeby energie nebo entalpie a prakticky nejnižší úrovně spotřeby
energie
• benchmarking konkrétní spotřeby průmyslových sklářských pecí
• vývoj nových tavících a čiřících technik.
Alokace energie/emise CO2 mezi různé produkty ve složitém procesu s následnými kroky,
Francie
Francouzský škrobárenský průmysl vyvinul s pomocí konzultantů metodiku posuzování a
alokací energie v procesech výroby škrobu a podobných derivátů. Tato metodika se využívá k:
• alokaci energie použité při různých krocích procesu a na různé druhy produktů
• alokaci emisí CO2 z různých kroků procesu a na různé druhy produktů
• měření zlepšení v oblasti využívání energií.
Tuto metodiku lze tudíž použít jako nástroj benchmarkingu.
Reference
[10, Layer, 1999, 13, Dijkstra, , 108, Intelligent Energy - Europe, 2005, 127, TWG, , 156,
Beerkens, 2004, 157, Beerkens R.G.C. , 2006, 163, Dow, 2005, 227, TWG]
122
červen 2008
Kapitola 2
2.17
Ostatní nástroje
Ostatní nástroje, které lze využít na úrovni závodu, jsou popsány v Příloze 7.8.
červen 2008
123
Kapitola 3
3 TECHNIKY, KTERÉ JE TŘEBA ZVAŽOVAT PRO DOSAŽENÍ
ENERGETICKÉ ÚČINNOSTI V SYSTÉMECH, PROCESECH
NEBO ČINNOSTECH, KTERÉ VYUŽÍVAJÍ ENERGII
U kapitol 2 a 3 byl zvolen hierarchický přístup:
•
•
Kapitola 2 popisuje techniky, které je třeba zvažovat na úrovni celého závodu,
s potenciálem k dosažení optimální energetické účinnosti
Kapitola 3 uvádí techniky, které je třeba zvažovat na nižších úrovních, primárně
na úrovni systémů (např. stlačený vzduch nebo páru) nebo činností (např. spalování)
využívajících energii, a následně na ještě nižší úrovni, tzn. pro některé komponenty nebo
zařízení (např. motory).
Do těchto dvou kapitol jsou zařazeny systémy managementu, techniky integrované do procesů
a specifická technická opatření. Při hledání optimálního řešení se však tyto tři skupiny naprosto
překrývají. Mnoho příkladů integrovaného přístupu představuje všechny tři skupiny opatření.
Proto je oddělení jednotlivých technik kvůli jejich popisu poněkud složité a trochu nahodilé.
Ani tato kapitola ani kapitola 2 nepřináší vyčerpávající seznam technik a nástrojů. Mohou
existovat nebo se vyvíjet i další techniky, které mohou být v rámci IPPC a BAT stejně
hodnotné. Pro dosažení cílů IPPC mohou být techniky používány samostatně nebo
v kombinacích, a jsou uváděny v obou kapitolách, a dále je podporují informace uvedené
v kapitole 1.
Tam, kde je to možné, byla v této kapitole i v kapitole 2 pro vysvětlení každé techniky použita
standardní struktura, jak ukazuje Tabulka 3.1. Mějte na paměti, že tato struktura byla použita
také při popisu zvažovaných systémů, jako např. energetického managementu (na úrovni
závodu), systémů stlačeného vzduchu (na nižší úrovni), systému spalování apod.
Druh zvažovaných informací
Popis
Druh zařazených informací
Stručné popisy technik energetické účinnosti předkládané spolu
s obrázky, schématy, diagramy apod., které tyto techniky
znázorňují
Dosažené
environmentální Hlavní vlivy na životní prostředí, zejména z hlediska používané
přínosy
energie, ale včetně úspor vody, surovin, nárůstu produkce apod.
spojených s danou technikou
Všechny vedlejší environmentální efekty a nevýhody způsobené
zavedením příslušné techniky. Podrobnosti o environmentálních
problémech techniky ve srovnání s ostatními.
Provozní údaje
Údaje o výkonu v oblasti energie, spotřeby surovin a vody a také
data o emisích a odpadech. Jakékoli další užitečné informace
o tom, jak techniku provozovat, udržovat a řídit, včetně
bezpečnostních aspektů, provozních překážek dané techniky,
kvality výstupu apod.
Použitelnost
Výklad faktorů spojených s aplikací a modernizací techniky (např.
potřebný prostor, specifičnost pro určité procesy, ostatní překážky
nebo nevýhody spojené s technikou apod.)
Ekonomie
Informace o nákladech (investičních a provozních) a navazujících
úsporách energie v EUR, kWh (tepelné energie nebo elektřiny) a
o dalších možných úsporách (např. snížená spotřeba surovin,
poplatky za odpady), také ve vztahu ke kapacitě techniky
Důvody (jiné než IPPC) pro zavedení techniky (legislativa,
dobrovolné závazky, ekonomické důvody)
červen 2008
125
Kapitola 3
Příklady
Odkaz na alespoň jednu situaci, kdy byla technika evidentně
použita
Zdroje informací a literatura obsahující podrobnosti o dané
technice
Reference
tabulka 3-1 Rozdělení informací o systémech a technikách popisovaných v kapitolách 2 a 3
3.1
Spalování
Úvod
Spalování či hoření je složitý sled exotermních chemických reakcí mezi palivem a oxydantem,
které jsou doprovázeny produkcí tepla nebo zároveň tepla a světla buď ve formě žáru nebo
plamene.
Při kompletní spalovací reakci reaguje určitá sloučenina s oxidujícím prvkem a výsledkem jsou
sloučeniny každého prvku v palivu s oxidujícím prvkem. Ve skutečnosti však nejsou spalovací
procesy nikdy dokonalé ani kompletní. Ve spalinách ze spalování uhlíku (spalování uhlí) nebo
sloučenin uhlíku (uhlovodíky, dřevo apod.) je přítomen jak nespálený uhlík (ve formě sazí), tak
i sloučeniny uhlíku (CO a další). Když je také oxydantem vzduch, bude se oxidovat i přítomný
dusík za vzniku oxidů dusíku (NOx), které mají vliv na životní prostředí [122,
Wikipedia_Combustion, 2007].
Spalovací zařízení
Spalovací zařízení popisovaná v této kapitole jsou topná zařízení nebo zařízení, která využívají
spalování paliva (včetně odpadů) k výrobě a přenosu tepla do daného procesu. To zahrnuje
následující aplikace:
•
•
•
Kotle na výrobu páry nebo horké vody (viz též kap. 3.2)
Procesní ohřívače, např. k ohřevu ropy v destilačních jednotkách kvůli dosažení parního
krakování v petrochemických závodech, nebo při reformaci páry ve výrobě vodíku
Pece nebo jednotky, v nichž se tuhé granulované materiály zahřívají při zvýšených
teplotách, aby se vyvolala chemická transformace. Jedná se např. o cementářské pece a pece
k výrobě kovů.
Ve všech těchto aplikacích lze energii řídit pomocí parametrů procesu a také řízením vlastního
procesu spalování. Strategie energetického managementu vztahující se k procesu závisejí
na samotném procesu a jsou zvažovány v příslušných sektorových dokumentech BREF.
Ztráty ve spalovacím procesu
Tepelná energie vznikající při spalování fosilních paliv se přenáší do pracovního média. Ztráty
tepla se dělí na [125, EIPPCB]:
•
•
•
•
•
Ztráty v odcházejícím plynu. Tyto ztráty závisejí na teplotě spalin, směsi se vzduchem,
složení paliva a míře zanesení kotle
Ztráty v nespáleném palivu. Jedná se o chemickou energii, která není konvertována.
Nedokonalé spalování vede k přítomnosti CO a uhlovodíků ve spalinách
Ztráty ve vedení nebo sálání. Při výrobě páry tyto ztráty závisejí hlavně na kvalitě izolace
parního generátoru a parního potrubí
Ztráty v podobě nespáleného materiálu ve zbytcích, včetně ztrát přicházejících od
nespáleného uhlíku v popelu, strusce a popílku z kotlů
Ztráty spojené s odkalováním kotle na výrobu páry
Kromě tepelných ztrát je třeba vzít v úvahu i spotřebu energie potřebné pro provoz pomocných
zařízení (zařízení pro přepravu paliva, uhelné mlýny, čerpadla a ventilátory, systémy
odstraňování popela, čištění vyhřívaných povrchů atd.).
126
červen 2008
Kapitola 3
Volba spalovacích technik
Běžné techniky výroby energie ve velkých spalovacích zařízeních (více než 50 MW tepelné
energie) a s různými palivy (např. biomasa a rašelina, kapalná a plynná paliva) jsou podrobně
popsány v dokumentu BREF LCP (velká spalovací zařízení). Tento dokument uvádí, že
poskytnuté informace platí i pro menší zařízení (protože závod s výkonem nad 50 MW tepelné
energie může zahrnovat více menších jednotek).
Čtenáři bude nápomocná tabulka 3.2, která podává přehled technik z tohoto dokumentu i
dokumentu BREF LCP18, které přispívají k energetické účinnosti při spalování. Abychom se
vyhnuli duplikaci informací, nezabývá se tento dokument již spalovacími technikami
popsanými v BREFu LCP. Čtenářova pozornost je tudíž směrována na BREF LCP, kde jsou
další podrobnosti o těchto technikách. V několika případech však byly do tohoto dokumentu
zařazeny dodatečné informace o technikách popsaných v BREFu LCP. Je třeba připomenout, že
BREF LCP klasifikuje spalovací techniky podle druhu použitého paliva. Použitelnost technik se
může lišit podle dané provozovny.
Předsušení
lignit
Zplyňování uhlí
Techniky pro sektory a navazující činnosti, u nichž není spalování
popsáno ve vertikálním BREFu
Techniky v dok. BREF LCP podle druhu
Techniky v dok. BREF
paliva
ENE, podle kapitol
Podle kapitol v BREF LCP – červenec 2006
v tomto dokumentu
Uhlí a
Biomasa Kapalná
Plynná
lignit
a
paliva
paliva
rašelina
- 4.4.2
4.1.9.1,
4.4.2 a
7.1.2
Sušení - palivo
5.1.2,
5.4.2
5.4.4
5.4.2
7.1.2
5.4.2
5.4.4
Zplyňování
biomasy
Lisování kůry
Expanzní
turbína k
získávání
energie
stlačeného
plynu
Kogenerace
7.1.1,
7.1.2,
7.4.1
7.5.1
4.5.5,
6.1.8
4.2.1,
4.2.1.9,
4.4.3
4.5.4
Moderní
počítačem
řízené
podmínky
spalování
pro
snížení emisí a
pro výkon kotle
Využití tepla
4.4.3
obsaženého ve
5.3.3
5.5.4
5.5.3
4.5.5
6.1.8
6.2.1,
6.2.1.1
6.4.2
6.5.3.1
7.1.6,
7.5.2
7.4.2
7.5.2
Kogenerace (3.4)
18
Odkaz se týká verze BREF LCP z července 2006
červen 2008
127
Kapitola 3
spalinách u
městského
vytápění
Nízký
nadbytečný
vzduch
4.4.3
4.4.6
Snížení teplot 4.4.3
odpadních plynů
128
5.4.7
6.4.2
6.4.5
6.4.2
7.4.3
Snížení hmotnostního toku
spalin snížením
nadbytečného vzduchu
(3.1.3)
Snížení teploty spalin podle
(3.1.1)
• Zvýšení přenosu tepla
do
procesu
buď
zvýšením míry přenosu
tepla nebo zvýšením či
zlepšením
povrchů
přenosu tepla
• Dimenzování na max.
výkon plus vypočtený
bezpečnostní faktor pro
příplatky
• Získávání
tepla
připojením
dalšího
procesu (např. výroba
páry
pomocí
ekonomizéru)
pro
získání odpadního tepla
ze spalin
• Instalace předehřívače
vzduchu nebo vody
(viz
3.1.1)
nebo
předehřívání
paliva
výměnou
tepla
se
spalinami (viz 3.1.1.1).
Procesy
mohou
vyžadovat předehřátí
vzduchu, když je třeba
vysoká teplota plamene
(sklo, cement atd.)
• Čištění
povrchů
přenosu tepla, které se
zanášejí popelem nebo
uhlík. částicemi pro
zachování
vysoké
účinnosti přenosu tepla.
Pravidelně
pracující
systém
odstraňování
sazí může udržet tyto
zóny čisté. Čištění
povrchů, kde dochází
k přenosu tepla, se
v zóně
spalování
provádí
většinou
prostřednictvím
pravidelné kontroly a
odstávky,
ale
v některých případech
(např. v rafinériích) lze
červen 2008
Kapitola 3
čištění
nepřetržitě.
Nízká
4.4.3
koncentrace CO
ve spalinách
Akumulace
tepla
Vypouštění
4.4.3
chladící věže
Různé techniky 4.4.3
pro
chladící
systém
(viz
BREF CV)
Předehřátí
palivového
plynu odpadním
teplem
Předehřátí
vzduchu
spalování
6.4.2
6.4.2
7.4.2
6.4.2
6.4.2
7.4.2
7.4.2
pro
Rekuperační a
regenerační
hořáky
Regulace
a
kontrola hořáku
Volba paliva
Oxy-hoření
(oxy-palivo)
Snížení
ztrát
tepla izolací
Snížení
ztrát
prostřednictvím
dveří pece
Spalování
na 4.1.4.2
fluidním loži
provádět
Snížení
teploty
spalin
(3.1.1)
• Předehřátí
paliva
výměnou
tepla
se
spalinami
(3.1.1).
Procesy
mohou
(sklo, cement atd.)
Snížení
teploty
spalin
(3.1.1)
• Instalace předehřívače
vzduchu
nebo
předehřívání
paliva
výměnou
tepla
se
Procesy
mohou
(sklo, cement atd.)
3.1.2
3.1.4
3.1.5
3.1.6
3.1.7
3.1.8
5.2.3
tabulka 3-2 Přehled spalovacích technik přispívajících ke zlepšení energetické účinnosti v LCP a
ENE
[236, Fernández-Ramos, 2007]
červen 2008
129
Kapitola 3
Otázky týkající se páry jsou podrobně probrány v kap. 3.2, i když částečnému překrytí s touto
kapitolou se nelze vyhnout.
Obecná energetická bilance
Následující informace se týká jak spalování plamenem (pomocí hořáku), tak i spalování ve
fluidním loži. Řeší energetický management pouze na straně spalování, od vstupu paliva
a vzduchu až po výstup spalin z komína.
Obecná energetická bilance spalovacího zařízení pro nízké teploty při procesu je uvedena
na obr. 3.1.
Tok tepla zdmi
HW
Teplo v palivu
Hf
Spalovací
zařízení
Přenos tepla na proces,
HP
Citelné teplo v
odpadních plynech, Hg
Obrázek 3-1: Energetická bilance spalovacího zařízení
[91, CEFIC, 2005]
Vysvětlení různých toků energie
Potenciální teplo přítomné v palivu Hf vychází z jeho hmotnostního toku a jeho výhřevnosti
(množství energie, která se uvolní při spálení konkrétního množství paliva). Výhřevnost
se vyjadřuje v MJ/kg. Horní výhřevnost (higher calorific value – HCV) paliva je celkové teplo
vzniklé poté, co se produkty spalování ochladí na původní teplotu paliva. Hodnota spodní
výhřevnosti (lower combustion value – LCV) je celkové teplo vyprodukované při spalování
mínus energie v neochlazených produktech spalování, včetně nezkondenzované vodní páry.
Hodnota spodní výhřevnosti (LCV) paliva je většinou o 5 – 10 % menší než HCV. Další
vysvětlení a některé typické hodnoty jsou uvedeny v kap. 1.3.6.2.
Teplo přenesené do procesu Hp je energie uvolněná při spalování ze spalovacího systému.
Skládá se z citelného tepla (zvýšení teploty), latentního tepla pro odpařování (pokud je zahřátá
tekutina částečně nebo úplně odpařená) a chemického tepla (pokud dochází k endotermní
chemické reakci).
Tok odpadního tepla ve spalinách Hg se uvolňuje do ovzduší a ztrácí se. Vychází z průtoku
spalin, jejich tepelné kapacity, latentního tepla vody, která se tvoří při spalování a je přítomná
ve spalinách, a jejich teploty. Průtok spalin lze rozdělit na dvě části:
•
•
„Stechiometrický tok“ CO2 a H2O, který je výsledkem spalovacích reakcí s nimi spojeného
dusíku (tento stechiometrický tok je úměrný Hf a
tok přebytečného vzduchu, což je množství vzduchu přivedeného v nadbytku nad
stechiometrické množství, aby se dosáhlo dokonalého spalování. Existuje přímý vztah mezi
nadbytkem vzduchu a koncentrací kyslíku ve spalinách.
Tok tepla skrze stěny Hw je energie, která se ztratí do okolního ovzduší přenosem tepla
z vnějšího povrchu pece či kotle do okolního vzduchu. Ostatní ztráty tepla se dohromady
nazývají ΣHl a zahrnují:
•
nezoxidované nebo částečně zoxidované zbytky, jako je uhlík, CO atd.
•
obsah tepla v tuhých zbytcích (popelu).
130
červen 2008
Kapitola 3
Uchování energie je v zásadě dáno vztahem:
Hf +Ha = Hp + Hg + Hw+Σ H l
Jedná se o všeobecně použitelnou bilanci, kterou lze případ od případu upravovat o Ha a Σ H l:
•
v závislosti na konfiguraci by se musely do bilance zařadit i další toky energie. Je tomu
tak tehdy, když jsou z pece vyňaty nebo do ní přidány jiné materiály, např.
o horký popel při spalování uhlí,
o když se do spalovací komory vstřikuje voda za účelem řízení emisí, anebo
o když je nutné vzít v úvahu obsah energie ve spalovacím vzduchu
•
tato bilance předpokládá, že spalování je úplné – je to odůvodnitelné, pokud se nespálené
složky jako oxid uhelnatý a uhelné částice vyskytují ve spalinách jen v malých
množstvích, což platí pro případy, kdy zařízení splňuje emisní limity19.
Energetická účinnost spalovacího zařízení
Energetická účinnost spalovacího zařízení je v zásadě dána poměrem energie uvolněné při
spalovacím procesu ku vstupu energie v palivu:
η=
Hp
Hf
nebo v kombinaci s rovnicí:
η = 1−
Hg + Hw
Hf
Lze využít oba vzorce, ale bývá praktičtější použít vzorec druhý, který ukazuje množství
ztracené energie, tedy prostor, kde lze dosáhnout úspor. Strategie v oblasti energetické účinnosti
vycházejí ze snížení toků tepla, které se ztrácejí skrze stěny nebo ve spalinách.
Dalším přínosem spojeným se zvýšením účinnosti spalovacího zařízení (pokud dojde ke snížení
spotřeby paliva) je snížení emisí CO2. V takovém případě se CO2 sníží úměrně k obsahu uhlíku
v ušetřeném palivu. Zvýšení energetické účinnosti lze však také využít ke zvýšení energie
uvolněné ze spalovacího procesu při zachování stejného průtoku paliva (vyšší Hp při stejném Hf
v rovnici 3.2). Může se tím zvýšit kapacita výrobní jednotky a zároveň zlepšit energetická
účinnost. V takovém případě dojde ke snížení měrných emisí CO2 (tj. emisí na jednotku
produkce), ale nedojde k jejich snížení v absolutních hodnotách (viz kap. 1.4.1).
Hodnoty energetické účinnosti a výpočty pro různé spalovací procesy lze najít v sektorových
dokumentech BREF a v dalších zdrojích. Např. EN 12952-15 o výpočtu energetické účinnosti
trubkových parních kotlů a přídavných zařízení, nebo EN 12953-11 o válcových kotlích.
3.1.1
Snížení teploty spalin
Popis
Jednou z možností, jak snížit možné tepelné ztráty ze spalovacího procesu, je snížení teploty
spalin, které opouštějí komín. Tohoto snížení lze dosáhnout:
19
U elektráren na práškové uhlí se podíl nespáleného uhlíku v popílku za normálních podmínek pohybuje
pod 5%.
červen 2008
131
Kapitola 3
•
•
•
•
•
•
Zvýšením přenosu tepla do procesu, buď zvýšením intenzity přenosu tepla (instalací
turbulátorů nebo jiného zařízení, které posiluje turbulenci tekutin, které se účastní výměny
tepla), anebo zvýšením či zlepšením povrchů pro přenos tepla
Získáváním odpadního tepla ze spalin připojením dalšího procesu (např. výroby páry
pomocí speciálního zařízení na ohřev vody odpadním teplem, viz kap. 3.2.5)
Instalací předehřívače vzduchu/vody nebo předehříváním paliva výměnou tepla ze spalin
(viz kap. 3.1.1.1). Je třeba mít na paměti, že tento proces by mohl vyžadovat předehřátí
vzduchu, je-li třeba vysoká teplota plamene (sklo, cement apod.). předehřátou vodu lze
použít jako napájecí vodu do kotle nebo v systémech horké vody (např. lokální systémy)
Vyčištěním povrchů, kde dochází k přenosu tepla a které stále více zanášejí popelem nebo
uhelnými částicemi, a udržovat tak vysokou účinnost přenosu tepla. Periodicky zapínané
zařízení na odstraňování sazí může udržet konvekční zóny čisté. Čištění povrchů, kde
dochází k přenosu tepla, se v zóně spalování provádí většinou prostřednictvím pravidelné
kontroly a odstávky, ale v některých případech (např. v rafinériích) lze čištění provádět
nepřetržitě.
Zajištěním toho, aby výstup ze spalování přesně odpovídal požadavkům na teplo (ani je
nepřevyšoval). To lze realizovat např. snížením tepelného výkonu hořáku tím, že se sníží
průtok paliva, např. instalací trysky s nižším výkonem u kapalných paliv, anebo snížením
přívodního tlaku u plynných paliv.
Dimenzováním na max. výkon plus vypočtený bezpečnostní faktor pro příplatky
Úspory energie.
Snížení teploty spalin může být v některých případech v rozporu s kvalitou ovzduší, např.:
•
•
•
Předehřívání vzduchu pro spalování vede k vyšší teplotě plamene, v důsledku čehož
se zvyšuje tvorba NOx a jejich výsledná hodnota může být vyšší než emisní limit.
Modernizace stávajícího spalovacího zařízení tak, aby se mohl předhřívat vzduch, může být
někdy těžko obhájitelná kvůli požadavkům na prostor, instalaci dalších ventilátorů
a zavedení procesu odstraňování NOx v případě, že by jejich obsah převyšoval emisní limit.
Také je třeba připomenout, že proces odstraňování NOx na bázi amoniaku nebo močoviny
vede k potenciálnímu úniku amoniaku ve spalinách, což lze řídit pouze pomocí drahého
čidla a řídící smyčky a v případě velkého kolísání zatížení by se musel připojit složitý
injektážní systém (např. se dvěma rampami na různých úrovních) pro zavádění činidla,
které redukuje NOx, vždy ve správné teplotní zóně
Systémy čištění plynů, např. systémy na odstraňování SOx nebo NOx, fungují v daném
rozpětí teplot. Pokud je nutné je instalovat kvůli splnění emisních limitů, stane
se uspořádání systému čištění plynů a získávání tepla komplikovanějším a bývá složité ho
obhájit z ekonomického hlediska
V některých případech vyžadují místní orgány minimální teplotu u komína, aby se zajistilo
řádné rozptýlení spalin a předcházelo se tvorbě vlečky. Tato praxe se často dělá kvůli
zachování dobré image směrem k veřejnosti. Vlečka vycházející z továrního komína může
veřejnosti signalizovat, že továrna vypouští škodliviny. Naopak absence vlečky naznačuje
čistý provoz a za určitých povětrnostních podmínek některé závody (např. spalovny
odpadů) opětovně zahřívají spaliny zemním plynem předtím, než je uvolní z komína. Jedná
se však o plýtvání energií.
Provozní údaje
Čím nižší je teplota spalin, tím lepší je energetická účinnost. Mohou se však vyskytnout určité
nedostatky, pokud je tato teplota snížena pod určitou úroveň. Zejména při provozu pod rosným
bodem kyselin (tj. teplota, pod kterou dochází ke kondenzaci vody a kyseliny sírové, zpravidla
při 110 až 170 oC, v závislosti na obsahu síry v palivu) může docházet k poškození kovových
povrchů. Lze použít materiály odolné proti korozi, které jsou k dispozici pro jednotky na olej
a plyn – i když bude možná nutné provádět sběr a zpracování kyselinového kondenzátu.
132
červen 2008
Kapitola 3
Použitelnost
Výše popsané strategie (kromě periodického čištění) vyžadují další investice a je nejlepší je
aplikovat již při projektování a stavbě daného zařízení. Je však možná i modernizace stávajícího
zařízení (je-li k dispozici dostatek prostoru) a náklady vynaložené navíc se většinou vrátí již za
krátkou dobu.
Některé aplikace mohou být limitovány rozdílem mezi vstupní teplotou procesu a výstupní
teplotou spalin. Kvantitativní hodnota rozdílu je výsledkem kompromisu mezi získáváním
energie a náklady na zařízení.
Získávání tepla vždy záleží na tom, jestli pro něj existuje vhodné využití (viz kap. 3.3).
Ekonomie
Doba návratnosti pohybuje do pěti let, ale také až do 50 let, v závislosti na mnoha parametrech,
např. velikosti zařízení a teplotách spalin.
Zvýšená účinnost procesu tam, kde je přímé vyhřívání (např. sklo, cement).
Příklady
Technika má široké uplatnění.
Reference
[17, Åsbland, 2005, 26, Neisecke, 2003, 122, Wikipedia_Combustion, 2007, 125, EIPPCB]
3.1.1.1
Instalace zařízení na předehřívání vzduchu nebo vody
Popis
Kromě ekonomizéru (kap. 3.2.5) lze instalovat také předehřívač vzduchu (výměník tepla na bázi
vzduch-vzduch). Předehřívač vzduchu (air preheater APH) ohřívá vzduch, který přichází do
hořáku. To znamená, že spaliny lze ochladit dokonce ještě víc, protože vzduch má zpravidla
teplotu svého okolí. Vyšší teplota vzduchu zlepšuje spalování a celková účinnost kotle
se zvyšuje. Obecně lze říci, že na každé snížení teploty spalin o 20 oC lze dosáhnout zvýšení
energetické účinnosti o 1 %. Schéma spalovacího systému s předehříváním vzduchu se na obr.
3.2.
Venkovní vzduch
Odpadní plyn
Předehřívač
vzduchu
Kotel
Nosič energie
Obrázek 3-2: Schéma spalovacího systému s předehřívačem vzduchu
[28, Berger, 2005]
Méně účinným, ale jednodušším způsobem předehřívání by mohla být instalace přívodu
vzduchu do hořáku od stropu kotelny. Vzduch je zde často o 10 – 20 oC teplejší ve srovnání
s venkovní teplotou. Mohou se tím částečně kompenzovat ztráty účinnosti.
červen 2008
133
Kapitola 3
Dalším řešením je přivádět vzduch do hořáku potrubím s dvojitou stěnou. Spaliny odcházejí
z kotelny vnitřní trubkou a vzduch přiváděný do kotle proudí pod druhou vrstvou. Tím
se vzduch předehřívá ztrátami tepla ze spalin.
Alternativou může být instalace výměníku tepla typu vzduch-voda.
V praxi může technika APH zvýšit účinnost o 3 – 5 %.
Dalšími přínosy APH může být:
•
•
•
Horký vzduch lze využít k sušení paliva. Obzvláště dobře lze tento postup uplatnit v případě
uhlí nebo organického paliva
Lze použít menší kotel, pokud se APH vezme v úvahu již ve fázi projektování.
Využití k předehřívání surovin.
S technikou APH jsou však spojeny určité praktické nevýhody, které často maří instalaci:
•
•
•
•
APH je výměník tepla mezi dvěma plyny a proto zabírá hodně místa. Výměna tepla také
není tak účinná, jako při výměně mezi plynem a vodou
Vyšší pokles tlaku spalin znamená, že ventilátor hořáku musí vyvinout vyšší tlak
Hořák musí zajistit, aby byl systém zásobován předehřátým vzduchem. Ohřátý vzduch
zabírá větší objem. To také představuje větší problém se stabilitou plamene
Vyšší emise NOx kvůli vyšším teplotám plamene.
Provozní údaje
Přívod ohřátého vzduchu do hořáku má vliv na množství ztrát ze spalin v kotli.
Procento ztrát ze spalin se zpravidla určuje pomocí Siegertova vzorce:
Hg
Tgas - Tair
WL = ---------- = c . --------------% CO2
Hf
kde:
• WL ztráty ze spalin, v % hodnoty hoření (%)
• c
Siegertův koeficient
• Tgas
měřená teplota spalin (°C)
• Tair
teplota dodávaného vzduchu
měřená koncentrace CO2 ve spalinách vyjádřená v procentech.
• % CO2
Siegertův koeficient závisí na teplotě spalin, koncentraci CO2 a druhu paliva. Jeho různé hodnoty
jsou uvedeny v tabulce 3.3.
Druh paliva
Siegertův koeficient
Antracit
Těžké palivo
Benzín
Zemní plyn (LCV)
Zemní plyn (HCV)
0,6459 + 0,0000220 x tgas + 0,00473 x CO2
0,5374 + 0,0000181 x tgas + 0,00717 x CO2
0,5076 + 0,0000171 x tgas + 0,00774 x CO2
0,385+ 0,00870 x CO2
0,390+ 0,00860 x CO2
tabulka 3-3 Výpočet Siegertova koeficientu pro různé druhy paliva
[29, Maes, 2005]
134
červen 2008
Kapitola 3
Příklad: parní kotel na vysoce kvalitní zemné plyn má tyto data pro spaliny: tgas = 240 oC a CO2
= 9.8 %. Přívod vzduchu je upraven a nasává se teplejší vzduch blízko stropu kotelny. Dříve
se používal vzduch mající venkovní teplotu.
Průměrná venkovní teplota je 10 oC, přičemž průměrná roční teplota vzduchu v blízkosti stropu
kotelny je 30 oC.
Siegertův koeficient je v tomto případě 0,390 + 0,00860 x 9,8 = 0,4743.
Před zásahem byla ztráta ze spalin:
WR = 0.4743 ×
240 − 10
= 11,1 %
9 .8
Po zásahu vypadá situace takto:
WR = 0.4743 ×
240 − 30
= 10,2 %
9 .8
Odpovídá to zvýšení účinnosti o 0,9 % a lze toho dosáhnout jednoduše, např. přemístěním
přívodu vzduchu.
Použitelnost
Instalace předehřívače vzduchu je nákladově účinná pro nový kotel. Změna v přívodu vzduchu
nebo instalace APH jsou často omezené z technických důvodů nebo kvůli požární bezpečnosti.
Připojení APH ve stávajícím kotli je často příliš složité a má omezenou účinnost.
Předehřívače vzduchu jsou výměníky tepla na bázi plyn-plyn, jejichž design závisí na rozpětí
teplot. Předehřívání vzduchu není možné u hořáků s přirozeným tahem komína.
Předehřátou vodu lze použít pro napájení kotle nebo do systémů horké vody (např. lokální
zásobování).
Ekonomie
V praxi se možné úspory spojené s předehříváním vzduchu pro spalování pohybují kolem
několika procent vyrobeného objemu páry, jak ukazuje tabulka 3.4. Úspory energie mohou být
tudíž i u malých kotlů v rozsahu několika GWh ročně. Např. u kotle (15 MW) lze dosáhnout
úspor přibližně 2 GWh/rok, asi 30.000 EUR/rok a asi 400 t CO2/rok.
Úspory energie
Snížení CO2
Úspory v EUR
Roční
provoz
v hodinách
Jednotka
Hodnota
MWh/rok
t/rok
EUR/rok
Několik tisíc
Několik stovek
Desítky tisíc
h/rok
8700
tabulka 3-4 Možné úspory spojené s předehříváním vzduchu pro spalování
[28, Berger, 2005]
Vyšší energetická účinnost procesů.
Příklady
Široké použití
Reference
[29, Maes, 2005], [16, CIPEC, 2002]
červen 2008
135
Kapitola 3
3.1.2
Rekuperační a regenerační hořáky
Jedním z největších problémů průmyslových tepelných procesů v pecích jsou ztráty energie. U
konvenční technologie se asi 70 % vstupujícího tepla ztrácí ve spalinách při teplotě asi 1300 oC.
Opatření na úspory energie tak hrají důležitou roli, zejména u vysokoteplotních procesů (teploty
od 400 do 1600 oC).
Popis
Byly proto vyvinuty rekuperační a regenerační hořáky, u nichž se přímo získává odpadní teplo a
zároveň se předehřívá vzduch pro spalování. Rekuperátor je výměník tepla, který odebírá teplo
z odpadních plynů z pece a tímto teplem předehřívá vzduch vstupující do spalování. Ve
srovnání se systémy používajícími studený vzduch mohou rekuperátory dosahovat úspor
energie kolem 30 %. Vzduch však běžně předehřejí maximálně na 550 – 600 oC. rekuperační
hořáky lze používat ve vysokoteplotních procesech (700 – 1100 oC).
Regenerační hořáky fungují v páru a pracují na principu krátkodobého uchování tepla pomocí
keramických tepelných regenerátorů, viz obr. 3.3. Ty získají 85 – 90 % tepla ze spalin
odcházejících z pece. Vzduch vstupující do spalování se tak může předehřívat na velmi vysokou
teplotu, tj. teplotu o 100 – 150 oC nižší, než je provozní teplota pece. Teploty aplikace se
pohybují mezi 800 a 1500 oC. spotřebu paliva lze snížit až o 60 %.
Obrázek 3-3: Princip fungování regeneračních hořáků
[17, Åsbland, 2005]
Rekuperační a regenerační hořáky (technologie HiTAC) jsou realizovány v rámci nového
režimu spalování s homogenní teplotou plamene (bezplamenné spalování, viz kap. 5.1), bez
teplotních špiček konvenčního plamene, v podstatně rozšířené spalovací zóně. Obr. 3.4 ukazuje
různé oblasti spalování při kolísajících koncentracích kyslíku a teplotě vzduchu.
136
červen 2008
Kapitola 3
Obrázek 3-4: Různé oblasti spalování
[17, Åsbland, 2005]
Úspory energie.
Významným omezením současné technologie rekuperativních a regeneračních hořáků je rozpor
mezi technologiemi navrženými ke snižování emisí a zaměřením na energetickou účinnost.
Tvorba NOx u paliv, která neobsahují dusík, je v zásadě funkcí teploty, koncentrace kyslíku a
doby zdržení. Kvůli vysokým teplotám předehřátého vzduchu a době zdržení mají konvenční
plameny vysoké špičkové teploty, což vede velkému nárůstu emisí NOx.
Provozní údaje
V průmyslové peci je možné pomocí vysoce účinného výměníku tepla dosáhnout teploty
spalovacího vzduchu 800 – 1350 oC. Např. moderní regenerační výměník tepla zapnutý na
vysoký cyklus může získat až 90 % odpadního tepla. Dosáhne se tedy značných úspor energie.
Použitelnost
Široké použití.
Ekonomie
Překážkou na cestě využití těchto hořáků jsou investiční náklady. Nižší náklady na energie
mohou samy o sobě jen zřídka kompenzovat vysoké investiční náklady. Důležitými faktory,
které je třeba zahrnout do analýzy vynaložených nákladů a výsledného zisku, jsou tudíž vyšší
produktivita v peci a nižší emise oxidů dusíku.
červen 2008
137
Kapitola 3
Vyšší produktivita v peci a nižší emise oxidů dusíku jsou významné faktory.
Příklady
Široké použití.
Reference
[220, Blasiak W., 2004, 221, Yang W., 25 May 2005,, 222, Yang W., 2005, 223, Rafidi N.,
2005, 224, Mörtberg M., 2005, 225, Rafidi N., June 2005, 226, CADDET, 2003, March]
3.1.3
Snížení hmotnostního toku spalin prostřednictvím snížení
přebytečného vzduchu
Popis
Přebytečný vzduch lze minimalizovat nastavením průtoku vzduchu průtoku paliva. Automatické
měření obsahu kyslíku ve spalinách při řízení přebytečného vzduchu velmi pomůže. V závislosti
na tom, jak rychle kolísá poptávka procesu po teple, může se manuálně nastavovat nebo
automaticky řídit i přebytečný vzduch. Příliš nízká hladina kyslíku způsobuje hasnutí plamene,
pak opětovné zapalování a opačný účinek mohou poškodit zařízení. Z důvodů bezpečnosti by
zde měl vždy být přítomný nějaký přebytečný vzduch (zpravidla 1 – 2 % pro plyn a 10 % pro
kapalná paliva).
Úspory energie.
Sníží se přebytečný vzduch, mohou se tvořit nespálené složky, jako jsou uhelné částice, oxid
uhelnatý a uhlovodíky, a může docházet k překračování jejich emisních limitů. Omezuje to
energetickou účinnost dosaženou snížením přebytečného vzduchu. V praxi se přebytečný
vzduch nastavuje podle hodnot, kdy jsou emise pod svými limity.
Provozní údaje
Snížení nadbytečného vzduchu je omezené vzhledem k souvisejícímu zvýšení teploty surového
plynu; extrémně vysoké teploty mohou poškodit celý systém.
Použitelnost
Minimální přebytečný vzduch, kterého lze dosáhnout pro udržení emisí v rámci limitů, závisí
na hořáku a také na procesu.
Je třeba připomenout, že přebytečný vzduch se zvyšuje při pálení tuhých odpadů. Spalovny
odpadů jsou však konstruovány tak, aby poskytovaly služby v oblasti spalování odpadů a tudíž
jsou optimalizovány a odpad používaný jako palivo.
Ekonomie
Volba paliv často vychází z nákladů a může ji také ovlivňovat legislativa a předpisy.
Dosahuje vyšší teploty procesu, zejména při přímém pálení.
Příklady
Některé cementárny a vápenky a zařízení na přeměnu odpadu v energii.
Reference
[91, CEFIC, 2005, 125, EIPPCB]][126, EIPPCB]
138
červen 2008
Kapitola 3
3.1.4
Regulace a řízení hořáků
Popis
Automatickou regulaci a řízení hořáků lze využít k řízení spalování , a to pomocí monitoringu a
řízení toku paliva, toku vzduchu, obsahu kyslíku ve spalinách a poptávky po teple. Viz též kap.
2.10, 2.15.2 a 3.1.3.
Úspor energie se dosahuje snížením toku nadměrného vzduchu a optimalizací využití paliva
s cílem celkově optimalizovat spalování a dodávat pouze teplo, které vyžaduje daný proces.
Techniku lze také využít k minimalizaci tvorby NOx ve spalovacím procesu.
Provozní údaje
Proběhne počáteční zajetí systému, kdy bude docházet k pravidelným rekalibracím
automatického řízení.
Použitelnost
Široké využití.
Ekonomie
Nákladově účinná technika, období návratnosti závisí na jednotlivém podniku.
Úspory nákladů na paliva.
Příklady
Nebyla poskytnuta data.
Reference
[227, TWG]
3.1.5
Volba paliva
Popis
Druh paliva zvoleného pro spalovací proces ovlivňuje množství tepelné energie dodávané na
jednotku použitého paliva (viz Úvod do kapitoly 3.1 a kap. 1.3.6.2). Požadovaný poměr
přebytečného vzduchu (viz kap. 3.1.3) závisí na použitém palivu a tato závislost roste pro tuhá
paliva. Volba paliva je tudíž příležitostí ke snížení přebytečného vzduchu a zvýšení energetické
účinnosti spalovacího procesu. Obecně platí, že čím vyšší je výhřevnost paliva, tím účinnější je
spalovací proces.
Úspor energie se dosahuje snížením toku nadměrného vzduchu a optimalizací využití paliva.
Některá paliva produkují při spalování méně znečišťujících látek, záleží to na zdroji (např.
zemní plyn obsahuje velmi málo síry , která by mohla oxidovat na SOx, žádné kovy apod.).
V různých vertikálních sektorových dokumentech BREF existují informace o těchto emisích a
přínosech tam, kde byl prokázán výrazný vliv na emise.
Rozhodnutí o využití paliva s nižší výhřevností mohou ovlivnit další environmentální faktory,
např. (viz kap. 1.1.3):
•
Palivo z obnovitelného zdroje
červen 2008
139
Kapitola 3
•
Získávání tepelné energie z odpadních plynů, odpadních kapalin nebo tuhých odpadů,
které se používají jako palivo
Minimalizaci ostatních vlivů na životní prostředí, např. dopravy.
•
S různými palivy jsou spojeny různé emise, např. částice, SOx, kovy jsou spojeny s uhlím.
V různých vertikálních sektorových dokumentech BREF existují informace o těchto emisích a
přínosech tam, kde byl prokázán výrazný vliv volby paliva na emise.
Provozní údaje
Nebyly poskytnuty.
Použitelnost
Široce použitelná technika při volbě projektu pro nové nebo modernizované podniky.
U stávajících podniků bude volba paliva omezena projektem spalovacího zařízení (tj. zařízení
na uhlí nelze snadno přeměnit na spalování zemního plynu). Může být také omezena základním
podnikáním podniku, kdy se např. jedná o spalovnu odpadů.
Volbu paliva může také ovlivňovat legislativa nebo předpisy, včetně místních a přeshraničních
environmentálních požadavků.
Ekonomie
Volba paliva je především záležitostí nákladů.
•
Účinnost spalovacího procesu
•
Snížení ostatních vypouštěných znečišťujících látek.
Příklady
•
Odpady spalované jako služba v zařízeních na přeměnu odpadů v energii (waste-toenergy) (spalovny odpadů se získáváním tepla)
•
Odpady spalované v cementářských pecích
•
Spalované odpadní plyny, např. uhlovodíkové plyny v rafinérii nebo CO ve zpracování
neželezných kovů
•
Teplo z biomasy a/nebo elektráren.
Reference
[227, TWG]
3.1.6
Oxy-hoření (oxypalivo)
Popis
Místo okolního vzduchu se použije kyslík. Kyslík se buď získává ze vzduchu přímo na místě,
nebo se většinou kupuje ve velkém.
Jeho využití má různé přínosy:
•
•
•
140
Vyšší obsah kyslíku vede ke zvýšení teploty spalování, nárůstu přenosu energie do procesu,
což pomáhá snižovat množství nespáleného paliva, čímž se také zvyšuje energetická
účinnost a snižují se emise NOx
Protože vzduch obsahuje asi 80 % dusíku, snižuje se podle toho i hmotnostní tok plynů a
dochází tak i ke snížení hmotnostního toku spalin
Snížené emise NOx, protože množství dusíku na hořácích se podstatně snížilo.
červen 2008
Kapitola 3
•
•
•
Snížení hmotnostního toku spalin může také vést k menším systémům na zpracování
odpadních plynů a následným požadavkům na energie
Tam, kde se kyslík produkuje na místě, lze použít separovaný dusík, např. při míchání
a/nebo přípravě inertní atmosféry v pecích, kde může dojít k reakci v oxidačním prostředí
(např. pyroforické reakce v průmyslu neželezných kovů).
Budoucím přínosem může být snížení množství plynů (a vysoké koncentrace CO2), což
může usnadnit záchyt CO2 a snížit potřebu energie na tento proces.
Energetické požadavky na zakoncentrování kyslíku ze vzduchu jsou značné a měly by
se zahrnout do všech energetických výpočtů (viz kap. 1.3.6.1).
Ve sklářství existuje velká rozmanitost výrobních kapacit v tavení skla, druhů skla a druhů
používaných pecí. V několika případech přechod na kyslíkové hoření (např. ve srovnání
s rekuperačními pecemi, s relativně malými pecemi a u speciálního skla) velmi často zlepší
celkovou energetickou účinnost (bereme-li v úvahu ekvivalent primární energie nutné na výrobu
kyslíku). V ostatních případech je však spotřeba energie na výrobu kyslíku stejně vysoká nebo
dokonce vyšší než energie uspořená. To je zejména tehdy, když se srovnává celková energetická
účinnost kyslíkových sklářských pecí s velkovýrobou skleněných nádob v regeneračních
sklářských pecích se spalováním v otvoru. Nicméně se očekává, že další vývoj sklářských pecí
spalujících kyslík zlepší v blízké budoucnosti jejich energetickou účinnost. Úspory energie ne
vždy vyváží náklady na nákup kyslíku.
Provozní údaje
Při manipulaci s kyslíkem je třeba dodržovat zvláštní bezpečnostní předpisy kvůli většímu
riziku exploze při používání čistého kyslíku ve srovnání se vzduchem.
Zvláštní opatrnosti je třeba dbát při manipulaci s kyslíkem při velmi nízkých teplotách, protože
kyslíkové potrubí může fungovat při velmi nízkých teplotách.
Použitelnost
V současnosti ve hojně používá ve všech sektorech. Ve sklářství se výrobci snaží řídit teplotu ve
spalovacím prostoru sklářské pece na úrovni přijatelné pro aplikované refrakční materiály a na
úrovni nezbytné pro tavení skla požadované kvality. Přechod na kyslíkové hoření obvykle
neznamená zvýšené teploty pece, ale může zlepšit přenos tepla. V případě oxy-hoření je třeba
teploty pece řídit přesněji, ale jinak nejsou vyšší než u pecí používajících vzduch (vyšší mohou
být jen teploty jádra plamene).
Ekonomie
Ceny za nakupovaný kyslík jsou vysoké, podobně je tomu i v případě, kdy má vlastní produkce
vysoké požadavky na elektřinu. Investice do jednotky separace vzduchu je podstatná a bude do
značné míry určovat případnou nákladovou účinnost spalování kyslíku.
Snížené toky odpadních plynů povedou k požadavku na menší systémy zpracování odpadních
plynů, např. na odstranění NOx. to však platí pouze pro nová zařízení nebo tam, kde se má
zpracování odpadních plynů nově instalovat nebo vyměnit.
Příklady
Používá se ve sklářském a kovozpracujícím průmyslu (v Polsku spolu s využitím dusíku).
Reference
[157, Beerkens R.G.C. , 2006]
červen 2008
141
Kapitola 3
3.1.7
Snížení ztrát tepla pomocí izolace
Popis
Ztráty tepla skrze stěny spalovacího systému se určují z průměru potrubí a tloušťky izolace.
V každém, konkrétním případě by se měla zjišťovat optimální tloušťka izolace, která vyvažuje
spotřebu energie a ekonomické ukazatele.
Účinné tepelné izolace, která udrží ztráty tepla skrze stěny na minimu, se dosáhne zpravidla ve
fázi spouštění daného zařízení. Izolační materiál se však může v průběhu času poškozovat a je
nutné ho po kontrole v rámci programu údržby vyměnit. Některé techniky, které využívají
infračervené zobrazení, jsou vhodné i pro zjišťování oblastí s porušenou izolací zvenku, tj.
v době provozu spalovacího zařízení, a díky tomu je možné připravit plán oprav během
odstávky.
Energetické úspory.
Využití izolačního materiálu.
Provozní údaje
Pravidelná údržba a periodické řízení jsou důležité pro zjištění skrytých úniků ze systému (pod
izolací). U systémů s negativním tlakem může únik způsobit zvýšení množství plynu v systému
a následně i vyšší spotřebu energie na pohon ventilátorů.
Neizolované části systému mohou navíc způsobit zranění provozovatelů tam, kde:
•
Je riziko kontaktu
•
Teploty přesahují 50 oC.
Použitelnost
Ve všech případech.
Ekonomie
Nízké náklady, zejména pokud se provádí při odstávce. Oprava izolace se může provádět během
plánovaných akcí.
Udržení teploty procesu.
Příklady
Opravy izolace se provádějí např. v ocelářském nebo sklářském průmyslu.
Reference
[91, CEFIC, 2005]
3.1.8
Snížení ztrát prostřednictvím dveří pece
Popis
Ke ztrátám tepla zářením může také docházet při otevírání pece v rámci nakládky a vykládky
materiálů. Obzvláště významné je to u pecí pracujících při teplotě vyšší než 500 oC. Otevírání se
týká komínů pece, průzorů používaných k vizuální kontrole procesu, dveří pootevřených
v případě předimenzování, vykládky a nakládky materiálů a/nebo paliv apod.
142
červen 2008
Kapitola 3
Provozní údaje
Ztráty jsou velmi zřejmé při pohledu infračervenou kamerou. Zlepšením designu lze docílit
minimalizace ztrát dveřmi a průzory.
Použitelnost
Ekonomie
Příklady
Reference
[127, TWG, , 271, US_DOE, 2004]
3.2
Parní systémy
3.2.1
Obecné vlastnosti páry
Popis
Pára je jedním z možných nositelů energie v systémech vytápění na bázi kapalin a plynů.
Dalšími známými nositeli energie je voda a tepelný olej. Vodu lze použít tam, kde požadované
teploty nepřesahují 100 oC, a tlakovou vodu (aby se předešlo varu) lze použít i při teplotách nad
100 oC, v některých případech dokonce nad 180 oC. Tepelné oleje mají vyšší bod varu a byly
vyvinuty tak, aby měly i delší životnost. Zpravidla však mají nižší tepelnou kapacitu a
koeficienty přestupu tepla než pára. Pára má různé výhody, které jsou popsány níže, včetně
využití v mnoha přímých kontaktních aplikacích.
Tyto výhody zahrnují nízkou toxicitu, bezpečné používání s hořlavými nebo výbušnými
materiály, je snadno transportovatelná, má vysokou účinnost, vysokou tepelnou kapacitu a nízké
náklady ve srovnání s tepelnými oleji. Pára má na jednotku hmotnosti značné množství energie
(2300 – 2900 KJ/kg), kterou lze přeměnit v mechanickou práci pomocí turbíny, nebo lze její
teplo využít v některém procesu. Protože většina tepla obsaženého v páře je zde uchována ve
formě latentního tepla, lze při konstantní teplotě účinně převést velké množství tepla, což je
užitečný atribut v mnoha procesech a aplikacích (viz kap. 1.2.2.4). O páře také podrobně
pojednává dokument BREF LCP.
Přechod z vody na páru vyžaduje velké množství energie, která je uchována v latentní formě. To
umožňuje dosáhnout při použití páry ve srovnání s ostatními topnými kapalinami nemalého
přenosu tepla na malé ploše povrchu:
•
•
•
voda
olej
pára
4000 W/m2 °C
1500 W/m2 °C
>10000 W/m2 oC.
U dvoufázového rozhraní systému vody (kapalina – plyn), který ve fázovém diagramu na obr.
1.5 představuje přímá čára, souvisí tlak páry přímo s teplotou. Teplotu lze snadno přizpůsobovat
úpravou tlaku. Práce při vysokém nebo nízkém tlaku má na zařízení různý vliv (viz Provozní
červen 2008
143
Kapitola 3
údaje). Tlak páry v zařízení je tudíž třeba pečlivě zvažovat, aby se dosáhlo optimálního stavu
mezi spolehlivostí a energetickou účinností.
Mnoho výhod, které jsou s párou spojeny, se odráží ve značném množství energie, kterou
průmysl využívá k její výrobě. Např. v roce 1994 bylo v průmyslu v EU-15 využito asi 5988 PJ
energie z páry, což představovalo asi 34 % celkové energie použité ve výrobních průmyslových
aplikacích. Některé příklady energie použité k výrobě páry v různých průmyslových odvětvích
jsou uvedeny v Tabulce 3.5.
Průmysl
Energie k výrobě páry
(PJ)
Procento z celkové energie
použité v tomto odvětví
2318
1957
1449
83 %
57 %
42 %
Papír a celulóza
Chemické látky
Rafinérie ropy
tabulka 3-5 Využití páry v některých průmyslových odvětvích
Samotná pára je netoxická.
• výroba páry má obvyklé emise ze spalování
• tam, kde se čistí voda z kotle, jsou emise chemických látek z čištění nebo deionizační látky
• odpadní pára nebo horký kondenzát mohou zvýšit teplotu v recipientu nebo kanalizaci.
Provozní údaje
Parní systém tvoří čtyři separátní komponenty: výrobní zařízení (kotel), distribuční systém
(parní síť, tj. pára a vracející se kondenzát), spotřebitel nebo koncový uživatel (tj. zařízení nebo
proces využívající páru, resp. teplo) a systém získávání kondenzátu. Účinná výroba tepla,
distribuce, provoz a údržba podstatným způsobem přispívají ke snižování ztrát tepla, jak je
popsáno níže:
•
•
Výroba (viz Spalování, kap. 3.1): pára se vyrábí v kotli nebo v systému získávání tepla
(generátoru), přenosem tepla z plynů spalovacího procesu do vody. Když voda absorbuje
dostatek tepla, změní se z kapalné fáze v páru. U některých kotlů se obsah energie v páře
ještě dále zvyšuje pomocí přehřívače. Pára pak proudí pod tlakem z kotle nebo generátoru
páry do distribučního systému.
Distribuce: distribuční systém přenáší páru z kotle nebo generátoru do bodu konečného
využití. Mnoho distribučních systémů má několik větví, které pracují pod různými tlaky.
Tyto distribuční linie jsou odděleny různými druhy izolačních ventilů, ventilů pro
regulaci tlaku a někdy i protitlakou turbínou. Výkon účinného distribučního systému
vyžaduje správnou rovnováhu tlaku páry, dobré zachytávání kondenzátu, odpovídající
izolaci a účinnou regulaci tlaku.
Vysokotlaká pára má tyto výhody:
•
Nasycená pára má vyšší teplotu
•
Objem je menší, což znamená, že nutné distribuční potrubí je také menší
•
Je možné distribuovat páru při vyšším tlaku a snižovat její tlak před aplikací. Pára se tak
stává sušší a spolehlivost je vyšší
•
Vyšší tlak umožňuje stabilnější proces varu v kotli.
S nižším tlakem páry jsou spojeny tyto výhody:
•
Na úrovni kotle a v distribučním systému jsou ztráty energie nižší
•
Množství zbytkové energie v kondenzátu je relativně menší (viz kap. 3.2.14 a 3.2.15)
•
Ztráty únikem z potrubního systému jsou nižší
•
Dochází k poklesu tvorby vodního kamene
144
červen 2008
Kapitola 3
Vzhledem k vysokým hodnotám provozního tlaku v parních systémech je mimořádně důležitým
aspektem těchto procesů bezpečnost. Parní systém navíc často podléhá hydraulickému rázu
nebo různým druhům koroze. Výsledkem toho je, že spolehlivost a životnost různých
komponent také do značné míry závisí na designu, nastavení a údržbě celého zařízení.
•
Koncový uživatel: existuje mnoho různých koncových využití páry, např.:
o mechanický pohon: turbíny, čerpadla, kompresory atd., které se využívají hlavně u
velkokapacitních zařízení, jako sou elektrárny, velké kompresory apod.
o vytápění: vytápění v procesech, sušení všech druhů papírových výrobků, vytápění
budov
o využití v chemických reakcích: řízení chemických reakcí, frakcionace
uhlovodíkových komponent a jako zdroj vodíku v reformaci s methanem.
Běžné vybavení pro koncové využití parního systému zahrnuje výměníky tepla, turbíny,
frakcionační věže, zařízení pro vypuzování lehkých podílů parou a chemické reakční nádoby.
Výroba elektřiny je probrána v dokumentu BREF LCP, kogenerace a trigenerace jsou popsány
v kap. 3.4 a 3.4.2.
U vyhřívání v rámci procesů pára přenáší své latentní teplo na procesní kapalinu ve výměníku
tepla. Páru ve výměníku tepla udrží oddělovač páry do té doby, dokud nezkondenzuje. V tom
okamžiku oddělovač pustí kondenzát do systému vracení kondenzátu. V turbíně pára
transformuje svou energii v mechanickou práci a pohání rotující stroje, jako jsou čerpadla,
kompresory nebo elektrické generátory. Ve frakcionačních věžích pára usnadňuje separaci
různých komponent procesní tekutiny. Při vypuzování lehkých podílů se pára často používá
k oddělování kontaminantů z procesní tekutiny. Využívá se také jako zdroj vody v určitých
chemických reakcích.
•
•
Získávání kondenzátu: když pára přenese své latentní teplo do určité aplikace,
kondenzuje a v parním systému vzniká voda, která se vrací do kotle prostřednictvím
systému vracení kondenzátu. Kondenzát se nejdříve vrací do sběrné nádrže, odkud
se čerpá do odvzdušňovacího zařízení, kde se zbaví kyslíku a nezkondenzovaných plynů.
Pro úpravu vlastností se do sběrné nádrže nebo odvzdušňovacího zařízení může přidat
voda nebo některé chemické látky. Čerpadla, která přivádějí vodu do kotle, zvyšují její
tlak nad hodnotu tlaku v kotli, vstřikují vodu do kotle a uzavírají tím celý cyklus.
Výpočet účinného parního kotle: celoevropský konsensus ohledně výpočtu účinnosti
určitých kotlů je uveden v CEN EN 12952-15:2003 (kotle s vodním potrubím a pomocná
zařízení: akceptační zkoušky) a CEN EN 12953-11:2003 (válcové kotle: akceptační
zkoušky)
červen 2008
145
Kapitola 3
Distribuce
Spalovací
plyny
Předehřívač
spalovacího
vzduchu
Ventil na
snížení tlaku
Izolační ventil
Ventilátor
Konečná
spotřeba
Skořepinový
nebo trubkový
tepelný
výměník
Ekonomizér
Výroba
Separátor
páry
Ohřívač
procesu
Separátor
páry
Ohřívač
procesu
Separátor
páry
Palivo
Spalovací
vzduch
Napájecí
čerpadlo
Odvzdušňovač
Čerpadlo
kondenzátu
Zásobník na
kondenzát
Rekuperace
Obrázek 3-5: Běžný systém výroby a distribuce páry
[123, US_DOE]
Použitelnost
Použití je široké.
Ekonomie
Náklady na výrobu páry přímo ovlivňuje cena použitého paliva (viz Spalování, kap. 3.1).
Cenové zvýhodnění určitého paliva může snadno převážit relativně menší tepelnou účinnost
spojenou s daným palivem. Nicméně u každého paliva lze dosáhnout značných úspor při
zlepšení tepelné účinnosti.
Eliminace všech možných ztrát energie při výrobě a distribuci páry (včetně vracení kondenzátu)
může podstatným způsobem snížit náklady na páru v bodě jejího využití.
Potenciální úspory energie se pro jednotlivé závody mohou pohybovat od méně než 1 do 35%,
přičemž průměrné úspory činí 7%.
•
•
Snížení nákladů na energie, emisí a rychlá návratnost investic.
Využití páry je snadné a flexibilní, pára je netoxická a vzhledem k velikosti systému dodává
velké množství tepla.
Příklady
Technika má široké využití v mnoha sektorech IPPC, např. při výrobě elektřiny, ve všech
chemických sektorech, papírenském, potravinářském, nápojovém a mlékárenském průmyslu.
Reference
[32, ADENE, 2005, 33, ADENE, 2005, 123, US_DOE, , 125, EIPPCB, , 236, FernándezRamos, 2007]
146
červen 2008
Kapitola 3
3.2.2
Přehled opatření na zlepšení výkonu parního systému
Parní systémy jsou podrobně popsány v dokumentu BREF LCP. Pro čtenáře jsou zde uvedeny
odkazy na techniky popsané jak v BREFu LCP20, tak i v tomto dokumentu.
Nejčastější možnosti pro oblast výroby a distribuce páry a získávání kondenzátu jsou uvedeny
v Tabulce 3.6.
Techniky pro sektory a navazující činnosti tam, kde parní systémy nejsou probrány ve
vertikálním dokumentu BREF
Techniky podle kapitol v BREFu ENE
Přínosy
Kapitola
DESIGN
2.3
Energeticky účinný design a instalace parního Optimalizace úspor energií
distribučního potrubí
Škrtící zařízení a využití protitlaké turbíny Poskytuje účinnější metodu 3.2.3
(použití protitlaké turbíny místo redukčních snižování tlaku páry pro
ventilů
nízkotlaké služby
PROVOZ A ŘÍZENÍ
Zlepšení provozních postupů a řízení provozu Optimalizace úspor energií
3.2.4
kotlů
Využití sekvenčního (následného) řízení kotlů Optimalizace úspor energií
3.2.4
(platí pro závody s více než jedním kotlem)
Instalace izolačních tlumičů u spalin (platí pro Optimalizace úspor energií
3.2.4
závody s více než jedním kotlem)
VÝROBA
Předehřívání napájecí vody pomocí:
Získává se dostupné teplo 3.2.5
ze spalin a přesouvá se zpět 3.1.1
• Odpadního tepla např. z procesu
do
systému
tím,
že
• Ekonomizérů prostřednictvím
předehřívá napájecí vodu.
spalovacího vzduchu
• Odvzdušněné napájecí vody k ohřívání
kondenzátu
• Kondenzací páry používané k oddělení
lehkých podílů a zároveň ohříváním
napájecí vody do odvzdušňovače pomocí
výměníku tepla
Prevence a odstraňování usazenin vodního Posílení účinného přenosu 3.2.6
kamene na povrchu, kde dochází k přenosu tepla. tepla z plynů ze spalování
Čištění povrchů pro přenos tepla v kotli.
do páry
Lepší čištění vody, které minimalizuje odluhy Snižuje celkové množství 3.2.7
kotle. Instalace automatického řízení celkových rozpuštěných látek v kotelní
rozpuštěných látek
vodě, což umožňuje méně
odluhů
a tím
i méně
energetických ztrát
Získávání energie z Připojení nebo obnova Snižuje ztráty tepla z kotle 2.10.1
žáruvzdornosti kotle
a obnovuje jeho účinnost
2.9
Optimalizace ventilu odvzdušňovacího zařízení
Minimalizuje ztráty páry
3.2.8
Minimalizace ztrát z krátkých cyklů kotle
Optimalizace energetických 3.2.9
úspor
Provádění údržby kotle
2.6
DISTRIBUCE
Optimalizace systému distribuce páry (zejména se
2.6
týká níže popsané problematiky)
3.2.10
Izolace páry od nepoužívaných linií
Minimalizace ztrát páry a 3.2.10
20
Odkaz na verzi BREFu LCP z roku 2006
červen 2008
147
Kapitola 3
snížení
ztrát
energie
z potrubí a povrchů zařízení
Izolace parního potrubí a potrubí pro návrat Snížení
ztrát
energie 3.2.11
kondenzátu (Zajištění dobré izolace potrubí, z potrubí a povrchů zařízení
ventilů, armatur a nádob)
Realizace programu řízení a oprav oddělovačů Snižuje průchod ostré páry
3.2.12
páry
do systému kondenzátu
a posiluje účinný provoz
zařízení pro přenos tepla u
koncového uživatele,
minimalizuje ztráty páry
ZÍSKÁVANÍ KONDENZÁTU
Sběr a návrat kondenzátu do kotle k opětovnému Získává se tepelná energie
3.2.13
použití (Optimalizace získávání kondenzátu)
v kondenzátu a snižuje
se množství vody přidávané
do sytému, uspoří se energie
a čištění pomocí
chemických látek
Opětovné využití mžikové páry (Využití Využití energie dostupné ve 3.2.14
vysokotlakého kondenzátu k výrobě nízkotlaké vracejícím se kondenzátu
páry)
Získávání energie z odluhu kotle
Přesouvá energii dostupnou 3.2.15
v odluhu zpět do systému a
tím snižuje ztráty energie
Techniky v dokumentu BREF LCP červen 2006 podle druhu paliva a kapitoly
Uhlí a
lignit
Expanzní turbína k získání
energie stlačených plynů
Výměna lopatek v turbíně
4.4.3
Použití moderních materiálů 4.4.3
k dosažení vysokých parametrů
páry
Parametry superkritické páry
4.4.3
4.5.5
Dvojité přehřátí
4.4.3
4.5.5
Regenerační napájecí voda
4.2.3
4.4.3
spalin 4.4.3
Využití
tepla
k městskému vytápění
Akumulace tepla
Moderní počítačové řízení
plynové turbíny a následných
kotlů
Biomasa a
rašelina
5.4.4
5.4.4
Kapalná
paliva
Plynná
paliva
7.4.1
7.5.1
6.4.2
6.4.2
7.4.2
6.4.2
7.1.4
6.4.2
6.5.3.1
7.1.4
7.4.2
7.5.2
7.4.2
6.4.2
6.4.2
7.4.2
7.4.2
tabulka 3-6 Běžné techniky energetické účinnosti pro průmyslové parní systémy. Upraveno
a sestaveno podle [123, US_DOE]
Ve většině případů se pára v průmyslových závodech vyrábí při spalovací reakci, takže se nelze
vyhnout určitému překrývání komplexních opatření v oblasti energetické účinnosti, které lze
aplikovat jak pro spalování, tak i pro páru. Tyto postupy jsou uvedeny v Tabulce 3.6. Techniky
specifické pro páru jsou probrány v této kapitole.
148
červen 2008
Kapitola 3
Pro realizaci kteréhokoli z těchto opatření je velmi důležité mít relevantní, kvantifikované
informace a znalosti o využívání paliv, výrobě páry a parní síti. Měření a monitoring páry
přispívají k porozumění danému procesu, spolu se znalostmi o tom, do jaké míry je možné
upravovat provozní parametry, a to je zase nanejvýš důležité pro úspěšnou integraci např.
získávání tepla do procesu (viz kap. 2.10).
3.2.3
Škrtící zařízení a využití protitlakých turbín
Popis
Škrtící zařízení jsou v průmyslu velmi běžná a používají se k řízení a snižování tlaku, především
pomocí ventilů. Protože škrtící proces je izoentalpický (kdy toky entalpie nahoru a dolů jsou si
rovny), neztrácí se žádná energie a podle prvního zákona termodynamiky je jeho účinnost
optimální. Tento proces je nicméně spojen s typickou mechanickou nevratností, při níž
se snižuje tlak a zvyšuje se entropie tekutiny, aniž by přitom vznikal nějaký další přínos.
V důsledku toho je exergie ztracena a kapalina je po poklesu tlaku méně schopná produkovat
energii, např. při následném expanzním procesu v turbíně.
Pokud je tedy cílem snížit tlak tekutiny, je vhodnější použít izoentropické expanze
a prostřednictvím turbíny získat navíc užitečnou práci. Pokud to není možné, měl by být
pracovní tlak vždy co nejnižší, aby se předešlo velkým změnám tlaku, kdy se prostřednictvím
ventilů a měřičů (viz kap. 2.10.4) ztrácí exergie nebo se používají čerpadla nebo kompresory,
aby se další energie dodala.
Běžnou praxí v průmyslových závodech je udržování tlaku na vstupu do turbíny na daných
projektovaných hodnotách. Obvykle to znamená, že k řízení turbíny se používají (a také
nesprávně používají) právě vstupní ventily. Podle druhého zákona termodynamiky je lepší mít
možnost různých specifikací tlaku (klouzavý tlak) a udržovat vstupní ventily úplně otevřené.
Obecně se doporučuje, aby byla velikost ventilů nastavena jako co největší. Uspokojivého
škrtícího procesu lze dosáhnout s poklesem tlaku o 5 – 10 % při maximálním průtoku, namísto
25 – 50 %, což byla v minulosti běžná praxe u ventilů s příliš malou velikostí. Velikost čerpadla
pohánějícího tekutinu musí být také dimenzována tak, aby brala v úvahu měnící se podmínky.
Lepší alternativou je však použití protitlaké turbíny, která zachovává izoentropické podmínky
a je plně reverzibilní (z termodynamického hlediska). Turbína se pak využívá k výrobě
elektřiny.
Snížení ztrát exergie.
Zvýšená spotřeba paliva.
Provozní údaje
(Viz příklady v Příloze 7.2)
Použitelnost
Použitelné v nových nebo podstatně přebudovaných systémech, podle ekonomie a těchto
faktorů:
•
Turbína se používá k výrobě elektrické energie nebo poskytuje mechanickou sílu motoru,
kompresoru nebo ventilátoru. I když protitlaké turbíny jsou z hlediska energetické
účinnosti nejatraktivnější, množství páry procházející protitlakou turbínou by mělo
dopovídat celkové bilanci páry v závodě. Použití nadměrného počtu protitlakých turbín
povede k tomu, že se bude vyrábět větší množství nízkotlaké páry, než kolik závod může
spotřebovat. Tato přebytečná pára by se pak musela odpouštět, což není energeticky
účinné. Tok páry z protitlaké turbíny také musí být k dispozici po velkou část času a také
červen 2008
149
Kapitola 3
•
předvídatelným způsobem. Nepředvídatelný nebo nekontinuální zdroj se nemůže
spolehlivě využívat (pokud nelze (v ojedinělých případech) špičky v dodávce a poptávce
vyrovnat).
Protitlaké turbíny nejsou užitečné, pokud jsou obě hladiny tlaku blízko sebe, protože tyto
turbíny potřebují vysoký rozdíl toku a tlaku. V ocelářském průmyslu se v procesu
vysokých pecí používají turbíny s poklesem tlaku, vzhledem k velkému počtu plynů,
které vysokou pecí protékají.
Ekonomie
Turbíny jsou o několik řádů dražší než řídící ventily. Před případnou výměnou je tudíž nutné
zvážit (z hlediska bilance páry) její minimální velikost, která bude účinná. V případě nízkých
hmotnostních toků nejsou turbíny z ekonomického hlediska rozumným řešením. Aby byl jejich
provoz ekonomický, měla by být získaná energie dostatečně spolehlivá, dostupná po velkou část
provozní doby a odpovídat poptávce.
Tam, kde mohou být využívány, uspoří náklady na dodávky páry.
Příklady
Viz příloha 7.2.
Reference
[6, Cefic, 2005, 123, US_DOE]
3.2.4
Provozní a řídící techniky
Popis
Zlepšování provozních postupů a řízení provozu kotle
Moderní řídící systém, který optimalizuje využití kotle, je na obr. 3.6. o tomto druhu řízení dále
pojednávají kap. 2.15.2.
Využití sekvenčního řízení kotlů
Tam, kde je v závodě více než jeden kotel, by se měla poptávka po páře analyzovat, kotle by
se měly využívat podle optimální potřeby energie a krátké cykly by se měly minimalizovat atd.
Instalace izolačních tlumičů u spalin (platí pouze pro systémy, kde je dva nebo více kotlů se
společným komínem).
Energetické úspory.
Provozní údaje
Použitelnost
Instalace více než jednoho kotle se může zvažovat v případě, kdy je třeba se vyrovnat
s kolísající poptávkou během pracovního cyklu. Kotle mohou být různého druhu, v závislosti
na křivce poptávky, dobách cyklů apod.
Využití sekvenčních kotlů může být omezené, pokud se požaduje vysoká záruka dostupnosti
páry.
150
červen 2008
Kapitola 3
Ekonomie
Příklady
Reference
[123, US_DOE, , 134, Amalfi, 2006, 179, Stijns, 2005]
červen 2008
151
Chapter 3
Průmě. využití výkonu
50
Tepelná izolace
NE
Úprava vody
SOFTENER
Rekuperace odkalu
NE
Typ zásobníku jednoduchý
Ekonomizér
NE
Modulace vody
NE
Proměnlivost větrání
NE
O2 korekce
NE
Modulace hořáku
ANO
TH
Voda TAS
Teplota vody
30
20
Zásobník vody
ODVZDUŠNĚNÍ
Úprava vody
Doplňující voda
Roční náklady
9734
9734
Teplota v zásobníku
Napájecí voda TAS
Napájecí voda TH
Příkon ventilátoru
Příkon vodního čerpadla
Náklady za elektřinu
°f
°f
15 °C
Míra vrácení kondenzátu
Míra kondenzace
Kondenzát
%
objem pryskyřic
Spotřeba solí
Náklady za sůl
HCl
consumption
HCl náklady
Náklady úprav
Dávka
100
7488
1872
0
0
10858
m3/h
EUR/m3
litry
kg/rok
EUR/rok
kg/rok
EUR / rok
EUR / rok
32
20
0
8,8
2,5
5221
kW
kW
EUR/year
°C
°f
°f
EKONOMIZÉR
Power exchange
Teplota vstup. odp. plynu
Teplota výstup. odp. plynu
Teplota vstup. vody
Teplota výstup. vody
0
240
240
32
32
Výroba páry
Pracovní tlak
Odpařování
PARNÍ KOTEL
ZEMNÍ PLYN
179
7
%
kg/h
EKONOMIZÉR
odpadního plynu
Plyn
Míra odluhu
Úroveň odluhu
60
1607
kg / h
%
Odluh
Odhad nákladů na tunu páry
21840
10
5
Provoz
Průměrný průtok paliva
Spotřeba paliva
Náklady na palivo
Výkon
Účinnost
16,3
4
8736
207
1808352
329247
3250
90,04
kw
°C
°C
°C
°C
t/rok
bars
t/ h
h
Nm3/h
Nm3/rok
EUR/rok
K
W
%
EUR/tunu páry
Obrázek 3-6: Moderní řídící systém s optimalizací využití kotle
152
červen 2008
PT/EIPPCB/ENE_Finální
Kapitola 3
3.2.5
Předehřívání napájecí vody (včetně použití ekonomizérů)
Popis
Voda odcházející z odvzdušňovacího zařízení a vracející se do kotle má většinou teplotu kolem
105 oC. Voda v kotli při vyšším tlaku má i vyšší teplotu. Do parního kotle se přivádí voda, aby
se nahradily ztráty v systému a recykloval se kondenzát. Získávání tepla je možné
předehříváním napájecí vody, díky čemuž klesnou požadavky na přívod paliva do kotle.
Předehřívání se může provádět čtyřmi způsoby:
•
•
•
Pomocí odpadního tepla (např. z procesu): Napájecí vodu lze předehřívat dostupným
odpadním teplem, např. pomocí tepelných výměníků voda-voda.
Pomocí ekonomizérů: Ekonomizér [(1) na obr. 3.7] je výměník tepla, který snižuje
požadavky parního kotle na palivo tím, že přenáší teplo ze spalin do přiváděné vody.
Pomocí odvzdušněné napájecí vody: kondenzát lze také předehřívat odvzdušněnou napájecí
vodou předtím, než se dostane do nádrže pro napájecí vodu [(2) na obr. 3.7]. Napájecí voda
z nádrže na kondenzát [(3) na obr. 3.7] má nižší teplotu než odvzdušněná napájecí voda
z nádrže na napájecí vodu [(2) na obr. 3.7]. Prostřednictvím výměníku tepla se odvzdušněná
voda dále ochladí (teplo se přenese do napájecí vody z nádrže na kondenzát). Výsledkem je,
že odvzdušněná napájecí voda, která prošla dále čerpadlem na napájecí vodu, je chladnější,
když prochází ekonomizérem [(1) na obr. 3.7]. Zvyšuje se tím jeho účinnost díky většímu
rozdílu teplot a snižuje se i teplota spalin a ztráty ve spalinách. V celkovém výsledku se tak
ušetří ostrá pára, protože napájecí voda v nádrži na napájecí vodu je teplejší a pro její
odvzdušnění je tudíž třeba méně ostré páry.
Odpadní plyn
Ekonomizér (1)
Kotel
Turbine
Turbína
Odvzdušněná
napájecí voda
Spotřebič tepla
Ostrá pára
Kondenzátor
Zásobník
napájecí vody (2)
Odvzdušněná
napájecí voda
Zásobník
kondenzátu (3)
Předehřev
napájecí
odpadním teplem
vody
Obrázek 3-7: Předehřívání napájecí vody
[28, Berger, 2005]
•
Instalací výměníku tepla v proudu napájecí vody vstupující do odvzdušňovacího zařízení
a předehřívání této napájecí vody kondenzací páry používané k oddělení lehkých podílů
(viz kap. 3.2.8, která uvádí podrobnosti o odvzdušňování).
Pomocí těchto opatření lze zvýšit celkovou účinnost, tzn. pro určitý výstup páry je třeba méně
energie v palivu na vstupu.
červen 2008
153
Kapitola 3
Množství získané energie, kterého lze dosáhnout, závisí na teplotě spalin (nebo teplotě hlavního
procesu), volbou povrchu a do značné míry také na tlaku páry.
Všeobecně se má za to, že ekonomizér může zvýšit účinnost výroby páry o 4 %. Přívod vody je
třeba kontrolovat, aby se dosáhlo kontinuálního využití ekonomizéru.
Možné nevýhody těchto čtyř možností spočívají v tom, že je třeba více místa a jejich dostupnost
pro průmyslové závody se snižuje s rostoucí složitostí.
Provozní údaje
Podle specifikací výrobce jsou ekonomizéry běžně dostupné s jmenovitým výstupem 0,5 MW.
Ekonomizéry navržené s žebrovanými trubkami se používají pro jmenovité výstupy až do 2
MW a v některých případech i více než 2 MW. V případě výstupů přesahujících 2 MW je asi 80
% dodávaných velkých trubkových kotlů vybaveno ekonomizéry, protože jsou dokonce ještě
ekonomičtější, když se provozují v jednotlivých směnách (při zatížení systému 60 – 70 %).
Teplota spalin zpravidla převyšuje teplotu nasycené páry o asi 70 oC. Teplota spalin je u
standardního průmyslového parního generátoru asi 180 oC. Spodním limitem pro teplotu spalin
je rosný bod kyselin pro tyto spaliny. Tato teplota závisí na použitém palivu a/nebo obsahu síry
v palivu (a činí asi 160 oC pro těžký topný olej, 130 oC pro lehký topný olej, 100 oC pro zemní
plyn a 110 oC pro tuhý odpad). V kotlích na topný olej bude docházet ke korozi snadněji a část
ekonomizéru musí být navržena tak, aby bylo možné ji vyměnit. Pokud teplota spalin výrazně
poklesne pod rosný bod, může to vést ke korozi ekonomizéru, k níž dochází zpravidla
v případech vysokého obsahu síry v palivu.
Pokud nejsou podniknuty zvláštní kroky, usazují se v komínech pod touto teplotou saze. V
důsledku toho jsou ekonomizéry často vybaveny regulací přepouštěním. Toto regulační zařízení
odvádí část spalin mimo ekonomizér, pokud teplota těchto plynů v komíně poklesne příliš
nízko.
Vezmeme-li v úvahu princip, podle kterého snížení teploty spalin o 20 oC představuje zvýšení
účinnosti o asi 1 %, pak to znamená, že v závislosti na teplotě páry a poklesu teploty
způsobeném ve výměníku tepla, může se účinnost zvýšit až o 6 – 7 %. Teplota napájecí vody,
která se má ohřívat v ekonomizéru se většinou zvyšuje ze 103 oC na asi 140 oC.
Použitelnost
V některých stávajících závodech lze provést integraci systému předehřívání napájecí vody jen
obtížně. V praxi se předehřívání napájecí vody odvzdušněnou napájecí vodou aplikuje jen
zřídka.
V závodech s vysokým výkonem je předehřívání napájecí vody v ekonomizéru standardní. V
tomto kontextu je však možné zlepšovat účinnost ekonomizéru až o 1 % tím, že se zvýší rozdíl
teplot. Při použití odpadního tepla z ostatních procesů je to také ve většině závodů možné. Je
zde také potenciál pro jeho využití v závodech s nižším výkonem.
Ekonomie
Potenciál možných úspor energie v případě zavedení předehřívání napájecí vody v ekonomizéru
závisí na několika podmínkách, jako jsou např. požadavky lokálního systému, stav komína nebo
kvalita spalin. Doba návratnosti konkrétního parního distribučního systému bude záležet
na době jeho provozu, aktuální ceně paliva a lokalitě.
V praxi se možné úspory spojené s předehříváním napájecí vody pohybují kolem několika
procent objemu vyrobené páry. Takže i u malých kotlů mohou být úspory energie v rozsahu
několika GWh ročně. Např. u kotle s výkonem 15 MW lze dosáhnout úspor kolem 5 GWh/rok,
154
červen 2008
Kapitola 3
asi 60.000 EUR/rok a přibližně 1000 tun CO2/rok. Úspory jsou úměrné velikosti zařízení, tzn. u
větších zařízení se dosáhne vyšších úspor.
Spaliny z kotle se obvykle dostávají do komína při teplotách o více než 100 – 150 oC vyšších,
než je teplota vyrobené páry. Účinnost kotle lze zpravidla zvýšit o 1 % na každých 40 oC,
o které se sníží teplota spalin. Díky získávání odpadního tepla může ekonomizér často snížit
požadavky na palivo o 5 – 10 % a může tak sám zaplatit za méně než 2 roky. Tabulka 3.7 uvádí
příklady potenciálu v oblasti získávání tepla.
Přibližné množství tepla, které lze získat ze spalin z kotle
Počáteční teplota
Získatelné teplo (kW)
Tepelný výkon kotle (kW)
plynu v komíně,
7322
14640
29290
58550
ºC
205
381
762
1552
3105
260
674
1347
2694
5389
315
967
1904
3807
7644
tabulka 3-7 Údaje pro zemní plyn, 15 % přebytečný vzduch a konečná teplota komína 250 oF
Převzato z [123, US_DOE]
Snížení nákladů na energie a minimalizace emisí CO2.
Příklady
Široké využití.
Reference
[16, CIPEC, 2002, 26, Neisecke, 2003, 28, Berger, 2005, 29, Maes, 2005, 123, US_DOE]
3.2.6
Prevence a odstraňování nánosů kotelního kamene na povrchu,
kde dochází k přenosu tepla
Popis
Ve výrobních kotlích i v potrubí výměníků tepla může docházet k usazování kotelního kamene
na plochách, kde dochází k přenosu tepla. Tyto usazeniny vznikají při reakci rozpustných látek
v kotelní vodě za vzniku vrstvy materiálu právě na straně, kde potrubím prochází voda.
Kotelní kámen způsobuje problémy, protože jeho tepelná vodivost je řádově nižší než hodnota
tepelné vodivosti samotné oceli. Pokud se na povrchu, kde dochází k výměně tepla, vytvoří
usazenina určité tloušťky a daného složení, pak se přenos tepla těmito povrchy snižuje úměrně
tloušťce usazeniny. Dokonce i malé usazeniny tak mohou sloužit jako účinný tepelný izolátor
a v důsledku toho tak snižovat přenos tepla. Výsledkem je přehřívání kovu kotelního potrubí,
poškození tohoto potrubí a ztráty energetické účinnosti. Odstraněním těchto usazenin mohou
provozovatelé snadno ušetřit energii i roční provozní náklady.
Palivo, které je zbytečně spotřebováno kvůli nánosům kotelního kamene, může tvořit až 2 % u
kotle s klasickým vodním potrubím a až 5 % u žárotrubného kotle.
Na úrovni kotlů může pravidelné odstraňování kotelního kamene představovat značné úspory
energie.
Snížení ztrát energie.
Tabulka 3.8 ukazuje ztráty při přenosu tepla, když se na povrchu s přestupem tepla tvoří vodní
kámen.
červen 2008
155
Kapitola 3
Tloušťka usazeniny vodního kamene (mm)
0,1
0,3
0,5
1,0
Rozdíl v přenosu tepla21 (%)
1,0
2,9
4,7
9,0
tabulka 3-8 Rozdíly v přenosu tepla
[29, Maes, 2005]
Pokud se bude napájecí voda čistit, aby neobsahovala látky způsobující kotelní kámen, zvýší
se spotřeba příslušných chemikálií.
Provozní údaje
Odstraňování kotelního kamene bude vyžadovat odstávku kotle.
Existují různé způsoby odstraňování kotelního kamene a prevence jeho vzniku:
• Pokud se sníží tlak, sníží se i teplota, což omezí tvorbu kamene. Toto je jeden z důvodů,
proč by se měl tlak páry udržovat na co nejnižší hodnotě (viz kap. 3.2.1).
• Usazeniny lze odstraňovat během údržby, jak mechanicky, tak i pomocí kyselin.
• Pokud se tvorba kotelního kamene vrátí příliš rychle, je třeba přehodnotit možnost čištění
napájecí vody. Možná bude třeba lepší technologie čištění nebo další aditiva navíc.
Nepřímým indikátorem kotelního kamene nebo tvorby usazenin je teplota spalin. Pokud tato
teplota roste (přičemž zatížení kotle a přebytečný vzduch zůstávají konstantní), bude to
pravděpodobně způsobeno přítomností kotelního kamene.
Použitelnost
To, zda je nutné odstranit nánosy kotelního kamene, lze zjistit jednoduchou vizuální kontrolou
při údržbě. Lze říci, že u zařízeních pracujících při vysokém tlaku (50 bar) bude účinná údržba
prováděná několikrát ročně. U nízkotlakých zařízení (2 bar) se doporučuje údržba jednou ročně.
Nánosům vodního kamene je možné se vyhnout úpravou kvality vody (např. přechodem
na měkčí nebo demineralizovanou vodu). Odstraňování kotelního kamene pomocí kyselin je
třeba pečlivě posoudit, zejména u vysokotlakých parních kotlů.
Ekonomie
Závisí na použité metodě a dalších faktorech, jako je chemické složení surové vody, druh kotle
apod. Návratnost je v podobě úspor paliva, zvýšené spolehlivosti parního systému
a prodloužené životnosti kotelního systému (spojeno s úsporou ztraceného výrobního času
a úsporou kapitálových nákladů).
Viz příklady v Příloze 10.
Zvýšená spolehlivost parního systému a prodloužená životnost kotelního systému.
Příklady
Široké využití.
Reference
[16, CIPEC, 2002, 29, Maes, 2005, 123, US_DOE]
21
Tyto hodnoty byly stanoveny pro přenos tepla v kotli s ocelovými trubkami. Přenos tepla se kontroluje
od spalin až po napájecí vodu. Výpočty předpokládají, že složení usazeniny je vždy stejné.
156
červen 2008
Kapitola 3
3.2.7
Minimalizace odluhu kotle
Popis
Minimalizace nutnosti odluhů může podstatným způsobem snížit ztráty energie, protože teplota
odluhu je přímo spojena s teplotou páry vyrobené v kotli.
S tím, jak se při výrobě páry odpařuje voda v kotli, zůstávají ve vodě rozpuštěné látky, které
dále zvyšují koncentraci rozpuštěných látek v kotli. Suspendované látky mohou vytvářet
sedimenty, které zhoršují přenos tepla (viz kap. 3.2.6). Rozpuštěné látky posilují tvorbu pěny
a zanášení kotelní vody do páry.
Pro snížení množství suspendovaných a celkových rozpuštěných látek (TDS) na přijatelnou
míru, se používají dva postupy, v obou případech automaticky nebo manuálně:
•
•
Spodní odluh se provádí za účelem lepší tepelné výměny v kotli. Jedná se většinou
o manuální postup prováděný po dobu několika málo sekund vždy jednou za několik hodin
Odluh u hladiny se provádí tak, aby se odstranily rozpuštěné látky, které se koncentrují
blízko hladiny kapaliny. Často se jedná o kontinuální proces.
Odluh solných zbytků do odpadu způsobuje další ztráty, které tvoří 1 – 3 % páry. Kromě toho
mohou vznikat i další náklady na chlazení zbytku z odluhu na teplotu, kterou předepisují
regulační orgány.
Pro snížení nutného množství odluhů existuje několik možností:
•
•
•
•
Získávání kondenzátu (viz kap. 3.2.13 a 3.2.15). Tento kondenzát je již čištěný a neobsahuje
tudíž žádné nečistoty, které by se koncentrovaly uvnitř kotle. Pokud se získá polovina
kondenzátu, pak se odluhy sníží o 50 %.
V závislosti na kvalitě napájecí vody by mohla být třeba změkčovadla, dekarbonizace nebo
demineralizace. Navíc jsou nutné také odvzdušnění vody a přidání látek na úpravu jejích
vlastností. Míra odluhů je spojena s úrovní koncentrovanější složky přítomné v napájecí
vodě nebo do této vody přidávané. V případě přímého zásobování kotle jsou možné odluhy
ve výši 7 – 8 %. Jestliže se voda předem vyčistí, může se toto číslo snížit až na 3 % nebo
méně.
Je také možné uvažovat o instalaci automatizovaného systému řízení odluhů, většinou
pomocí monitoringu vodivosti. Může to vést k optimalizaci mezi spolehlivostí a ztrátami
energie. Míra odluhu se bude řídit nejkoncentrovanější složkou s tím, že bude známa její
maximální možná koncentrace v kotli (TAC max. pro kotel 38 oC; oxid křemičitý 130 mg/l;
chloridy méně než 600 mg/l). Více podrobností je v normě EN 12953-10.
Mžikový odluh při středním nebo nízkém tlaku je dalším způsobem, jak zužitkovat energii
obsaženou v odluhu. Tato technika se aplikuje tam, kde je parní síť s tlaky nižšími, než je
tlak, při kterém se pára vyrábí. Toto řešení může být exergeticky příznivější než prostá
výměna tepla z odluhu pomocí výměníku (viz kap. 3.2.14 a 3.2.15).
Tlakové odplynění má rovněž za následek další ztráty ve výši 1 – 3 %. Ze surové vody
v procesu se odstraňuje CO2 a kyslík (pomocí mírně přebytečného tlaku při teplotě 103 oC). je
možné to minimalizovat pomocí optimalizace chodu odvzdušňovacího ventilu (viz kap. 3.2.8).
Množství energie závisí na tlaku v kotli. Obsah energie v odluhu je uveden v tabulce 3.9. Míra
odluhu je vyjádřena jako procento z celkové požadované napájecí vody. Pětiprocentní míra
odluhu tudíž znamená, že 5 % napájecí vody určené do kotle je ztraceno při odluhu a zbylých 95
% se přemění na páru. Z tabulky je okamžitě zřejmé, že při snížení frekvence odluhů lze
dosáhnout úspor.
červen 2008
157
Kapitola 3
Obsah energie v odluhu v kJ/kg vyrobené páry
Míra odluhů
(% výstupu kotle)
2 barg
1%
2%
4%
6%
8%
10 %
4,8
9,6
19,1
28,7
38,3
47,8
Provozní tlak kotle
5 barg
10 barg
20 barg
5,9
11,7
23,5
35,2
47,0
58,7
7,0
14,0
27,9
41,9
55,8
69,8
8,4
16,7
33,5
50,2
66,9
83,6
50 barg
10,8
21,5
43,1
64,6
86,1
107,7
tabulka 3-9 Obsah energie v odluhu
[29, Maes, 2005]
Pokud se sníží frekvence odluhů, sníží se i množství odpadních vod. Ušetří se také energie, resp.
chladící voda používaná k ochlazení této odpadní vody.
Vypouštění čistících chemických látek, chemikálií používaných při regeneraci deionizéru apod.
Provozní údaje
Optimální míra odluhů je dána různými faktory, včetně kvality napájecí vody a s tím spojeným
čištěním, podílem opětovně využitého kondenzátu, druhem kotle (průtok, pracovní tlak, druh
paliva atd.). Míra odluhů se pohybuje většinou mezi 4 – 8 % množství surové vody, ale může to
být i 10 %, pokud je ve vodě vysoký obsah solí. Míra odluhů pro optimalizované kotelny by
měla být nižší než 4 % a měla by být dána spíše aditivy (proti tvorbě pěny a pro odstranění
kyslíku) ve vyčištěné vodě než rozpuštěnými solemi.
Použitelnost
Pokud se odluhy omezí pod určitou kritickou úroveň, mohou se problémy v pěnou a tvorbou
kamene vracet. Řešením mohou být další popsaná opatření (získávání kondenzátu, předčištění
vody).
Nedostatečný odluh může vést k poničení zařízení, nadměrné odluhy zase ke ztrátám energie.
Vracení kondenzátu je obvykle standardní ve všech případech kromě těch, kdy je pára
vstřikována do procesu. Zde není snížení odluhu prostřednictvím vrácení kondenzátu
proveditelné.
Ekonomie
Lze dosáhnout značných úspor energie, chemikálií, napájecí vody a chlazení, a to ve všech
případech, viz příklady v Příloze 10.
•
Ekonomické důvody
•
Spolehlivost zařízení
Příklady
Široké využití.
Reference
[29, Maes, 2005], [16, CIPEC, 2002] [123, US_DOE, , 133, AENOR, 2004]
158
červen 2008
Kapitola 3
3.2.8
Popis
Odvzdušňovací zařízení jsou určena k mechanickému odstraňování rozpuštěných plynů
z napájecí vody kotle. Odvzdušnění chrání parní systém před účinky korozních plynů. Dosahuje
toho snížením koncentrace rozpuštěného kyslíku a oxidu uhličitého na úroveň, kdy je koroze
minimalizována. U většiny vysokotlakých (více než 200 psig) kotlů je pro prevenci koroze třeba
koncentrace rozpuštěného kyslíku 5 ppb nebo nižší. Ačkoli u nízkotlakých kotlů lze tolerovat
koncentrace kyslíku až do 43 ppb, životnost zařízení se s malými nebo i žádnými náklady
prodlouží, když se koncentrace omezí na 5 ppb. Rozpuštěný oxid uhličitý se prakticky úplně
odstraní v odvzdušňovacím zařízení.
Navržení účinného odvzdušňovacího systému závisí na množství plynů, které mají být
odstraněny, a na požadované konečné koncentraci plynu (kyslíku). To zase záleží na poměru
přídavné napájecí vody k vracenému kondenzátu a na provozním tlaku odvzdušňovacího
zařízení.
Odvzdušňovací zařízení používají páru k ohřevu vody na teplotu plného nasycení, která
odpovídá tlaku páry v odvzdušňovacím zařízení, a k odstranění rozpuštěných plynů. Tok páry
může být paralelní, křížový nebo protiproudý vůči toku vody. Odvzdušňovací zařízení sestává
z odvzdušňovací sekce, zásobní nádrže a ventilu. V odvzdušňovací sekci pára probublává skrze
vodu, přičemž ji ohřívá a promíchává. Pára se přicházející vodou ochlazuje a kondenzuje.
Plyny, které nezkondenzují, a určité množství páry se uvolní ventilem. Tento proces by se však
měl optimalizovat, aby se minimalizovaly ztráty páry (viz Provozní údaje).
Náhlé zvýšení tlaku ve volné nebo „mžikové“ páře může způsobit špičku tlaku v odvzdušňovací
nádobě, která vede k opětovnému okysličení napájecí vody. Pro udržení konstantního tlaku
v odvzdušňovacím zařízení by se měl instalovat ventil pro regulaci tlaku.
Snížení zbytečných ztrát energie.
Nejsou hlášeny.
Provozní údaje
Pára přivedená do odvzdušňovacího zařízení zajišťuje odstraňování plynů a ohřívá směs
vráceného kondenzátu a přídavné napájecí vody kotle na teplotu nasycení. Většina páry
zkondenzuje, ale malý podíl obvykle 5 – 14 %) se musí odpustit, aby se splnily požadavky pro
odstraňování plynů. Při projektování se většinou vypočítá páry nutná pro ohřev a pak se zajistí,
aby její tok postačoval i pro odstraňování plynů. Pokud je podíl vraceného kondenzátu vysoký
(> 80 %) a tlak kondenzátu je ve srovnání s tlakem odvzdušňovacího zařízení vysoký, pak je
k ohřevu třeba velmi málo páry a je možné učinit opatření pro kondenzaci přebytečné mžikové
páry.
Energii v páře používané k oddělování lehkých podílů lze získávat kondenzací této páry a jejím
vedením do výměníku tepla v proudu vody, která vstupuje do odvzdušňovače (viz kap. 3.2.5).
Požadavky na páru do odvzdušňovacího zařízení by se měly přezkoumat vždy po dodatečném
vybavení nebo modernizaci každého parního distribučního systému, vracení kondenzátu nebo
v případě opatření na zachování energie získaného tepla.
Lze instalovat přístroje pro kontinuální monitoring rozpuštěného kyslíku, které pomohou
zjišťovat provozní postupy, které vedou ke špatnému odstraňování kyslíku.
červen 2008
159
Kapitola 3
Odvzdušňovací zařízení je navrženo tak, aby odstraňovalo kyslík rozpuštěný ve vstupní vodě,
nikoli zaneseném vzduchu. Zdroje „volného vzduchu“ jsou volná připojení potrubí na sací
straně čerpadel a nedokonalé těsnění čerpadel.
Použitelnost
Všechny závody s odvzdušňovacím zařízením na parních systémech. Optimalizace je součástí
průběžné údržby.
Ekonomie
Úspory nákladů.
Příklady
Široké použití.
Reference
[123, US_DOE]
3.2.9
Minimalizace ztrát způsobených krátkým cyklem kotle
Popis
Ke ztrátám během krátkých cyklů dochází vždy, když je kotel na krátkou dobu vypnut. Cyklus
kotle sestává z doby provětrávání, provětrávání po odstavení hořáku, prostoje, provětrávání před
zapálením hořáku a návratu k hoření. Část ztrát z doby provětrávání a prostoje může být u
moderních, dobře izolovaných kotlů nízká, ale může výrazně narůstat u starších kotlů s méně
kvalitní izolací.
Ztráty způsobené krátkými cykly u parních kotlů mohou narůstat, pokud tyto kotle mohou
vyrobit požadovanou kapacitu za velmi krátké časové období. To je například případ, kdy je
instalovaná kapacita kotle podstatně větší než kapacita, která je nejčastěji potřeba. Potřeba páry
v procesu se může s časem měnit a měla by se pravidelně přehodnocovat (viz kap. 2.2.2).
Celková poptávka po páře se může díky realizaci opatření v oblasti energetické účinnosti snížit.
Určitou alternativou také může být instalace kotlů s možností pozdějšího rozšíření, ke které
nakonec nemusí dojít.
Ve fázi projektování závodu je především třeba věnovat pozornost druhu kotle. Žárotrubné kotle
mají značně velkou akumulační schopnost a značný obsah vody. Jsou vybaveny tak, aby
uspokojovaly kontinuální potřebu páry a vyrovnaly se s velkými špičkovými zatíženími. Parní
generátory nebo trubkové kotle mohou také dodávat páru ve větších kapacitách. Díky svému
relativně nižšímu obsahu vody jsou trubkové kotle vhodnější pro závody s výrazně kolísavým
zatížením.
Krátkým cyklům lze předcházet instalací několika kotlů s menší kapacitou namísto jediného
kotle s velkou kapacitou. Výsledkem je zvýšení flexibility i spolehlivosti. Automatizované
řízení účinnosti výroby a marginálních nákladů na výrobu páry v každém kotli pak může být
základem systému managementu kotle (kotlů). Dodatečná poptávka po páře je tak uspokojena
z kotle, který má nejnižší marginální náklady.
Další možností je případ, kdy je k dispozici záložní kotel. V takovém případě se tento kotel
může udržovat na určité teplotě cirkulací vody z jiného kotle přímo přes kotel záložní.
Minimalizují se tak ztráty ve spalinách pro záložní kotel. Záložní kotel by měl mít dobrou
izolaci a správný vzduchový ventil u hořáku.
Úspor energie lze dosáhnout izolací kotle nebo jeho výměnou.
160
červen 2008
Kapitola 3
Nejsou známy.
Provozní údaje
Údržba kotle v záložním režimu při správné teplotě představuje určité množství energie ročně,
které odpovídá asi 8 % celkové kapacity kotle. Je třeba určit přínosy v podobě větší
spolehlivosti a energetických úspor.
Použitelnost
Negativní vliv krátkých cyklů začíná být zřejmý, když se dostupná kapacita kotle využívá jen
málo, např. na méně než 25 %. V takových případech je dobré přehodnotit, zda by se neměl
vyměnit systém kotle (kotlů).
Ekonomie
Viz příklad v Příloze 7.10.1.
• Úspory nákladů
• Lepší výkon systému.
Příklady
Reference
[29, Maes, 2005, 123, US_DOE]
3.2.10
Optimalizace parních distribučních systémů
Popis
Distribuční systém přepravuje páru z kotle k různým koncovým uživatelům. Ačkoli
se distribuční systémy mohou jevit jako pasivní, ve skutečnosti regulují dodávku páry a reagují
na měnící se teplotu a požadavky na tlak. Řádné fungování distribučního systému proto
vyžaduje pečlivě provedený projekt a účinnou údržbu. Potrubí by mělo být správně
dimenzované, podepřené, izolované a konfigurované s odpovídající flexibilitou. Zařízení pro
regulaci tlaku, jako jsou redukční ventily a protitlaké turbíny, by měly být konfigurovány tak,
aby umožňovaly správnou rovnováhu páry mezi různými sběrači páry. Distribuční systém by
také měl konfigurován tak, aby umožňoval vhodné odvádění kondenzátu, což vyžaduje
správnou kapacitu sběrače kondenzátu a správný výběr oddělovače páry.
Údržba tohoto systému je důležitá, zejména:
•
•
•
•
aby se zajistilo správné fungování oddělovačů (viz kap. 3.2.12)
aby byla instalována a udržována izolace (viz kap. 3.2.11)
aby byly zjištěny úniky a bylo s nimi systematicky pracováno v rámci plánované údržby.
Tomu pomáhá povinnost provozovatelů oznamovat úniky a urychleně je řešit. Úniky
zahrnují i úniky vzduchu na sací straně čerpadel
kvůli kontrole a eliminaci nepoužívaných parních potrubí.
Úspora energie ze zbytečných ztrát.
červen 2008
161
Kapitola 3
Provozní údaje
Parní potrubí přepravuje páru z kotle ke koncovým uživatelům. Důležité charakteristiky dobře
navrženého potrubí parního systému jsou: vhodná dimenzovanost, konfigurace a podpěra.
Instalace potrubí s větším průměrem může být dražší, ale může pro daný průtok vytvářet menší
pokles tlaku. Potrubí s větším průměrem navíc pomáhá snižovat hluk spojený s tokem páry. Při
volbě průměru potrubí by se proto měla věnovat pozornost také prostředí, ve kterém bude parní
potrubí umístěno. Důležitá je také flexibilita a odvádění kondenzátu. Co se týká flexibility,
potrubí se potřebuje vyrovnat (zejména v místech připojení dalších zařízení) s tepelnými
reakcemi během spouštění a vypínání systému. Potrubí by také mělo být vybaveno dostatečným
počtem správně dimenzovaných sběračů kondenzátu, aby se tak posílilo účinné odvádění
kondenzátu. Potrubí by také mělo být řádně spádované, aby kondenzát správně stékal do těchto
sběračů. V těchto odtokových bodech se střídají dvoje různé provozní podmínky – normální
provoz a spouštění. Při počátečním projektování by se mělo brát v úvahu zatížení v obou
situacích.
Použitelnost
Všechny parní systémy. Odpovídající dimenzování, minimalizace počtu těsných ohybů atd. lze
nejlépe řešit ve fázi projektování a instalace, ale i podstatných oprav, změn a modernizací.
Ekonomie
• správné dimenzování již ve fázi projektu představuje dobrou návratnost během životnosti
systému
• opatření v oblasti údržby (např. minimalizace úniků) jsou rovněž spojena s rychlou
návratností
• úspory nákladů
• ochrana zdraví a bezpečnosti.
Příklady
Široké využití.
Reference
[123, US_DOE]
3.2.11
Izolace parního potrubí a potrubí pro vracení kondenzátu
Popis
Parní potrubí a potrubí pro vracení kondenzátu, které není izolováno, je konstantním zdrojem
tepelných ztrát, kterým lze snadno předcházet. Izolace všech ohřívaných povrchů je ve většině
případů snadno proveditelné opatření. Lokalizované poškození izolace lze navíc snadno opravit.
Izolaci je možné odstraňovat nebo vyměňovat během provozní údržby nebo oprav.
Odstranitelné izolační kryty ventilů nebo jiných zařízení lze dočasně postrádat.
Mokrou nebo ztvrdlou izolaci je třeba vyměnit. Příčinu mokré izolace je často možné najít
v unikajícím potrubí. Úniky by se měly opravy ještě před výměnou izolace.
Tabulka 3.10 ukazuje ztráty tepla z neizolovaného parního potrubí při různém tlaku páry.
162
červen 2008
Kapitola 3
Ztráty tepla na 30 m neizolovaného parního
potrubí (kW/rok)
Tlak páry (bar)
1
10
20
40
Průměr
distribučního
potrubí (mm)
25
50
100
200
300
41000
68830
121500
216700
309000
83470
140600
248900
451000
644300
109800
184500
328000
594500
852300
145000
246000
439300
798100
1148000
tabulka 3-10 Ztráty tepla na 100 stop neizolovaného parního potrubí
upraveno dle [123, US_DOE]
Snížení energetických ztrát díky lepší izolaci může vést také ke snížení množství používané
vody a s tím spojeným úsporám při jejím čištění.
Zvýšené používání izolačních materiálů.
Provozní údaje
Použitelnost
V zásadě by se veškeré potrubí fungující při teplotě vyšší než 200 oC a průměru více než 200
mm mělo izolovat a dobrý stav této izolace by se měl pravidelně kontrolovat (např. před náhlou
změnou pomocí IČ skenování potrubí). Obecně lze říci, že jakýkoli povrch, který dosahuje
teplot vyšších než 50 oC, by se měl izolovat kvůli ochraně zaměstnanců.
Ekonomie
Technika může být spojena s rychlou návratností, ale tento čas záleží na energii, ceně a ploše,
kterou je třeba izolovat.
Ve srovnání s ostatními technikami je snadno dosažitelná. Zdraví a bezpečnost.
Příklady
Technika má široké využití.
Reference
[29, Maes, 2005], [16, CIPEC, 2002]
3.2.11.1
Instalace odstranitelných izolačních tvarovek nebo ventilů
a armatur
Popis
Během údržby se izolace pokrývající potrubí, ventily a armatury často poškodí nebo se odstraní
a už se nenahradí novou.
Izolace různých komponent v rámci závodu se často různí. Např. moderní kotle mají většinou
samy již dobrou izolaci. Na druhé straně armatury, ventily a další spoje obvykle nejsou dobře
izolovány. Pro plochy, které emitují teplo, jsou k dispozici opětovně použitelné a odstranitelné
izolační tvarovky.
Účinnost této techniky záleží na konkrétní aplikaci, ale ztráty tepla v důsledku častého narušení
izolace se často podceňují.
červen 2008
163
Kapitola 3
Následující tabulka shrnuje energetické úspory spojené s používáním izolačních krytů na ventily
pro různé velikosti ventilů a provozní teploty. Tyto hodnoty byly vypočítány pomocí
počítačového programu, který splňuje požadavky na výpočty tepelných ztrát a teploty povrchu
ASTM C 1680 - úspory energie jsou definovány jako ztráta energie mezi neizolovaným
ventilem a izolovaným ventilem, které jsou provozovány při téže teplotě.
Přibližné úspory*energie spojené s instalací
odstranitelných izolačních tvarovek na ventily (W)
Velikost ventilu v mm
Provozní teplota ºC
75
100
150
200
255
305
230
315
450
640
840
955
95
495
670
970
1405
1815
2110
150
840
985
1700
2430
3165
3660
205
1305
1800
2635
3805
4950
5770
260
1945
2640
3895
5625
7380
8580
315
* vychází z izolace pomocí izolačních tvarovek (tloušťka 25 mm) na ventilu třídy ANSI 150
s okolní teplotou 20 oC
tabulka 3-11 Přibližné úspory energie spojené s instalací odstranitelných izolačních tvarovek
na ventily
[123, US_DOE]
Správná instalace izolačních krytů může přispět i ke snížení hluku.
Nejsou známy.
Provozní údaje
Opětovně použitelné izolační tvarovky se v průmyslových závodech běžně používají k izolaci
přírub, ventilů, dilatačních spár, výměníků tepla, čerpadel, turbín, nádrží a dalších
nepravidelných povrchů. Tvarovky jsou pružné a odolné proti vibracím a lze je používat spolu
se zařízením, které je namontováno vertikálně nebo horizontálně i se zařízením, které je těžko
přístupné.
Použitelnost
Jakékoli vysokoteplotní potrubí nebo zařízení, které by se mělo izolovat kvůli snížení tepelných
ztrát, snížení emisí a zlepšení bezpečnosti. Obecně platí, že každý povrch, který dosahuje
teploty vyšší než 50 oC a kde je riziko kontaktu s osobami, by se měl izolovat kvůli ochraně
zaměstnanců (viz Izolace, kap. 3.2.11). Izolační tvarovky lze snadno odstranit při pravidelných
kontrolách nebo údržbě a v případě potřeby je vyměnit. Izolační tvarovky také mohou
obsahovat materiál fungující jako akustická bariéra, která pomáhá tlumit hluk.
Zvláštní péči je třeba věnovat izolaci oddělovače páry. Různé druhy oddělovačů mohou správně
fungovat pouze tehdy, jestliže může omezené množství páry kondenzovat nebo když může být
emitováno definované množství tepla (např. určité termostatické nebo termodynamické
oddělovače páry).
Pokud jsou tyto oddělovače izolovány nadměrně, může to narušit jejich provoz. Je proto nutné
jejich izolaci nejprve konzultovat s výrobcem nebo jiným odborníkem.
Ekonomie
Technika může mít rychlou návratnost, ale tento čas závisí na energii, ceně a ploše, kterou je
třeba izolovat.
164
červen 2008
Kapitola 3
•
Úspory nákladů
•
Zdraví a bezpečnost
Příklady
Široce používaná technika.
Reference
[29, Maes, 2005], [16, CIPEC, 2002, 123, US_DOE]
3.2.12
Realizace programu účinné údržby oddělovače páry
Popis
Unikající oddělovače páry představují značné množství ztracené páry a tím pádem i energie.
Řádná údržba může tyto ztráty účinným způsobem snížit. U parních systémů, kde nebyly
oddělovače páry kontrolovány v posledních třech až pěti letech, může mít poruchu a tudíž
způsobovat úniky až 30 % všech oddělovačů. U systémů s programem pravidelné údržby uniká
méně než 5 % z celkového počtu oddělovačů.
Existuje mnoho různých typů oddělovačů páry a každý typ má svou vlastní charakteristiku
a podmínky. Kontroly unikající páry zahrnují kontrolu akustickou, vizuální, kontrolu elektrické
vodivosti nebo tepelnou kontrolu.
Při výměně oddělovačů páry lze uvažovat o přechodu na oddělovače páry systému Venturi (s
otvorem). Některé studie naznačují, že při dodržení specifických podmínek mají tyto
oddělovače nižší ztráty páry a delší životnost. Názory odborníků na využití oddělovačů páry
systému Venturi (s otvorem) se však různí. V každém případě je však tento typ oddělovače páry
spojen s kontinuálními úniky, takže by se měl používat pouze pro velmi specifické služby (např.
na vařáky, které vždy pracují na minimálně 50 – 70 % své projektované kapacity).
Tabulka 3.12 ukazuje přibližné ztráty páry způsobené úniky pro několik průměrů.
Přibližný průměr
otvoru oddělovače
(mm)
1
1
2
3
4
6
8
0,38
1,5
6,2
13,9
24,8
55,8
Přibližné ztráty páry (kg/h)
Přibližný tlak páry (bar)
7
10
1,5
6,0
24
54
96
215
2,1
8,6
34,4
77
137
309
20
16,4
65,8
148
263
591
tabulka 3-12 Míra úniků z unikajícího oddělovače páry
[123, US_DOE]
Provozní údaje
Každoroční průzkum kontroluje všechny oddělovače páry. Různé kategorie fungování jsou
uvedeny v tabulce 3.13.
Zkratka
OK
BT
LK
Popis
V pořádku
Profukuje
Uniká
Definice
Funguje tak, jak má.
Pára z tohoto oddělovače uniká a dochází k maximálním
ztrátám páry. Je nutné ho vyměnit.
Pára z tohoto oddělovače uniká. Je třeba ho opravit nebo
vyměnit.
červen 2008
165
Kapitola 3
RC
Rychlý cyklus
PL
Ucpaný
FL
Zaplavený
OS
NT
Mimo provoz
Netestován
Cyklus tohoto termodynamického oddělovače páry je příliš
rychlý. Je třeba ho opravit nebo vyměnit.
Oddělovač páry je uzavřený. Nemůže skrze něj proudit
žádný kondenzát. Je třeba ho vyměnit.
Tento oddělovač páry již není dále schopen si poradit
s tokem kondenzátu. Je třeba ho vyměnit za oddělovač
o správné velikosti.
Tato větev nefunguje.
K tomuto oddělovači páry se nelze dostat, proto nebyl
testován.
tabulka 3-13 Různé provozní fáze oddělovačů páry [29, Maes, 2005]
Množství ztracené páry lze pro určitý oddělovač odhadnout následovně:
Rovnice 3.5
Kde:
•
•
•
•
•
•
•
Lt,y
FTt,y
FSt,y
CVt,y
ht,y
Pin,t
Pout,t
je množství páry, které oddělovač páry t ztratí za období y (tuny)
je provozní faktor oddělovače páry t během období y
je faktor zatížení oddělovače páry t během období y
je koeficient průtoku oddělovače páry t během období y
je počet hodin provozu oddělovače páry t během období y
je vstupní tlak oddělovače páry t (atm)
je výstupní tlak oddělovače páry t (atm).
Provozní faktor FTt,y vyplývá z Tabulky 3.14.
druh
BT
LK
RC
Profukuje
Uniká
Rychlý
cyklus
FT
1
0.25
0.20
tabulka 3-14 Provozní faktory pro ztráty páry v oddělovačích páry [29, Maes, 2005]
Faktor zatížení bere v úvahu interakci mezi párou a kondenzátem. Čím více kondenzátu
prochází oddělovačem páry, tím méně prostoru zbývá pro průchod páry. Množství kondenzátu
závisí na aplikaci, jak ukazuje Tabulka 3.15.
Aplikace
Faktor
zatížení
Standardní procesní aplikace
Oddělovač páry s odkapáváním
a indikací
Tok páry (žádný kondenzát)
0,9
1,4
2,1
tabulka 3-15 Faktor zatížení pro ztráty páry
[29, Maes, 2005]
Nakonec i velikost potrubí určuje koeficient průtoku:
• CV = 3.43 D²
• kde D = poloměr otvoru (cm).
166
červen 2008
Kapitola 3
Příklad výpočtu:
•
•
•
•
•
•
•
FTt,y = 0,25
FSt,y = 0,9 protože množství páry, která prošla oddělovačem, je zkondenzováno, ale
korigováno ve srovnání s kapacitou oddělovače páry (Tabulka 3.16)
CVt,y = 7,72
D = 1,5 cm
ht,y = 6000 hodin ročně
Pin,t = 16 atm
Pout,t = 1 atm.
Oddělovač páry tudíž ztrácí až 1110 tun páry ročně.
Pokud k tomuto dojde v závodě, kde náklady na páru činí 15 EUR/tunu, pak konečné ztráty
budou 16650 EUR.
Pokud pára unikne spíše celkově než jen prostřednictvím úniků, mohou se náklady vyšplhat až
na 66570 EUR ročně.
Tyto ztráty jsou rozhodně důvodem pro zavedení účinného systému managementu a kontroly
pro všechny oddělovače páry v závodě.
Použitelnost
Pro každý parní systém je třeba program, který zjišťuje unikající oddělovače páry a určuje, zda
je třeba je vyměnit. Oddělovače páry mají většinou relativně krátkou životnost. Náklady
na jejich výměnu jsou zpravidla podstatně nižší než ztráty způsobené jejich špatným
fungováním. Oddělovače by se měly kontrolovat alespoň jednou ročně.
Na každý druh oddělovače páry lze instalovat automatizovaný kontrolní mechanismus.
Automatické kontroly oddělovače páry je dobré aplikovat zejména na:
•
•
Oddělovače s vysokým provozním tlakem, kde jakýkoli únik rychle zvyšuje ztráty energie
Oddělovače, jejichž fungování má zásadní význam pro provoz a jejich případné
zablokování by mohlo vést k poškozením nebo ztrátám ve výrobě.
Ekonomie
Rychlá návratnost, v závislosti na rozsahu úniků. Viz výše uvedený příklad.
• Náklady
• Lepší účinnost parního systému.
Příklady
Široké použití.
Reference
[29, Maes, 2005], [16, CIPEC, 2002]
3.2.13
Sběr a vracení kondenzátu do kotle k opětovnému použití
Popis
Tam, kde se teplo aplikuje do procesu pomocí výměníku tepla, pára během své kondenzace
v horkou vodu vydává energii v podobě latentního tepla. Tato voda se ztrácí nebo se (obvykle)
shromažďuje a vrací do kotle. Opětovné používání kondenzátu má čtyři cíle:
•
Opětovné využití energie obsažené v horkém kondenzátu
červen 2008
167
Kapitola 3
•
•
•
Úspora nákladů na surovou vodu
Úspora nákladů na čištění kotelní vody (čistit se musí kondenzát)
Úspora nákladů na vypouštění odpadních vod (tam, kde je to aktuální)
Kondenzát se běžně shromažďuje při atmosférickém a negativním tlaku. Může pocházet z páry
používané v zařízeních při mnohem vyšším tlaku.
Když se tento kondenzát vrací do atmosférického tlaku, vytváří se spontánně mžiková pára. Tu
lze také získávat (viz kap. 3.2.14).
Opětovné využití kondenzátu vede také ke snížení nákladů na čištění vody a s tím spojené nutné
chemikálie. Snižuje se i množství použité vody i vody, která se vypouští.
Provozní údaje
V případě systémů s negativním tlakem je nutné odvzdušnění.
Použitelnost
Techniku nelze aplikovat v případech, kdy je získaný kondenzát znečištěný nebo ho nelze
získat, protože pára byla do procesu vstřikována.
Co se týká nových designů, je dobrým zvykem oddělovat kondenzáty na potenciálně znečištěné
a čisté toky kondenzátu. Čisté kondenzáty jsou ty, které přicházejí ze zdrojů, které z principu
nebudou nikdy znečištěné (např. z vařáků, kde je tlak páry větší než procesní tlak, takže
v případě unikajícího potrubí jde pára spíše do procesu než aby se komponenty procesu
dostávaly do páry). Potenciálně znečištěné kondenzáty jsou kondenzáty, které by mohly být
v případě havárie znečištěny (např. poškození potrubí na vařáku, kde je tlak na straně procesu
vyšší než na straně páry). Čisté kondenzáty lze získávat bez dalších podmínek. Potenciálně
znečištěné kondenzáty lze získávat, s výjimkou případů skutečného znečištění (např. unikající
vařák), který se zjistí při online monitoringu, např. pomocí TOC měřiče.
Ekonomie
Získávání kondenzátu je velmi přínosné a mělo by se o něm uvažovat ve všech případech, kdy
ho lze aplikovat (viz Použitelnost), s výjimkou případů, kdy je množství kondenzátu malé (např.
když se do procesu přidává pára).
Příklady
Obecně aplikovaná technika.
Reference
[29, Maes, 2005], [16, CIPEC, 2002]
3.2.14
Opětovné využití mžikové páry
Popis
Mžiková pára se tvoří v momentě, kdy kondenzát při vysokém tlaku expanduje. Jakmile je
kondenzát při nižším tlaku, jeho část se opět odpaří a vytvoří mžikovou páru. Mžiková pára
obsahuje jak čištěnou vodu tak i velkou část dostupné energie, která je stále přítomná
v kondenzátu.
168
červen 2008
Kapitola 3
Energii lze získat prostřednictvím výměny tepla s přídavnou napájecí vodou. Pokud se odluhová
voda předem přivede na nižší tlak v mžikové nádrži, pak se pára vytvoří při nižším tlaku. Tuto
mžikovou páru lze přímo přesunout do odplyňovacího zařízení a ta se tak může smísit
s čerstvou přídavnou napájecí vodou. Mžiková pára neobsahuje žádné rozpuštěné soli
a představuje velký podíl energie v odluhu.
Mžiková pára však zabírá mnohem větší objem než kondenzát. Potrubí určené pro návrat musí
být schopné si s tím poradit bez nárůstu tlaku. Jinak by výsledný protitlak mohl narušit správné
fungování oddělovačů páry a dalších komponent, které dále navazují.
V kotelně lze mžikovou páru, podobně jako kondenzát, využít k ohřevu čerstvé napájecí vody
v odplyňovacím zařízení. Další možností využití mžikové páry je ohřev vzduchu.
Mimo kotelnu lze mžikovou páru využít k ohřevu komponent na teplotu pod 100 oC. v praxi
jsou různé možnosti využití páry při tlaku 1 bar. Mžikovou páru je tudíž možné vstřikovat do
těchto potrubí a lze ji také využít k předběžnému ohřevu vzduchu, atd.
Požadavky nízkotlakých procesů na páru jsou většinou splněny přiškrcením vysokotlaké páry,
ale část těchto požadavků může být naplněna s nízkými náklady rychlým odpařením
vysokotlakého kondenzátu. Rychlé odpaření je obzvláště atraktivní v případech, kdy není
ekonomicky proveditelné vracet vysokotlaký kondenzát zpět do kotle.
Přínosy závisí na jednotlivých případech.
Při tlaku 1 bar má kondenzát teplotu 100 oC a entalpii 419 kJ/kg. Pokud se získává mžiková
pára nebo pára po odpaření, pak celkový obsah energie záleží na pracovním zatížení celého
zařízení. Podíl energie, která odchází z parního systému v kondenzátu, je uvedena v tabulce
3.16, která také udává relativní množství energie v kondenzátu a v mžikové páře. Při vyšších
tlacích mžiková pára obsahuje většinu energie.
Absolutní tlak
(bar)
V kondenzátu při
atmosférickém
tlaku (%)
V kondenzátu +
páře
po odpaření při
tlaku kotle (%)
Relativní podíl
energie, kterou lze
získat v mžikové
páře (%)
1
13,6
13,6
0,0
2
13,4
16,7
19,9
3
13,3
18,7
28,9
5
13,2
21,5
38,6
8
13,1
24,3
46,2
10
13,0
25,8
49,4
15
13,0
28,7
54,7
20
12,9
30,9
58,2
25
12,9
32,8
60,6
40
12,9
37,4
65,4
Pozn.: napájecí voda pro zařízení má často průměrnou roční teplotu cca 15°C.
Tato čísla byla vypočítána na základě situace, kde je teplota vody dodávané
do zařízení 15°C, nebo její entalpie je 63 kJ/kg
tabulka 3-16 Procenta z celkové energie přítomné v kondenzátu při atmosférickém tlaku
a v mžikové páře
[29, Maes, 2005]
Tam, kde se mžiková pára vyrábí ze stlačeného kondenzátu, je teplota (a tím i obsah energie)
kondenzátu vracejícího se do kotle snížena. Tam, kde je připojen ekonomizér, existuje
potenciální výhoda, že tento ekonomizér může poté získat více energie ze spalin do vracejícího
červen 2008
169
Kapitola 3
se/napájecího proudu vody, čímž se zlepší účinnost kotle. To je ta energeticky nejúčinnější
kombinace. Musí však existovat využití pro nízkotlakou páru z mžikové páry, přičemž je třeba
vzít v úvahu, že nízkotlaká pára (ze všech zdrojů) se může přemísťovat jen na krátké
vzdálenosti. V mnoha případech (např. v rafinériích nebo chemičkách) je nadbytek nízkotlaké
páry a často pro ni není využití. Pak je nejlepším řešením návrat kondenzátu do
odvzdušňovacího zařízení: uvolňování mžikové páry do atmosféry je plýtvání energií. Aby se
předešlo problémům s kondenzátem, může se kondenzát sbírat lokálně v konkrétní jednotce
nebo při konkrétní činnosti a čerpat zpět do odvzdušňovacího zařízení.
Zavedení kterékoli varianty závisí na poměru vynaložených nákladů a výsledného zisku
spojeného s instalací potrubí a dalšího vybavení (viz kap. 1.1.6).
Provozní údaje
Opětovné využití mžikové páry je možné v mnoha případech, často k ohřevu na teplotu nižší
než 100 oC. Existuje řada možností.
Sběr mžikové páry v potrubí kondenzátu. Během životnosti zařízení se mohou do stejných větví
přidávat různé komponenty a potrubí pro návrat kondenzátu se může stát příliš malým
na množství kondenzátu, který se má získávat. Ve většině případů se tento kondenzát získává
při atmosférickém tlaku, takže velká část potrubí je naplněna mžikovou párou. Pokud dojde ke
zvýšenému vypouštění kondenzátu, může tlak v tomto potrubí stoupnout nad 1 bar. To může
vést k problémům proti proudu a může to narušit řádné fungování oddělovačů páry apod.
Mžikovou páru lze vypouštět do mžikové nádrže instalované na vhodném místě návratového
potrubí. Mžikovou páru pak lze využít k lokálnímu předehřívání nebo ohřevu na teplotu nižší
než 100 oC. Tlak v potrubí pro návrat kondenzátu se tak zároveň sníží na normál a předejde
se tím nutnosti měnit síť pro návrat kondenzátu.
Při revizi existující sítě je jednou ze zvažovaných možností vracení kondenzátu při nižším tlaku.
Vznikne tím více mžikové páry a teplota také poklesne pod 100 oC.
Když se pára používá např. k ohřevu do teploty 100 oC, je možné, že skutečný tlak v topné
spirále po nastavení poklesne pod 1 bar. V důsledku toho může dojít k nasátí kondenzátu do
spirály a k jejímu zaplavení. Tomu je možné se vyhnout tím, že se bude kondenzát získávat za
nízkého tlaku. V důsledku nízkého tlaku vzniká více mžikové páry a z kondenzátu se získá více
energie. Komponenty pracující při těchto nižších teplotách lze přepnout na individuální síť. Je
však třeba instalovat další čerpadla, aby se tento nízký tlak udržel a aby se odstranil jakýkoli
vzduch unikající do potrubí z vnějšího okolí.
Použitelnost
Tato technika se aplikuje tam, kde má podnik parní síť s tlaky nižšími, než je tlak, při kterém se
pára vyrábí. Pak může být opětovné využití mžikové páry exergeticky příznivější než pouhá
výměna tepla v odluhu pomocí výměníku tepla.
.
Teoreticky by jakékoli využití energie při nižší teplotě mohlo být možným využitím pro
mžikovou páru namísto páry čerstvé. Je zde řada možností ke zkoumání, i když realizace
nebude vždy jednoduchá. Široké uplatnění má v petrochemickém průmyslu.
Ekonomie
Získávání mžikové páry uspoří čerstvou vodu i její čištění, i když hlavní uspořené náklady jsou
náklady na energii. Získávání mžikové páry vede k mnohem větším energetickým úsporám než
u prostého sběru kapalného kondenzátu.
Viz Příklady v příloze 7.10.1.
170
červen 2008
Kapitola 3
• Úspory nákladů
• Využití nízkotlaké páry.
Příklady
Reference
[29, Maes, 2005, 123, US_DOE]
3.2.15
Získávání energie z odluhů kotle
Popis
Z odluhů kotle lze získávat energii pomocí výměníku tepla, který předehřívá přídavnou napájecí
vodu do kotle. Každý kotel s kontinuálním odluhem, který převyšuje 4 %, je vhodný pro
zavedení systému získávání odpadního tepla z odluhu. Větších energetických úspor se dosahuje
u kotlů s vysokým tlakem.
Na druhé straně mžikový odluh při středním nebo nízkém tlaku je dalším způsobem, jak
zužitkovat energii, která je k dispozici (viz kap. 3.2.14).
Potenciální energie získaná v podobě tepla z odluhu je uvedena v tabulce 3.17.
Energie získaná ze ztrát spojených s odluhem v MJ/h 22
Míra odluhu
% výkonu kotle
2 barg
1%
2%
4%
6%
8%
10 %
42
84
168
252
337
421
Provozní tlak kotle
5 barg
10 barg
20 barg
52
103
207
310
413
516
61
123
246
368
491
614
74
147
294
442
589
736
50 barg
95
190
379
569
758
948
tabulka 3-17 Energie získaná ze ztrát spojených s odluhem
[29, Maes, 2005]
Při snížení teploty odluhu je snazší splnit environmentální předpisy, které požadují, aby teplota
vypouštěné odpadní vody byla pod určitou hodnotou.
Nejsou známy.
Provozní údaje
Viz příklady v Příloze 7.10.1.
Použitelnost
Viz Ekonomie.
Ekonomie
Účinnost takové techniky vede obvykle k návratu vynaložených nákladů v horizontu několika
let.
22
Tato množství byla určena na základě výkonu kotle 10 t/h, průměrné teploty kotelní vody 20 oC
a účinnosti procesu získávání tepla z odluhu 88 %
červen 2008
171
Kapitola 3
Úspory nákladů.
Příklady
Viz příklady v Příloze 7.10.1.
Reference
[29, Maes, 2005], [16, CIPEC, 2002] [123, US_DOE] CEN EN 12952-15:2003 a CEN EN
12953-11:2003
3.3
Získávání tepla a chlazení
[16, CIPEC, 2002], [26, Neisecke, 2003] , [34, ADENE, 2005], [97, Kreith, 1997].
Teplo přirozeně přechází z místa s vyšší teplotou (zdroj tepla) na místa s nižší teplotou (viz kap.
1.2.2.2, druhý zákon termodynamiky). Toky tepla z určité činnosti, procesu nebo systému lze
považovat za analogii k ostatním emisím do životního prostředí, které jsou dvojího druhu:
1. Fugitivní zdroje, např. záření skrze otvory pece, horké plochy se špatnou nebo vůbec žádnou
izolací, teplo ztrácející se z ložisek atd.
2. Konkrétní toky, např.:
• Horké spaliny
• Upotřebený vzduch
• Chladící kapaliny a plyny z chladících systémů (plyny, chladící voda nebo hydraulický olej)
• Horké nebo studené produkty nebo odpadní produkty
• Horké nebo studené vody vypouštěné do kanalizace
• Superteplo a teplo z kondenzátoru, které bylo odmítnuto při chlazení.
Tyto tepelné ztráty se často nazývají „odpadním teplem“, i když správný termín by měl být
„nadbytečné teplo“, protože lze získávat z konkrétních toků tepla a využívat ho v jiném procesu
nebo systému. Abychom čtenáři usnadnili práci, užíváme v této kapitole termín
odpadní/nadbytečné teplo.
Existují dvě úrovně exergie toku tepla („kvalita“ tepla; viz kap. 1.2.2.2):
1. teplo z horkých proudů, jako jsou např. spaliny
2. teplo z relativně studených proudů (< 80 oC). tyto proudy je těžší zhodnocovat a exergie
tohoto tepla se možná bude muset zvýšit.
V jednoduchých případech je lze řešit přímo, pomocí technik popsaných v této kapitole. Ve
složitějších závodech s více než jedním zdrojem tepla a/nebo pohlcovačem tepla je lepší
získávání tepla zkoumat na úrovni procesu nebo závodu, např. pomocí metodiky PINCH, a
aplikací výměny tepla mezi dvěma procesy nebo integrací procesů (viz kap. 2.3, 2.4 a 2.12).
Technologie získávání tepla
Nejčastěji používané techniky získávání tepla jsou tyto:
•
•
•
Přímé využití: výměníky tepla využijí toto teplo tak, jak je k dispozici v proudu
s nadbytečným teplem (např. horké spaliny, viz kap. 3.2.5)
Tepelná čerpadla zvýší kvalitu tepla v relativně studených proudech tak, aby mohlo
vykonávat užitečnější práci, než jaké by mohlo být dosaženo při jeho současné teplotě (tj.
vstup vysoce kvalitní energie zvyšuje kvalitu energie odpadního/nadbytečného tepla)
Vícestupňové operace, jako je vícestupňové odpařování, rychlé odpaření (mžiková pára)
a kombinace již zmíněných postupů (3.11.3.6).
Před zkoumáním možností získávání tepla je důležité, aby byly příslušné procesy
optimalizovány. Optimalizace až po zavedení systému získávání tepla může získávání tepla
172
červen 2008
Kapitola 3
ovlivnit úplně opačně, mohlo by se zjistit, že je systém získávání tepla předimenzovaný a také
ekonomicky to bude nevýhodné.
Po optimalizaci procesů je nejdůležitější zhodnotit kvalitu a množství odpadního tepla a pak
zjistit jeho možná využití. Získávání tepla je často limitováno kvalitou odpadního tepla
a možnostmi jeho využití.
Je velmi důležité mít relevantní, kvantifikované informace a znalosti procesů, ve kterých toto
teplo vzniká a do kterých se má získávání tepla začlenit. Primární důvod pro komplikace
a selhání při získávání odpadního tepla je nedostatek porozumění. Chyby a opomenutí mívají
závažnější dopad než např. špatně zvolený typ výměníku tepla. Kromě termodynamických chyb
jsou to fyzikální vlastnosti zdroje odpadního tepla, které mohou vést k problémům, ať už bude
zvolen jakýkoli výměník tepla, jestliže nebudou tyto vlastnosti přezkoumány na samém
počátku.
Podrobné porozumění fungování procesu spolu se znalostmi o tom, jak dalece lze modifikovat
provozní parametry, má zásadní význam pro úspěšnou integraci získávání tepla do procesu.
Podrobné měření a zaznamenávání provozních údajů je vynikajícím startem pro plánování.
Pomůže to také identifikovat možné úspory s nízkými náklady.
Možné varianty jsou:
•
Využití tepla v procesu, ze kterého pochází (tj. recirkulace, často pomocí výměníků tepla,
např. ekonomizéry, viz kap. 3.2.5)
•
Použití tepla v jiném systému nebo jednotce (tato varianta může vzniknout proto, že
odpadní teplo nemá dostatečně vysokou teplotu). Pak nastávají dvě možnosti:
o - v rámci závodu, v jiné jednotce nebo procesu
o - v jiném závodě (např. u integrovaných chemických podniků) nebo v širším okolí,
např. k dálkovému vytápění. Viz Kogenerace v kap. 3.4)
Pokud odpadní teplo nemá dostatečně vysokou exergii, je možné jí zvýšit pomocí tepelných
čerpadel, anebo je možné najít využití, kde postačí nízká energie, např. horká voda nebo
vytápění prostor HVAC.
Tato kapitola tudíž probírá i chlazení (jako významnou příležitost k získávání tepla) a dvě
hlavní zmíněné techniky: tepelné výměníky a tepelná čerpadla.
3.3.1
Výměníky tepla
Popis
Přímé získávání tepla se provádí ve výměnících tepla. Výměník je zařízení, ve kterém se energie
přenáší z jedné kapaliny nebo plynu do druhé před tuhý povrch. Používají se buď k ohřívání
nebo chlazení procesů nebo systémů. K přenosu tepla dochází jak konvekcí tak i vedením.
Vypouštěné teplo při relativně nízkých teplotách, např. 70 oC až po 500 oC, lze najít v mnoha
průmyslových odvětvích:
•
•
•
•
Chemický průmysl včetně polymerů
Potravinářství
Papírenství
Textilní průmysl.
V tomto rozpětí teplot lze použít následující zařízení (výměníky tepla) v závislosti na druhu
použitých kapalin nebo plynů (např. plyn-plyn, plyn-kapalina, kapalina-kapalina) a na konkrétní
aplikaci:
•
Rotační generátor (adiabatické kolo)
červen 2008
173
Kapitola 3
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Spirála
Tepelné potrubí/samočinný oběh
Trubkový rekuperátor
Ekonomizér
Kondenzační ekonomizér
Sprchový kondenzátor (kapalinový výměník tepla)
Kotlový výměník tepla
Deskový výměník tepla
Deskový + kotlový výměník tepla
Při vyšších teplotách (nad 400 oC) v průmyslu oceli a dalších kovů, ve sklářství a keramice jsou
k získávání odpadního tepla z plynů k dispozici tyto metody:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Deskové výměníky
Kotlové výměníky tepla
Radiační potrubí s rekuperátory
Konvekční potrubí s rekuperátory
Systémy rekuperativních hořáků a samorekuperačních hořáků
Statické regenerátory
Rotační regenerátory
Kompaktní keramické regenerátory
Impulsní regenerační hořáky
Radiální deskové rekuperační hořáky
Regenerační hořáky s integrálním ložem. Fluidní lože se používají pro drsné pracovní
podmínky, např. v papírenství.
Pec s optimalizací energie.
Dynamické výměníky tepla nebo výměníky se stíraným povrchem se používají zejména pro
ohřev nebo chlazení produktů s vysokou viskozitou, krystalizačních procesů, odpařování
a vysoce znečišťující aplikace.
Jedno z nejširších využití výměníků tepla je u klimatizace, viz kap. 3.9. Tyto systémy využívají
topné nebo chladící hady (spirály).
Účinnost
Výměníky tepla jsou navrženy pro konkrétní energeticky optimalizované aplikace. Následný
provoz výměníků tepla za jiných nebo proměnlivých provozních podmínek je možný pouze
v rámci určitých limitů. Povede to ke změnám přenášené energie, koeficientu přestupu tepla
(hodnota U) a k poklesu tlaku média.
Koeficient přestupu tepla a tím i přenesenou energii ovlivňuje tepelná vodivost i podmínky
na povrchu materiálu přenášejícího teplo a jeho tloušťka. Vhodný mechanický design a volba
materiálů mohou zvýšit účinnost výměníku tepla. Náklady a mechanické zatížení také hrají
významnou roli ve volbě materiálu a konstrukčního designu.
Energie přenesená pomocí výměníku tepla je velmi závislá na povrchu výměníku. Plochu tohoto
povrchu lze zvětšit pomocí žeber. Je to obzvláště užitečné pro dosažení nízkých koeficientů
přestupu tepla (např. plynové výměníky tepla).
Akumulace nečistot na povrchu výměníku zmenšuje přenos tepla. Míru nečistot lze snížit
pomocí vhodných materiálů (velmi hladké povrchy), konstrukčních tvarů (např. spirálové
výměníky tepla) nebo změnou provozních podmínek (vysoké rychlosti média). Výměníky lze
navíc čistit nebo vybavit automatickým čistícím systémem (dynamický nebo stíraný povrch).
174
červen 2008
Kapitola 3
Vyšší průtoky zvýší koeficient přestupu tepla. Zvýšené průtoky však také povedou k vyššímu
poklesu tlaku. Vysoké úrovně turbulence toku zlepšují přenos tepla, ale vedou k většímu
poklesu tlaku. Turbulenci lze vytvořit pomocí tvarovaných desek tepelného výměníku nebo
připojením odváděcího zařízení.
Přenesená energie také závisí na fyzikálním stavu média, např. tlaku a teplotě. Pokud se jako
primární médium používá vzduch, lze ho před vstupem do výměníku tepla zvlhčit. Zlepší se tím
přenos tepla.
Dochází k energetickým úsporám pomocí toků sekundární energie.
Použitelnost
Systémy získávání tepla mají široké využití s dobrými výsledky v mnoha průmyslových
sektorech a systémech, viz Popis a kap. 3.2.
Technika se uplatňuje ve stále více případech a mnohé uplatnění lze najít i mimo daný závod,
viz Kogenerace, viz kap. 3.4 a Přílohy 7.10.3 a 7.10.4. Získávání odpadního tepla nelze
aplikovat tam, kde není poptávka, která by odpovídala křivce výroby.
Ekonomie
Doba návratnosti může být i šest měsíců nebo i 50 let či více. V rakouském papírenském
průmyslu se tato doba u složitých systémů pohybuje od jednoho do tří let.
Lze vypočítat náklady a přínosy i dobu návratnosti, viz BREF ECM.
V některých případech, zejména když se teplo využívá mimo závod, je možné využít
financování prostřednictvím státních iniciativ, viz Příloha 7.13.
•
•
•
Snížení nákladů na energie, snížení emisí a často i rychlá návratnost investic
Lepší provoz procesu, např. snížení kontaminace povrchu (u systémů se stíraným
povrchem), modernizace stávajících zařízení a toků, snížení poklesu tlaku v systému
Úspory poplatků za vypouštění odpadních vod.
Příklady
• Odvětví citovaná v Popisu: chemický průmysl, potravinářství, papírenství, textilní průmysl
• Rakouský papírenský průmysl
• Tait Paper v Inverure, Aberdeenshire, Velká Británie
Reference
[16, CIPEC, 2002], [26, Neisecke, 2003], [34, ADENE, 2005] [97, Kreith, 1997] [127, TWG]
3.3.1.1
Monitoring a údržba výměníků tepla
Popis
Monitoring stavu potrubí ve výměníku tepla lze provádět pomocí vířivých proudů. Tato
kontrola je často simulována prostřednictvím CFD (computational fluid dynamics). U
exteriérových výměníků lze také využít infračervenou fotografii (viz kap. 2.10.1), která odhalí
výrazné změny teplot nebo horká místa.
červen 2008
175
Kapitola 3
Vážným problémem je znečištění. Ke chlazení se často využívá voda z řek nebo moří a do
systémů se mohou dostat biologické nečistoty a tvořit vrstvy. Dalším problémem je vodní
kámen (viz kap. 3.2.6). Chlazený proces může také vytvářet vodní kámen, např. nánosy oxidu
křemičitého při zpracování hliníku. Viz Příklady.
Lepší tepelná výměna a získávání tepla.
Při použití chemikálií k odstraňování vodního kamene.
Provozní údaje
• Deskové výměníky tepla je třeba čistit pravidelně – rozebrat, vyčistit a opět smontovat
• Trubkové výměníky lze čistit pomocí kyselin, kuliček nebo vodním proudem (poslední dvě
techniky mohou být patentově chráněné)
• Provoz a chlazení jsou také popsány v dokumentu BREF CV.
Použitelnost
• Použitelné na všech výměnících tepla
• Konkrétní techniky se vybírají zvlášť, případ od případu
Ekonomie
Údržba výměníků tepla podle jejich projektovaných specifikací optimalizuje návratnost investic.
Udržení výrobní kapacity.
Příklady
Čištění kyselinou: Eurallumina, Portovecompany Itálie. Viz Příloha 7.10.2.
Reference
IČ metoda: [162, SEI, 2006]
3.3.2
Tepelná čerpadla (včetně mechanické rekomprese par (MVR)
Popis
Hlavním účelem tepelných čerpadel je transformovat energii z nižší úrovně teploty (nízká
exergie) na úroveň vyšší. Tepelná čerpadla mohou přenášet teplo (nikoli ho generovat)
z člověkem vytvořených tepelných zdrojů, jako jsou průmyslové procesy, nebo z přírodních či
umělých zdrojů tepla v okolí, jako je vzduch, půda nebo voda, a to pro využití v domácnostech,
v komerčních nebo průmyslových aplikacích. Nejběžnější využití tepelných čerpadel je však
v chladících systémech, ledničkách apod.. Teplo se pak přenáší v opačném směru, z aplikace,
která je chlazena, do okolí. Někdy se nadbytečné teplo z chlazení využívá k uspokojení nějaké
okamžité poptávky po teple v okolí. Tepelná čerpadla se používají v kogeneraci a trigeneraci,
jsou v provozu systémy, které poskytují simultánně jak ohřev, tak i chlazení, a to při kolísající
sezónní poptávce (viz kap. 3.4 a 3.4.2).
K přesunu tepla z tepelného zdroje do místa, kde je teplo třeba, je nutná externí energie, která
pohání tepelné čerpadlo. Tento pohon může být jakýkoli, např. elektromotor nebo spalovací
motor, turbína nebo tepelný zdroj u adsorpčních tepelných čerpadel.
Kompresní tepelná čerpadla (uzavřený cyklus)
Nejčastěji používané tepelné čerpadlo je pravděpodobně čerpadlo poháněné kompresorem. Je
instalováno např. v chladničkách, klimatizacích, chladičích, zařízeních na odstraňování vlhkosti,
v tepelných čerpadlech pro vytápění energií z horniny, půdy, vody a vzduchu. Tato zařízení jsou
176
červen 2008
Kapitola 3
poháněna i elektromotorem, ale ve velkých závodech lze použít kompresory poháněné parní
turbínou.
Kompresní tepelná čerpadla využívají Karnotův cyklus (proces studené páry), který sestává
z fáze odpařování, komprese, kondenzace a expanze v uzavřeném cyklu.
Obrázek 3.8 ukazuje princip kompresního tepelného čerpadla. V odpařovacím zařízení
se cirkulující pracovní kapalina odpařuje pod nízkým tlakem a při nízké teplotě, např. kvůli
odpadnímu teplu. Kompresor následně zvýší tlak a teplotu. Pracovní látka pak kondenzuje
v kondenzátoru a uvolní teplo využitelné v tomto procesu. Kapalina je pak přinucena k expanzi
na nízký tlak a když se odpařuje, absorbuje teplo ze zdroje tepla. Tím je energie v tepelném
zdroji při nízké teplotě (např. odpadní voda, spaliny) transformována na vyšší teplotní úroveň,
aby mohla být využita v jiném procesu nebo systému.
Nízký tlak
Vysoký tlak
Kompresor
Zdroj tepla
Motor
Zkapalnění
Využití tepla
Odpařování
Expanzní ventil
Obrázek 3-8: Schéma kompresního tepelného čerpadla
[28, Berger, 2005]
U kompresního tepelného čerpadla je stupeň účinnosti indikován jako koeficient (činitel)
výkonu (COP – coefficient of performance), který značí poměr výstupu tepla ku vstupní energii,
např. elektřinu vstupující do motoru kompresoru.
COP kompresního tepelného čerpadla lze vyjádřit jako: ¨
COP = η . C Thot/( Thot −Tcold),
Rovnice 3.5
kde
η . C je Karnotova účinnost,
Thot a Tcold jsou teploty kondenzátoru a odpařováku vyjádřené v K.
Karnotovu účinnost lze při mírném kolísání teplot považovat ze konstantu.
Moderní kompresní tepelná čerpadla mohou dosáhnout COP až v hodnotě 6, což znamená, že
z 1 kW vstupní elektrické energie v kompresoru lze vyrobit 6 kW tepla na výstupu. Při tzv.
podmínkách „od odpadu k energii“ („waste to energy“) může být poměr mezi výstupním teplem
a energií z kompresoru kolem 5.
COP však platí pouze pro jedinou podmínku rovnovážného stavu. Tento koeficient tudíž ne
vždy odpovídá účinnosti tepelného čerpadla, jelikož podmínka rovnovážného stavu nemůže být
červen 2008
177
Kapitola 3
reprezentativní po dlouhou dobu. V praxi může účinnost tepelného čerpadla správně popsat jen
tzv. sezónní celková účinnost (SOE). Navíc je při popisu energetické účinnosti tepelného
čerpadla nutné vzít v úvahu i doplňkovou energii nutnou k získání energie z tepelného zdroje.
Pro dosažení dobré sezónní celkové účinnosti je třeba splnit tyto požadavky:
•
Dobrá kvalita samotného tepelného čerpadla
•
Vysoká a konstantní teplota tepelného zdroje (přebytečné teplo je lepší než okolní
ovzduší)
•
Nízká (výstupní) teplota pohlcovače tepla
•
Integrace všech komponent (tj. tepelného čerpadla, tepelného zdroje, pohlcovače tepla,
řízení, distribuce tepla) do jednoho optimalizovaného systému.
Absorpční tepelná čerpadla
Absorpční tepelná čerpadla nejsou tak rozšířená, zejména v průmyslových aplikacích. Bylo
původně vyvinuto pro chlazení. Komerční tepelná čerpadla fungují na vodu v uzavřené smyčce
generátoru, kondenzátoru, odpařováku a absorbéru. Namísto komprese je cirkulace udržována
absorpcí vody v roztoku soli, zpravidla bromidu lithného nebo amoniaku, v absorbéru.
Obrázek 3.9 ukazuje princip absorpčního tepleného čerpadla. U absorpčního tepelného čerpadla
je pracovní plyn (chladící činidlo) přicházející z odpařováku absorbován kapalným roztokem
a v tomto procesu je generováno teplo. Tento obohacený roztok se převádí pomocí čerpadla
se zvýšením tlaku do ejektoru, poté je pracovní látka (chladící činidlo) z této směsi dvou látek
extrahována pomocí externí dodávky tepla (např. zemního plynu, LPG nebo odpadního tepla).
Kombinace absorbéru a ejektoru má efekt v podobě zvýšení tlaku (tepelný kompresor). Plynná
pracovní látka odchází z ejektoru při vyšším tlaku a vstupuje do kondenzátoru, kde zkapalní
a uvolní do procesu užitečné teplo.
Vstupní energie nutná pro provoz čerpadla na rozpouštědlo je nízká v porovnání s energií
nutnou pro chod kompresoru kompresního tepelného čerpadla (energie nutná k čerpání kapaliny
je nižší než energie nutná ke kompresi a přepravě plynu).
Kondenzátor
Q
Ejektor
Proces
ochlazování
Ventil
chladící
látky
QH
Ventil
roztoku
Čerpadlo
roztoku
Proces
teplo/energie
Odpařovák
QO
Absorbér
Q
Obrázek 3-9: Schéma absorpčního tepleného čerpadla
[28, Berger, 2005]
kde v obr. 3.9:
= získaný výstup tepla
QC
178
červen 2008
Kapitola 3
QH
QO
QA
= vstup primární energie
= vstup odpadního tepla
= získaný výstup tepla
U absorpčních čerpadel je stupeň účinnosti indikován jako koeficient tepelné účinnosti. Je
definován jako poměr výstupního tepla ku vstupní energii paliva. Pokud se jako zdroj tepla
v ejektoru použije odpadní teplo, použije se namísto tepelné účinnosti tepelný koeficient.
Tepelný koeficient je definován jako poměr výstupního tepla ku vstupu odpadního tepla.
Palivový vstup je dodáván formou tepla, např. z hořáků pro zemní plyn, z páry nebo odpadního
tepla. Moderní absorpční tepelná čerpadla mohou dosáhnout koeficientu tepelné účinnosti až
1,5. Poměr mezi výstupním teplem a energií absorbéru je většinou 1,6. Současné systémy
s vodou/roztokem bromidu lithného dosahují výstupní teplotu 100 oC a teplotní nárůst 65 oC.
Systémy nové generace budou mít vyšší výstupní teploty (až 260 oC) a vyšší teplotní nárůst.
Mechanická rekomprese par (MVR – mechanical vapour recompression)
MVR je otevřené nebo částečně otevřené tepelné čerpadlo (ve vztahu k systému tepelného
čerpadla). Nízkotlaká pára odcházející z průmyslových procesů, jako jsou kotle, odparky nebo
vařiče, je stlačena a následně kondenzována, přičemž vzniká teplo při vyšší teplotě a tím
nahrazuje ostrou páru nebo jinou primární energii. Energie pohánějící kompresor tvoří většinou
5 – 10 % dodaného tepla. Obrázek 3.10 přináší zjednodušené schéma toků v zařízení MVR.
Pokud je pára čistá, lze jí použít přímo, ale u kontaminovaných par je nutný mezistupeň
(výměník tepla). Jedná se o částečně otevřený systém.
Odvod tepla
Kondenzátor
Kondenzát
Kompresor
Tepelný zdroj
(pára)
Obrázek 3-10: Jednoduché zařízení MVR
[18, Åsblad, 2005]
U MVR je účinnost obvykle vysoká, protože jsou eliminovány jeden až dva výměníky tepla
(odpařovák a/nebo kondenzátor v ostatních tepelných čerpadlech). Účinnost je opět vyjádřena
jako koeficient výkonu (COP). Ten je definován jako poměr dodaného tepla a hřídelové práce
vůči kompresoru. Na obr. 3.11 jsou nejčastější hodnoty koeficientu výkonu pro zařízení MVR
zobrazeny ve vztahu k teplotnímu nárůstu. Normální hodnoty COP pro zařízení MVR jsou
v rozpětí 10 – 30.
červen 2008
179
Kapitola 3
Obrázek 3-11: Hodnoty koeficientu výkonu ve vztahu k teplotnímu nárůstu pro zařízení běžné
MVR
[18, Åsblad, 2005]
Koeficient výkonu (COP) pro zařízení MVR je dán rovnicí:
COP >
ηboiler
ηpower plant ηdistribution
Rovnice 3.6
kde:
ηboiler je účinnost kotle v závodě /průmyslovém odvětví
ηpower je účinnost elektrárny vyrábějící elektřinu pro národní síť
ηdistribution platí pro ztráty v distribuci v elektrické síti.
COP tudíž musí být větší než, řekněme, 3, aby byl energeticky účinný, pokud je elektřina
vyráběna v kondenzační elektrárně. V praxi jsou hodnoty COP u všech zařízení MVR vysoko
nad touto hodnotou.
Tepelná čerpadla umožňují získávání nízkostupňové páry, přičemž spotřeba primární energie je
nižší než výstup energie (v závislosti na koeficientu výkonu a v případě, že jsou splněny
požadavky na dobrou sezónní celkovou účinnost). To umožňuje využití nízkostupňového tepla
v užitečných aplikacích, jako je vytápění uvnitř závodu nebo blízké obci. Výsledkem je snížení
používání primární energie a s tím spojených plynných emisí (oxid uhličitý, oxid siřičitý, oxidy
dusíku) v konkrétních aplikacích.
Účinnost jakéhokoli dalšího systému tepelného čerpadla velmi závisí na požadovaném
teplotním nárůstu od zdroje k výstupu.
Používání chladících kapalin s vlivem na životní prostředí (zejména na skleníkový efekt)
v případě úniku nebo uzavření provozu.
Provozní údaje
Viz výše uvedené Popisy tepelných čerpadel.
180
červen 2008
Kapitola 3
Použitelnost
Kompresorové systémy: v současnosti aplikované pracovní tekutiny omezují výstupní teplotu
na 120 oC.
Absorpční systémy: kombinace pracovních tekutin voda-bromid lithný může dosáhnout výstup
100 oC a teplotní nárůst 65 oC. Systémy nové generace budou mít vyšší výstupní teploty (až 260
o
C) a vyšší teplotní nárůst.
Současné systémy MVR pracují s teplotami zdroje tepla 70 – 80 oC a dodaného tepla 110 – 150
o
C a v některých případech až 200 oC. Nejběžnější stlačenou párou je vodní pára, i když
se používají i jiné druhy páry, zejména v petrochemickém průmyslu.
V odvětví s kombinovanou výrobou tepla a elektrické energie (např. protitlaké turbíny) je
situace komplikovanější. V takovém případě je např. třeba vzít v úvahu i ztracenou práci
protitlaké turbíny.
Použitelnost
Tepelná čerpadla se používají v chladících zařízeních a systémech (kdy se odstraňované teplo
často rozptyluje, viz kap. 3.9). nicméně to dokazuje, že jsou tyto technologie robustní a dobře
rozvinuté. Tato technologie je schopna mnohem větších aplikací u získávání tepla.
• Vytápění prostor
• Ohřev a chlazení procesních toků
• Ohřev vody na mytí, hygienu a úklid
• Výroba páry
• Sušení, odstraňování vlhkosti
• Odpařování
• Destilace
• Zakoncentrování (odvodňování).
Používají se také v kogeneračních a trigeneračních systémech.
Nejběžnější proudy odpadního tepla jsou chladící kapalina, vypouštěná odpadní voda,
kondenzát, vlhkost a kondenzátorové teplo z chladících zařízení. Vzhledem ke kolísání dodávky
odpadního tepla by mohlo být nutné použít velké (izolované) zásobní nádrže, aby se zajistil
stabilní provoz tepelného čerpadla.
Adsorpční tepelná čerpadla lze aplikovat u chladících systémů na místech, kde je velké
množství odpadního tepla.
Většina zařízení MVR jsou v jednotkových operacích, jako je destilace, odpařování a sušení, ale
běžná je i výroba páry do distribuční sítě.
Relativně málo tepelných čerpadel je instalováno v průmyslu kvůli získávání tepla a obvykle je
to ve fázi plánování nových závodů nebo podstatných modernizací (viz kap. 2.3).
Tepelná čerpadla jsou nákladově účinnější, když jsou náklady na palivo vysoké. Systémy mají
tendenci k větší složitosti než systémy poháněné fosilními palivy, i když technologie je robustní.
Ekonomie
Velmi závisí na lokální situaci. Doba návratnosti je v průmyslu v nejlepším případě 2 roky. To
lze na jedné straně vysvětlit nízkými náklady na energii, které minimalizují úspory
prostřednictvím využití tepelných čerpadel, a na druhé straně vysokými investičními náklady.
Ziskovost pro zařízení MVR závisí kromě cen paliv a energií i na nákladech na instalaci.
Náklady na instalaci zařízení ve švédské Nymölle (viz Příklady) byly asi 4,5 milionu EUR.
červen 2008
181
Kapitola 3
Švédská energetická agentura přispěla grantem ve výši téměř 1 milion EUR. V době instalace
čítaly úspory asi 1 milion EUR ročně.
•
Úspory provozních nákladů na energie
•
Závod může poskytnout prostředky ke zvýšení produkce bez nutnosti investic do nové
kapacity kotle, pokud je právě tato kapacita limitujícím faktorem.
Příklady
•
Dåvamyren, Umeå, Švédsko: kompresorem poháněné tepelné čerpadlo v závodě WTE
(waste to energy)
•
Renova Göteborg, Švédsko: tepelné čerpadlo poháněné absorpcí
•
Borlänge, Halmstad and Tekniska Verken, Linköping, závody WTE a hořáky
na biopaliva, Švédsko: tepelná čerpadla MVR
•
StoraEnso zpracování sulfitu v Nymölle, Švédsko, systém mechanické rekomprese byl
instalován v roce 1999. Zdrojem tepla je pára z předběžného odpaření černého louhu.
Tato kontaminovaná pára (při 84 oC) nejprve zkondenzuje ve výměníku tepla pára-pára
a vznikne čistá pára při teplotě o asi 5 oC nižší a o tlaku 0,45 barg. Dvoustupňový
kompresor zvýší tlak na asi 1,7 barg a tok páry z kompresoru činí po injektáži vody 21
t/hod. Pára se distribuuje v nízkotlakém parním systému a využívá se k předběžnému
odpařování, ohřevu napájecí vody a dálkovému vytápění. Mechanický kompresor je
poháněn protitlakou turbínou. Zkušenosti z provozu jsou po zvládnutí několika
počátečních problémů velmi dobré. MVR snižuje spotřebu topného oleje v kotlích o asi
7000 – 7500 tun ročně.
•
Technologie MVR byla přizpůsobena malým závodům, kde může být kompresor poháněn
obyčejným elektromotorem.
Reference
[21, RVF, 2002], [26, Neisecke, 2003], [28, Berger, 2005] [18, Åsblad, 2005], [114, Caddet
Analysis Series No. 28, 2001], [115, Caddet Analysis Series No. 23], [116, IEA Heat Pump
Centre]
3.3.3
Mrazící a chladící systémy
Chladící a mrazící systémy jsou podrobně popsány v dokumentu BREF CV. Tyto termíny se
omezují na systémy určené k odstraňování odpadního tepla z jakéhokoli média pomocí výměny
tepla s vodou a/nebo vzduchem tak, aby se snížila teplota tohoto média na úroveň blízkou
teplotě okolí. Některá chladící zařízení využívají jako chladivo led nebo sníh. BREF CV
popisuje jen část chladících systémů, ale nezabývá se otázkou chladiv, jako je amoniak, CO2,
fluorovodíkové plyny, CFC a HCFC23 atd. neposuzují se ani chladící a barometrické
kondenzátory s přímým kontaktem, protože jsou považovány za příliš specifické z hlediska
procesů.
V dokumentu BREF CV jsou popsány tyto průmyslové chladící systémy nebo konfigurace:
•
•
•
•
23
Chladící systémy s jedním průběhem (s chladící věží nebo bez ní)
Otevřené recirkulační chladící systémy (mokré chladící věže)
Chladící systémy s uzavřeným okruhem
o vzduchem chlazené chladící systémy
o mokré chladící systémy s uzavřeným okruhem
Kombinované mokré/suché (hybridní) chladící systémy
o otevřené hybridní chladící věže
o hybridní věže s uzavřeným okruhem.
HCFC jsou spolu s CFC látky ničící ozónovou vrstvu. Obě skupiny látek se postupně přestávají
používat. Jako náhrada slouží amoniak, CO2, fluorovodíkové plyny apod.
182
červen 2008
Kapitola 3
Různorodost aplikací chladících systémů, technik a provozních postupů je enormní,
podobně jako různé termodynamické charakteristiky jednotlivých procesů. BREF CV
nicméně dochází k závěru, že:
„Zaprvé – k procesu, který má být chlazen, se primárně zaujímá postoj vycházející z BAT.
Chlazení průmyslových procesů lze považovat za management tepla a je součástí celkového
energetického managementu v podniku. Preventivní přístup by měl začínat u průmyslového
procesu, který vyžaduje rozptýlení tepla a jeho cílem je na prvním místě snížit potřebu
vypouštění tepla. Vypouštění tepla je v podstatě plýtvání energií a jako takové není nejlepší
dostupnou technikou. Opětovné využití tepla v rámci procesu by mělo být vždy prvním
krokem při hodnocení potřeb chlazení.
Zadruhé – velmi důležitým druhým krokem je vyprojektování a výstavba chladícího systému,
zejména pak u nových závodů. Takže jakmile je stanovena míra a množství odpadního tepla
produkovaného v procesu a je zřejmé, že dalšího snížení nelze dosáhnout, pak je možné,
s ohledem na požadavky procesu, učinit počáteční výběr chladícího systému.“ Tabulka
3.18 převzatá z dokumentu BREF CV ukazuje některé příklady procesních charakteristik a
jejich odpovídající přístupy založené primárně na BAT.
Charakteristiky
procesu
Kritéria
Míra rozptýleného Snížit používání
tepla je vysoká (> vody a
60 oC)
chemikálií a
zlepšit celkovou
energetickou
účinnost
Míra rozptýleného zlepšit celkovou
tepla je střední (25 energetickou
– 60 oC)
účinnost
Míra rozptýleného zlepšit celkovou
energetickou
tepla je nízká
o
(< 25 C)
účinnost
Nízká a střední Optimální
míra
tepla
a celková
kapacita
energetická
účinnost
s úsporami vody
a snížením
viditelné vlečky
Chlazení
Snížení
rizika
nebezpečných
úniků
látek, včetně
environmentálních
rizik
Přístup
vycházející z
BAT
Poznámka
Odkaz
v dok.
BREF CV
(kap.)
1.1/1.3
Předběžné
chlazení
suchým
vzduchem
Limitujícími faktory
jsou energetická
účinnost a velikost
chladícího systému
Není zřejmý
Specifické pro každý 1.1/1.3
provoz
Chlazení
vodou
Volba provozu
1.1/1.3
Mokré a
hybridní
chladící
systémy
Suché chlazení je
méně vhodné kvůli
potřebnému prostoru a
ztrátě celkové
1.4
Systémy
nepřímého
chlazení
Akceptovat zvýšení v
přístupu
1.4 a Příloha
VI
tabulka 3-18 Příklady požadavků na proces a BAT
Kromě charakteristik procesu může mít i samotná lokalita svá vlastní omezení, zejména u
nových závodů – jak uvádí Tabulka 3.19.
červen 2008
183
Kapitola 3
Charakteristi
ky lokality
Kritéria
Přístup vycházející z
BAT
Podnebí
Požadovaná
projektovaná
teplota
Posoudit varianty pro
tzv. suchou a mokrou
teplotu
Prostor
Omezený
povrch v
lokalitě
Omezená
dostupnost
Předem smontované
konstrukce střešního
typu
Recirkulující systémy
Dostupnost
povrchové
vody
Citlivost
recipientu na
tepelné
zatížení
Splnit
kapacitu tak,
aby se
nepřekročilo
tepelné
zatížení
Omezená
dostupnost
podzemní
vody
Pobřežní
oblast
Minimalizac
e použití
podzemních
vod
Velká
kapacita >10
MWth
Specifické
požadavky
dané lokality
V případech
povinného
omezení
vlečky a
menší výšky
věže
Poznámka
V případě vysoké suché
teploty má chlazení
suchým vzduchem
většinou nižší
energetickou účinnost
Omezení z hlediska
velikosti a hmotnosti
Proveditelné jsou
mokré, suché nebo
hybridní systémy
•
Optimalizovat
úroveň
opětovného
využití tepla
• Využití
recirkulujících
systémů
• Volba lokality
(nové chladící
systémy)
Chlazení vzduchem,
pokud není k dispozici
žádná vhodná
alternativa
Chladící systémy
s jedním průběhem
Aplikace hybridního24
Odkaz
v dok.
BREF
CV
(kap.)
1.4.3
1.4.2
2.3
3.3
1.1
Akceptovat cenu za
energie
3.3
Předcházet míchání
lokální tepelné vlečky
blízko bodu vstupu,
např. extrakcí vody
hluboko pod hladinou
pod zónou mísení
s využitím rozvrstvení
teplot
Akceptovat cenu za
energie
1.2.1
3.2
Příl. XI.3
2
tabulka 3-19 Příklady charakteristik pro různé lokality a BAT
Optimalizace chladícího systému za účelem snížení jeho vlivu na životní prostředí je složitý
úkol a nikoli nějaké přesné matematické porovnání. Jinými slovy – kombinace technik
vybraných z tabulek BAT nevede k chladícímu systému, který by jako celek byl tou nejlepší
24
Hybridní chladící systémy jsou speciálně navržené mechanické systémy s věží, které umožňují, aby
mokrý a suchý provoz snižoval tvorbu viditelné vlečky. Pokud se v obdobích s nízkou okolní teplotou
systémy (zejména malé jednotky buňkového typu) provozují jako suché, může se dosáhnout snížení roční
spotřeby vody i tvorby viditelné vlečky.
184
červen 2008
Kapitola 3
variantou. Konečné BAT řešení bude vždy specifické pro danou lokalitu. Nicméně panuje na
základě zkušeností z průmyslu přesvědčení, že závěry lze z BAT odvozovat a tam, kde je to
možné, i v kvantifikované podobě.
Reference
[237, Fernández-Ramos, 2007]
3.4
Kogenerace
[65, Nuutila, 2005], [97, Kreith, 1997].
Směrnice 2004/8/ES o podpoře kogenerace ji definuje jako „současnou výrobu tepelné energie
a elektrické a/nebo mechanické energie“. Je také známa jako kombinovaná výroba elektřiny
a tepla (KVET). Po přijetí Směrnice 2003/96/ES o zdanění energií, která vytváří příznivý
kontext pro kogeneraci, je o ni v současnosti velký zájem, který je podporován právě i na úrovni
ES. Zelená kniha o energetické účinnosti zdůrazňuje ztráty ve výrobě a přenosu elektrické
energie a jako způsob jejich řešení uvádí získávání tepla a lokalizovanou kogeneraci.
Tato kapitola pojednává o různých aplikacích kogenerace a popisuje jejich vhodnost v různých
případech. V současnosti jsou možné i aplikace, které jsou nákladově účinné v malém měřítku.
3.4.1
Různé druhy kogenerace
Popis
Kogenerační zařízení jsou taková, která produkují v kombinaci teplo i elektrickou energii.
Tabulka 3.20 uvádí různé kogenerační technologie a jejich standardní poměr elektřiny ku teplu.
Kogenerační technologie
Standardní poměr elektřiny ku teplu, oC
Plynové turbíny v kombinovaném cyklu
(plynové turbíny kombinované kotlem
na získávání odpadního tepla a jednou
z parních turbín uvedených níže)
Zařízení s parní turbínou (protitlak)
Parní kondenzační turbína s extrakcí (protitlak,
kondenzační turbíny s neřízenou extrakcí
a kondenzační turbíny s extrakcí)
Plynové turbíny s kotli na získávání tepla
Motory s interním spalováním (Ottovy nebo
Dieselovy motory (recipročně) s využitím
tepla
Mikroturbíny
Stirlingovy motory
Palivové články (s využitím tepla)
Parní motory
Organické Rankinovy cykly
Ostatní druhy
0,95
0,45
0,45
0,55
0,75
tabulka 3-20 Seznam kogeneračních technologií a standardních poměrů elektřiny ku teplu
[Dir 92/42/EEC]
Množství vyprodukované elektřiny ve srovnání s množstvím vyprodukovaného tepla se obvykle
vyjadřuje pomocí poměru elektřiny ku teplu, který je menší než jedna, pokud je množství
vyprodukované elektřiny menší než množství vyprodukovaného tepla. Tento poměr by měl
vycházet ze skutečných dat.
červen 2008
185
Kapitola 3
K určení volby a velikosti zařízení KVET lze využít i křivku ročního zatížení v závislosti
na čase.
Zařízení typu „waste-to-energy“ (z odpadu energie – W-t-E)
Pro zařízení typu „waste-to-energy“ jsou v dokumentech BREF WI a WFD25 uvedeny
ekvivalentní faktory a hodnoty, které lze využít pro:
•
Výpočet koeficientů účinnosti získávání energie (využitelnosti) a/nebo faktorů účinnosti
zařízení
•
Pokud je nutné sumarizovat různé kvality energie, např. pro benchmarking.
Tímto způsobem lze hodnotit a sumarizovat různé druhy energie jako výstup energetického
mixu např. tepla, páry, elektřiny. Tyto konverzní faktory tak umožňují srovnání vlastní
vyrobené energie s energii vyrobenou externě do zařízení W-t-E. to předpokládá celoevropský
průměr účinnosti konverze 38% (viz též Příloha 14) pro externí výrobu elektrické energie
v elektrárnách a 91% v externích teplárnách. Pro využití energie, např. v palivu nebo jako páry,
je možná míra využití 100%. Je možné vzít v úvahu srovnání různých jednotek pro měření
energie, tj. MWh, MWhe, MWhh.
Protitlak
Nejjednodušší kogenerační elektrárna je takzvaná protitlaková elektrárna, kde se KVET provádí
v parní turbíně (viz Obrázek 3.12). Elektrická kapacita zařízení s parní turbínou, která pracují
na protitlakém principu, je obvykle několik desítek megawatt. Poměr elektřiny ku teplu je
většinou asi 0,3 – 0,5. Elektrická kapacita zařízení s plynovou turbínou je obvykle o něco menší
než u zařízení s parní turbínou, ale poměr elektřiny ku teplu je často blízko hodnoty 0,5.
Množství průmyslové protitlaké elektřiny závisí na spotřebě tepla v procesu a na vlastnostech
vysokotlaké, střednětlaké a protitlaké páry. Hlavním určujícím faktorem výroby protitlaké páry
je poměr elektřiny ku teplu.
V lokální teplárně KVET pára kondenzuje ve výměnících tepla pod parní turbínou a ke
spotřebitelům se přenáší ve formě cirkulující horké vody. V průmyslových zařízeních se pára
z protitlaké elektrárny opět vrací do závodu, kde odevzdá své teplo. Protitlak je nižší v lokálních
závodech KVET než v průmyslových zařízeních obdobného typu. Tím se vysvětluje, proč je
poměr elektřiny ku teplu v průmyslových protitlakových zařízeních nižší než stejný poměr u
lokálních zařízeních KVET.
Obrázek 3-12 Protitlakové zařízení
[65, Nuutila, 2005]
25
Rámcová směrnice o odpadech
186
červen 2008
Kapitola 3
Kondenzace s extrakcí
Kondenzační elektrárna pouze vyrábí elektřinu, zatímco v kondenzační elektrárně s extrakcí
se část páry extrahuje z turbíny za účelem výroby tepla (viz Obrázek 3.13). Dodávky páry jsou
vysvětleny v kap. 3.2.
Obrázek 3-13: Kondenzační elektrárna s extrakcí
[65, Nuutila, 2005]
Plynová turbína se spalinovým kotlem na rekuperaci tepla
V elektrárnách s kotlem pro získávání tepla z plynové turbíny se teplo vyrábí z horkých spalin
z této turbíny (viz obr. 3.14). palivem je většinou zemní plyn, olej nebo jejich kombinace.
Plynové turbíny mohou také pohánět zplyněná tuhá nebo kapalná paliva.
Obrázek 3-14: Plynová turbína se spalinovým kotlem
[65, Nuutila, 2005]
Elektrárna s kombinovaným cyklem
Elektrárna s kombinovaným cyklem se skládá z jedné nebo více plynových turbín napojených
na jednu nebo více parních turbín (viz obr. 3.13). Elektrárna s kombinovaným cyklem se často
využívá pro KVET. Teplo ze spalin z plynové turbíny se získává pro proces turbíny parní.
Získané teplo je v mnoha případech následně konvertováno na více elektřiny a k topným účelům
se příliš nepoužívá. Přínosem tohoto systému je vysoký poměr elektřiny ku teplu a vysoká
účinnost. Poslední vývoj ve spalovacích technologiích, zplyňování tuhých paliv, je také spojen
červen 2008
187
Kapitola 3
s kombinovaným cyklem a kogenerací. Technika zplyňování snižuje emise oxidů síry a dusíku
na podstatně nižší úroveň než u konvenčních spalovacích technik.
Obrázek 3-15: Elektrárna s kombinovaným cyklem
[65, Nuutila, 2005]
Motory s interním spalováním (pístové motory)
V motoru s interním spalováním lze teplo získávat z mazacího oleje a vody chladící motor
i z výfukových plynů, jak ukazuje obr. 3.16.
Motory s interním spalováním přeměňují chemicky vázanou energii v palivu na tepelnou energii
spalováním. Tepelná expanze spalin probíhá ve válci a uvádí tak v pohyb píst. Mechanická
energie se z pístu přenáší a je dále transformována na elektřinu alternátorem napojeným
na setrvačník. Tato přímá konverze vysokoteplotní tepelné expanze na mechanickou energii
a dále na elektrickou energii dává těmto motorům nejvyšší tepelnou účinnost i nejnižší emise
oxidu uhličitého mezi mechanickými zařízeními s jedním cyklem.
Nízkorychlostní dvoutaktní motory jsou k dispozici do velikosti jednotky 80 MWe.
Středněrychlostní čtyřtaktní motory jsou k dispozici do velikosti jednotky 20 MWe.
Středněrychlostní motory jsou obvykle vybírány pro aplikace kontinuální výroby elektřiny.
Vysokorychlostní čtyřtaktní motory jsou k dispozici do velikosti jednotky 3 MWe a používají
se při špičkových zatíženích.
Nejpoužívanější druhy motorů lze dále dělit na dieselové, zážehové a dvoupalivové. Škála paliv
je velmi široká, od zemního plynu, bioplynu, důlního plynu a dokonce pyrolýzních plynů
a kapalných biopaliv, nafty, těžkého topného oleje až po palivové emulze a zbytky z rafinérií.
188
červen 2008
Kapitola 3
Obrázek 3-16 Interní spalování – pístový motor
[65, Nuutila, 2005]
Závody se stacionárním motorem (tj. nikoli mobilní generátory) mají většinou několik motorem
poháněných generátorových souborů, které pracují paralelně. Vícenásobné motory v kombinaci
s jejich schopností udržet si vysokou účinnost při částečném zatížení, dává celému systému
flexibilitu a možnost optimálně kombinovat různá zatížení. Doba studeného startu je krátká ve
srovnání s parními turbínami na uhlí, olej nebo plyn nebo s plynovými turbínami
s kombinovaným cyklem. Motor má schopnost rychle reagovat na síť a lze ho tudíž využít
k rychlé stabilizaci sítě.
Pro tuto technologii jsou vhodné uzavřené chladící systémy, které udržují spotřebu vody
v závodech se stacionárním motorem velmi nízko.
Díky svému kompaktnímu designu jsou motorová zařízení vhodná pro distribuovanou KVET
blízko spotřebitelům ve městech. Snižují se tak ztráty energie v transformátorech a přenosových
soustavách i teplovodním potrubí. Běžné přenosové ztráty spojené s centrální výrobou elektřiny
jsou v průměru 5 – 8 % vyrobené elektřiny, odpovídající ztráty tepla v městském dálkovém
vytápění mohou být méně než 10 %. Je třeba mít na paměti, že nejvyšší přenosové ztráty jsou
většinou s nízkonapěťové síti a v domovních přípojkách. Na druhé straně je výroba elektřiny ve
větších elektrárnách většinou účinnější.
Vysoká účinnost jednoho cyklu v motorech s interním spalováním spolu s relativně vysokými
teplotami spalin a chladící vody je činí ideální variantou pro řešení KVET. Asi 30 % energie
uvolněné při spalování paliva lze najít ve spalinách a asi 20 % v chladící vodě. Energii spalin
lze získávat připojením kotle za motor a výrobou páry, horké vody nebo horkého oleje. Horké
spaliny lze také využít přímo nebo nepřímo ve výměnících tepla, např. při sušení. Chladící vodu
lze rozdělit na nízkoteplotní a vysokoteplotní okruhy a míra potenciálu k získávání je spojena
s nejnižší teplotou, kterou může spotřebitel tepla využít. Celý potenciál energie v chladící vodě
lze získat v městských topných sítích s nízkými teplotami vracejícího se média. Tepelné zdroje
červen 2008
189
Kapitola 3
z chlazení motorů ve spojení s kotlem na spaliny a ekonomizérem pak může vést k palivové
(elektřina + získávání tepla) účinnosti až 85 % u kapalných paliv a až 90 % u plynných paliv.
Tepelnou energii lze dodávat koncovým uživatelům ve formě páry (obvykle superohřáté, 20
bar), horké vody nebo horkého oleje, v závislosti na poptávce. Teplo lze také využít
v absorpčním chladícím procesu a vyrábět chlazenou vodu.
Je také možné využít absorpční tepelná čerpadla k přenosu energie z nízkoteplotního chladícího
okruhu na vyšší teplotu, což lze využít v městských výtopných sítích s vysokou teplotou
vracejícího se média. Viz kap. 3.4.3.
Akumulátory horké nebo chlazené vody lze využít ke stabilizaci krátkodobých nerovnováh mezi
poptávkou po elektřině a poptávkou po topení a chlazení.
Motory s interním spalováním mají palivovou účinnost většinou mezi 40 a 48 %, když vyrábějí
elektřinu. Palivová účinnost může vzrůst až na 85 – 90 % v případě cyklů KVET, když lze teplo
využít efektivněji. Flexibilitu v trigeneraci lze zlepšit pomocí uchování horké a chlazené vody
nebo pomocí dorovnávací (doplňovací) schopnosti, kterou nabízí kompresorové chladiče nebo
pomocné kotle s přímým spalováním.
KVET přináší značné ekonomické a environmentální výhody. Závody s kombinovaným cyklem
maximálně využijí energii v palivu tím, že vyrobí elektřinu i teplo s minimálními ztrátami
energie. Dosahují palivové účinnosti 80 – 90 %, zatímco u konvenčních parních kondenzačních
zařízení zůstává účinnost na hodnotách mezi 35 – 45 % a dokonce i u kombinovaných cyklů
nepřesahuje 58 %.
Vysoká účinnost procesů KVET vede ke značným úsporám energie a emisí. Obrázek 3.15
ukazuje běžné hodnoty zařízení KVET na uhlí ve srovnání s individuálním kotlem na uhlí
s výhradní výrobou tepla a uhelnou elektrárnou. Podobných výsledků lze dosáhnout i pro jiná
paliva. Čísla v obr. 3.15 jsou vyjádřena v bezrozměrných jednotkách energie. V tomto příkladu
produkují oddělené jednotky a jednotka KVET stejné množství využitelného výstupu. Separátní
produkce však vykazuje celkovou ztrátu 98 jednotek energie, zatímco KVET jen 35. Palivová
účinnost v separátní produkci je 55 %, zatímco u technologie KVET je to 84 %. KVET tedy
potřebuje k výrobě stejného množství využitelné energie o asi 30 % méně paliva. KVBET tak
může v ekvivalentním množství snížit emise do ovzduší. Bude to však záviset na místním
energetickém mixu pro elektřinu a/nebo teplo (produkci páry).
190
červen 2008
Kapitola 3
Obrázek 3-17: Srovnání mezi účinností kondenzační elektrárny a zařízení KVET
[65, Nuutila, 2005]
Podobně jako u výroby elektřiny, i v kogeneraci lze využívat širokou škálu paliv, např. odpad,
obnovitelné zdroje včetně biomasy, i fosilních paliv, např. topného oleje a plynu..
Výroba elektřiny může poklesnout tam, kde je zařízení optimalizováno na získávání tepla (např.
u waste-to-energy zařízení, viz BREF WI). Například (s využitím ekvivalentních faktorů dle
BREFu WI a WFD) lze doložit, že zařízení W-t-E, které má např. 18 % výroby elektřiny
(ekvivalent WFD 0,468), je vlastně shodné se zařízením W-t-E, které má 42,5 % využití
místního tepla (ekvivalent WFD 0,468), anebo se zařízením, které má 42,5 % komerčního
využití páry (ekvivalent WFD 0,468).
Provozní údaje
Viz Popis.
Použitelnost
Volba koncepce KVET vychází z mnoha faktorů a dokonce ani při stejných požadavcích
na energii nejsou žádné dvě lokality stejné. Počáteční volbu ovlivňují často tyto faktory:
•
•
•
•
•
Zásadním faktorem je to, zda v daném místě existuje dostatečná poptávka po teple
z hlediska množství, teploty atd., kterou lze uspokojit teplem ze zařízení KVET
Poptávka po elektřině v lokalitě, tj. úroveň, pod kterou tato poptávka většinou neklesne.
Poptávky po teple a elektřině jsou souběžné
Přijatelná cena paliva v poměru k ceně elektřiny
Vysoká roční provozní doba (nejlépe více než 4.000 – 5.000 hodin plného zatížení).
Jednotky KVET lze obvykle aplikovat tam, kde jsou výrazné požadavky na teplo při teplotách
v rozpětí nízko- a střednětlaké páry. Hodnocení kogeneračního potenciálu určité lokality je třeba
zajistit tak, aby nebylo možné očekávat žádné výraznější poklesy poptávky. Jinak by
se kogenerace navrhovala pro příliš velkou poptávku po teple a kogenerační jednotka by
pracovala neúčinně.
V současnosti (2007) mohou být ekonomicky proveditelné i relativně malé jednotky KVET (viz
nemocnice Atrium, Příloha 7.7 Příklad 2). Následující odstavce vysvětlují, které druhy KVET
červen 2008
191
Kapitola 3
jsou obvykle vhodné v různých případech. Uváděná čísla jsou však jen příklady a mohou
se v konkrétních podmínkách lišit. Elektřinu je většinou možné při kolísání místní poptávky
prodat do národní sítě. Informace o modelování médií a služeb v kap. 2.15.2 mohou pomoci
optimalizovat systémy výroby a získávání tepla i management nákupu a prodeje nadbytečné
energie.
Volba druhu KVET:
Parní turbíny jsou vhodné tam, kde:
• Základní el. zatížení je 3 – 5 MWe
• Je zde požadavek na nízkokvalitní procesní páru a poměr elektřiny ku teplu je větší než 1:4
• Je k dispozici levné palivo
• Je k dispozici odpovídající místo
• Je k dispozici vysokostupňové odpadní teplo (např. z pecí nebo spaloven)
• Stávající kotelnu je třeba vyměnit
• Je třeba minimalizovat poměr elektřiny a tepla. V zařízeních KVET je třeba minimalizovat
úroveň protitlaku a maximalizovat úroveň vysokého tlaku, aby byl poměr elektřiny a tepla
co nejvyšší, zejména v případě použití obnovitelných paliv.
Plynové turbíny mohou být vhodné, když:
• Se plánuje maximalizace poměru elektřiny a tepla
• Poptávka po elektřině je kontinuální a převyšuje 3 MWe (menší plynové turbíny právě
začínají pronikat na trh)
• Je k dispozici zemní plyn, i když to není limitující faktor
• Existuje vysoká poptávky po středně- a vysokotlaké páře nebo horké vodě, zejména při
teplotách nad 500 oC
• Existuje poptávka po horkých plynech s teplotou 450 oC a více – spaliny se mohou ředit
okolním vzduchem, který je ochladí, nebo mohou projít výměníkem tepla. Je možné také
uvažovat o kombinovaném cyklu s parní turbínou.
Interní spalování či reciproční motory mohou být vhodné tam, kde:
• Jsou procesy cyklické a nikoli kontinuální
• Je požadována nízkotlaká pára nebo středně- či nízkoteplotní horká voda
• Je požadován vysoký poměr elektřiny ku teplu
• Je k dispozici zemní plyn – jsou preferovány plynem poháněné motory s interním
spalováním
• Zemní plyn není k dispozici – mohou být vhodné dieselové motory na topný olej nebo LPG
• El. zatížení je menší než 1 MWe – zážehový motor (jednotky jsou k dispozici od 0,003 do
10 MWe)
• El. zatížení je větší než 1 MWe – vznětový motor (jednotky od 3 do 20 MWe).
Ekonomie
• Ekonomie závisí na poměru mezi cenou paliva a elektřiny, na ceně tepla, faktoru
zatížení a účinnosti
• Ekonomie do značné míry závisí na dlouhodobosti dodávek tepla a elektřiny
• Politická podpora a mechanismy trhu zde mají výrazný vliv (zdanění energií,
liberalizace trhu).
Politické mechanismy (viz Ekonomie).
Příklady
• Zařízení KVET Äänekoski, Finsko
• Zařízení KVET Rauhalahti, Finsko
• Využití v procesech kalcinované sody, viz BREF LVIC-S
• Bindewald Kupfermühle, Dánsko:
192
červen 2008
Kapitola 3
•
•
mlýn: 100000 t pšenice a žita /rok
výroba sladu: 35000 t sladu /rok
Dava KVV, Umea zařízení W-t-E (KVET), Švédsko
Sysav, Malmö zařízení W-t-E (KVET), Švédsko
Reference
[65, Nuutila, 2005], [97, Kreith, 1997] [127, TWG, , 128, EIPPCB, , 140, EC, 2005, 146, EC,
2004]
3.4.2
Trigenerace
Popis
Pod pojmem trigenerace se všeobecně rozumí současná konverze paliva do tří využitelných
energetických produktů: elektřiny, horké vody nebo páry a chlazené vody. Trigenerační systém
je ve skutečnosti kogenerační systém (kap. 3.4) s absorpčním chladicím zařízením, které
využívá část tepla k produkci chlazené vody (viz Obrázek 3.18).
Obrázek 3.18 porovnává dva koncepty výroby chlazené vody: kompresorové chlazení
na elektrický pohon a trigenerace využívající rekuperovaného tepla v lithio-bromidovém
absorpčním chladicím zařízení. Jak je ukázáno na obrázku, teplo je využíváno z výfukových
plynů i z vysokoteplotního chladicího okruhu motoru. Přizpůsobivost trigenerace může být
zlepšena využitím doplňovacích kapacit nabízených např. kompresorovými chladicími
zařízeními nebo přímo vyhřívanými pomocnými zdroji.
červen 2008
193
Kapitola 3
Oddělená výroba elektrické a tepelné energie
Tepelný mód
Mód chlazení
Vstup paliva do tepelného módu
Mód chlazení
MW
23 MWf
25,3
Mód
chlazení
1 MWe
Kompresorový chladič
Kotel
Celková účinnost, tepelný mód
Celková účinnost, mód chlazení
10 MWe
11 MWe
10 MWe
5 MWC
Terminál
7,8 MWh
Dodatečné palivo
8,76 MWf
56 %
59 %
Trigenerace: výroba elektrické energie, výroba tepla a absorpční chlazení
Vstup paliva
Dodatečné
palivo
do kompresorového
chladiče 0 MWf
23 MWf
10 MWe
Až 5 MW
Systém
chlazení
7.8 MWh
Terminál
Systém
vytápění
Celková účinnost, tepelný mód
Celková účinnost, mód chlazení
MW e = elektrická
energie
MWf = energie paliva
Dodatečné
palivo
pomocného kotle 0 MWf
77 %
65 %
MWc = energie chladu
do
MW h = tepelná energie
Obrázek 3-18: Trigenerace v porovnání se samostatnou výrobou energie pro velké letiště
[64, Linde, 2005]
Jednostupňová lithium-bromidová absorpční chladicí zařízení jsou schopna využít jako zdroj
energie horkou vodu o teplotě nižší než 90 oC, zatímco dvoustupňová lithium-bromidová
absorpční chladicí zařízení potřebují 170 oC, což znamená že jsou obvykle vytápěná parou.
Jednostupňové lithium-bromidové absorpční chladicí zařízení produkující vodu o 6 − 8 oC má
koeficient výkonu (COP) kolem 0,7 a dvoustupňové chladicí zařízení má COP kolem 1,2. To
znamená že mohou produkovat chladicí kapacitu odpovídající 0,7 nebo 1,2 krát vyšší než je
kapacita zdroje tepla.
Pro motorem poháněné CHP soustavy může být použit jedno nebo dvoustupňový systém.
Nicméně vzhledem k tomu, že motor rozděluje zbytkové teplo do výfukových plynů
a chladicího systému, je jednostupňový systém výhodnější, neboť více tepla může být
rekuperováno a předáno do absorpčního chladicího zařízení.
Hlavní výhoda trigenerace je dosažení stejného výstupu s významně nižším množstvím vstupu
paliva než při oddělené výrobě energie a tepla.
194
červen 2008
Kapitola 3
Pružnost využití rekuperovaného tepla pro vytápění během jednoho období (zima) a chlazení
během druhého období (léto) poskytuje účinnou cestu ke zvyšování provozních hodin až
na celkově vysokou účinnost provozu, ze které má prospěch majitel i životní prostředí - viz obr.
3.19.
Elektrická energie
A - Stroj 1
C
B - Stroj 2
C - Nákup
B
A
leden
prosinec
červen
Vytápění a chlazení
A - Stroj 1
Chlazení
E
B- Stroj 2
D
D – Kompresorový
chladič
E- Chlazení kotlů
B
Vytápění
A
leden
červen
prosinec
Obrázek 3-19: Trigenerace umožňuje optimalizaci provozu během celého roku
[64, Linde, 2005]
Filosofie provozu a strategie řízení je velmi důležitá a má být řádně hodnocena. Optimální
řešení je zřídka založeno na řešení, kdy veškerá kapacita chlazené vody je produkována
absorpčním chladicím zařízením. Například, pro klimatizaci může být většina roční spotřeby
chladu kryta 70% trigenerační chladicí kapacity, zatímco zbývajících 30% může být vykryto
kompresorovým chlazením.
Tímto způsobem mohou být minimalizovány celkové investiční náklady na chlazení.
Nejsou známy.
Provozní údaje
Použitelnost
Trigenerace a rozvod vyrobené energie
I když je technicky i nákladově náročnější rozvádět horkou nebo chlazenou vodu než elektřinu,
trigenerace automaticky vede k rozvodu energií, a trigenerační zařízení tedy musí být umístěno
blízko spotřebitelů horké nebo chlazené vody.
Aby se maximalizovala palivová účinnost zařízení, je koncept založen na současné potřebě
horké a ochlazené vody. Zařízení, které je umístěno blízko spotřebitelů horké a chlazené vody
červen 2008
195
Kapitola 3
má též nižší ztráty elektřiny v rozvodech. Trigenerace je kogenerace se začleněním dalšího
stupně – chladicího zařízení. Zjevně není žádná výhoda v nadbytečných investicích, pokud
všechno rekuperované teplo může být účinně využito během všech provozních hodin zařízení.
Nicméně nadbytečné investice se začínají vyplácet, pokud jsou v zařízení období, kdy nemůže
být využito všechno teplo, nebo když není požadavek na teplo ale je využití pro chlazenou vodu
nebo vzduch. Trigenerace je často využívána např. pro klimatizaci budov, k topení během zimy
a ochlazování během léta, nebo pro topení v jednom prostoru a chlazení v jiném prostoru.
Mnoho průmyslových zařízení a veřejných budov má též vhodnou kombinaci potřeb vytápění
a ochlazování, jako příklad jsou pivovary, obchodní centra, letiště a nemocnice.
Ekonomie
Úspory nákladů.
Příklady
Madrid Barajas Airport, Španělsko (viz Příloha 7.10.4)
Nemocnice Atrium, Nizozemsko
Reference
[64, Linde, 2005, 93, Tolonen, 2005]
3.4.3
Lokální chlazení
Popis
Lokální chlazení je dalším aspektem kogenerace: tam, kde kogenerace zajišťuje centralizovanou
produkci tepla, jež pohání absorpční chladící zařízení, je elektřina prodávána do národní sítě.
Kogenerace může také zajišťovat lokální chlazení pomocí centrální produkce a distribuce
chladící energie. Chladící energie se k zákazníkům dodává prostřednictvím chlazené vody
přiváděné zvláštní distribuční sítí.
Lokální chlazení lze zajišťovat různým způsobem, v závislosti na ročním období a venkovní
teplotě. V zimě, alespoň ve skandinávských zemích, lze chlazení zajišťovat přívodem studené
mořské vody (viz obr. 3.20). V létě lze využít absorpční technologii (viz obr. 3.21 a kap. 3.3.2).
lokální chlazení se využívá v klimatizaci, chlazení kanceláří a komerčních a obytných budov.
196
červen 2008
Kapitola 3
Chladící voda do moře
10 °C *
Protiproudý
chladič
16 °C *
8 °C *
Chladící voda z moře
4 °C *
Síť zásobování
chladem
Moře
Čerpadlo
Síť centralizovaného zásobování chladem
•
Výroba chladu závisí na ročním období.
•
* °C – Vztahuje se k teplot ě vody.
Obrázek 3-20: Lokální chlazení v zimě chladící technologií zdarma
[93, Tolonen, 2005]
CH
P
Generátor
tepla
63 °C**
Kondenzáto
r
70 °C*
43 °C*
*
85 °C*
Síť
vytápění
55 °C*
75 °C*
Vod
a
Výpar
vody
55 mbar
Výměník roztok
25 °C*
35 °C*
Absorbé
r
Výparník
40 °C*
*
10 °C*
*
Výměník – mořská voda
16 °C*
18 °C*
Moř
e
19 °C*
8
mbar
8 °C*
Síť zásobování
chladem
28 °C*
Čerpadl
o
27 °
* °C – Vztahuje se k teplotě vody
** °C – Vztahuje se k teplotě v
Obrázek 3-21: Lokální chlazení v létě pomocí absorpční technologie
[93, Tolonen, 2005]
Zlepšení eko-účinnosti lokálního vytápění a lokálního chlazení v Helsinkách (Finsko) již
dosáhlo mnoha cílů v oblasti udržitelnosti:
• Podstatně byly sníženy emise skleníkových a dalších plynů (NOx, SO2 a částice)
• Pokles spotřeby elektřiny rovněž sníží špičky v této spotřebě, které vznikaly v teplých
dnech
• Od října do května je všechna energie pro lokální chlazení obnovitelná, získává se z mořské
vody. Představuje to 30 % roční spotřeby.
červen 2008
197
Kapitola 3
•
•
•
•
•
•
•
V teplejším období využívají absorpční chladiče nadměrné teplo ze zařízení KVET, které by
se jinak uvolňovalo do moře. I když spotřeba paliva v zařízení KVET může stoupnout,
celková spotřeba paliva ve srovnání se situací, kdy byly jen separátní chladící systémy
v budovách, poklesne.
V lokálním chlazení byly odstraněny hluk a vibrace chladících zařízení
Prostory vyhrazené v budovách pro klimatizaci jsou volné k jinému využití
Problém s růstem mikroorganismů ve vodě v kondenzačních věžích je také vyřešen
Na rozdíl od chladících činidel používaných s jednotlivých kompresorech v budovách,
neodpařují se v lokálním chlazení žádné škodlivé látky (CFC a HCFC)
Lokální chlazení zlepšuje vzhled města, protože výrobní jednotky a potrubí nejsou vidět. Již
nebudou třeba velké kondenzátory na střechách a chladiče v oknech.
Životní cyklus systémů lokálního vytápění a chlazení je mnohem delší než v případě
jednotlivých separátních zařízení v budovách (např. dvojnásobně). Technická životnost
hlavních potrubí u obou systémů přesahuje 100 let.
Vlivy instalace distribučního systému.
Provozní údaje
Spolehlivost.
Použitelnost
Tato technika by mohla mít široké uplatnění, které však závisí na místních podmínkách.
Ekonomie
Jsou třeba velké investice do distribučních systémů.
Příklady
Helsinki Energy, Finsko
V Amsterodamu poskytují lokální chlazení hluboká jezera v blízkosti osídlení.
Reference
[93, Tolonen, 2005], [120, Helsinki Energy, 2004]
3.5
Zásobování elektrickou energií
Úvod
Elektrická energie pro veřejné účely se rozvádí prostřednictvím vysokonapěťové rozvodné sítě,
ve které dochází ke změně sinusového průběhu napětí a proudu kmitočtem 50 Hz (v Evropě),
a to ve třech fázích, navzájem posunutých o 120°. Aby byly ztráty při přenosu energie co
nejmenší, používáme vysokého napětí. V závislosti na použitém zařízení dochází ke snížení
napětí na vstupu do určitého prostoru nebo poblíž specifického zařízení, a to obvykle
na hodnotu 440 V pro průmyslové aplikace a 240 V pro běžné účely, např. pro kanceláře, atd.
Samotné dodávky a použití elektrické energie jsou ovlivněny řadou faktorů, např. rezistencí
v rozvodových systémech nebo vlivy některých zařízení na rozvodové systémy, u kterých
se snažíme o udržení co nejstabilnějšího napětí s dokonalými sinusovými průběhy.
Spotřeba elektrické energie v pětadvaceti členských státech EU v roce 2002 dosáhla celkové
hodnoty 2641 TWh plus ztráty v síti, které činily 195 TWh. Největší spotřebitelský sektor
představoval průmysl se spotřebou 1168 TWh (44%) před domácnostmi se spotřebou 717 TWh
198
červen 2008
Kapitola 3
(27%) a konečně před službami se spotřebou 620 TWh (23%). Tyto tři sektory se dohromady
podílely na celkové spotřebě energie z 94%.
3.5.1
Kompenzace účiníku
Popis
Mnoho průmyslových zařízení má charakter induktivní zátěže, např.:
•
•
•
•
Jednofázové a třífázové motory na střídavý proud (viz kap. 3.6)
Pohony o proměnlivých rychlostech (viz kap. 3.6.3)
Transformátory (viz kap. 3.5.4)
Vysoce výkonné výbojky (viz kap. 3.10).
Tyto spotřebiče odebírají jak činný, tak jalový výkon. Činný výkon se převádí na užitečnou
mechanickou práci, zatímco jalový výkon se používá k udržování magnetického pole zařízení.
Tento jalový výkon se přenáší periodicky oběma směry mezi generátorem a zátěží (o stejném
kmitočtu jako kmitočet zdroje). Také baterie kondenzátorů a podzemní kabely představují
odběratele jalového výkonu.
Součet vektorů činného a jalového výkonu představuje zdánlivý výkon. Pracovníci elektrárny
i rozvodů elektrické energie musí takový zdánlivý výkon po vedení dokonale přenést; to v praxi
znamená, že generátory, transformátory, elektrická vedení i rozvaděče musí být navrženy pro
vyšší jmenovité zatížení, než by tomu bylo při odběru pouze činného výkonu.
U rozvodů elektrické energie, jak na místě odběru energie tak mimo ně, je nutné počítat s vyšší
spotřebou vlastního zařízení i dodatečnými energetickými ztrátami. Z toho důvodu účtují
externí dodavatelé za jalový výkon, v případě překročení určité hranice, přirážku. Obvykle
se udává hodnota účiníku cos ϕ mezi 1,0 a 0,9 (zpoždění); v tomto rozmezí nejsou požadavky
na odběr jalového výkonu tak velké. Jednoduché vysvětlení uvádíme v příloze 7.18.
Účiník =
skutečný výkon
zdánlivý výkon
Příklad silového trojúhelníku zobrazeného na obr. 3.22, za předpokladu, že
•
skutečný výkon = 100 kW a zdánlivý výkon = 142 kVA t
•
V tom případě má účiník hodnotu 100/142 = 0,70 nebo 70 %.
To v praxi znamená, že pouze 70% dodávané energie se využívá pro užitečnou práci (viz též
Příloha 7.18).
skutečný výkon = 100 kW
zdánlivý
výkon =
142 kVA
účiník
= 100 kVAR
Obrázek 3-22: Jalový a zdánlivý výkon
červen 2008
199
Kapitola 3
V případě kompenzace účiníku, například přidáním kondenzátoru k zátěži, dojde k částečnému
nebo úplnému omezení odběru jalového výkonu. Kompenzace účiníku je nejúčinnější tehdy,
pokud k ní dochází co nejblíže zátěži při použití nejmodernějších technologií.
V průběhu času může dojít je změnám hodnoty účiníku. Z toho důvodu by se měla jeho hodnota
pravidelně měřit (v závislosti na druhu aplikace každý třetí až desátý rok). V průběhu doby totiž
dochází k výměně zařízení i parametrům dodávané energie. Navíc může dojít i ke zhoršení
vlastností kondenzátorů, používaných ke kompenzaci účiníku. Kondenzátory by se měly
pravidelně testovat; nejjednodušším způsobem je kontrola, zda se při provozu nezahřívají.
Ostatní možná opatření:
•
•
•
•
Minimalizace provozování nezatížených nebo málo zatížených motorů (viz kap. 3.6)
Zařízení nepřipojovat ke zdroji vyššího napětí, než je jmenovité napětí zařízení
Výměna standardních motorů po jejich vyřazení z provozu za motory o vyšší energetické
účinnosti (viz kap. 3.6)
Nicméně, i u motorů o vyšší energetické účinnosti má proměnná zátěž velký vliv
na hodnotu účiníku. Pro dosažení vysokých hodnot účiníku je nutné motor provozovat
poblíž jeho maximálního jmenovitého výkonu (viz kap. 3.6).
Úspory energie na straně dodavatele elektrické energie i spotřebitele
Tabulka 3.21 uvádí vliv účiníku 0,95 (zpoždění), dosaženého v průmyslu zemí EU
Účiník
v průmyslu 25
zemí EU
Odhadovaný
účiník
Cílový účiník
Činná energie
TWh
1 168
0,70
1192
Zdánlivá
energie
TVAh
1669
1 168
0,95
384
1229
Cos ϕ
Jalová energie
TVArh
tabulka 3-21 Odhadovaná spotřeba elektrické energie ve 25 zemích EU-25 v roce 2002
Skutečná hodnota, [131, ZVEI, , 140, EC, 2005], výpočty [131, ZVEI, , 140, EC, 2005]
Odhaduje se, že pokud by byla zavedena kompenzace účiníku ve všech 25 zemích EU, došlo by
k úsporám asi 31 TWh elektrické energie. Je pravda, že k využití části tohoto potenciálu již
dochází. (Výpočet se zakládá na údajích z roku 2002, kdy celková spotřeba elektrické energie
ve 25 zemích EU dosáhla hodnoty 1788 TWh, a kdy podíl spotřeby průmyslové výroby dosáhl
hodnoty 65% z hodnoty celkové)26.
Odhaduje se, že pokud by dodavatel elektrické energie zlepšil hodnotu účiníku z 0,73 na 0,95,
došlo by k úspoře energie asi 0,6% (hodnota 0,73 je odhad pro oblast průmyslu a služeb).
Nejsou známy.
Provozní údaje
Dodávka elektrické energie s nekorigovaným účiníkem bude vždy způsobovat ztráty v rozvodné
síti. S vyššími ztrátami může docházet i ke snižování napětí v síti, což může způsobovat
přehřívání a předčasné poruchy nejen u motorů, ale i u ostatních induktivních strojů.
Použitelnost
Všude.
26
31 TWh odpovídá spotřebě 8 milionů domácností, tj. výkonu 2600 větrných generátorů, 10 elektráren, vybavených
plynovými turbínami, a 2-3 jaderných elektráren. To také odpovídá množství 12 megatun CO2.
200
červen 2008
Kapitola 3
Ekonomie
V případě, že hodnota účiníku je menší, než 0,95, externí dodavatelé mohou za odběr
nadměrného jalového výkonu účtovat přirážku (viz Příloha 7.11).
Cena za korekci účiníku u elektrické energie je poměrně nízká. Některá nová zařízení (např.
vysoce účinné motory) jsou již možností kompenzace účiníku vybaveny.
• Úspora energie v místě instalace zařízení i v externí rozvodné síti (pokud se používá)
• Zvýšení výkonu systému interního zdroje elektrické energie
• Zvýšená spolehlivost zařízení, menší počet odstávek.
Příklady
Mnoho aplikací
Reference
Další informace jsou uvedeny v Příloze 7.18.
[130, US_DOE_PowerFactor, 131, ZVEI]
3.5.2
Harmonické kmitočty
Popis
Určitá elektrická zařízení s nelineární zátěží produkují v napájecích sítích harmonické kmitočty
(vedle zkreslení sinusových průběhů). Příklady takových nelineárních zátěží mohou být
usměrňovače, určité druhy elektrického osvětlení, obloukové pece, svářečky, spínané zdroje,
počítače, atd.
Pro odstranění nebo omezení harmonických kmitočtů se používají speciální filtry. EU určila
maximální hodnoty harmonických kmitočtů jako metodu na zvýšení hodnoty účiníku. Navíc
předpisy EN 61000-3-2 a EN 61000-3-12 vyžadují, aby všechny spínané zdroje byly vybaveny
harmonickými filtry.
Úspora energie
Nejsou známy.
Provozní údaje
Harmonické kmitočty mohou způsobit:
•
•
•
•
•
Nežádoucí vypínání elektrických jističů
Poruchy systémů záložních zdrojů, generátorových systémů
Problémy při měření odběru energie
Poruchy počítačů
Předpěťové problémy
Harmonické kmitočty nelze detekovat pomocí standardních měřících přístrojů, je nutné použít
skutečné měřidlo RMS.
Použitelnost
Ve všech provozech je vhodné identifikovat zařízení, produkující harmonické kmitočty.
Ekonomie
Ztráty v podobě poruch zařízení
červen 2008
201
Kapitola 3
• Zvýšená spolehlivost zařízení
• Menší počet prostojů, nižší ztráty
• Zmenšení zemnícího proudu
• Zvýšené nároky na návrh zemnění při přítomnosti harmonických kmitočtů
Příklady
Mnoho aplikací
Reference
[132, Wikipedia_Harmonics, , 135, EUROELECTRICS, 136, CDA]
3.5.3
Optimalizace dodávek
Popis
V kabelech dochází k odporovým ztrátám. Proto je nutné, aby zařízení o velké spotřebě energie
byla umístěna co nejblíže zdroji vysokého napětí, např. odpovídající transformátor musí být
umístěn co nejblíže spotřebiči, atd.
Kabely, vedoucí k zařízení, je výhodné předimenzovat, tak lze zabránit zbytečným ztrátám
v podobě tepla.
Zdroje elektrické energie lze optimalizovat použitím vysoce účinných zařízení, např.
transformátorů.
Ostatní vysoce účinná zařízení, jako například motory, jsou popsány v kap. 3.6, kompresory
v kap. 3.7 a čerpadla v kap. 3.8.
Provozní údaje
•
Veškerá zařízení s velkým odběrem elektrické energie je nutné umisťovat vedle
napájecích transformátorů.
•
Je nutné překontrolovat veškerou kabeláž a tam, kde je to nezbytné, kabely
předimenzovat.
Použitelnost
•
Zvýšená spolehlivost zařízení.
•
Menší počet prostojů, nižší ztráty.
•
Snížení celkových nákladů prodloužením životnosti zařízení.
Ekonomie
Úspory na základě omezení prostojů, snížení spotřeby.
Cena.
Příklady
Mnoho aplikací.
202
červen 2008
Kapitola 3
Reference
[135, EUROELECTRICS]
[230, Association, 2007]
3.5.4
Energeticky účinný management transformátorů
Popis
Transformátory jsou zařízení schopná transformovat napětí určité dodávky elektřiny z jedné
úrovně na druhou. Je nutné proto, že napětí je normálně distribuováno na úrovni vyšší, než je
úroveň využívaná průmyslovými stroji: vyšší napětí v distribučním systému snižuje ztráty
energie v distribučních sítích.
Transformátory jsou statické stroje tvořené jádrem, které sestává z mnoha feromagnetických
desek, s primárními a sekundárními cívkami natočenými kolem opačných stran jádra.
Transformační koeficient těchto napětí je dán poměrem V2/V1 (viz obr. 3.23).
Obrázek 3-23: Schéma transformátoru
[245, Di Franco, 2008]
Jestliže P1 je elektrická energie (výkon) vstupující do transformátoru, P2 je existující energie a
PL jsou ztráty, pak je bilance této energie následující:
P1 = P2 + PL
Rovnice 3.7
A účinnost transformátoru lze zapsat takto:
P2
P1 - PL
η = ----- = -----------P1
P1
Rovnice 3.8
Ztráty jsou dvojího druhu: ztráty v železných komponentech a ztráty v měděných
komponentech. Ztráty v železe jsou způsobeny hysterezí a vířivými proudy uvnitř desek
feromagnetického jádra. Tyto ztráty jsou úměrné V2 a činí od 0,2 do 0,5 % nominálního výkonu
Pn (= P2). Ztráty v mědi jsou způsobeny Joulovým efektem v měděné cívce. Tyto ztráty jsou
úměrné I2 a odhadují se na hodnotu mezi 1 a 3 % nominálního výkonu Pn (při 100 % zatížení).
červen 2008
203
Kapitola 3
Protože transformátor pracuje průměrně s faktorem zatížení x nižším než 100 % (Peffective = x Pn),
lze doložit, že vztah mezi účinností transformace a faktorem zatížení odpovídá křivce na obr.
3.24 (pro transformátor na 250 kVA). V takovém případě má transformátor bod svého maxima
na hodnotě asi 40 % faktoru zatížení.
Obrázek 3-24: Vztah mezi ztrátami v železe, v mědi, v účinnosti a ve faktoru zatížení
[245, Di Franco, 2008]
Ať je energie (výkon) transformátoru jakýkoli, vztah mezi účinností a faktorem zatížení vždy
vykazuje maximum při běžném průměrném nastavení na asi 45 % nominálního zatížení.
Vzhledem k tomuto charakteristickému chování je možné hodnotit následující možnosti
v podružné transformovně:
•
Pokud je celkové elektrické zatížení nižší než 40 – 50 % Pn, je energeticky úsporné
odpojit jeden nebo více transformátorů, aby se ostatní zatížily blíže k optimálnímu
faktoru.
•
V opačné situaci (celkové elektrické zatížení je vyšší než 75% Pn), lze uvažovat jen o
instalaci dodatečné kapacity
•
Pokud se mění výkon podružné transformátorovny, dává se přednost instalaci
transformátorů s nižšími ztrátami, díky kterým se ztráty sníží o 20 – 60 %.
Nižší spotřeba druhotných energetických zdrojů.
Nejsou známy.
Provozní údaje
Normálně je v podružných transformátorovnách instalována navíc dodávka elektrické energie a
průměrný faktor zatížení je tudíž většinou nízký. Je zvykem, že si manažeři provozů tento
výkon navíc udržují, aby zajistili kontinuální dodávku elektrické energie v případě poruchy
jednoho nebo více transformátorů.
204
červen 2008
Kapitola 3
Použitelnost
Ve všech transformátorovnách lze aplikovat kritéria optimalizace. Odhaduje se, že optimalizace
zatížení by se mohla aplikovat ve 25 % případů.
Množství nového transformátorového výkonu instalovaného/posíleného každým rokem
v průmyslu je podle odhadů asi 5 %. V případech nových instalací nebo posílení tak lze
uvažovat o transformátorech s nízkými ztrátami.
Ekonomie
V případě instalace transformátorů s nízkými ztrátami jsou ve srovnání s „normálními“
transformátory (nebo v případě náhrady dosavadních transformátorů s nízkou účinností) doby
návratnosti většinou krátké – za předpokladu, že jsou transformátory v provozu po mnoho
hodin, resp. let.
Úspory energie a peněz.
Příklady
Při vybavování transformátorovny, kdy se předpokládá instalace čtyř nových transformátorů
s výkonem 200, 315, 500 a 1250 kVA byla odhadnuta doba návratnosti 1,1 roku.
Reference
[228, Petrecca, 1992, 229, Di Franco]
3.6
Subsystémy27 poháněné elektromotory
Úvod
Energetickou účinnost systémů poháněných motory lze posuzovat např. tak, že jsou
prozkoumány nároky na (výrobní) proces a to, jakým způsobem by měl být poháněný stroj
provozován. Toto je systémový přístup, který přináší v oblasti energetické účinnosti ty nejvyšší
zisky (viz kap. 1.3.5 a 1.5.1). Hovoří se o něm v příslušných částech této kapitoly. Úspory
dosažené prostřednictvím systémového přístupu se budou rovnat minimálně úsporám, kterých
by se dosáhlo, kdyby se braly v úvahu jen jednotlivé komponenty, a mohou dosahovat 30 %
nebo ještě více (viz kap. 1.5.1 a např. systémy stlačeného plynu v kap. 3.7).
Subsystém poháněný elektromotorem převádí elektrickou energii na mechanickou sílu. Ve
většině průmyslových aplikací je mechanická práce převáděna na poháněný stroj jako rotační
mechanická síla (přes rotující hřídel). Elektromotory jsou hlavní hybné komponenty ve většině
průmyslových soustrojích: čerpadla, ventilátory, kompresory, mísiče, dopravníky, bubny,
mlýny, pily, protlačovací troje, odstředivky, lisy, válcovací tratě, atd.
Elektromotory jsou jedním z hlavních spotřebičů elektrické energie v Evropě. Odhaduje se, že
motory zodpovídají za:
•
•
Asi 68% elektrické energie spotřebovávané v průmyslu, což obnášelo 707 TWh v roce 1997
1/3 terciární elektrické spotřeby.
Subsystém poháněný elektromotorem je subsystém nebo řetězec komponentů sestávající ze:
•
•
zdroje energie pro danou instalaci
ovládací jednotky, např. střídavého pohonu (viz elektromotor níže)
27
V tomto dokumentu je pojem ‚systém‘ používán pro soubor propojených součástí nebo zařízení, jež fungují společně za určitým
účelem, např. HVAC, CAS. Viz diskuze o hranicích systému. Tyto systémy obvykle zahrnují subsystémy motorů (nebo
komponentů).
červen 2008
205
Kapitola 3
•
•
•
elektromotoru, obvykle indukčního motoru
spojky mechanického převodu
poháněného stroje, např. odstředivého čerpadla.
Obr. 3.25 ukazuje schéma konvenčního a energeticky účinného čerpacího systému.
Obrázek 3-25: Konvenční a energeticky účinný čerpací systém
[246, ISPRA, 2008]
Poháněný stroj:
•
rovněž zmiňovaný jako zatížený stroj, to je stroj, jenž provádí úkol vedoucí k hlavnímu
účelu průmyslového závodu. Prováděné úkoly mohou být rozděleny do dvou hlavních
kategorií, jež jsou schopny poháněné stroje provádět (% motorové energie používané
v EU-15 dle typu systému):
•
určitým způsobem měnit vlastnosti: měnit tlak (stlačování, čerpání), měnit fyzikální tvar
(drcení, tažení drátů, válcování kovů, atd.). Je to právě funkce změny tlaku používaná ve
větších systémech, jež je popisovaná v tomto dokumentu detailněji
o čerpadla (20%), viz kap. 3.8
o ventilátory (18%), viz kap. 3.9
o vzduchové kompresory (17%), viz kap.3.7
o chladící kompresory (11%), viz kap. 3.4.2
•
přemísťovat nebo dopravovat materiály/předměty (dopravníky, jeřáby, zdviže, navijáky,
atd.)
o dopravníky (4%) a jiná využití (30%:).
Spotřeba elektřiny motorových systémů je ovlivněna mnoha faktory jako:
•
•
•
•
•
•
206
účinnost motoru
správné rozměry
řízení motoru: ovládání stop/start a rychlosti
jakost zdroje energie
systém mechanického převodu
údržbářské zvyklosti
červen 2008
Kapitola 3
•
účinnost koncového zařízení.
Aby bylo možno těžit z dostupného potenciálu úspor, měli by uživatelé před úvahou o motorové
subsekci optimalizovat celý systém, jehož je subsystém motoru součástí (viz Kap. 1.4.2, 1.5.1
a části o jednotlivých systémech v této kapitole).
Mechanický převod
Mechanický převod propojuje poháněný stroj a motor dohromady mechanickým způsobem. To
může být jednoduchá, tuhá spojka, jež spojuje konce hřídele stroje a motoru, převodovka,
řetězový nebo řemenový pohon nebo hydraulická spojka. Všechny tyto typy způsobují další
energetické ztráty pohonného systému.
Elektromotor
Elektromotory mohou být rozděleny do dvou hlavních skupin, DC motory (stejnosměrný proud)
a AC motory (střídavý proud). V průmyslu se vyskytují oba typy, ale během posledních
několika desetiletí technologie směřuje silně směrem ke střídavým motorům.
Silné stránky AC motorů jsou:
•
•
•
robustnost, jednoduchá konstrukce, nízké požadavky na údržbu
vysoký stupeň účinnosti (obzvláště vysokovýkonné motory)
relativně nízká cena.
Indukční AC motory jsou široce používané díky těmto výhodám. Avšak pracují pouze v jednom
směru otáčení. Jestliže zatížení není stabilní, je nutno změnit rychlost a to lze učinit s největší
energetickou účinností instalací pohonu před motorem.
Samostatně napájené elektromotory jsou nejobvyklejšími typy průmyslových elektromotorů.
Zahrnují samostatné vícefázové vinutí, jež se aktivně podílí na procesu převodu energie (tj.
samostatně napájené). Samostatně napájené elektrické stroje pracují buď jako:
•
•
indukční (asynchronní) motory, jež vykazují točivý moment při startování (jakkoli
neúčinně) a mohou pracovat jako samostatné stroje. Technologie indukčního motoru
se dobře hodí pro motory do výkonu několika megawattů.
synchronní motory, jež jsou zásadně jednorychlostní stroje. Tyto nevytvářejí užitečný
točivý moment při startování a musí mít doplňkové prostředky pro start a praktický provoz,
jako elektronický regulátor. Synchronní motory jsou často stavěny pro vysokovýkonné
aplikace, jako kompresory v petrochemickém průmyslu.
DC technologie jsou synchronní motory s ‚permanentním magnetem’ (PM) či bezkartáčové, jež
jsou vhodné pro aplikace vyžadující nižší rychlosti otáčení než ty, jež jsou obvykle dosaženy
s využitím indukčních motorů. Při těchto aplikacích s nižší rychlostí (220 – 600 ot./min), jako
tzv. skupinové pohony strojů na papír nebo lepenku, lze často eliminovat mechanický převod
(převodovku) využitím PM motoru, což zvyšuje celkovou účinnost systému.
červen 2008
207
Kapitola 3
Obrázek 3-26: Motor kompresoru s jmenovitým výkonem 24 MW
[95, Savolainen, 2005]
Silná stránka DC motorů je již tradičně jednoduchost elektrického ovládání rychlosti a točivého
momentu. Rovněž startovací moment je vysoký, což je výhodné u některých aplikací. Avšak
rychlý vývoj elektronických komponent pro elektrickou energii a řídících algoritmů zlepšilo
pozici AC technologie, takže už ve skutečnosti není žádná opravdová převaha stejnosměrné
technologie nad střídavou. Moderní střídavé motory a pohony překonávají jejich stejnosměrné
protějšky v mnoha ohledech. Jinými slovy; i ty nejnáročnější aplikace jako ovládání rychlosti
a točivého momentu strojů na zpracování papíru dnes mohou být uskutečněny s pomocí AC
motorů a pohonů.
Ovládací jednotka
Ve své nejjednodušší formě je to spínač nebo stykač pro spojení a rozpojení motoru od hlavního
vedení. Může být ovládán manuálně nebo dálkově s pomocí řídícího napětí. Do těchto přístrojů
může být zavedeno více ochranných funkcí motoru a startér motoru je spínač se zabudovanými
bezpečnostními funkcemi.
Pokrokovější metoda spojení motoru s hlavním vedením je ‚softstartér’ (aka: spouštěč hvězdatrojúhelník). Toto zařízení umožňuje umírněný start AC motoru tím, že redukuje tzv. ‚nárazový
proud‘ během startování, čímž chrání mechaniku a pojistky. Bez softstartéru AC motor rázně
startuje a akceleruje na svou jmenovitou rychlost. Avšak, softstartér NENÍ zařízení šetřící
energii, i když existují některé nesprávné úsudky a některé zdroje to prohlašují.
Jediná cesta, jak výše uvedená zařízení mohou přispět k energetické účinnosti je, že motory
mohou být vypnuty, když nejsou potřeba.
208
červen 2008
Kapitola 3
Přístroje pro ‚skutečné‘ řízení motoru jsou schopny regulovat výstup (rychlost a točivý moment)
elektromotorů. Pracovní princip AC pohonu je převést frekvenci elektřiny z rozvodní sítě (50Hz
v Evropě) na jinou frekvenci, aby motor mohl změnit rychlost otáčení. Ovládací jednotka pro
střídavé motory se nazývá následovně:
•
•
•
•
•
‚frekvenční měnič‘
‚pohon s proměnnými otáčkami‘ (VSD - variable speed drive)
‚pohon s nastavitelnou frekvencí‘ (AFD -adjustable frequency drive)
jejich kombinace (ASD, VFD) je často užívána pro popis těch samých přístrojů
‚motorový převodník‘ nebo jednoduše ‚převodník‘ je používán současnými uživateli
v rámci průmyslu.
Systémy poháněné motory spotřebují zhruba 65% průmyslové energie v Evropské Unii.
Potenciál pro úsporu energie v průmyslu EU-15 s využitím AC pohonů je 43 TWh/rok a pro
zlepšení účinnosti elektromotorů samotných 15 TWh/rok dle studií EU-15 SAVE.
Existují nejméně dva různé způsoby přístupu ke koncepci energetické účinnosti u systémů
poháněných motory. Jeden z nich je brát v úvahu jednotlivé komponenty a jejich účinnost
a zajistit, že je použito pouze zařízení s vysokou účinností. Druhým je systémový přístup, který
je popsán v Úvodu této kapitoly a který může přinést podstatně vyšší celkové úspory.
3.6.1
Energeticky účinné motory (EEM)
Popis a provozní údaje
(Informace o dosažených environmentálních přínosech, mezisložkových vlivech, použitelnosti,
ekonomii, hybných silách pro zavedení, příkladech a referencích pro energeticky účinné motory
jsou uvedeny v kap. 3.6.7.)
Energeticky účinné motory (EEM - Energy Efficient Motors), rovněž nazývané vysokovýkonné
motory (HEM), za dodatečné náklady 20 – 30 % poskytnou o 2 – 8 % vyšší účinnost pro motory
s výkonem 20 kW a více. Lze dosáhnout i účinnosti více než 30 % u motorů s výkonem mezi 1
a 15 kW, přičemž náklady navíc se pohybují mezi 50 % a 100 %. .
Jelikož snížené ztráty mají za následek menší zvýšení teploty v motoru, životnost izolace vinutí
motoru a ložisek se zvyšuje. Proto se v mnoha případech:
•
•
•
•
•
•
•
zvyšuje spolehlivost
snižují prostoje a náklady na údržbu
zvyšuje tolerance vůči tepelnému napětí
zvyšuje schopnost zvládat podmínky přetížení
zlepšuje se odolnost vůči abnormálním provozním podmínkám – podpětí a přepětí, fázové
nerovnováze, nedostatečném napětí a proudovým vlnám (např. harmonickým kmitům), atd.
zlepšuje faktor výkonu
snižuje hlučnost.
Evropská smlouva mezi evropským Výborem výrobců elektrických strojů a elektroniky
(CEMEP - Committee of Manufacturers of Electrical Machines and Power Electronics)
a Evropskou komisí zajišťuje, že hladina účinnosti většiny elektromotorů vyráběných v Evropě
je zřetelně zobrazena. Evropské schéma klasifikace motorů je použitelné pro motory <100 kW
a zásadně ustanovuje tři třídy účinnosti, čímž dává výrobcům motorů podnět k zavádění modelů
s vyšší účinností:
•
•
•
EFF1 (motory s vysokou účinností)
EFF2 (motory se standardní účinností)
EFF3 (motory se slabou účinností)
červen 2008
209
Kapitola 3
Tyto úrovně účinnosti jsou aplikovány na 2 a 4 pólové třífázové AC indukční motory
s klecovým vinutím, pro 400 V, 50 Hz, ve třídě S1, s výkonem 1,1 až 90 kW, jež představují
největší objem prodeje na trhu. Obr. 3.27 ukazuje energetickou účinnost tří typů motorů jako
funkci jejich výkonu.
Obrázek 3-27: Energetická účinnost tří AC indukčních motorů
Směrnice o ekodesignu (EuP) bude pravděpodobně eliminovat používání motorů ve třídě EFF 3
a EFF 2 do roku 2011. IEC v době zpracování tohoto dokumentu pracuje na zavedení nového
mezinárodního systému klasifikace, kde jsou motory EFF2 a EFF# společně na nejspodnější
příčce a nad třídou EFF1 bude nová třída – premium.
Správné volbě motoru lze velice pomoci využitím adekvátního počítačového softwaru, jako
Motor Master Plus28 a EURODEEM29, navrženého v rámci projektu EU-SAVE PROMOT.
Příslušná řešení motorů lze zvolit využitím databáze EURODEEM30, jež porovnává účinnost
více než 3 500 typů motorů od 24 výrobců.
3.6.2
Správné rozměry motoru
28
Financováno Ministerstvem energetiky USA
Podporováno Evropskou komisí – DG TREN
30
Zveřejněno Evropskou komisí
210
červen 2008
29
Kapitola 3
Elektromotory jsou velmi často předimenzovány pro skutečné zatížení, jež mají nést. Motory
zřídka pracují na stupni jejich plného zatížení. V Evropské unii testy na tomto poli ukazují, že
v průměru motory pracují přibližně na 60% jejich jmenovitého zatížení.
Maximální účinnosti motoru je dosaženo mezi 60 až 100% plného zatížení. Účinnost
indukčního motoru obvykle vrcholí okolo 75% plného zatížení a je relativně nízká při poklesu
k 50% hladiny zatížení. Pod 40% plného zatížení elektromotor nepracuje v optimálních
podmínkách a účinnost velmi rychle klesá. Motory větších rozměrů mohou pracovat s relativně
vysokou účinností při zatížení až 30% jmenovitého zatížení.
Správné rozměry:
•
•
•
zlepšují energetickou účinnost tím, že umožňují motorům pracovat na plný výkon
mohou snižovat ztráty v elektrickém vedení vzhledem k nízkému faktoru výkonu
mohou lehce snižovat provozní rychlost a tím spotřebu elektrické energie, u ventilátorů
a čerpadel.
Obrázek 3-28: Účinnost vs. zatížení u elektromotorů
3.6.3
Pohony s proměnnými otáčkami (VSD - variable speed drive)
Úprava rychlosti motoru použitím pohonu s proměnnými otáčkami (VSD) může vést k značné
úspoře energie spojené s lepším ovládáním, menším opotřebením mechanického zařízení a nižší
hlučností. Když výkon kolísá, může VSD snížit spotřebu elektrické energie obzvláště u
odstředivých čerpadel, kompresorů a ventilátorů – obvykle v rozsahu 4 – 50%. Aplikace pro
zpracování materiálu jako odstředivky, mlýny a obráběcí stroje, stejně jako aplikace pro
manipulaci s materiálem jako navíječky, dopravníky a elevátory mohou rovněž těžit z využití
VSD jak ve spotřebě elektrické energie, tak celkovém provozu.
Použití VSD může rovněž vést k dalším výhodám včetně:
•
•
•
•
rozšíření užitečného pracovního rozsahu poháněného zařízení
izolace motoru od elektrického vedení, což může snížit namáhání motoru a plýtvání energií
přesné synchronizace více motorů
zlepšení rychlosti a schopnosti odezvy na změnu provozních podmínek.
červen 2008
211
Kapitola 3
VSD nejsou použitelné u všech aplikací, obzvláště kde je zatížení konstantní (např. ventilátory
s přívodem vzduchu a kapalinovým základem, oxidační vzduchové kompresory atd.), jelikož
VSD ztratí 3 – 4 % energetického příkonu (opravou a úpravou fází proudu).
3.6.4
Ztráty v převodu
Převodové zařízení zahrnující hřídele, řemeny, řetězy a ozubené převody by mělo být správně
instalované a udržované. Převodový systém od motoru po výkon je zdrojem ztrát. Tyto ztráty
se mohou výrazně lišit, od 0 do 45%. Kde je to možné, používejte synchronní řemeny místo
klínových. Ozubené klínové řemeny jsou účinnější než běžné klínové řemeny. Kola se šikmým
ozubením jsou účinnější než šneková kola. Přímé spojení musí být tou nejlepší volbou (kde je to
technicky proveditelné) a pak se lze vyhnout klínovým řemenům.
3.6.5
Opravy motorů
Motory nad 5 kW mohou být poruchové a jsou často za dobu své životnosti několikrát
opravovány. Laboratorní zkušební studie potvrzují, že špatné praktiky při údržbě motorů snižují
účinnost motoru obvykle o 0,5 až 1% a někdy až o 4% nebo více u starých motorů.
Při volbě mezi opravou a výměnou je nutno brát v úvahu náklady na elektřinu/kWh, výkon
motoru, průměrný faktor zatížení a počet provozních hodin za rok. Je třeba věnovat pozornost
procesu opravy a opravárenské firmě (opravárenská firma pro energeticky účinné motory),
kterou by měl schválit původní výrobce.
Obvykle může být náhrada porušeného motoru koupí nového EEM dobrou volbou u motorů
s velkým počtem provozních hodin. Například u zařízení se 4 000 hodinami provozu za rok, při
ceně elektřiny 0,06 EUR/kWh, pro motory mezi 20 a 130 kW bude mít nahrazení EEM
návratnost méně než 3 roky.
3.6.6
Převinutí
Převinutí motoru je v průmyslu široce využíváno. Je to levnější a může být rychlejší než koupě
nového motoru. Avšak převinutí motoru může trvale snížit jeho účinnost o více než 1%.
Patřičná pozornost musí být věnována procesu opravy a společnosti, která opravu provádí
a která by měla být uznána původním výrobcem (opravář energeticky účinných motorů –
EEMR). Náklady na nový motor mohou být rychle vykompenzovány jeho lepší energetickou
účinností, takže převinutí nemusí být ekonomické, uvážíme-li náklady za celou dobu životnosti.
212
červen 2008
Kapitola 3
Obrázek 3-29: Náklady na nový motor v porovnání s převinutím
3.6.7
Dosažené environmentální přínosy, mezisložkové vlivy,
použitelnost a další otázky spojené s energetickou účinností
elektromotorů
Tabulka 3.22 ukazuje potenciálně významné úspory energie, jež může být použitelná pro
subsystém motoru. Ačkoli jsou hodnoty v tabulce typické, použitelnost opatření bude záviset
na specifických charakteristikách instalace.
Míra úspor energie pohonného systému
Typický
rozsah úspor
Instalace nebo renovace systému
Energeticky účinné motory (EEM -Energy efficient motors)
2−8%
Správná velikost
1−3%
Opravy energeticky účinných motorů (EEMR -Energy efficient motor 0.5 − 2 %
repairs)
‚Pohon s proměnnými otáčkami‘ (VSD - variable speed drive)
10 − 50 %
Vysokoúčinný přenos/redukce
2 − 10 %
Řízení jakosti energie
0.5 − 3 %
Provoz a údržba systému
Mazání, nastavení, vyladění
1−5%
tabulka 3-22 Míra úspory energie subsystému pohonu
Harmonické kmity způsobené některými regulátory rychlosti atd. mohou způsobit ztráty
v motoru a transformátorech (viz kap. 3.5.2). Energeticky účinný motor spotřebuje na svojí
výrobu více přírodních zdrojů (mědi a oceli).
Použitelnost
Elektromotorové pohony existují prakticky ve všech průmyslových závodech, kde je dostupná
elektřina.
Použitelnost patřičných opatření a rozsahu, v nichž by mohly ušetřit peníze, závisí na velikosti
a specifických podmínkách instalace. Posouzení potřeb celé instalace a daného systému v ní
může určit, která opatření jsou jak použitelná, tak užitečná. Toto by mělo být provedeno
kvalifikovaným poskytovatelem pohonných systémů nebo kvalifikovaným vlastním technickým
personálem. Je to důležité zejména pro VDS a EEM, kde existuje riziko použití většího
množství energie, spíše než úspor. Závěry posouzení budou identifikovat opatření, jež jsou pro
systém použitelná a budou zahrnovat odhad úspor, náklady na dané opatření a rovněž dobu
návratnosti.
Například EEM obsahují více materiálu (měď a ocel) než motory s nižší účinností. V důsledku
toho má EEM vyšší účinnost, ale také nižší skluzovou frekvenci (což vede k více otáčkám za
minutu) a vyšší rozběhový proud než motor se standardní účinností. Následující příklady
dokládají případy, kdy využití EEM není optimálním řešením:
červen 2008
213
Kapitola 3
•
•
•
•
Pokud systém HVAC pracuje v podmínkách plného zatížení, pak nahrazení energeticky
účinným motorem zvyšuje rychlost ventilátorů (kvůli nižšímu skluzu) a následně se
zvyšuje točivé zatížení. Použití EEM v tomto případě přináší větší spotřebu energie než
použití motoru se standardní účinností. Návrh by se měl v každém případě provést tak,
aby nezvyšoval konečný počet otáček za minutu.
Pokud aplikace pracuje méně než 1000 – 2000 hodin za rok (přerušované pohony),
nemusí použití EEM přinést výrazný efekt v oblasti energetických úspor. (Viz
Ekonomie)
Pokud musí aplikace často zastavovat a startovat, mohou být úspory ztraceny vzhledem
k vyššímu startovacímu proudu u EEM
Pokud aplikace pracuje především při částečném zatížení (např. čerpadla), ale po
dlouhou provozní dobu, jsou úspory spojené s použitím EEM zanedbatelné. Úspory
energie přinese spíše využití VSD.
Ekonomie
Cena EEM je o asi 20 % vyšší. Náklady spojené s provozem motoru v průběhu jeho životnosti
jsou zobrazeny na Obrázku 3.30 (přibližně):
Náklady využití elektromotoru rozdělené
během jeho technické životnosti na
1,50
2,50
Energie
Údržba
Investice
96,00
Obrázek 3-30: Náklady na elektromotor v průběhu životnosti
Při koupi nebo opravě motoru je skutečně důležité vzít v úvahu spotřebu energie
a minimalizovat ji následujícím způsobem:
•
•
u AC pohonů může být návratnost jeden rok i méně
vysokovýkonné motory potřebují delší dobu návratnosti na úsporu energie.
Výpočet návratnosti pro tuto techniku energetické účinnosti, např. při koupi motoru s vyšší
účinností v porovnání s převinutím poškozeného standardního motoru:
Návratnost (v letech) =
Cost
kW × H × Cost
HEM
− Cost old
× [1 / η rewinded − 1 / η HEM ]
electricity
Rovnice 3.9
kde:
•
•
•
•
CostHEM: náklady na nový vysokovýkonný motor
Costold: náklady na převinutí starého motoru
Costelectricity: náklady na elektrickou energii
kW: průměrný výkon motoru při provozu.
214
červen 2008
Kapitola 3
•
•
Střídavé pohony jsou často instalovány za účelem zlepšení řízení strojů.
Při volbě motorů jsou často důležité další faktory: např. bezpečnost, jakost a spolehlivost,
jalový výkon, intervaly pro údržbu.
Příklady
•
LKAB (Švédsko) – důlní společnost, spotřebovává 1 700 gigawatthodin elektrické
energie ročně, z čehož je 90 procent použito k napájení 15 000 motorů. Přechodem
na vysokovýkonné motory LKAB sníží svůj každoroční účet za elektrickou energii
o několik stovek tisíc dolarů
•
Heinz - továrna na zpracování potravin (UK) – nové energetické centrum bude o 14%
účinnější díky odvětrávání spalin řízenému AC pohony. Energetické centrum má čtyři
kotle a nahradilo dosavadní kotelnu.
Reference
[137, EC, 139, US_DOE, 231, The motor challenge programme, 232, 60034-30]
červen 2008
215
Kapitola 3
3.7
Systémy stlačeného vzduchu (CAS – compressed air
systems)
[168, PNEUROP, 2007, 169, EC, 1993, 194, ADEME, 2007] [189, Radgen&Blaustein, 2001,
196, Wikipedia]
Popis
Stlačený vzduch je vzduch, který se skladuje a používá při tlaku vyšším než je tlak
atmosférický. Systémy stlačeného vzduchu stlačí danou masu vzduchu, která zaujímá daný
objem v prostoru, a stlačí jí na menší prostor.
Stlačený vzduch představuje v EU-15 až 10 % průmyslové spotřeby elektřiny, neboli více než
80 TWh ročně.
Stlačený vzduch se využívá dvěma způsoby:
•
•
Jako integrální složka průmyslových procesů, např.
o poskytuje dusík o nízké čistotě k vytvoření inertní atmosféry
o poskytuje kyslík o nízké čistotě pro oxidační procesy, např. v čištění odpadních vod
o poskytuje ochranu proti kontaminantům apod.
o míchání ve vysokoteplotních procesech, např. v ocelářství a sklářství
o foukání skelných vláken a skleněných nádob
o tvarování plastů
o pneumatické třídění
Jako energetické médium, např.
o Pohon nástrojů na stlačený vzduch
o Pohon pneumatických ovladačů (např. válců).
Jedním z hlavních rysů stlačeného vzduchu je jeho čistota, takže převážná část stlačeného
vzduchu využívaného v zařízeních IPPC je integrovanou součástí základního procesu. Tlak
a čistota stlačeného vzduchu a profil poptávky jsou pak dány samotným procesem.
Stlačený vzduch je v podstatě čistý a bezpečný díky nízkému riziku vzplanutí nebo výbuchu,
buď přímo nebo po částech zadržujících teplo, a má proto široké využití v nebezpečných
oblastech chemického průmyslu a navazujících odvětví. Nevyžaduje „návratové“ potrubí ani
kabel (na rozdíl od elektřiny) a používá-li se jako pohon nástrojů, poskytuje vysokou hustotu
energie a v případě nástrojů určených k přemísťování konstantní krut při konstantním tlaku,
dokonce i při nízké rychlosti rotace. To představuje v mnoha aplikacích výhodu oproti
elektrickým nástrojům. Je rovněž snadné ho přizpůsobit měnícím se požadavkům výroby (často
v situacích vysokého objemu produkce) a lze ho používat s jeho vlastním pneumatický řízením.
Tento systém lze také snadno instalovat, i když začíná být pomalu vytlačován levnějším
elektronickým řízením.
Pneumatická mechanická zařízení se často využívají ke krátkým, rychlým na energii
nenáročným lineárním přesunům anebo vytvářejí vysokou sílu při nízké rychlosti (pohon
montážních nástrojů a procesů, manuálních nebo automatických). Jsou k dispozici i elektrická
zařízení používaná ke stejnému účelu: pro krátký, rychlý pohyb existují zdvihové magnety a pro
vysokou sílu pak motory s pohonem přes závitovou tyč. Pneumatické nástroje jsou však
pohodlné díky svému dobrému poměru mezi hmotností a silou. Díky tomu jsou užitečné
po dlouhou dobu, aniž by se přehřívaly. Náklady na jejich údržbu jsou nízké.
Pokud však nejsou k dispozici jiné hybné síly, měly by se zvažovat alternativy stlačeného
vzduchu.
216
červen 2008
Kapitola 3
Dodávky stlačeného vzduchu často představují nedílnou součást zařízení a je třeba je analyzovat
v rámci celkových požadavků závodu na stlačený vzduch. V aplikacích IPPC je systém
stlačeného vzduchu významným uživatelem energie a jeho podíl na celkové využité energii
se pohybuje mezi 5 a 25 %. Díky zájmu o energetickou účinnost vyvinuli výrobci kompresorů
a navazujícího vybavení technologie a nástroje pro optimalizaci stávajících a pro projektování
nových a účinnějších systémů stlačeného vzduchu.
Současné investice se řídí analýzou životního cyklu, zejména v případě dodávky nového
systému stlačeného vzduchu. Energetická účinnost je při projektování CAS považována za
hlavní parametr a u stávajících systémů stále existuje potenciál pro optimalizaci. Životnost
velkých kompresorů se odhaduje na 15 – 20 let. Během této doby se profil poptávky může
měnit a mohlo by být potřeba ji přehodnotit. Krom toho se objevují nové technologie, které
zlepšují energetickou účinnost stávajících systémů.
Volba energetického média (např. CAS) obecně závisí na mnoha parametrech aplikace je třeba
ji analyzovat případ od případu.
Energetická účinnost v CAS
Ve většině hlavních průmyslových použití je stlačený vzduch integrální složkou procesu. Ve
většině těchto aplikací je to jediná snadno dostupná technologie pro provedení procesu ve
stávající podobě, tj. bez významné změny projektu. V takových situacích je energetická
účinnost v systémech stlačeného vzduchu primárně či výhradně dána účinností produkce,
zpracování a distribuce stlačeného vzduchu.
Energetickou účinnost produkce, zpracování a distribuce stlačeného vzduchu předem určuje
kvalita plánování, výroby a údržby celého systému. Cílem odborného projektu je, aby stlačený
vzduch odpovídal potřebám aplikace. Správné pochopení aplikace a poptávky po stlačeném
vzduchu je nutné ještě před realizací jedné nebo více technik energetické účinnosti. Je dobré
začlenit tyto techniky do systému energetického managementu, kde se kvalitní databáze stane
základem spolehlivého auditu systému stlačeného vzduchu (viz kap. 2.1 a 2.15.1).
V roce 2000 byla v rámci evropského programu SAVE provedena studie, která analyzovala
potenciál k energetické účinnosti u CAS. Pojednává o všech aplikacích (a zařízení IPPC budou
mít valnou většinu všech zařízení CAS v průmyslu) a poskytuje dobrý přehled relevantních
opatření na zlepšení energetické účinnosti systémů stlačeného vzduchu.
Shrnutí je uvedeno v Tabulce 3.23:
Opatření
na úspory
energie
%
použitelnosti
(1)
Instalace nebo obnova systému
Zlepšení pohonů
25 %
(vysoce
účinné
motory)
Zlepšení pohonů
25 %
(řízení rychlosti)
Modernizace
kompresoru
Využití
sofistikovaných
řídících systémů
Získávání
% zisku Potenciální
(2)
příspěvek
(3)
Komentář
2%
0,5 %
Nákladově nejúčinnější v malých (<10
kW) systémech
15 %
3,8 %
Lze aplikovat na systémy s kolísavým
zatížením. V systémech více strojů by
pouze jeden stroj měl být vybaven
pohonem
s proměnnou
rychlostí.
Odhadnutý zisk je pro celkové zlepšení
systémů, ať obsahují jeden anebo více
strojů.
30 %
7%
2,1 %
20 %
12 %
2,4 %
20 %
20 %
4,0 %
Pozn.: zisk je z hlediska energie, nikoli
červen 2008
217
Kapitola 3
odpadního tepla pro
spotřeby elektřiny, protože elektřina je
využití
v jiných
konvertována na užitečné teplo
aplikacích
Kvalitnější
10 %
5%
0,5 %
Toto nezahrnuje častější výměnu filtru
chlazení,
sušení
(viz níže)
a filtrování
Celkový
design 50 %
9%
4,5 %
systému,
včetně
multitlakových
systémů
Snížení ztrát tlaku 50 %
3%
1,5 %
třením
(např.
zvětšením průměru
potrubí)
Optimalizace
5%
40 %
2,0 %
některých zařízení
koncových
uživatelů
Provoz a údržba systému
Snížení
úniků 80 %
20 %
16,0 %
Největší potenciální zisk
vzduchu
Častější
výměna 40 %
2%
0,8 %
filtru
CELKEM
32,9 %
Legenda k tabulce:
(1) % systémů stlačeného vzduchu, kde je toto opatření aplikovatelné a nákladově účinné
(2) % snížení roční spotřeby energie
(3) Potenciální příspěvek = Použitelnost * Snížení
tabulka 3-23 Opatření na úsporu energie u CAS
[168, PNEUROP, 2007]
Při použití stlačeného vzduchu k pohonu nástrojů by se mělo vzít v úvahu, že mechanická
účinnost je definovaná jako „hřídelová síla nástroje dělená celkovou vstupní elektrickou energií
potřebnou k vyprodukování stlačeného vzduchu spotřebovaného nástrojem“ a zpravidla se
pohybuje mezi 10 – 15%.
Cílem většiny technik používaných při projektování nebo úpravě CAS je zlepšení energetické
účinnosti daného systému. Následné přínosy zlepšování energetické účinnosti systému
stlačeného tlaku mohou zahrnovat snížení hluku a využití chladící vody. Životnost CAS
a kompresorů je relativně dlouhá, takže využití materiálů v nahrazeném zařízení je nízké.
Emise se omezují na hluk a olejovou mlhu. Další vlivy CAS na životní prostředí jsou ve vztahu
k využití energie minoritní.
Ve většině závodů je CAS nezávislým subsystémem. Většina možných modifikací v těchto
systémech nezahrnuje jiné systémy nebo procesy. Energie použitá pro CAS by se při použití
v jiných procesech měla započítávat, viz kap. 1.3.
Provozní údaje
Složky CAS
CAS jsou kombinací čtyř subsystémů nezávislých na aplikaci:
•
•
•
•
218
výroba stlačeného vzduchu
skladování stlačeného vzduchu
zpracování stlačeného vzduchu
distribuce stlačeného vzduchu.
červen 2008
Kapitola 3
Kromě toho existují i pomocné systémy, jako je získávání tepla nebo zpracování kondenzátu.
Běžné složky subsystémů jsou uvedeny v Tabulce 3.24:
Výroba
Kompresor
Řídící jednotka
Chlazení
Skladování
Vzdušník
Zpracování
Sušička
Filtr
Distribuce
Potrubí
Ventily
Pomocné systémy
Získávání tepla
Odvod kondenzátu
tabulka 3-24 Běžné složky CAS
[168, PNEUROP, 2007]
Obrázek 3-31: Běžné složky CAS
[168, PNEUROP, 2007]
Většina závodů má multikompresorovou stanici s centrálním zpracováním stlačeného vzduchu
a rozsáhlým distribučním systémem. Kromě toho mají stroje, jako jsou tkalcovské stavy nebo
zařízení na výrobu skla, často integrovaný, samostatný systém stlačeného vzduchu. Pro
konkrétní aplikace neexistuje žádný standardní design tohoto systému. V závislosti na procesu
a parametrech je třeba zvolit správné komponenty a řídit jejich interakci.
Druhy kompresorů
Účinnost se liší podle typu kompresoru a jeho designu. Účinnost, a tudíž i provozní náklady,
jsou při volbě kompresoru klíčové faktory, ale volbu může určovat také požadovaná kvalita
a množství stlačeného vzduchu.
V současné době zahrnuje technologie vzduchových kompresorů dvě základní skupiny:
objemové kompresory a rychlostní kompresory. Ty se dále dělí na několik typů, jak ukazuje
obr. 3.32.
červen 2008
219
Kapitola 3
Vzduchové
kompresory - typy
Rychlostní kompresory
Objemové kompresory
Rotační
Ejektor
Centrifuga
Reciproční
(pístové)
Axiální
lopatky
prstence šroubové vačky
single- double
volný píst spleť diafragmové
Obrázek 3-32: Druhy kompresorů
[168, PNEUROP, 2007]
•
objemové kompresory zvyšují tlak daného množství vzduchu tím, že zmenšují prostor
zaujímaný vzduchem při původním tlaku. Tento druh kompresoru je k dispozici ve dvou
základních variantách, reciproční a rotační. Každá z těchto variant se pak dále dělí podle
různých technologií:
o reciproční kompresory využívají ke kompresi nízkotlakého vzduchu na vysokotlaký
píst pohybující se ve válci, jsou k dispozici v jednočinné a dvojčinné konfiguraci
o šroubové kompresory jsou nejčastěji používané průmyslové kompresory v rozpětí od
40 (30 kW) do 500 hp (373 kW). Jsou k dispozici v konfiguraci s mazáním nebo bez.
Šroubové kompresory jsou oblíbené díky relativně jednoduchému designu, snadné
instalaci, malých požadavcích na pravidelnou údržbu, snadné údržbě, dlouhé
životnosti a přijatelným nákladům.
•
rychlostní kompresory jsou rotační stroje s kontinuálním tokem, ve kterých rychle
rotující prvek urychluje vzduch, který jím prochází, přičemž konvertuje rychlostní výšku
na tlak. Kapacita rychlostního kompresoru značně kolísá podle pracovního tlaku.
Použitelnost
Každý CAS je složitou aplikací, která vyžaduje odborné znalosti o jejich designu a aplikaci
konkrétních technik. Design závisí na mnoha parametrech, jako jsou:
•
•
•
•
profil poptávky (včetně špiček)
potřebná kvalita stlačeného vzduchu
tlak
prostorové překážky v budově nebo závodě.
ISO 8573-1 např. klasifikuje kvalitu stlačeného vzduchu pro tři druhy kontaminantů. Existuje
několik tříd, které vyjadřují širokou škálu čistoty potřebné v různých aplikacích.
•
•
•
Tuhé částice
Vlhkost a kapalná voda
Celkový obsah oleje
8 tříd
10 tříd
5 tříd.
Kromě toho není možné hodnotit aplikaci technik energetické účinnosti pro naprosto odlišné
systémy. Lze to ilustrovat na dvou profilech poptávky, jak to ukazuje obr. 3.33:
220
červen 2008
Kapitola 3
Profil spotřeby vzduchu č. 1
10
0
12
0
Neděle
Pondělí
Úterý
Středa
Čtvrtek
Pátek
Sobota
6
0
4
0
2
0
0
0:1
5
2:0
0
3:4
5
5:3
0
7:1
5
9:0 10:4 12:3 14:1 16:0 17:4 19:3 21:1 23:0
0
5
0
5
0
5
0
5
0
Kapacita v l/s
14
0
8
0
Kapacita v l/s
Profil spotřeby vzduchu č. 2
12
0
10
0
Neděle
Pondělí
Úterý
Středa
Čtvrtek
Pátek
Sobota
8
0
6
0
4
0
2
0
0
0:1
5
2:0
0
3:4
5
5:3
0
7:1
5
9:0 10:4 12:3 14:1 16:0 17:4 19:3 21:1 23:0
0
5
0
5
0
5
0
5
0
Čas
Čas
Obrázek 3-33: Různé profily poptávky
[168, PNEUROP, 2007]
červen 2008
221
Kapitola 3
Popis následujících technik ilustruje různé možnosti(viz kap. 3.7.1 až 3.7.11). Odborný systém
a analýza poptávky jsou podmínkou pro nový projekt nebo optimalizaci systému stlačeného
vzduchu.
Jak popisuje kapitola 2, modifikace složitých systémů je třeba hodnotit případ od případu.
Ekonomie
Cena stlačeného vzduchu se v jednotlivých firmách velmi liší, od 0,006 do 0,097 EUR za Nm3
(za předpokladu, že cena elektřiny v roce 2006 kolísala mezi 0,052 EUR/kWh ve Finsku a
0,1714 EUR/kWh v Dánsku). Odhaduje se, že 75 % tvoří energie, jen 13 % jsou investice a 12
% údržba. Rozdíly v nákladech jsou dány především rozdílem mezi optimalizovaným závodem
a závodem, který nebyl optimalizován. Je velmi důležité vzít tento klíčový parametr v úvahu jak
při projektování zařízení, tak i při provozu zařízení stávajícího.
Náklady na energii stlačeného vzduchu jsou vyjádřeny z hlediska měrné spotřeby energie
v Wh/Nm3. Pro správně dimenzované a dobře řízené zařízení, které pracuje při jmenovitém
průtoku a tlaku 7 bar, je možné brát jako referenci toto (bere v úvahu různé kompresorové
technologie):
85 Wh/Nm3 <SEC <130 Wh/Nm3 [194, ADEME, 2007]
Tento poměr představuje kvalitu designu a managementu zařízení na stlačený vzduch. Je
důležité ho znát a monitorovat (viz kap. o benchmarkingu 2.16), protože může rychle
degradovat, což vede velkému zvýšení ceny vzduchu.
Organizace a výrobci z členských států již přijaly iniciativy v oblasti zlepšení energetické
účinnosti. Tyto programy ukázaly, že realizace popsaných technik přináší dobrou návratnost
investic.
Zlepšení energetické účinnosti v kombinaci s krátkou dobou návratnosti jsou správnou motivací
pro zavedení popsaných technik.
Příklady
Široké použití
Reference
[190, Druckluft, , 191, Druckluft, , 193, Druckluft] [168, PNEUROP, 2007]
3.7.1
Design systému
Popis
V současné době chybí mnoha stávajícím systémům stlačeného plynu aktuální celkový design.
Instalace dodatečných kompresorů a různých aplikací v různých fázích během celé životnosti,
aniž by se zároveň prováděla i nová revize původního designu, často vedla k nižšímu než
optimálnímu výkonu CAS.
Jedním ze zásadních parametrů CAS je hodnota tlaku. Velké rozpětí požadavků na tlak, které
závisejí na dané aplikaci, obvykle znamenají váhání mezi nízkými tlaky, které představují vyšší
energetickou účinnost, a vyššími tlaky, které jsou spojeny s využíváním menších a levnějších
zařízení. Většina spotřebitelů využívá tlak kolem 6 bar(g), ale existují i požadavky na tlak 13
bar(g). Tlak je často zvolen tak, aby byl zároveň nejvyšším tlakem potřebným pro všechna
zařízení.
červen 2008
223
Kapitola 3
Je důležité vzít v úvahu, že příliš nízký tlak způsobí špatné fungování některých strojů, zatímco
tlak, který je vyšší, než je nutné, povede ke snížené účinnosti. V mnoha případech je v systému
tlak 8 až 10 bar(g), ale většina vzduchu je přiškrcena na 6 bar(g) pomocí redukčních ventilů.
Moderní systémy volí tlak, který uspokojí 95 % všech potřeb a pro zbytek použije malé zařízení
na zvýšení tlaku a pokusí se eliminovat zařízení potřebující více než 6 bar(g) nebo vytvoří dva
systémy s různým tlakem – jeden s vyšším tlakem a jeden pro 6,5 bar(g).
Dalším základním parametrem je volba skladovacího objemu. Protože poptávka po stlačeném
vzduchu přichází většinou od mnoha různých zařízení, které často pracují přerušovaně,
poptávka po vzduchu kolísá. Skladovací objem pomáhá snižovat kolísání tlaku způsobené
poptávkou a uspokojuje krátkodobou špičkovou poptávku (viz kap. 3.7.10).
Vyrovnaná poptávka dovoluje stabilnější chod menších kompresorů, s kratšími prostoji a tím
i menší spotřebou elektrické energie. Systémy mohou mít více než jeden vzdušník. Účinné
může být také strategické umístění vzdušníků blízko zdrojů krátkodobé vysoké poptávky, které
tuto poptávku uspokojí a umožní snížit tlak v systému.
Třetí zásadní otázkou designu systému stlačeného vzduchu je dimenzování potrubí a umístění
kompresorů. Jakákoli překážka, omezení nebo nerovnost v systému způsobí odpor vůči proudu
vzduchu a tím i pokles tlaku, podobně jako příliš dlouhá potrubí. V distribučním systému jsou
největší poklesy tlaku obvykle zjišťovány v bodech využití, včetně poddimenzovaných hadic,
trubek, přítlačných trubkových spojů s gumovým kroužkem, filtrů, regulátorů a mazadel. Také
použití svařovaného potrubí může snížit ztráty třením.
Někdy poptávka po vzduchu narostla jaksi „přirozeně“ během několika let a původní vedlejší
potrubní větev s malým průměrem musí přenášet vysoký objemový tok, což vede ke ztrátám
tlaku. V některých případech se některé vybavení závodu už přestalo používat. Proud vzduchu
do tohoto nepoužívaného zařízení by měl být zastaven v distribučním systému co nejdále, aniž
by to ovlivnilo provozovaná zařízení.
Správně navržený systém by měl mít v bodě použití vzduchu tlakovou ztrátu menší než 10 %
výstupního tlaku kompresoru. Toho lze dosáhnout pravidelným monitoringem ztrát tlaku,
volbou sušiček, filtrů, hadic a přítlačných trubkových spojů s gumovým kroužkem, které mají
pro dané podmínky malý pokles tlaku, dále zkrácením vzdáleností, které musí vzduch
v distribučním systému překonávat a také přepočítáním průměru potrubí v případě, že
se vyskytne nová poptávka po vzduchu.
To, co se často zahrnuje pod pojem „celkový design systému“ je ve skutečnosti design
správného fungování při využívání stlačeného vzduchu. Může docházet k nevhodnému
používání, např. přetlakování, po kterém následuje expanze kvůli dosažení správného tlaku – ale
tyto případy jsou vzácné. V současných průmyslových podnicích si většina lidí uvědomuje, že
stlačený vzduch je z hlediska nákladů významný faktor.
Udržování designu CAS na nejmodernější úrovni snižuje spotřebu elektrické energie.
Provozní údaje
Lepší účinnost by mohla vyžadovat více kvalitnějšího zařízení (více většího potrubí, filtry
apod.).
Použitelnost
Existuje mnoho systémů stlačeného vzduchu, odhadem až 50 % všech systémů, které by bylo
možné zlepšit prostřednictvím revize jejich celkového uspořádání, přičemž snížením tlaku
224
červen 2008
Kapitola 3
a lepším dimenzováním nádrží by bylo získáno až 9 % (u poloviny systémů) a snížením ztrát
tlaku v potrubí (u poloviny systémů) by se získala 3 %. Výsledkem by byly úspory 6 % = 0,5 x
(0,09 + 0,03).
Design systému může také zahrnovat optimalizaci určitých koncových zařízení, zpravidla u 5 %
všech systémů je možné snížit poptávku o asi 40 %, což má za výsledek úsporu 2 % energie (tj.
0,05 x 0,4).
Ekonomie a hybná síla pro zavedení
Náklady spojené s revizí systému stlačeného vzduchu s následnou úpravou tlaku a obnovou
potrubí není snadné vypočítat a tyto náklady do velké míry závisejí na okolnostech v daném
závodě. Úspory středně velkého systému (50 kW) lze odhadnout takto:
50 kW × 3000 h/rok × 0,08 EUR/kW × 10 % = EUR 1200 EUR/rok
Náklady na podrobnou revizi takového systému, připojení 90-litrové nádrže blízko kritického
místa spotřeby a uzavíracího ventilu na příležitostně využívanou větev, výměnu 20 m potrubí,
10 hadic a zápachových uzávěrů činí asi 2000 EUR, takže doba návratnosti je 1,7 roku. Náklady
jsou často nižší, když je potřeba provést pouze některé přenastavení tlaku, ale v každém případě
je třeba velmi pečlivě zvážit nejnižší tolerovatelný tlak, který uspokojí dané potřeby.
Ekonomika je pádným důvodem pro revizi systému stlačeného vzduchu. Velkou překážkou je
nedostatek znalostí a/nebo zkušeného personálu odpovědného za tyto systémy. Technici asi
budou vědět, že stlačený vzduch je drahý, ale jeho neúčinné využívání není na první pohled
zřejmé a provozovateli by mohli scházet pracovníci s dostatečně velkými zkušenostmi.
V mnoha zemích EU vznikají iniciativy zaměřené na předávání zkušeností se stlačeným
vzduchem. Velmi podporují vytváření tzv. win-win situace, která přinese prospěch všem
zúčastněným: majitel systémů stlačeného vzduchu získá nižší celkové náklady, dodavatel
kompresorů a dalšího vybavení má vyšší příjmy a životní prostředí prospějí nižší emise
z elektráren.
Příklady
Reference
[168, PNEUROP, 2007, 194, ADEME, 2007]
3.7.2
Pohony s měnitelnými otáčkami
Popis
Pohony s měnitelnými otáčkami (viz kap. 3.6.3) pro kompresory mají uplatnění hlavně tam, kde
požadavky uživatelů na procesní vzduch kolísají během dne nebo v průběhu týdne. Konvenční
systémy řízení kompresorů, jako je zatížení a snižování zátěže, modulace, řízení kapacity apod.,
se snaží tyto změny poptávky vyrovnávat. Pokud to znamená časté spínání a dlouhé prostoje,
dojde následně ke snížení energetické účinnosti. U kompresorů, které mají pohon s měnitelnými
otáčkami, se rychlost elektromotoru mění podle poptávky po stlačeném vzduchu a tím dochází
i k vyšším úsporám energie.
Studie ukazují, že většina aplikací se stlačeným vzduchem má střední až velké výkyvy
poptávky, takže potenciál pro energetické úspory lze v případě aplikace kompresorů na pohon
s měnitelnými otáčkami považovat za vysoký.
Úspory energie.
červen 2008
225
Kapitola 3
Nejsou známy.
Provozní údaje
Testy prováděné nezávislou laboratoří ukázaly možnosti velkých úspor energie při řešení
běžných modelů poptávky po stlačeném vzduchu. Pohon s měnitelnými otáčkami má u
kompresorů kromě úspor energie i další výhody:
•
•
•
•
•
Tlak je velmi stabilní, což přispívá k provozní stabilitě u některých citlivých procesů.
Účiníky jsou mnohem vyšší než u konvenčních pohonů. Díky tomu je jalový výkon nízký.
Rozběhový proud nikdy nepřesáhne proud plného zatížení motoru. V důsledku toho mohou
uživatelé snížit jmenovitý výkon elektrických komponent. Tam, kde je to možné,
se uživatelé mohou vyhnout vysokým poplatkům dodavatelským společnostem, protože
nebudou spouštět svá zařízení v době proudové špičky.
Technologie pohonu s měnitelnými otáčkami umožňuje hladký start při nízkých
rychlostech, což eliminuje špičky proudu a torze a snižuje mechanické opotřebení
a napěťové namáhání a prodlužuje životnost kompresoru.
Snižuje se hladina hluku¨, protože kompresor je v provozu, pouze je-li to třeba.
Použitelnost
Kompresory na pohon s měnitelnými otáčkami jsou vhodné pro řadu operací v širokém spektru
odvětví, včetně zpracování kovů, potravinářství, textilním, farmaceutickém a chemickém
průmyslu apod., kde je vysoce kolísavá poptávka po stlačeném vzduchu. Nelze dosáhnout
žádného skutečného přínosu, pokud je kompresor v provozu kontinuálně a na plnou kapacitu
anebo blízko této kapacity (viz Příklady).
Kompresory na pohon s měnitelnými otáčkami lze aplikovat do stávajících systémů stlačeného
vzduchu. Sice by bylo možné do stávajících kompresorů s fixní rychlostí integrovat regulátory
pohonu s měnitelnými otáčkami, ale lepšího výkonu se dosáhne, když jsou regulátor i motor
dodávány společně, protože jsou synchronizovány na nejvyšší účinnost v daném rychlostním
rozpětí. Aplikace VSD by se měly omezit na modernější kompresory vzhledem k možným
problémům s kompresory starými. V případě pochybností je dobré se poradit s výrobcem nebo
odborníkem na systémy stlačeného vzduchu.
Mnoho systémů stlačeného vzduchu již má kompresory na pohon s měnitelnými otáčkami,
takže použitelnost dalších takových kompresorů v průmyslu je asi 25 %. Úspory mohou
dosáhnout až 30 %, i když průměrný výsledek u CAS, kde se přidal jeden kompresor
s měnitelnými otáčkami, je 15 %. Je pravděpodobné, že více systémů stlačeného vzduchu může
tyto kompresory využít ve svůj prospěch.
Ekonomie
Energie tvoří asi 80 % všech nákladů na kompresor po celou dobu jeho životnosti, zbylých 20
% tvoří investice a údržba. V závodě, kde se díky využití pohonů s měnitelnými otáčkami
uspoří 15 % energie (mírný odhad), se tak ušetří 12 % nákladů za celý životní cyklus, zatímco
dodatečné investice do kompresoru na pohon s měnitelnými otáčkami (místo klasického)
znamenají pouze asi 2 – 5 % nákladů na celý životní cyklus.
Hlavní důvody jsou ekonomické a environmentální.
Příklady
V britské firmě Norwegian Talc Ltd. Hartlepool proběhly testy s BS1571 na 18 měsíců starém
šroubovém kompresoru. Byly možné úspory energie v hodnotě 9,4 kW (nebo 9 % energie při
plném zatížení) při 50 % jmenovitého výkonu. Ještě větších úspor by bylo možné dosáhnout při
provozu s ještě nižším zatížením. Při plném zatížení by však spotřeba energie byla o 4 % vyšší
226
červen 2008
Kapitola 3
kvůli ztrátám elektrické energie s měničem. Pohon s měnitelnými otáčkami by se proto neměl
používat v kompresorech, které jsou v provozu na plné zatížení po dlouhou dobu.
Reference
[168, PNEUROP, 2007, 194, ADEME, 2007, 195, DETR]
3.7.3
Vysoce účinné motory
Popis
Ačkoli neexistuje formální definice vysoce účinného motoru, je tak obecně označován motor, u
něhož byly ztráty sníženy na absolutní minimum. Vysoce účinné motory minimalizuje
elektrické a mechanické ztráty a představují tak úsporu energie. Po celém světě existují různá
označení, která odlišují vysoce účinné motory od ostatních. Příkladem jsou EFF1, NEMA
premium atd. (viz kap. 3.6.1).
Úspory energie.
• Využitý proud je nižší
• Generované teplo je nižší.
Provozní údaje
Použitelnost
Ztráty motoru nezávisejí na tom, kde a k čemu je motor použit. To znamená, že vysoce účinné
motory lze používat téměř všude. Využívají se již ve většině velkých aplikací (75 %), přičemž
většina zbývajících aplikací jsou menší systémy.
Ekonomie
I zdánlivě nepatrné zlepšení účinnosti o 1 – 2 % znamená proporcionální úspory po celou dobu
životnosti motoru. Podstatné jsou tak kumulativní úspory.
Úspory nákladů.
Příklady
Reference
[168, PNEUROP, 2007, 194, ADEME, 2007, 195, DETR]
3.7.4
Systémy hlavního řízení CAS
Popis
Ve většině aplikaci IPPC mají systémy stlačeného vzduchu více kompresorů (viz kap. 3.1).
Energetická účinnost takovýchto vícekompresorových systémů se může podstatně zvýšit
pomocí hlavního řízení, kdy se s jednotlivými kompresory vyměňují provozní údaje a podle
toho se částečně nebo plně řídí provozní režimy jednotlivých kompresorů.
Účinnost hlavního řízení do značné míry závisí na schopnostech komunikačních spojení,
kterými mohou různé systémy, od jednoduchých reléových kontaktů až po automatizované sítě.
Lepší komunikační možnosti nabízejí větší svobodu získávání dat z kompresoru a tím pádem
červen 2008
227
Kapitola 3
i možnost řízení jednotlivých kompresorů a optimalizace celkové spotřeby energie v rámci
CAS.
Řídící strategie hlavního řízení musí brát v úvahu charakteristiky jednotlivých kompresorů,
zejména pak jejich režim řízení. Nejčastěji používané režimy řízení jednotlivých kompresorů
jsou:
• Přepínání mezi zatížením, prostojem a zastavením
• Řízení frekvence.
Hlavní rysy sofistikovaného řízení kompresorů lze shrnout takto:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Moderní komunikace (např. na základě protokolů o automatizaci)
Komplexní přístup hlavního řízení k provozním údajům o jednotlivých kompresorech
Komplexní řízení všech provozních režimů kompresorů pomocí hlavního řízení CAS
Samostatně fungující optimalizace strategie hlavního řízení, včetně rozpoznávání vlastností
CAS
Určování a aktivace vysoce energeticky účinných kombinací zatížených, nezatížených
a vypnutých kompresorů a přechodů mezi těmito stavy tak, aby se pokryla celková
poptávka po vzduchu
Účinné řízení kompresorů s proměnlivou frekvencí tak, aby se kompenzovaly krátkodobé
výkyvy v poptávce po vzduchu, předešlo se neúčinnému dlouhodobému chodu při
konstantní rychlosti, zejména při nízkých frekvencích
Minimalizace frekvencí zapínání a provozu naprázdno u kompresorů s fixní rychlostí
Metody sofistikovaného předpovídání a modely celkové poptávky po dodávce vzduchu,
včetně rozpoznání cyklických vzorců poptávky (denní nebo týdenní směny a pracovní
harmonogram)
Další funkce, jako je dálkový monitoring, sběr dat o závodu, plánování údržby, sledování
průmyslovou televizí a/nebo dodávání předzpracovaných provozních dat pomocí webových
serverů
Řízení dalších komponent CAS, nejenom kompresorů.
• Lepší energetická účinnost
• Nižší využitý proud a vzniklé teplo.
Nejsou známy.
Provozní údaje
Provozy s jedním kompresorem
V CAS nastanou optimální podmínky, když kompresor pracuje kontinuálně při fixní rychlosti
a optimální účinnosti. Pokud však poptávka po vzduchu není kontinuální, může být účinnějším
řešením zastavení kompresoru nebo jeho chod naprázdno na delší dobu bez poptávky.
•
Kompresory bez řízení frekvence se přepínají mezi zatížením, chodem naprázdno
a zastavením, takže pracují s fixní rychlostí a poskytují 100 % dodávku vzduchu při zatížení
a nulovou dodávku při chodu naprázdno a zastavení. Někdy může být nutné nechat
kompresor v chodu naprázdno a nezastavovat ho – např. když regulace tlaku vyžaduje
častější změny mezi 100 % dodávkou a nulovou dodávkou, než by umožňovala povolená
frekvence zapínání elektrického pohonu motoru.
Spotřeba elektřiny při provozu naprázdno je většinou 20 – 25 % hodnoty pro plné zatížení.
Další ztráty vyplývají z odvzdušnění kompresoru po jeho vypnutí a ze startování elektrického
pohonu motoru. U zařízení s jedním kompresorem požadovaná frekvence spínání přímo závisí
na profilu zatížení, velikosti vzdušníku, přípustném rozpětí tlaků a dodávkách kompresoru.
228
červen 2008
Kapitola 3
Pokud jsou tyto řídící parametry zvoleny nesprávně, může se průměrná účinnost kompresorů
s fixní rychlostí provozovaných v přerušovaném režimu podstatně snížit ve srovnání
s kompresory provozovanými na plnou rychlost v kontinuálním režimu. V takových případech
je využití sofistikovaného hlavního řízení k optimalizaci procesních parametrů přerušovaně
pracujícího kompresoru efektivním nástrojem ke zlepšení účinnosti CAS. Složité systémy
hlavního řízení jsou navrhovány a programovány tak, aby minimalizovaly chod naprázdno
i frekvenci spínání, a to pomocí různých strategií, např. přímým zastavením kompresoru,
kdykoli teplota motoru (měřená nebo odhadnutá) dovolí možný okamžitý restart v případě
potřeby. Kompresory s fixní rychlostí jsou energeticky velmi účinné, pokud se dosáhne
minimalizace chodu naprázdno.
•
V kompresorech s řízením frekvence provozní rychlost kompresorového prvku neustále
kolísá mezi maximální a minimální rychlostí. Normálně je řízené rozpětí mezi maximální
a minimální rychlostí asi 4:1 až 5:1 a dodávka vzduchu u objemových (např. šroubových)
kompresorů je přibližně úměrná provozní rychlosti. Kvůli nutným ztrátám na měničích
frekvence a vyvolané ztráty v motorech s asynchronním pohonem se účinnost samotného
pohonného systému snižuje ve srovnání s pohony s fixní rychlostí (snížení o 3 – 4 % při
plném zatížení a dokonce ještě více při částečném zatížení). Navíc míra účinnosti
objemových kompresorů (např. šroubových kompresorů) se při nízkých provozních
rychlostech podstatně snižuje ve srovnání s provozem, který odpovídá projektu.
U provozů s jediným kompresorem lze tyto negativní vlivy kompenzovat vhodnou regulací
kompresoru s proměnlivou frekvencí, eliminací ztrát způsobených chodem naprázdno,
odvzdušňováním a/nebo startováním, které by kompresory s fixní rychlostí měly v téže aplikaci.
Vzhledem k omezenému rozpětí řízení (viz výše) i kompresory v proměnlivou frekvencí mají
při nízké poptávce po vzduchu ztráty způsobené chodem naprázdno, odvzdušňováním a/nebo
startováním.
Provozy s více kompresory
• Pro provozy s více kompresory je výše uvedené zdůvodnění příliš zjednodušené, protože
kolísající celkovou poptávku po vzduchu bude hlavní řízení zpracovávat pomocí složitých
kombinací a přesunů mezi provozními režimy několika kompresorů. Zahrnuje to také řízení
provozní rychlosti kompresoru s proměnlivou frekvencí (pokud zde nějaký je), s cílem
podstatně minimalizovat chod naprázdno a frekvenci spínání kompresorů s fixní rychlostí.
Integrace kompresoru s řízením frekvence do multikompresorového systému může být velmi
úspěšná v systémech stlačeného vzduchu s relativně malou skladovou kapacitou, silně a/nebo
rychle se měnící poptávkou po vzduchu, několika kompresory a/nebo nedostatečně
uspořádanými velikostmi kompresorů. CAS se správně uspořádanými velikostmi kompresorů
na druhé straně umožňují, aby hlavní kontrola produkovaný vzduch přesně upravila podle
poptávky prostřednictvím aktivace mnoha různých kompresorových kombinací s nízkými
frekvencemi spínání a krátkou dobou chodu naprázdno.
Hlavní řízení nechá většinou v provozu několik kompresorů v běžném tlakovém pásmu, aby tak
udrželo definovaný minimální tlak ve vhodném bodě měření. Přináší to zřejmé úspory energie
ve srovnání s kaskádovým režimem. Moderní hlavní řízení využívá strategie, které umožňují
zúžení tlakového pásma, aniž by se u kompresorů zvýšila frekvence spínání nebo doba chodu
naprázdno. Úzké tlakové pásmo dále snižuje průměrný protitlak a tím snižuje i požadavky
na měrnou energii zatížených kompresorů.
Použitelnost
Podle studie SAVE je vhodné a nákladově účinné zavést moderní systémy řízení do asi 20 %
stávajících CAS. Pro běžně velké CAS v závodech IPPC by mělo být využití moderního
hlavního řízení považováno za moderní záležitost.
Nejvyšších úspor energie lze dosáhnout, když je realizace moderního hlavního řízení plánována
již ve fázi projektování sytému, spolu s počátečním výběrem kompresorů nebo v při významně
červen 2008
229
Kapitola 3
obměně komponentů (kompresorů). V těchto případech by se měla věnovat pozornost výběru
kompresorů a systému řízení s moderní, komplexní a kompatibilní komunikací.
Vzhledem k dlouhé životnosti CAS není tento optimální scénář vždy dosažitelný, ale výrazných
energetických úspor lze dosáhnout i při modernizaci stávajícího CAS pomocí moderního
hlavního řízení a, pokud neexistuje nějaké progresivnější varianta, dokonce i připojením starých
kompresorů k tomuto systému pomocí reléových kontaktů.
Ekonomie
Nákladová účinnost integrace systémů hlavního řízení do nově navržených CAS závisí
na okolnostech, např. na profilech poptávky, délce kabelů a druzích kompresorů. Výsledné
průměrné energetické úspory se odhadují na 12 %. V případě modernizace a začlenění systému
hlavního řízení do stávajícího CAS představuje integrace starých kompresorů a dostupnost
plánů další nejistotu, ale doba návratnosti do jednoho roku je běžná.
Hlavní hybnou silou pro zavedení je snížení nákladů na energii, a za zmínku stojí i některé
další. Pokud má moderní řízení dobré komunikační parametry, je možné shromažďovat
komplexní provozní údaje. V kombinaci s ostatními vlastnostmi se tak vytváří základ pro
plánovanou nebo aktuální údržbu, sledování pomocí průmyslových kamer, dálkový monitoring
apod. což snižuje náklady na údržbu, zvyšuje provozní dostupnost a povědomí o výrobních
nákladech na stlačený vzduch.
Příklady
Instalace počítačového řídícího systému snížilo náklady na výrobu stlačeného vzduchu ve
společnosti Ford Motor o 18,5 % v britském Solihullu. Systém byl instalován a je v provozu bez
jakéhokoli zásahu do výroby. Celkové náklady na systém měly návratnost 16 měsíců, což by
mohlo platit pro většinu systémů stlačeného vzduchu se třemi nebo více kompresory. Pro velké
uživatele stlačeného vzduchu je to jednoduchá a spolehlivá příležitost ke snížení nákladů
na elektrickou energii:
•
•
•
•
Potenciální uživatelé: jakýkoli systém se 3 nebo více kompresory
Investiční náklady (1991): veškeré náklady spojené se systémem byly 44900 EUR, z čehož
28300 EUR byly kapitálové náklady (v cenách roku 1991)
Dosažené úspory: 600.000 kWh (2100 GJ/rok, 34000 EUR/rok, v cenách roku 1991)
Návratnost: 1,3 roku (přímý přínos z řízení), 8 měsíců, berou-li se v úvahu následná snížení
úniků.
Nutné investiční náklady v současnosti podstatně klesly, takže kapitálové náklady by se snížily
z 28300 EUR na 5060 EUR v roce 1998, takže návratnost by byla méně než 3 měsíce.
Reference
[113, Best practice programme, 1996]
3.7.5
Získávání tepla
Popis
Většina elektrické energie, kterou využívá průmyslový kompresor, se mění na teplo a musí být
odvedena ven. V mnoha případech může správně navržená jednotka na získávání tepla získat
velkou část této dostupné tepelné energie a přeměnit jí v užitečnou práci, ohřev vzduchu nebo
vody tam, kde je poptávka.
Úspory energie.
230
červen 2008
Kapitola 3
Nejsou známy.
Provozní údaje
Existují dva různé systémy získávání tepla:
•
Ohřev vzduchu:vzduchem chlazené kompresory jsou vhodné pro získávání tepla k vytápění
prostor, průmyslové sušení, předehřívání vzduchu nebo jiné aplikace vyžadující teplý
vzduch. Okolní atmosférický vzduch prochází chladiči, kde přebírá teplo z probíhajícího
procesu.
Od té doby, co jsou některé kompresory uzavřeny a již zahrnují výměníky tepla a ventilátory, je
třeba pouze připojit vedení a další ventilátor. Tyto systémy získávání tepla lze modulovat
jednoduchým ventilem.
Získávání tepla pro vytápění prostor je méně účinné pro vodou chlazené kompresory, protože je
nutný další stupeň tepelné výměny a teplota dostupného tepla je nižší. Protože mnoho vodou
chlazených kompresorů je dost velkých, může být získávání tepla pro vytápění atraktivní
variantou.
•
Ohřev vody: rovněž je možné využít výměník tepla k získávání odpadního tepla z chladičů
oleje, které se nacházejí ve vodou a vzduchem chlazených kompresorech, a následně
k výrobě horké vody. V závislosti na designu mohou výměníky vyrábět pitnou nebo
nepitnou vodu. Pokud není horká voda třeba, vede se olej do standardního chladiče.
Horkou vodu lze využít v ústředním topení nebo kotli, sprchách, průmyslovém čištění,
pokovování, tepelných čerpadlech, prádelnách nebo jiných aplikacích.
Použitelnost
Systémy získávání tepla jsou k dispozici pro většinu kompresorů na trhu jako doplňkové
vybavení, buď integrované do kompresoru nebo jako externí řešení. U stávajících CAS je tato
případná modernizace většinou velmi snadná a ekonomická. Systémy získávání tepla lze
aplikovat jak u kompresorů chlazených vzduchem, tak i u kompresorů chlazených vodou.
Ekonomie
Až 80 – 95 % elektrické energie použité v průmyslovém kompresoru se přeměňuje v tepelnou
energii. V mnoha případech může správně navržená jednotka získat asi 50 – 90 % této dostupné
tepelné energie.
Potenciální úspory energie jsou závislé na systému stlačeného vzduchu, na provozních
podmínkách a využití.
Teplo získatelné ze systému stlačeného vzduchu většinou nepostačuje k přímé výrobě páry.
Většinou lze dosáhnout teploty vzduchu 25 – 40 oC (nad vstupem chladícího vzduchu) a teploty
vody 50 – 75 oC.
Příklad výpočtu úspor energií pro šroubový kompresor s injektáží oleje je uveden v Tabulce
3.25.
červen 2008
231
Kapitola 3
Nominální energie kompresor
Získatelné teplo
(přibl. 80 % nomin.
energie)
kW
90
kW
72
Roční úspory
topného oleje
při 4000 hod.
provozu ročně
l/rok
36330
Roční úspory
nákladů
(0,50 EUR/l topného
oleje)
EUR/rok
18165
tabulka 3-25 Příklad úspor nákladů
[168, PNEUROP, 2007]
Nomin. energie(kW) x0,8xpočet hodin provozu/rokxnákl. na top. olej
(EUR/l)
=
Spalné teplo topného oleje(kWh/l) x faktor účinnosti topného oleje
Rovnice 3.10
Nomin. energie (kW) x 0,8 x počet hodin provozu/rok x nákl. na top. olej (EUR/l)
Roční úspory
nákl.
•
•
Spalné teplo topného oleje = 10,57 kWh/l
Faktor účinnosti topného oleje = 75 %.
Úspory nákladů.
Příklady
Reference
[121, Caddet Energy Efficiency, 1999, 168, PNEUROP, 2007]
3.7.6
Snižování úniků ze systému stlačeného vzduchu
Popis
Snižování úniků ze systémů stlačeného vzduchu (CAS) má zdaleka největší potenciál pro
získání energie. Úniky jsou přímo úměrné tlaku v systému. Dochází k nim v každém CAS 24
hodin denně, nikoli jen během výroby.
Úniky by u dobře udržovaného velkého systému neměly přesahovat 10 % kapacity kompresoru.
U malých systémů se doporučují úniky do 5 %. Množství úniků ze špatně udržovaného,
„historického“ systému stlačeného vzduchu mohou dosahovat až 25 %.
Programy preventivní údržby těchto systémů by proto měly zahrnovat opatření na zabránění
únikům a pravidelné zkoušky úniků. Jakmile jsou úniky zjištěny a opraveny, systém by měl být
opět vyhodnocen. Testy by měly zahrnovat toto:
•
Odhad množství úniků: Všechny metody odhadu úniků z CAS vyžadují, aby nebyly
na systém žádné požadavky, což znamená, že všechna zařízení, která spotřebovávají
vzduch, jsou vypnuta a veškerá spotřeba tudíž představuje právě úniky:
o
o
232
Je možné přímé měření, jestliže je instalován měřič spotřeby stlačeného vzduchu.
V CAS s kompresory, které mají řízení na bázi startu a zastavení, je odhad úniků
možný tak, že se určí doba chodu (v režimu zátěže) kompresoru ve vztahu k celkové
době měření. Pro získání reprezentativní hodnoty by doba měření měla zahrnovat
alespoň pět startů kompresoru. Úniky vyjádřené v procentech kapacity kompresoru
se pak vypočítají následovně:
červen 2008
Kapitola 3
Úniky (%) = 100 x doba chodu / doba měření
o
o
U CAS s jiným řízením lze úniky odhadnout, jestliže je mezi kompresorem
a systémem instalován ventil. Rovněž je nutný odhad celkového objemu, který je ve
směru proudu pod tímto ventilem, a také tlakoměr pod tímto ventilem.
Systém se pak přivede na provozní tlak (P1), kompresor se vypne a ventil se uzavře.
Měří se doba (t), která uplyne, než v systému tlak P1 poklesne na nižší tlak P2. Tlak
P2 by měl být asi 50 % provozního tlaku. Průtok úniku se pak vypočítá následovně:
Únik (m³/min) = objem systému (m³) x (P1 (bar) - P2 (bar)) x 1.25 / t (min)
Činitel 1,25 je korekcí pro snížený únik s klesajícím tlakem v systému.
Úniky
vyjádřené
procentuálně
se vypočítají
takto:
Únik (%) = 100 x únik (m3/min) / objemový tok na vstupu do kompresoru (m3/min)
•
Snížení úniků: Zastavení úniků může být velmi jednoduché (utažení určitého spoje) nebo
složité (výměna vadného vybavení, jako jsou armatury, potrubí, hadice, spoje, odtoky
a lapače). V mnoha případech jsou úniky způsobeny špatným nebo nesprávně
aplikovaným těsněním závitů. Vybavení nebo celé části systému, které se již nepoužívají,
by se měly od aktivní části CAS izolovat.
Dalším způsobem, jak snížit úniky, je snížit provozní tlak v systému. S nižším diferenciálním
tlakem se v místě úniku snižuje i průtok unikajícího vzduchu.
Úspory energie.
Kromě toho, že úniky představují ztracenou energii, mohou přispívat i k dalším provozním
ztrátám. Způsobují pokles tlaku v systému, což může vést k nižší účinnosti nástrojů
využívajících vzduch a tím k poklesu produktivity. Úniky také zkracují životnost téměř všeho
vybavení (včetně samotného kompresoru). Delší doba chodu přináší i další požadavky
na údržbu a delší neplánované odstávky. Úniky vzduchu mohou vést i ke zbytečnému
navyšování kapacity kompresoru.
Nejsou známy.
Provozní údaje
Úniky podstatně přispívají k množství energie ztracené v CAS, někdy je to dokonce 20 – 30 %
výkonu kompresoru. Běžné zařízení, které není dobře udržováno, bude mít nejspíš úniky ve výši
20 % celkové výrobní kapacity stlačeného vzduchu.
Na druhou stranu aktivní zjišťování úniků a opravy mohou snížit tyto úniky na méně než 10 %,
dokonce i ve větších systémech CAS.
Pro zjišťování úniků existuje několik metod:
•
•
•
•
zjišťování slyšitelného hluku způsobeného většími úniky
použití mýdlové vody a štětce na podezřelé plochy
ultrazvukový akustický detektor
detekce úniků pomocí značeného detekčního plynu, např. vodíku nebo hélia.
I když se úniky mohou vyskytnout v kterékoli části systému, nejčastější problematické oblasti
jsou:
•
spojky, hadice, potrubí a armatury
červen 2008
233
Kapitola 3
•
•
•
•
regulátory tlaku
otevřené lapače kondenzátu a uzavírací ventily
připojení a odpojení potrubí, těsnění závitů
nástroje na stlačený vzduch.
Použitelnost
Obecně použitelné pro všechny CAS (viz tabulka 3.23).
Ekonomie
Náklady na detekci a opravy úniků záleží na každém jednotlivém systému a na zkušenostech
pracovníků údržby. Běžné úspory u středně velkého systému (50 kW) jsou:
50 kW x 3000 h/rok x EUR 0,08/kWh x 20 % = EUR 2400/rok
Typické náklady na pravidelné zjišťování a opravy úniků jsou 1000 EUR / rok.
Protože snižování úniků by se mělo aplikovat v široké míře (80 %) a přináší také největší
úspory (20 %), jedná se o nejdůležitější opatření na snížení spotřeby energie v rámci CAS.
Příklady
Společnost Van Leer Ltd. (Velká Británie) použila 179 kWh (údaje z roku 1994) k výrobě 1000
m3 stlačeného vzduchu za cenu 7,53 EUR / 1000 m3. Proces snížení úniků přinesl roční úspory
energie ve výši 189200 kWh v ceně 7641 EUR / rok. To představuje úsporu 25 % nákladů
na stlačený vzduch. Vyhledání úniků stálo 2235 EUR a dalších 2874 EUR stály opravy (včetně
výměny částí a práce). Při úsporách 7641 EUR/rok se prostředky na program zaměřený
na snížení úniků vrátily za devět měsíců.
Reference
[168, PNEUROP, 2007]
3.7.7
Údržba filtrů
Popis
Ztráty tlaku mohou být způsobeny špatně udržovanými filtry, buď kvůli neadekvátnímu čištění,
anebo nejsou jednorázové filtry dostatečně často vyměňovány.
• Úspory energie.
• Snížení emisí olejové mlhy a/nebo částic.
Zvýšené používání filtrů a jejich přechod do odpadů.
Provozní údaje
Použitelnost
Všechny CAS.
Ekonomie
Viz tabulka 3.23.
234
červen 2008
Kapitola 3
Příklady
Reference
3.7.8
Přívod studeného vzduchu do kompresorů
Popis
Hlavní kompresorová stanice je často umístěna blízko hlavního zatížení, které vyžaduje stlačený
vzduch, aby se snížily ztráty tlaku v jeho vedení. Není výjimečné ani umístění hlavní stanice
v podzemí nebo ve vnitřních prostorách závodu. V takových případech dochází běžně
k nedostatku čerstvého vzduchu pro napájení kompresoru a motory jsou nuceny stlačovat okolní
vzduch, který má většinou vyšší teplotu, než je teplota venkovního vzduchu.
Z termodynamických důvodů vyžaduje komprese teplého vzduchu více energie než komprese
vzduchu studeného. Technická literatura uvádí, že každé zvýšení teploty vstupního vzduchu o 5
o
C způsobuje nárůst energie potřebné pro kompresor o 2 %. Tuto energii lze jednoduše ušetřit
tím, že se do kompresorové stanice přivádí venkovní vzduch, zejména pak v zimním období,
kdy může rozdíl vnitřní a venkovní teploty činit v závislosti na lokalitě i několikanásobek
zmíněných 5 oC. Vedení může být instalováno jako spojka mezi venkovním prostorem a
vstupem do kompresoru anebo lze rovnou instalovat venkovní kompresorovou stanici. Možná
bude nutný ventilátor, v závislosti na délce vedení, a tuto energii je také třeba vzít v úvahu při
plánování. Venkovní vstup by měl být na severní straně, nebo alespoň ve stínu.
Nižší spotřeba primárních zdrojů energie. Kompresory většinou pohánějí elektrické motory.
Nejsou známy.
Provozní údaje
Vzhledem k přítomnosti velkého množství tepla uvolněného z kompresoru (ať už se toto teplo
získává nebo nikoli) je teplota ve stanici stlačeného vzduchu vždy vysoká. Je běžné, že se tato
teplota pohybuje mezi 30 a 35 oC, dokonce i v zimě. Je zřejmé, že čím větší je rozdíl mezi
venkovní a vnitřní teplotou, tím větších úspor lze dosáhnout. Je třeba mít na paměti, že tyto
úspory se násobí dobou, kdy jsou kompresory normálně v provozu.
Použitelnost
Snížení teploty vzduchu vstupujícího do kompresoru přívodem studeného vzduchu
z venkovního prostoru je možné vždy. Někdy stačí otevřít větrací otvor ve zdi a instalovat
vedení spojující vnější prostor se vstupem do kompresoru. Pokud je stanice umístěna tak, že je
přívod venkovního vzduchu komplikovaný, lze zlepšit ventilaci místnosti. Odhaduje se, že je to
možné v polovině případů.
Ekonomie
Snížení teploty vzduchu přiváděného do kompresoru je spojeno s těmito ekonomickými
výhodami: přiváděný studený vzduch je zdarma, snížení využití kompresorů (úspora kWh),
snížení dodávek elektrické energie.
Tabulka 3.26 uvádí hodnocení úspor, kterých lze pomocí této techniky dosáhnout. Tento příklad
je převzat ze skutečné energetické diagnózy.
červen 2008
235
Kapitola 3
Hodnota
135
Jednotka
kW
Vzorec
-
2000
270000
5
Hodin/rok
kWh
o
C
AxB
E
Popis
Současný
instalovaný
výkon
komprese
Hodin provozu/rok při plném zatížení
Potřebná energie
Dosažené snížení teploty
přiváděného vzduchu
Procento úspor
2,00
%
-
F
G
Roční úspory elektrické energie
Náklady na kWh
5400
0,1328
kWh
CxE
EUR/kWh -
H
I
Roční ekonomické úspory
Investice
717
5000
EUR/rok
EUR
FxG
-
L
IRR před zdaněním
6,7
%
-
M
Čistá kladná hodnota
536
EUR
-
N
Návratnost
7,0
Roky
-
A
B
C
D
Poznámka
Odhad
Z tech.
literatury
Průměrný
údaj
Odhad pro
vedení a
ventilátor
Z analýzy
nákladů a
výnosů
Z analýzy
nákladů a
výnosů
Z analýzy
nákladů a
výnosů
(*) pro dobu životnosti 10 let a úrokovou míru 5 %
tabulka 3-26 Úspory získané přívodem studeného venkovního vzduchu do kompresoru
•
Jednoduchost instalace
•
Příklady
Výroba polovodičů, Itálie
Reference
[229, Di Franco, , 231, The motor challenge programme, , 233, Petrecca, 1992]
3.7.9
Optimalizace hladiny tlaku
Popis
Čím nižší je hladina tlaku vyrobeného stlačeného vzduchu, tím je jeho výroba účinnější
z hlediska nákladů. Je však nutné zajistit, aby byl všem aktivním spotřebitelům vždy dodáván
dostatečně stlačený vzduch. Zdokonalené řídící systémy umožňují snižovat tlak ve špičkách.
V zásadě existuje několik způsobů, jak „zúžit“ rozpětí tlaků a tím i snížit tlak vyrobeného
stlačeného vzduchu. Tyto možnosti jsou dále popsány a zobrazeny na obr. 3.35.
•
přímé přenastavení pomocí mechanických spínačů na kompresorech. Nejlevnější způsob
nastavení tlakového rozpětí kompresoru je využití mechanických spínačů tlaku. Protože
nastavení se někdy samo mění, je třeba tyto spínače čas od času přenastavit.
•
Inteligentní řízení, které využívá kompresor s konvertorem frekvence nebo optimální
velikost kompresoru. Rozpětí tlaku se přenastavuje pomocí kompresoru s konvertorem
frekvence, který funguje jako kompresor se špičkovým zatížením a přizpůsobuje pohon
236
červen 2008
Kapitola 3
•
své rychlosti konkrétním potřebám stlačeného vzduchu, anebo pomocí hlavního řízení,
které přepíná na kompresor s nejvhodnější velikostí.
Snížení tlakového rozpětí přímo na „limit“ (optimalizované inteligentní řízení).
Inteligentní řídící systém snižuje tlakové rozpětí do bodu, který umožňuje, aby
kompresorová síť pracovala těsně nad limitem dodávek.
Obr. 3.34 ukazuje různé účinnosti těchto řídících systémů.
Obrázek 3-34: Různé druhy řízení kompresoru
[28, Berger, 2005]
Popis obrázku 3.34:
•
Vodorovné červené čáry v různých řídících systémech značí průměrný tlak vyrobeného
stlačeného vzduchu
•
Diagonální plné žluté pruhy pro současný systém ukazují, že průměrný tlak stlačeného
vzduchu je 8,2 bar.
•
Svislé plné zelené pruhy ukazují, že mechanické přepínače tlaku lze nastavit pouze na
rozdíl 0,4 bar (rozdíl mezi předem definovaným dolním a horním limitem) kvůli rozmezí
tolerance. Vyrábí se tím stlačený vzduch při tlaku 7,8 bar. Vychází se přitom
z předpokladu, že bod, ve kterém je přepnut první kompresor se špičkovým zatížením,
zůstává nezměněný na hodnotě 7,6 bar.
•
Inteligentní řídící systém – modré tečkované pruhy – mohou zúžit tlakové rozpětí celé
kompresorové stanice směrem dolů o 0,2 bar. Tento řídící systém reaguje na míru
tlakových změn. Za předpokladu, že bod, ve kterém je zapnut první kompresor se
špičkovým zatížením, také zůstane do budoucna na předem stanovené nižší limitní
hodnotě, je průměrný tlak 7,7 bar.
Tlak 7,7 bar je stále dost vysoký ve srovnání s jinými srovnatelnými kompresorovými
stanicemi. Protože tlakový limit pro přepnutí na druhý kompresor se špičkovým zatížením (=
následný kompresor) je 6,8 bar, považuje se to za nižší limit pro stlačený vzduch. Tento tlak
odpovídá situaci podobných kompresorových stanic. Průměrný tlak je v tomto případě 6,9 bar.
červen 2008
237
Kapitola 3
V praxi se ukázalo, že snížení tlaku o 1 bar vede k úsporám energie 6 – 8 %. Snížení tlaku také
přináší snížení úniků.
Provozní údaje
Použitelnost
Řízení kompresoru na bázi VSD, které lze využít v inteligentních a optimalizovaných
systémech řízení, se většinou ukáže jako nákladově účinné pouze v případě nového nákupu,
protože následnou instalaci konvertoru frekvence do stávajícího kompresoru výrobci
nedoporučují.
Ekonomie
S optimalizovaným inteligentním řízením lze tlak stlačeného vzduchu snížit z průměrných 8,2
bar na 6,9 bar, což odpovídá úspoře energie ve výši 9,1 %. Optimalizace řízení zahrnuje jen
malé náklady, ale může přinést úspory v řádu několika stovek MWh/rok, tj. desítek tisíc eur
(např. instalovaný výkon kompresoru 500 kW, úspory asi 400 MWh/rok a asi 20000 EUR/rok
v případě 8700 hodin provozu ročně).
Úspory nákladů
Příklady
Instalace počítačového systému řízení kompresorů snížila náklady na výrobu stlačeného plynu o
18,5 % ve firmě Land Rover (Velká Británie). Celkové náklady na systém znamenaly
návratnost 16 měsíců. Opravou úniků stlačeného plynu se dosáhlo dalších 20 % úspor.
Reference
[227, TWG, , 244, Best practice programme]
3.7.10
Skladování stlačeného vzduchu v blízkosti nejvíce kolísavého
použití
Popis
Nádrže na stlačený vzduch lze umístit blízko těch částí CAS, které mají nejvíce kolísavé použití.
Vyrovnává špičky v poptávce. Díky snížené poptávce ve špičkách systém vyžaduje méně
kompresorové kapacity. Zatížení je rozloženo rovnoměrněji, a kompresory mohou pracovat při
svém nejúčinnějším zatížení.
Provozní údaje
Použitelnost
• Zvažovat ve všech případech, kde jsou oblasti s vysoce kolísavou poptávkou
• Široké využití.
238
červen 2008
Kapitola 3
Ekonomie
Snížení kapitálových a provozních nákladů.
Příklady
Reference
3.8
Čerpací systémy
Úvod
Čerpací systémy se na celosvětové spotřebě elektrické energie podílejí téměř 20 procenty a u
některých průmyslových podniků představují dokonce 25 - 50 % z celkové spotřebované
energie. Jsou široce využívány v nejrůznějších oblastech, jako například:
•
•
•
•
Průmyslové služby, např.
o zpracování potravin
o chemický průmysl
o petrochemický průmysl
o farmaceutický průmysl
Obchodní a zemědělské služby
Čerpání obecních vod/odpady, kanalizace
Domácí využívání
Čerpadla se podle pohybu kapaliny rozdělují do dvou hlavních skupin: čerpadla
hydrodynamická a hydrostatická. Obvykle bývají poháněna elektrickými motory, ale v mnoha
průmyslových činnostech bývají poháněna také vodní párou (nebo i samostatnými motory
s vratným pohybem pístu).
Hydrodynamická čerpadla (obvykle odstředivá) jsou založena na lopatkových rychloběžných
kolech,
která
rotují
v kapalině
a tím
kapalině
udělují
tečné
zrychlení,
v důsledku čehož se zvyšuje její energie. Účelem čerpadla je tedy jeho (tzn. mechanickou)
energii přeměnit v tlakovou energii kapaliny pro využití v přidruženém potrubním systému.
Odstředivá čerpadla patří mezi nejvýznamnější spotřebitele energie a po motorech bývají
považována za nejpoužívanější zařízení na světě.
Hydrostatická čerpadla uvádějí kapalinu do pohybu odběrem jejího určitého množství, které
pak přemísťují do výtlačného potrubí. Dále mohou být tříděna jako:
•
čerpadla rotační (např. rotační lopatkové čerpadlo). Běžně používaná, lopatková čerpadla
bývají konstruována jako hydraulická vysokotlaká a nízko(pod)tlakové aplikace pak ve
svém systému zahrnují potrubí pro odvádění chladící látky v klimatizačních zařízeních.
•
čerpadla s vratným pohybem (např. čerpadlo membránové). Membránová čerpadla mají
dobré sací vztlakové charakteristiky, některá jsou nízkotlaká s malými průtokovými
rychlostmi. Dobře fungují “na sucho” a nedochází k jejich opotřebení pevnými částicemi
v kapalině. Mohou být použita pro vysoce viskózní tekutiny (i s vyšším obsahem pevných
částic) jako je např. bláto (kaly) a kejda, a to i s vysokým obsahem drobných kamínků.
Čerpadla s teflonovými membránami, kulovými ventily a hydraulickými ovladači bývají
užívána pro dávkování přesného množství chemických roztoků při vysokých tlacích (více
červen 2008
239
Kapitola 3
než 380 bar). V lékařských, farmaceutických a potravinářských oblastech bývají
membránová čerpadla užívána pro dodávání bezolejového vzduchu.
Energie a materiály používané v čerpacím systému závisí na vlastní konstrukci čerpadla,
montáži systému a na způsobu, jakým je čerpací systém ovládán. Odstředivá čerpadla bývají
obyčejně nejlevnější volbou. Čerpadla mohou být používána jako jednostupňová
i vícestupňová, např. k docílení vyšších/nižších tlaků. U důležitých aplikací bývají často
použita čerpadla párová - jedno jako provozní a druhé pohotovostní.
3.8.1
Přehled a hodnocení čerpacích systémů
ekonomii, hybných silách pro zavedení, příkladech a referencích pro energeticky účinné
techniky v oblasti čerpacích systémů jsou uvedeny v kap. 3.8.7.)
Prvním krokem k identifikaci míry možných energetických úspor a optimalizaci čerpacího
systému je vytvoření inventář instalovaných čerpacích systémů s klíčovými provozními
parametry. Inventář může být sestaven ve dvou fázích (Kap. 2.15.1 a Příloha 7.7.3):
•
základní popis systému: sestává z údajů výrobce nebo provedení jednoduchých měření za
účelem kompletace těchto dat:
•
•
•
•
•
•
•
seznam, např. 50 největších čerpadel (podle celkové kapacity): velikost a typ
funkce těchto čerpadel
spotřeba energie (příkon) každého čerpadla
profil spotřeby: odhadované rozmezí během dne/týdne
typ řídícího systému
provozní hodiny/rok, odtud roční spotřeba energie
problémy nebo sporné otázky specifické pro konkrétní čerpadlo
Většina těchto dat může být ve většině organizací kompletována vlastním personálem.
•
dokumentace a měření systémových provozních parametrů: na následující, níže uvedené
vlastnosti
je
vhodné
se zaměřit
u
všech
typů
čerpacích
systémů
a je to nezbytné u systémů o velkých výkonech (více než 100kW). Předpokládá se při tom
vysoká úroveň technické odbornosti, zajištěná buď z řad vlastních odborníků nebo
specialistů z třetí strany.
Pro značnou variabilitu čerpacích systémů není možné vytvořit striktní seznam všech bodů pro
efektivní hodnocení daného systému, je však vždy důležité zaměřit se na následující otázky.
3.8.2
Výběr čerpadla
Čerpadlo je srdcem celého systému. Jeho výběr je podmíněn nutným potřebám (účelem)
systému, v první řadě výtlačnou výškou a průtokovou rychlostí. Závisí však také na kapalině,
vzduchu, atd.
Za účelem získání maximální hospodárnosti čerpacího systému je třeba k výběru čerpadla
přistupovat s co největším rozmyslem, jak ukazuje obrázek 3.35.
240
červen 2008
Kapitola 3
Maximální hospodárnost
Konstrukční
požadavek
vztlaková výška
síla
výkonnost
NPSHR
Průtok
Obrázek 3-35: Maximální efektivní průtok vs. vztlaková výška, síla a výkonnost
[199, TWG]
Obr. 3.36 zobrazuje rozpětí celkové vztlakové výšky jako funkci kapacity čerpadla pro danou
rychlost v různých typech čerpadel.
Obrázek 3-36: Užitečný výkon čerpadla vs. vztlaková výška
[199, TWG]
Odhaduje se, že 75 % všech čerpacích systémů je naddimenzovaných, mnohé z nich o víc než
20 %. Nadměrně velká čerpadla představují největší zdroje ztracené energie, protože dochází
k čerpání vyššího množství kapaliny za mnohem větších tlaků než je ve skutečnosti potřeba.
červen 2008
241
Kapitola 3
Při výběru čerpadla není jeho naddimenzování účinné ani energeticky, ani nákladově, protože:
•
•
Kapitálové náklady jsou vysoké
náklady na energii jsou vysoké, protože větší odtokové množství je čerpáno za vyšších
tlaků, než je potřeba. Energie se ztrácí při nadměrném škrcení, větších průtocích nebo
činnostech nepotřebných čerpadel.
Pokud již v systému naddimenzovaná čerpadla existují a jsou identifikována, jejich nahrazení
musí být nejdříve zhodnoceno ve vztahu k dalším možným metodám pro snížení nadměrné
výkonnosti, jako je například seřízení nebo výměna hnacích jednotek a (nebo) užití regulátorů
rychlosti. Seřízení oběžných kol odstředivých čerpadel je finančně nejpříznivější metoda pro
korekturu naddimenzování. Vztlaková výška může být redukována o 10 - 50 % úpravou a nebo
výměnou pohonné jednotky (oběžného kola) za jinou s menším průměrem - v mezích
dodavatelem doporučených limitních velikostí.
Energetické požadavky na celý systém mohou být redukovány použitím pomocného čerpadla,
které zajistí konkrétním spotřebitelům vyšší tlaky a zbytek systému přitom může pracovat při
nižších tlacích a výkonech.
European Procurement Lines pro vodní čerpadla uvádí jednoduchou metodiku výběru vysoce
účinného čerpadla pro požadovaný výkon. Tuto metodiku je možné si stáhnout na:
http://re.jrc.ec.europa.eu/energyefficiency/motorchallenge/pdf/EU_pumpguide_final.pdf
3.8.3
Potrubní systém
Potrubní systém do jisté míry určuje vybrané provedení čerpadla. Pro dosažení maximální
efektivnosti instalovaného systému bývají parametry potrubní sítě kombinovány s parametry
čerpadla, jak ukazuje obrázek 3.37.
Křivka čerpání
H
Křivka systému
teplo
Požadovaný bod
Statická
vztlaková
výška
Průtoková rychlost
Q
Obrázek 3-37: Vztlaková výška čerpadla vs. průtoková rychlost
242
červen 2008
Kapitola 3
Spotřeba energie v rámci potrubní sítě vzniká v důsledku ztráty třením kapaliny v potrubí, ve
ventilech a jiných částech systému. Tato ztráta je přímo úměrná ploše průtočného množství.
Třecí ztráty mohou být minimalizovány:
•
•
•
vyhnutím se užití příliš mnoha ventilů
vyhnutím se užití zbytečných ohybů (zejména těsných) v potrubní síti
zajištěním dostatečného průměru potrubí
3.8.4
Údržba
Zvýšenou údržbu čerpadel může indikovat:
•
•
•
kavitace čerpadel
opotřebování čerpadel
nesprávné užívání čerpadel
Čerpadla udržovaná na konstantní vztlakové výšce a průtoku ukazují nadměrnou kapacitu.
Pokles tlaku přes kontrolní ventil ukazuje na ztracenou energii, která je poklesu tlaku a průtoku
přímo úměrná.
Hlučná čerpadla obvykle ukazují na kavitaci od přílišného škrcení nebo naopak nadměrného
průtoku. Kontrolní ventily obvykle opět ukazují vysoký pokles tlaku, což rovněž koresponduje
s vysokými energetickými ztrátami.
Činnost (výkon) čerpadla a jeho hospodárnost se postupem času zhoršují. K poklesu
výkonnosti a hospodárnosti dochází vlivem interních ztrát prosakováním (netěsností), jakožto
důsledku zvětšujících se vzdáleností mezi opotřebovávanými součástmi čerpadla: podložní
deska; oběžné kolo; hrdelní pouzdra (objímky); kroužky; trubková ložiska. Monitorovací test
dokáže vyhodnotit stav čerpadla a může také pomoci při výběru menší velikosti oběžného kola
(poháněcí jednotky) pro dosažení příznivé energetické bilance. Kolo se buď vymění za nové
a nebo upraví obráběním původního. Původní parametry se obnovují, až když dojde k příliš
velkým změnám (deformacím apod.).
Třecí ztráty lze omezit nátěrem čerpadla, zejména závitnice.
3.8.5
Řízení a regulace potrubního systému
Určité čerpací systémy mohou potřebovat pokrýt několik svých výkonnostních bodů, z nichž
největší průtok a/nebo vztlaková výška budou určovat jmenovitý výkon čerpadla. Pro zajištění
optimálních pracovních podmínek slouží tzv. kontrolní a regulační systém. Poskytuje:
•
•
•
řízení procesu
větší spolehlivost
úspory energie
červen 2008
243
Kapitola 3
Pokud jsou u jakéhokoli čerpadla s velkými výkyvy průtoku nebo tlaku normální průtoky nebo
tlaky menší než 75 % jejich maximálních hodnot, znamená to, že se energie pravděpodobně
ztrácí nadměrným přiškrcováním, přílišným přepouštěním kapaliny (plynoucím buď
z kontrolních mechanismů nebo ochranných tlakových ventilů) nebo činností zbytečných
čerpadel.
Mohou být použity tyto řídící postupy:
•
•
•
•
vypnutí nadbytečných čerpadel. Zřejmý, avšak často přehlížený postup, který může být
použit v případě většího poklesu využití vody či jiné čerpané tekutiny
proměnlivá rychlost pohonu (elektrický motor) dává maximální úspory u sdružených
čerpadel, ale v porovnání s ostatními kontrolními metodami vyžadují vyšší investiční
výdaje. Nedají se aplikovat ve všech situacích, např. tam, kde je konstantní výkon (kap. 3.6)
vícenásobná čerpadla nabízí alternativu k předchozím řešením. Úspor je dosahováno tím, že
jedno či více čerpadel může být vypnuto v době, kdy je průtok v systému nízký, zatímco
ostatní čerpadla pracují s vysokou efektivností. Malá vícenásobná čerpadla připadají
v úvahu tehdy, když je zatížení při čerpání menší, než polovina maximálního výkonu
jednoho čerpadla. Ve vícenásobných čerpacích systémech může docházet ke ztrátám
energie např. vlivem nadměrného výkonu, zapojením nadbytečných čerpadel, udržováním
příliš velkých tlaků nebo zbytečně velkých průtoků mezi čerpadly
kontrola odstředivých čerpadel přiškrcováním kapaliny na výtoku (pomocí škrtícího
ventilu). Tento způsob je sice obecně energeticky ztrátový, avšak méně, než dvě další, ale
více používané alternativy: žádná kontrola a kontrola přepouštěním. Ačkoliv to není
nejoptimálnějším volba, škrtící systém představuje vhodnou metodu pro úspory energie.
Obrázek 3-38: Ukázka spotřeby energie u dvou regulačních systémů pro hydrodynamické čerpadlo
3.8.6
Motor a přenos síly (prostupnost)
(viz Subsystémy poháněné elektromotory, kap. 3.6)
Mějte na paměti, že je důležité dát do souladu správné čerpadlo pro daný úkol (viz kap. 3.8.2) a
správnou velikost motoru pro dané požadavky na čerpání (čerpací výkon), viz kap. 3.6.2.
244
červen 2008
Kapitola 3
3.8.7
Dosažené environmentální přínosy, mezisložkové vlivy,
použitelnost a další otázky spojené s technikami energetické
účinnosti v čerpacích systémech
Některé studie ukázaly, že 30 – 50 % energie spotřebované v čerpacích systémech by se dalo
ušetřit prostřednictvím změnách v zařízení a řídícím systému.
Nejsou známy.
Použitelnost
Použitelnost jednotlivých metod a velikost finanční úspory závisí a na velikosti a specifických
vlastnostech montáže (zařízení) a systému. Jen pouhé posouzení, zhodnocení volby systému
a montáže musí určit, které postupy budou poskytovat odpovídající náklady. Posouzení by měl
udělat kvalifikovaný odborník, buď z vlastního personálu nebo z profesionální servisní firmy.
Rozhodnutí vzešlá z posouzení identifikují příslušné postupy, které lze v systému aplikovat, a
měla by zahrnovat i odhad úspor, náklady na použité metody a dobu návratnosti peněz.
Ekonomie
Čerpací systémy mívají obvykle životnost 15 až 20 let, proto je velmi důležité zhodnotit
náklady na systém nejen při pořizování, ale po celou předpokládanou dobu jeho užívání.
Čerpadla bývají obyčejně pořizována jako jednotlivé komponenty, ale mají význam jen jako
součást celého systému. Při posuzování nákladů na čerpadlo je tedy nutné brát zřetel na celý
systém.
Náklady na
údržbu
Ostatní
náklady
Počáteční
náklady
Náklady na
energii
Obrázek 3-39: Běžné náklady za dobu životnosti pro středně velké průmyslové čerpadlo
[200, TWG]
Energetické a finanční úspory
Příklady
Optimalizační metody jsou široce používány.
Reference
[170, EC, 2003, 199, TWG, 200, TWG]
červen 2008
245
Kapitola 3
3.9
Systémy vytápění, ventilace a klimatizace (HVAC)
Úvod
Běžný systém vytápění, ventilace a klimatizace zahrnuje zařízení, která poskytují některé nebo
všechny tyto funkce: vytápění (chlazení) systému (kotle, viz kap. 3.2; tepelná čerpadla, viz kap.
3.3.2 atd.), čerpadla (viz kap. 3.8) a/nebo ventilátory, potrubní sítě, chladiče (kap. 3.3.3) a
výměníky tepla (kap. 3.3.1), které přenášejí nebo absorbují teplo z prostoru nebo procesu.
Studie ukázaly, že asi 60 % energie v systémech HVAC spotřebují čerpadla chladičů/tepelná
čerpadla a zbývajících 40 % spotřebují doplňkové stroje.
Obr. 3.40: Schéma systému HVAC
3.9.1
Vytápění a chlazení prostor
Popis
V závodech IPPC existuje široké spektrum činností v oblasti vytápění a chlazení prostor.
Aplikace a použití závisejí na sektoru a umístění v rámci Evropy a používají se:
• K zachování uspokojivých pracovních podmínek
• K zachování kvality výrobků (např. chlazené místnosti)
• K zachování kvality vstupního materiálu, např. uzavřené plochy na skladování odpadů
ve Skandinávii, prevence koroze na komponentech při povrchové úpravě kovů
Systémy lze lokalizovat (např. IČ topidla pro zařízení ve skladech) nebo centralizovat (např.
systémy klimatizace v kancelářích).
Spotřeba energie na vytápění/chlazení prostor je značná. Např. ve Francii je to 30 TWh, což
představuje téměř 10 % spotřeby paliv. Je běžné mít vysoké teploty v průmyslových budovách,
které by se mohly snadno snížit o 1 – 2 oC. Naopak při chlazení jsou běžné teploty, které by
klidně mohly být vyšší o 1 – 2 oC, aniž by to narušilo pohodlí. Tato opatření znamenají změnu
pro zaměstnance a proto by je měla provázet informační kampaň.
Energetických úspor lze dosáhnout dvěma způsoby:
•
Snížením potřeb na vytápění/chlazení
o izolace budov
o účinné zasklení
o snížení infiltrace vzduchu
o automatické zavírání dveří
o destratifikace
o nastavení na nižší teploty v době mimo výrobu (programovatelná regulace)
o snížením nastavené teploty
•
Zlepšením účinnosti topných systémů pomocí:
o získávání nebo využití odpadního tepla
o tepelných čerpadel
o systémů sálavého a lokálního vytápění ve spojení se sníženými teplotami
v prázdných prostorách budov.
Provozní údaje
Snížení nastavené teploty pro vytápění o 1 oC a její zvýšení o 1 oC pro klimatizaci může snížit
spotřebu energie o asi 5 – 10 %, v závislosti na průměrném teplotním rozdílu mezi vnitřními a
246
červen 2008
Kapitola 3
venkovními prostory. Obecně platí, že zvýšením teploty pro klimatizaci se ušetří více, protože
teplotní rozdíly bývají vyšší. Skutečné úspory budou kolísat podle klimatu v jednotlivých
regionech.
Omezení vytápění/chlazení během doby, kdy neprobíhá výroba, může ušetřit až 40 % elektrické
energie. Ve spojení s trvale sníženou teplotou v neobývaných prostorách a lokálním sálavým
vytápěním v obývaných prostorách může vést k úsporám až 80 % energie, v závislosti na podílu
neobývaných prostor.
Použitelnost
Teploty lze nastavit dle dalších kritérií, např. regulační minimální teploty pro zaměstnance,
maximální teploty pro uchování kvality produktů apod.
Ekonomie
Příklady
Reference
[278, ADEME], [234, PROMOT, , 260, TWG, 2008]
červen 2008
247
Kapitola 3
3.9.2
Ventilace
Úvod
Ventilační systém je zásadní pro správné fungování mnoha průmyslových instalací. Ventilační
systém:
•
•
chrání zaměstnance před emisemi škodlivých látek a před horkem v rámci pracoviště
udržuje čisté pracovní klima a chrání tak kvalitu produktu
Větrací zařízení představuje systém, který se skládá s mnoha vzájemně působících částí (viz
obr. 3.41). Zahrnuje například:
•
•
•
vzduchový systém (přívod, rozvaděč, přepravní síť)
větráky (větráky, motory, přenosový systém)
systémy pro ovládání a regulaci ventilace (variace průtoku, centralizovaný technický
management, atd.)
zařízení pro rekuperaci energie
vzduchové filtry
a různé typy vybraných ventilačních systémů (obecná ventilace, specifická ventilace,
s klimatizací/bez klimatizace, atd.)
•
•
•
Výpusť
Obecná ventilace
Ventiluje celý pracovní
prostor a
homogenizuje
podmínky vnitřního
ovzduší a okolí
Ventilátor
Vstup
Dopravní
systém
Odtah
Úprava
vstupního
vzduchu
Pr
Pracovní
pozice
Odtah
obecné
ventilace
Specifická ventilace
Zachycuje znečištění
a horko z jejich
zdrojů
Průběžná ventilace procesu
Ventilace integrovaná do
procesu umožňuje odtah
znečištění, chlazení strojů a
cirkulaci chladného či
horkého vzduchu
Obrázek 3-40: Ventilační systém
248
červen 2008
Kapitola 3
3.9.2.1
Optimalizace designu nového nebo rozšířeného ventilačního
systému
Popis
Pokud má člověk jasnou představu o požadavcích na ventilační systém, může lépe učinit
správná rozhodnutí a může se lépe rozhodovat o správném designu. Může se jednat
o následující faktory:
•
•
•
•
přívod čistého vzduchu
dodržování environmentálních podmínek (teplota, tlak, vlhkost, atd.), a to za účelem
zvýšení pohodlí či zlepšení zdraví v rámci pracovních oblastí nebo pro ochranu výrobků
přeprava materiálů
extrakce kouře, prachu, vlhkosti nebo nebezpečných produktů
Následující vývojový diagram na obr. 3.42 může napomoci při volbě nejvhodnějších
energeticky efektivních řešení pro konkrétní situaci:
Obr. 3.42: Vývojový diagram optimalizace využití energie ve ventilačních systémech
Interakce a jejich relativní účinky, a to především mezi větrákem a systémem vzduchového
potrubí, mohou mít na svědomí vysoký podíl ztrát v rámce daného obvodu. Je proto nezbytné
přistupovat k věcem logicky, aby byl navržen systém, který splňuje funkční specifikace
i požadavky na optimální energetickou efektivitu.
Lze použít následující typy ventilačních systémů; viz. obrázek 3.41:
•
Obecná ventilace: obecné ventilační systémy se používají pro výměnu vzduchu v rámci
velkokapacitních pracovních prostor. Je možné využít několika typů ventilačních
systémů, a to v závislosti na příslušných prostorách, míře znečištění a rovněž na faktu,
zda je požadována klimatizace či nikoliv. Proudění vzduchu představuje hlavní faktor,
který
ovlivňuje spotřebu energie.
Čím nižší je míra proudění vzduchu, tím nižší je spotřeba energie.
•
Specifická ventilace: specifické ventilační systémy jsou navrženy tak, aby odstraňovaly
emise tak blízko u zdroje, jak je to jen možné. Na rozdíl od obecných ventilačních
systémů jsou specifické ventilační systémy zaměřeny na lokalizované emise škodlivých
látek. Tyto systémy mají výhodu v tom, že pohlcují škodlivé látky bezprostředně po tom,
co dojde k jejich vypuštění, a to za použití specifických sání, což zabraňuje tomu, aby
se škodlivé látky šířily v rámci pracoviště. Specifické ventilační systémy mají následující
výhody:
o zabraňují jakémukoliv kontaktu látky s uživateli
o není nezbytné obměňovat veškerý vzduch na pracovišti.
V obou případech může odvedený vzduch před jeho vypuštěním do ovzduší vyžadovat určité
ošetření (viz CWW BREF).
Odhaduje se, že 10 % spotřebovávané elektřiny ve společnostech mají na svědomí ventilační
systémy. Pokud je instalována i klimatizace, může být energetický rozpočet společnosti
klimatizací/ventilací zatížen ještě významněji.
Nebyly hlášeny žádné mezisložkové vlivy.
červen 2008
249
Kapitola 3
Provozní údaje
• Větráky
Větráky jsou základním zdrojem spotřeby elektřiny v rámci instalace. Jejich typ, velikost
a ovládání – to jsou hlavní faktory, které ovlivňují spotřebu energie. Při návrzích / úpravách
instalací existují tyto klíčové problémy:
-
větrák s vysokou účinností: maximální účinnost větráků se obecně pohybuje mezi
60 a 85 %, a to v závislosti na typu větráku. Výrobci vyvíjejí nové řady ještě
efektivnějších větráků.
větrák navržený k tomu, aby fungoval co nejblíže u svého optima: u jednotlivých
větráků se může účinnost lišit v závislosti na jejich provozní rychlosti. Je proto
nezbytné pro instalaci zvolit pro správnou velikost větráku, aby fungoval nejblíže
své maximální účinnosti.
-
Je rovněž nezbytné zvážit, že správně zvolená velikost vysoce účinného větráku znamená, že je
možné použít menší větrák, co představuje úspory na kupní ceně.
• Vzduchový systém
Návrh vzduchového systému musí k tomu, aby byl energeticky efektivní, splňovat určité
podmínky:
o
o
o
o
o
průměr vzduchového potrubí musí být dostatečně velký (10% zvýšení průměru může
vést k úsporám spotřebovávané elektřiny až o 72 %)
kruhové vzduchové potrubí, které poskytuje nižší ztráty tlaku, je lepší než potrubí
obdélníkového tvaru se stejným obvodem
vyvarujte se dlouhých průběhů a překážek (ohyby, užší části, atd.)
prověřte vzduchotěsnost systému – především u spojů
v rámci fáze designu projektu prověřte, zda je systém vyvážený – tzn. zda se všem
„uživatelům“ dostává nezbytné ventilace. Vyvažování systému po jeho instalaci
znamená, že je nezbytné určitá vzduchová potrubí osadit jednolistými dusítky, což
zvyšuje ztráty tlaku i energie.
• Elektrické motory (a jejich spárování s větráky)
Zvolte správný typ a správnou velikost motoru (viz. systémy na bázi elektrických motorů v kap.
3.6).
• Řízení proudění vzduchu
Proudění vzduchu představuje základní parametr v otázce spotřeby energie v rámci ventilačních
systémů. Např.: při 20% snížení proudění spotřebovávají větráky o 50 % méně elektřiny.
Většina ventilačních instalací nemusí nepřetržitě fungovat na maximum. Je proto důležité, aby
bylo možné upravit provozní rychlost větráku, a to například v souladu s:
o
o
o
výrobou (množství, typ produktu, zapnutý/vypnutý stroj, atd.)
konkrétní dobou (rok, měsíc, den, atd.)
pobytem lidí na pracovišti
Je nezbytné analyzovat potřeby za použití detektorů výskytu, hodin a ovládání založených
na procesech a navrhnout řízené ventilační instalace.
Ventilace s „duálním prouděním“, která kombinuje vhánění vzduchu (přívod čerstvého
vzduchu) s extrakcí (odstraňování znečištěného vzduchu), poskytuje lepší řízení proudění
vzduchu a snadněji se ovládá, např. systémem procesní klimatizace a řízení rekuperace energie.
Instalace automatického ovládání může poskytnout způsob možného řízení ventilačního
systému za použití různých (měřených, definovaných, atd.) parametrů při nepřetržité
optimalizaci jeho provozu.
250
červen 2008
Kapitola 3
Existuje mnoho technik pro řízení proudění vzduchu v souladu s poptávkou, avšak tyto techniky
nejsou stejně energeticky efektivní:
o
o
elektronické ovládání rychlosti je možné použít pro úpravu provozní rychlosti
větráků současné optimalizaci spotřeby energie ze strany motoru, což povede
k výrazným úsporám energie
změna úhlu listu u vrtulových větráků rovněž poskytuje výrazné úspory energie.
• Systém získávání energie
Pokud mají ventilované prostory klimatizaci, je nezbytné vyměňovaný vzduch ještě tepelně
upravit, což přispívá ke zvýšené spotřebě energie. Systémy získávání energie (výměníky) je
možné použít pro rekuperaci energie, která je obsažená ve znečištěném vzduchu odváděném
z pracoviště. Při výběru systému rekuperace energie je nezbytné prověřit tyto tři parametry:
o
o
o
tepelná účinnost
ztráta tlaku
chování při poškození
• Filtrování vzduchu
Vzduchový filtr umožňuje opětovné použití vzduchu v rámci ventilovaných prostor. Proudění
vzduchu, který má být obnoven a ošetřen, je proto sníženo, což přispívá k významným úsporám
energie. Doporučuje se zvolit vzduchový filtr ve fázi návrhu ventilačního systému, neboť
dodatečné náklady v této fázi budou relativně nízké v porovnání s instalací ve fázi pozdější. Je
důležité prověřit, zda je možné recyklovat škodlivé látky, které zůstanou. Tam, kde je toto
řešení možné, je nezbytné znát následující parametry:
o
o
o
recyklační účinnost
ztráta tlaku
chování při poškození filtru
Pro zlepšení provozu stávající instalace – viz. Kap. 3.9.2.2.
Použitelnost
Použitelné pro všechny nové systémy i upgrade.
Ekonomie
Ve většině auditovaných instalací byly zjištěny až 30% možné úspory energie. Existuje mnoho
možných opatření s návratností investice do 3 let.
• zdravotní a bezpečnostní podmínky na pracovišti
• úspora nákladů
• kvalita produktů
Příklady
Široké použití
Reference
[202, IFTS, 1999]
3.9.2.2
Zlepšení stávajícího ventilačního systému v rámci instalace
Popis
Je potřebné uvědomit si, že zlepšení účinnosti ventilačního systému vede někdy rovněž ke
zlepšení v:
červen 2008
251
Kapitola 3
•
•
pohodlí a bezpečnosti personálu
kvalitě produktu.
Stávající ventilační systém je možné vylepšit na třech úrovních:
•
•
•
optimalizace provozu instalace
zavedení plánu údržby a monitoringu instalace
investice do účinnějších technických řešení
Po optimalizaci všech parametrů ventilačního systému lze v průměru dosáhnout až 30% úspory
nákladů na energii, která je vynakládána na jeho provoz.
Nebyly hlášeny žádné mezisložkové vlivy.
Provozní údaje
Energetická diagnóza (komplexní audit)
Znalost instalace představuje základní předpoklad pro zlepšení její výkonnosti. Diagnóza
instalace umožňuje následující:
•
•
•
•
zhodnocení výkonnosti ventilační instalace
určení nákladů spojených s produkcí stlačeného vzduchu
objevení možných poruch
volba nové instalace správné velikosti
Údržba a monitoring instalace
Spotřeba energie ventilační instalace se pro stejný výkon/službu časem zvyšuje. Pro zachování
efektivity instalace je nezbytné monitorovat systém a v případě potřeby provést údržbu, což
povede k významným úsporám energie a k prodloužení životnosti Instalace. Údržba může
zahrnovat následující činnosti:
•
•
•
•
detekce netěsností v rámci systému vzduchového potrubí a jejich oprava
pravidelná výměna filtrů, a to především v rámci zařízení na čištění vzduchu, protože:
o ztráta tlaku se u opotřebovaného filtru velmi rapidně zvyšuje
o účinnost filtru při odstraňování částic se v průběhu času zvyšuje
prověření plnění zdravotních a bezpečnostních standardů, které se týkají odstraňování
škodlivých látek
pravidelné měření a záznam klíčových hodnot instalace (spotřeba elektřiny a ztráta tlaku
v zařízení, proudění vzduchu).
Provoz
•
Okamžitá opatření
o
o
o
o
252
zastavte nebo snižte ventilaci tam, kde je to možné. Spotřeba energie ventilační
instalace je přímo úměrná rychlosti proudění vzduchu. Proudění vzduchu je dáno:
přítomností operátorů
počtem zdrojů znečištění a typem tohoto znečištění
mírou znečistění a distribucí jednotlivých zdrojů znečištění
vyměňte ucpané filtry
opravte netěsnosti vzduchového systému
pokud je vzduch ošetřován, zkontrolujte nastavení a ubezpečte se, že vyhovuje
stávajícím potřebám.
červen 2008
Kapitola 3
•
Jednoduchá a efektivní opatření:
o vybavte pracovní stanice příslušnými specifickými přívody
o optimalizujte počet, tvar a velikost sání škodlivých látek, aby došlo ke snížení
potřebného proudu vzduchu pro odstranění škodlivých látek (viz. STM BREF)
o zvažte možnost automatické regulace proudění ventilace na základě skutečné
potřeby. Pro tuto regulaci existuje mnoho možných způsobů:
automatické ovládání ventilace při spuštění / zastavení stroje (tato
funkce se zpravidla vyskytuje u obráběcích strojů nebo svářeček
s vysavačem)
automatické spouštění ventilaci při emisi škodlivin. Např. instalace
části do ošetřovací vany mění rychlost emise škodlivých látek. V tomto
případě může být ventilace zvýšena při emisi škodlivin, po zbývající
čas může být snížena
uzavření van / nádrží, pokud nejsou v provozu – manuálně nebo
automaticky (viz. STM BREF)
Je nezbytné uvědomit si, že tam, kde dochází k regulaci proudění vzduchu, bude potřebné
prověřit, zda jsou za všech provozních podmínek vyhovující zdravotní podmínky.
o Systémy vzduchového potrubí musí být vyváženy, aby v určitých místech
nedocházelo k nadměrné ventilaci. Vyvážení systému provádí specializované
společnosti.
•
Ekonomická opatření:
o tam, kde je různé proudění, osaďte větráky elektronickým ovládáním rychlosti (ESC)
o instalujte vysoce účinné větráky
o instalujte větráky s optimální provozní rychlostí, která vyhovuje vaší instalaci
a vašim potřebám
o instalujte vysoce účinné motory (např. motory označené EFF1)
o integrujte řízení ventilačního systému do centralizovaného systému technického
řízení (CTM)
o instalujte měřící nástroje (pro měření proudění či elektřiny) pro monitorování
provozu instalace
o prověřte možnost integrace vzduchových filtrů do systémů vzduchového potrubí
a zařízení pro rekuperaci energie, aby nedocházelo k vysokým ztrátám energie při
odvodu znečištěného vzduchu
o prověřte možnost úpravy celého ventilačního systému a jeho rozdělení na obecnou
ventilaci, specifickou ventilaci a procesní ventilaci
Použitelnost
Použitelné pro všechny stávající systémy
Ekonomie
Ve většině auditovaných instalací byly zjištěny až 30% úspory energie. Existuje mnoho
možných opatření s návratností investice do dvou let.
• zdravotní a bezpečnostní podmínky na pracovišti
• úspora nákladů
• kvalita produktů
Příklady
Široké použití
Reference
[202, IFTS, 1999]
červen 2008
253
Kapitola 3
3.9.3
Chlazení zdarma
Popis
Chlazení v průmyslových procesech i klimatizaci lze z hlediska energetické účinnosti zkvalitnit
zavedení technik chlazení zdarma. Lze je využít tam, kde entalpie vnějšího okolního vzduchu je
nižší než entalpie vzduchu uvnitř. Je to zdarma, protože se využívá vnější ovzduší.
Tento bezplatný příspěvek lze převést do systému, který potřebuje přímé nebo nepřímé chlazení.
V praxi se běžně používají nepřímé metody. Sestávají většinou z extrakce a recirkulace vzduchu
(viz obr. 3.43). Regulace se provádí pomocí automatických modulačních ventilů – když je
k dispozici dostatečně chladný venkovní vzduch, ventily automaticky zvýší příjem tohoto
chladného vzduchu a zároveň sníží interní recirkulaci na minimum, aby se maximalizovalo
využití venkovního chlazení zdarma. Při použití těchto a podobných technik se částečně snižuje
potřeba (v určitých obdobích roku a v noci) chladících zařízení. Existují různé technické
možnosti, jak využít toto bezplatné chlazení. Na obr. 3.43 je jedno takové jednoduché zařízení.
Obr. 3.43: Možné schéma realizace chlazení zdarma
Voda vracející se z tepelného zatížení a směrovaná do chladiče se automaticky odklání pomocí
třícestného ventilu do systému bezplatného chlazení. Zde se voda předchladí a tím se sníží
tepelné zatížení chladiče a energie spotřebovaná v kompresorech. Čím více poklesne teplota
vnějšího ovzduší pod teplotu vracející se vody, tím větší bude efekt bezplatného chlazení a tím i
úspory energie.
Chladiče jsou normálně poháněny elektromotory, někdy mají endotermní pohony, takže dochází
k menší spotřebě primárních energetických zdrojů.
Nejsou známy.
Provozní údaje
O bezplatném chlazení je nejlepší uvažovat v případě, kdy je vnější teplota alespoň o 1 oC pod
teplotou vody přicházející z tepelného zatížení, tj. vstupující do chladiče. Např. na obr. 3.43,
jestliže T1 (teplota vody vracející se z tepelného zatížení) je 11 oC, lze bezplatné chlazení
aktivovat, když T2 (vnější teplota vzduchu) poklesne pod 10 oC.
Použitelnost
Tuto techniku lze použít ve zvláštních okolnostech: pro nepřímý přesun tepla musí být teplota
vnějšího ovzduší pod teplotou tekutiny vracející se do chladiče, pro přímé využití musí být
teplota vnějšího ovzduší nižší nebo rovna teplotě požadované. Je také třeba vzít v potaz nutnost
dalších prostor pro umístění příslušného zařízení.
Odhaduje se, že techniku lze aplikovat ve 25% případů.
Výměníky pro chlazení zdarma mohou být vylepšením stávajících systémů nebo je lze začlenit
do systémů nových.
Ekonomie
Zavedení technik bezplatného chlazení má řadu ekonomických výhod, např.: zdroj chladu je
zdarma, dojde ke snížení doby chodu kompresorů a k úsporám elektrické energie a tím i
nákladů.
Obvykle je lepší zkoumat využití bezplatného chlazení již ve fázi projektování nového systému
nebo modernizace stávajícího. Návratnost u nového systému by mohla být jen 12 měsíců, u
modernizace stávajícího až 3 roky.
254
červen 2008
Kapitola 3
•
Jednoduchost instalace
•
Příklady
Široké použití.
Reference
[240, Hardy, , 241, Coolmation]
3.10
Osvětlení
Popis
Umělé osvětlení má značný podíl na celkové celosvětové spotřebě elektrické energie. V
domácnostech a v kancelářích představuje osvětlení 20 až 50 procent celkové spotřeby energie.
Velmi důležitý je fakt, že v některých budovách více než 90 procent energie spotřebované
na osvětlení není nezbytným nákladem z důvodu nadbytečného osvětlení. Z hlediska
současného využití energie je tedy osvětlení rozhodující složkou. To se týká zejména velkých
kancelářských budov a jiných případů velkoplošného užití. V těchto případech existuje mnoho
alternativ, jak využít energii při osvětlování.
Existuje několik technik, jak lze minimalizovat energetické požadavky u jakékoliv budovy:
•
specifikace požadavků na osvětlení u každé konkrétní oblasti užití.
Toto představuje základní koncepci při rozhodování ohledně skutečnosti, jaké množství světla
bude konkrétní úkol vyžadovat. Typy osvětlení se dělí z hlediska definovaného využití
na všeobecné, lokalizované nebo zátěžové osvětlení podle intenzity šíření světla produkovaného
příslušným zařízením. Je jasné, že pěší cesta bude vyžadovat mnohem nižší míru osvětlení než
počítačová pracovní stanice. Obecně lze říci, že vynaložená energie je úměrná účelu osvětlení.
Například intenzita osvětlení 800 luxů může být vhodná pro pracovní prostředí, v němž
se budou odehrávat jednání a konference, zatímco intenzitu 400 luxů lze upotřebit na chodbách
budov.
•
Všeobecné osvětlení je určeno ke všeobecnému osvětlování oblasti. Uvnitř budovy by
příkladem tohoto osvětlení bylo základní svítidlo na stole nebo na podlaze, případně
zařízení na stropě. Ve venkovní oblasti by se jednalo o globální osvětlení parkovací
plochy, které může být ve slabé intenzitě 10 – 20 luxů, protože chodci a motoristé, kteří
jsou přivyklí tmě, nebudou při průchodu nebo průjezdu touto oblastí potřebovat silné
osvětlení.
•
Osvětlení zátěžové je zejména účelové a obvykle je nejkoncentrovanější. Využívá se pro
účely čtení nebo při přezkumu materiálů. Kupříkladu čtení nekvalitně vytištěných textů
může vyžadovat, aby úroveň osvětlení byla až 1500 luxů a při podrobné kontrole či
chirurgických zákrocích může být požadavek na intenzitu osvětlení ještě vyšší.
•
analýza kvality a designu osvětlení
o
o
o
integrace prostorového plánování s designem interiérů (včetně volby povrchů a
geometrie), aby se optimalizovalo využití přírodního světla. Přinese to nejen úspory
energie, ale i příznivý dopad na lidské zdraví a výkony.
Plánovat činnosti tak, aby se optimalizovalo využití přírodního světla
Zohlednění obsahu spektra potřebného pro všechny činnosti vyžadující umělé
osvětlení
červen 2008
255
Kapitola 3
Volba takového příslušenství a svítidel, které odrážejí BAT v oblasti uchování
energie.
Druhy elektrického osvětlení zahrnují:
o
•
Žárovky: elektrický proud prochází skrz tenké vlákno, zahřívá ho a způsobuje, že excituje
a uvolňuje světlo do procesu. Uzavřená skleněná baňka zabraňuje kyslíku v ovzduší, aby
horké vlákno zničil.
Výhodou žárovek je, že jsou vyráběny s širokém spektru napětí, od několika voltů až po
několik set. Jsou však postupně nahrazovány mnoha aplikacemi fluorescenčního
osvětlení, vysoce intenzivními výbojkami, diodami emitujícími světlo (LED) apod.
•
Obloukové lampy nebo plynové výbojky: oblouková lampa je obecný termín pro lampy
produkující světlo v elektrickém oblouku. Tyto lampy sestávají ze dvou elektrod
vyrobených nejčastěji z wolframu, které jsou odděleny plynem. Používá se většinou
vzácný plyn (argon, krypton, xenon nebo neon) nebo směs těchto plynů. Většina lamp
obsahuje další materiály, např. rtuť, sodík a/nebo halogenidy kovů. Běžná fluorescenční
lampa je nízkotlaká rtuťová oblouková lampa, jejíž vnitřek je natřen fosforem emitujícím
světlo. Vysoce intenzivní výbojky pracují při vyšším proudu než fluorescenční lampy a je
jich mnoho druhů podle použitého materiálu. Lampa se často nazývá podle plynu
obsaženého v baňce. Nejčastější obloukové lampy nebo plynové výbojky jsou:
o fluorescenční lampy
o lampy s halogenidy kovů
o vysokotlaké sodíkové lampy
o nízkotlaké sodíkové lampy.
Elektrický oblouk v obloukové lampě nebo plynové výbojce sestává z plynu, který je nejprve
ionizován napětím a tím pádem je vodivý pro elektřinu. Pro zapnutí obloukové lampy je
zpravidla třeba velmi vysoké napětí. To vyžaduje elektrický oblouk, který se někdy nazývá
„zapalovač“ a který je součástí většího oblouku nazývaného „stabilizátor“. Stabilizátor dodává
do lampy vhodné napětí a proud, její elektrické charakteristiky se mění s teplotou a v čase.
Stabilizátor udržuje bezpečné provozní podmínky a konstantní výstupní světlo. Teplota oblouku
může dosáhnout několika tisíc stupňů C.
Oblouková nebo plynová výbojka má dlouhou životnost a vysokou světelnou účinnost, ale je
komplikovanější ji vyrobit a vyžaduje elektroniku pro správný tok proudu plynem.
•
Osvětlení se sirnou plasmou: toto svítidlo je vysoce účinný systém bez elektrod a s plným
spektrem, jehož světlo vzniká ze sirné plasmy, která byla excitována mikrovlnným
zářením.
S výjimkou fluorescenčních lamp je zahřívací doba sirných plasmových svítidel podstatně kratší
než u ostatních plynových výbojek, dokonce i při nízkých teplotách okolí. Do dvaceti sekund
dosáhne 80 % své konečné svítivosti a lampu lze opět zapnout přibližně pět minut po odstřižení
proudu.
•
Diody emitující světlo (LED), včetně organických diod (OLEDs): tato dioda je
polovodičovou diodou, která emituje nesouvislé světlo úzkého spektra.
Jednou z hlavních výhod osvětlení na bázi LED je jeho vysoká účinnost měřená výstupem
světla na jednotku vstupu energie.
Pokud je emitujícím materiálem organická sloučenina, jedná se o organickou diodu (OLED). Ve
srovnání s běžnými LED jsou organické diody lehčí, a polymerové diody mohou být navíc
flexibilní. Komerční aplikace obou diod se rozbíhají, ale aplikace na průmyslové úrovni jsou
zatím omezené.
Různé druhy světel mají značně odlišné účinnosti, jak ukazuje tabulka 3.27.
256
červen 2008
Kapitola 3
Název
Nominál
Životnost
ní
(MTBF)
účinnost
(hodiny)
(lm/W) (1)
1000 – 2500
Kontinuální 12 – 17
2700
Halogenová
lampa
Kontinuální 16 - 23
3000 – 6000
3200
Fluorescenční
lampa
Rtuť
fosfor
8000-20000
2700-5000
Lampa
s halogenidem
kovů
Vysokotlaká
sodíková
Kvazikontinuální
50 – 115
6000-20000
3000-4500
Široké
pásmo
55 – 140
1000040000
1800-2200
Žárovka
Optické
spektrum
+ 52 – 100
Teplota
barvy (2)
(Kelvin)
Barva
Teple bílá
(nažloutlá
)
Teple bílá
(nažloutlá
)
Bílá
(nádech
zelené)
Chladně
bílá
Index
podání
barev (4)
100
100
15-85
65-93
Narůžověl 0-70
á
oranžová
Úzké
100 – 200 180001800 (3)
Žlutá, bez 0
Nízkotlaká
20000
podání
sodíková
barev
150006000
Bledě
79
Sirná plasma Kontinuální 80 – 110
20000
zelená
20 – 40
Jantar a
100000
Diody
zelené
emitující
světlo
světlo
10 – 20
Modrá a
zelené
světlo
10 - 12
bílá
(1) 1 lm = 1 cd.sr = 1 lx.m-2. (2) teplota barvy je definována jako teplota černého tělesa
emitujícího podobné spektrum (3) tato spektra jsou dost odlišná od spekter černých těles (4)
index podání barev (CRI) je měřítko schopnosti světelného zdroje reprodukovat barvy různých
objektů, které zdroj osvětluje.
(3)
tabulka 3-27 Charakteristiky a účinnost různých druhů světla
Nejúčinnějším zdrojem elektrického světla je nízkotlaká sodíková lampa. Ta produkuje téměř
monochromatické oranžové světlo, které silně zkresluje vnímání barev. Z tohoto důvodu se
omezuje jen pro účely pouličního osvětlení. Nízkotlaká sodíková světla produkují světelné
znečištění, které lze snadno filtrovat, na rozdíl od širokopásmového nebo kontinuálního spektra.
Údaje o možných variantách například typů osvětlení jsou k dispozici prostřednictvím programu
Green Light Programme. To je dobrovolná preventivní iniciativa, která motivuje spotřebitele
elektrické energie v nebytových prostorách (veřejných i soukromých), jež nazývá “Partnery”,
aby se zavázali vůči Evropské komisi k zavedení energeticky úsporných osvětlovacích
technologií v jimi využívaných prostorách, pokud je takového využití (1) finančně výhodné
a (2) kvalita osvětlení je zachována nebo se zlepší.
•
•
•
•
management osvětlení
posílit využití systémů řízení osvětlení, včetně čidel přítomnosti osob, časových spínačů
apod. a snižovat tak spotřebu energie
školení uživatelů budov tak, aby využívali svítidla co nejúčinněji
udržovat osvětlení, aby se minimalizovalo plýtvání energií.
červen 2008
257
Kapitola 3
Úspora energie.
Některé druhy lamp, např. s rtuťovými parami, fluorescenční, obsahují toxické chemické látky
(rtuť, olovo). Na konci jejich životnosti je třeba je správně recyklovat a likvidovat.
Provozní údaje
Je užitečné stanovit správnou intenzitu osvětlení a barevné spektrum vzhledem ke konkrétnímu
úkolu nebo prostředí. Jinak by mohlo docházet nejen k plýtvání energií, ale nadbytečné
osvětlení by mohlo mít také negativní vliv na zdraví a psychiku. Vyšší intenzita osvětlení může
vyvolat časté bolesti hlavy, stres a zvýšený krevní tlak. Kromě toho může dojít vlivem
oslňujícího nebo nadbytečného světla ke snížení výkonnosti pracovníka [DiLouie, 2006]. Umělé
noční osvětlení se dává do souvislosti také s nepravidelným menstruačním cyklem.
Při posuzování efektivnosti lze vytvářet modely základního stavu a stavu po instalaci, a to
pomocí metod spojených s alternativami A, B a C (viz tab. 3.28).
Alternativa M&V
Alternativa
A:
Zaměřuje
se na fyzikální hodnocení změn
zařízení z důvodu zajištění, aby
instalace odpovídala specifikaci.
Klíčové faktory výkonu (např.
wattový výkon osvětlení) jsou
určovány
prostřednictvím
promptního
a krátkodobého
měření a operační faktory (např.
doba provozu osvětlení) jsou
specifikovány na základě analýzy
historických
údajů
nebo
promptních/krátkodobých měření.
Faktory výkonu a řádný provoz
jsou měřeny nebo kontrolovány
každoročně.
Alternativa B: Úspory jsou
určovány po dokončení projektu
prostřednictvím krátkodobých či
kontinuálních
měření
prováděných průběžné po celé
smluvní období u přístroje nebo
na systémové úrovni. Monitorují
se jak faktory výkonu, tak
i operační faktory.
Alternativa C: Po dokončení
projektu jsou stanoveny úspory
pro 'celou budovu' nebo na úrovni
zařízení
s využitím
údajů
aktuálního roku a historických
údajů měření či dílčích měření
užitku.
Jak vypočítat úspory
Náklady
Technické výpočty, při Závisí na počtu bodů měření.
nichž
se využívá Představuje přibližně 1– 5 %
promptních
nebo stavebních nákladů projektu
krátkodobých
měření,
počítačových
simulací
a/nebo historických údajů
Technické výpočty, při Závisí
na počtu
a typu
nichž
se využívá měřených systémů a na lhůtě
naměřených údajů
analýzy/měření.
Zpravidla
představuje
3
–
10 %
stavebních nákladů projektu
Analýza údajů měření
užitku (či údajů dílčích
měření) s využitím řady
postupů
od
prostého
porovnávání
až
po mnohavariantní
(hodinovou nebo měsíční)
regresní analýzu
Alternativa D: Úspory jsou Kalibrovaná
stanoveny
prostřednictvím simulace/modelování
simulace jednotlivých součástí energetického
systému;
zařízení a/nebo celého zařízení
kalibrováno
258
Závisí na počtu a složitosti
parametrů
v analýze.
Zpravidla představuje 1 –
10 % stavebních nákladů
projektu
Závisí na počtu a složitosti
hodnocených
systémů.
Zpravidla představuje 3 –
10 % stavebních nákladů
červen 2008
Kapitola 3
prostřednictvím
údajů projektu
hodinového či měsíčního
vyúčtování a/nebo údajů
měření konečného využití
tabulka 3-28 Úspory u osvětlovacích systémů
Zde je uveden pouze ten oddíl Protokolu, který se týká osvětlení. Další informace lze nalézt
v celkovém znění Protokolu, který je možné si stáhnout na adrese http://www.evo-world.org/.
Použitelnost
Všechny podniky IPPC mohou aplikovat techniky, jako je zjišťování požadavků na osvětlení,
optimalizace využití přírodního světla, volba příslušenství a druhu svítidla podle konkrétních
požadavků a management osvětlení. Ostatní opatření, jako je integrace prostorového plánování
do optimalizace využití přírodního světla, lze uplatnit pouze u nových nebo modernizovaných
závodů.
Ekonomie
Investice Green Light využívají osvědčených technologií, výrobků a služeb, které mohou snížit
množství energie na osvětlení o 30 až 50 %, přičemž získaná návratnost je mezi 20 a 50 %.
Návratnost lze vypočítat pomocí postupů uvedených v ECM BREF.
• Ochrana zdraví a bezpečnost na pracovišti
• Úspora energie
Příklady
Široké využití.
Reference
[209, Wikipedia, , 210, EC, 2000] [210, EC, 2000, 238, Hawken, 2000, 242, DiLouie, 2006]
[211, ADEME, 1997, 212, BRE_UK, 1995, 213, EC, , 214, EC, 1996, 215, Initiatives, 1993,
216, Initiatives, 1995, 217, Piemonte, 2001, 218, Association, 1997, 219, IDAE]
3.11
Procesy sušení, separace a zahušťování
Úvod
Sušení je proces významně využívající energie. Zde je uvažován ve spojení s technikami
separace, protože použití různých technik nebo jejich kombinace mohou vést k úsporám
energie.
Teplo se může přenášet konvekcí (přímé sušení), vedením (kontaktní nebo nepřímé sušení),
tepelným zářením (IČ, mikrovlny nebo vysokofrekvenční magnetické pole) (sálavé sušení) nebo
kombinací těchto postupů. Většina průmyslových sušiček je konvekčního typu, kde sušícím
médiem je horký vzduch nebo spaliny.
Separace je proces rozdělování směsi na dva nebo více toků (typu produkt – produkt nebo
produkt - odpad) s různým složením. Separační technologie proto spočívá v oddělení a izolaci
žádaných produktů od směsi obsahující buď různé látky nebo čistou látku v různých
skupenstvích nebo velikostech částic. Tuto techniku lze také použít k oddělování toků odpadu,
viz CWW BREF.
Proces separace se odehrává v separátoru. Separační gradient určuje separační činidlo. V této
kapitole jsou metody separace klasifikovány podle různých zásad separace a použitých
separačních činidel.
červen 2008
259
Kapitola 3
Účelem není popsat zde všechny existující separační techniky, ale zaměřit se především na ty
otázky, které mají vyšší potenciál pro úsporu energie. Další podrobnosti o konkrétních
metodách viz reference.
Klasifikace metod separace
•
•
Vstup energie do systému:
Podrobná klasifikace těchto technik může být roztříděna podle různých typů energie
vstupujících do systému podle následujícího seznamu:
o Teplo (odpařování, sublimace, sušení)
o Záření
o Tlak (mechanické stlačování páry)
o Elektřina (elektrická filtrace plynů, elektrická dialýza)
o Magnetismus (použití magnetů) (viz železné a neželezné kovy, EFS pro nekovy)
o Kinetická energie (odstředivá separace) nebo potenciál (dekantace)
•
Odčerpávání energie ze systému
o Chlazení nebo zamrazení (kondenzace, vysrážení, krystalizace apod.)
•
Mechanické překážky
o Filtry nebo membrány (nanofiltry, ultra nebo mikro filtrace; prostup plynu;
prosévání)
•
Jiné
o Fyzikálně-chemické interakce (rozpouštění/precipitace, adsorpce, flotace, chemické
reakce)
o Rozdíly v jiných fyzikálních nebo chemických vlastnostech látek jako je hustota,
polarita apod.
Kombinace výše zmíněných zásad separace nebo separačních činidel se používá v různých
procesech vedoucích k hybridním technikám separace. Jsou to například:
•
•
•
•
Destilace (odpařování a kondenzace)
Pervaporace (odpařování a membrána)
Elektro-dialýza (elektrické pole a membrána pro iontovou výměnu)
Cyklonická separace (kinetická energie a potenciál).
3.11.1
Výběr optimální technologie separace nebo jejich kombinací
Popis
Výběr technologie separace má často více řešení. Volba závisí na charakteristice náplně
a požadovaných výstupech a dalších omezeních spojených s typem zařízení a sektoru. Také sám
proces separace má svá vlastní omezení. Technologie lze využít ve stupních, např. dva stupně
téže technologie nebo kombinace různých technologií.
Minimalizace spotřeby energie. Značné množství energie lze ušetřit tam, kde je možné použít
dva nebo více separačních stupňů nebo předběžné zpracování (viz příklady).
Nejsou uváděny
260
červen 2008
Kapitola 3
Provozní údaje
Některé faktory související buď s materiálem náplně, nebo s konečným produktem nebo
procesem, které by měly být zváženy pro výběru techniky separace:
•
•
•
Materiál náplně
o typ, tvar:
kapalina
pasta
granule, prášek
vlákno
plocha
pás
tvarovka
o mechanická křehkost
o teplocitlivost
o obsah vlhkosti
o rychlost průtoku / množství, které je třeba ošetřit
o pokud se uplatní
tvar a velikost
velikost kapek
viskozita
specifikace konečného produktu
o obsah vlhkosti
o tvar a velikost
o kvalita
barva
oxidace
chuť
proces
o v dávkách / nepřetržitý
o zdroje tepla:
fosilní (pevná) paliva (zemní plyn, palivo, uhlí apod.)
elektřina
obnovitelné zdroje (solární energie, dřevo apod.)
o přenos tepla:
prouděním (horký vzduchu, horká pára)
kondukcí
teplotním zářením (sálavé energie: infračervené záření, mikrovlny,
vysoká frekvence)
o maximální teplota
o kapacita
o doba residence
o mechanické působení na produkt
Pro určení nejlepšího řešení je nutná studie proveditelnosti s posouzením z technického,
ekonomického, energetického a ekologického hlediska. Požadavky je třeba definovat přesně:
•
•
•
•
•
Parametry náplně a produktu (hmotnostní a průtokové charakteristiky), především obsah
vlhkosti v produktu: poslední zbytky vlhkosti se obvykle hůře vysušují a spotřebují nejvíce
energie
Seznam dostupných médií (elektřina, mražení, stlačený vzduch, pára, jiné stroje chladu
nebo tepla) a jejich charakteristiky
Dostupný prostor
Možnost předčištění
Potenciál využití odpadního tepla z procesu
červen 2008
261
Kapitola 3
•
Zdroje a zařízení efektivního využívání energie (účinné motory, využití odpadního tepla
apod.).
Srovnávací analýza návrhů musí být provedena na technickém, ekonomickém, energetickém
a ekologickém základě:
•
•
•
•
V rámci stejných hranic, včetně médií, čištění odpadní vody apod.
Se zvážením každého dopadu na životní prostředí (na vzduch, vodu, odpad apod.)
Se zvážením údržby a bezpečnosti
S kvantifikací času a nákladů na školení obsluhy
Spotřeba energie u některých separačních procesů je zobrazena na obr. 3.44.
Srovnání spotřeby energie pro
procesy separace/koncentrace
100
Vypařování, destilace
(bez pomocných
procesů)
Sušení
Pervaporace
Reverzní
10
osmoza
(s pomocnými
procesy:
Spotřeba energie (kWh/m³)
Nanofiltrac
e
vakuum
MVC,…)
Ultra
-filtrac
e
1
Centrifugální separace
Centrifugální
filtrace
Mikro
Centrifugální
odkalování
filtrace
Plynná
permeatace
Filtrace
1
Cyklony
kapalin
Flotace
Filtrace
plynů
0.
Electrofiltrace
plynů
Třídění
Prosévání
Odkalování
0.0
0.1n
1n
10n
0.1µ
1µ
10µ
100µ 1m
10m
Velikost separovaných
částic
Obrázek 3-41: Spotřeba energie u některých separačních procesů
[248, ADEME, 2007]
Použitelnost
Vhodné technologie lze zjišťovat ve všech případech. Instalace nového zařízení se obvykle
provádí na základě nákladů a výnosů anebo kvůli kvalitě a množství výrobků.
262
červen 2008
Kapitola 3
Ekonomie
•
Snížení nákladů
•
Kvalita produktů
•
Kapacita procesu
Příklady
Při sušení kapalin může být předběžným zpracováním membránová filtrace, ultrafiltrace,
reverzní osmóza, nanofiltrace nebo mikrofiltrace. Membránová filtrace má spotřebu energie o 13 řády nižší než odpařování a lze ji využít jako první stupeň předběžného zpracování. Např.
mléko se může zahustit na obsah vlhkosti 76 % předtím, než se dále suší.
Reference
[201, Dresch, 2006]
3.11.2
Mechanické procesy
Popis
Spotřeba energie na mechanické procesy může být o několik řádů nižší v porovnání s procesy
termálního sušení, viz obr. 3.44.
Pokud to sušený materiál umožňuje, doporučuje se používat převážně mechanické procesy
primárního zpracování pro snížení množství energie spotřebované na celý proces. Obecně
řečeno, většinu produktů lze předem mechanicky navlhčit, aby se dosáhlo průměrné vlhkosti (=
poměru mezi objemem kapaliny, kterou je třeba vysušit, a sušinou) mezi 40 a 70 procenty.
V praxi je použití mechanických procesů omezeno povolenou zátěží materiálu a ekonomickou
dobou sušení.
Někde se mechanické procesy doporučují i před tepelným zpracováním. Při vysoušení roztoků
a suspenzí (například při sušení rozprašováním), může být jako předčištění použita membránová
filtrace (reverzní osmóza, nanofiltry, ultra filtry nebo mikro filtry). Například v mlékárenském
průmyslu lze mléko před sušením koncentrovat na obsah vlhkosti 76 %.
Provozní údaje
Použitelnost
Ekonomie
Příklady
červen 2008
263
Kapitola 3
Reference
[202, IFTS, 1999]
3.11.3
3.11.3.1
Tepelné techniky sušení
Výpočet požadavků na energii a účinnosti
Popis
Sušení je metoda běžně používaná v řadě průmyslových odvětví. V sušičce je vlhký materiál
nejprve zahřát na teplotu odpařování vody a pak se voda nechá odpařit za konstantní teploty.
Qth = (cGmG + cWmW) ∆T + mD∆HV
Kde:
• Qth
• mG, mW
• ∆T
• mD
• cG, cW
• ∆HV
100 oC).
Rovnice 3.11
užitečný výstup v kWh/h
proudění sušiny a poměr vody v materiálu v kg/s
interval ohřívací teploty v K
množství odpařené vody na jednotku času v kg/s
kapacita měrného tepla sušiny a podíl vody v materiálu v kJ/(kg K)
odpařovací teplota vody za příslušné teploty odpařování (asi 2300 kJ/kg při
Objem odpařované vody se obvykle odstraňuje vzduchem ze sušící komory. Spotřeba energie
Qpd potřebná na zahřátí objemu čerstvého vzduchu (pouze užitečný výstup tepla Qth) se vypočítá
z níže uvedené rovnice
Qpd = VCpd∆Tpd
Rovnice 3.12
Kde:
• Qpd potřeba energie na ohřátí čerstvého vzduchu v kW/h (teplotní ztráty)
• V rychlost proudění čerstvého vzduchu v m3/h
• cpd kapacita měrného tepla vzduchu (asi 1,2 kJ (m3 K) při 20 °C a 1013 mbarech)
rozdíl mezi teplotou čerstvého vzduchu a odpadního vzduchu v Kelvinech.
• ∆Tpd
Kromě této potřeby tepla musejí být také pokryty tepelné ztráty technologie (například
na povrchu). Tyto systémové ztráty odpovídají zadržené energii Qhp (potřebě energie systému
v okamžiku vyprázdnění při pracovní teplotě a pouze v režimu vnitřní cirkulace vzduchu). Celá
potřeba tepla je vyjádřena následujícím vzorcem.
QI = Qth + Qpd + Qhp
Rovnice 3.13
Kde:
• QI požadovaný energetický výstup
• Qhp potřeba energie vyprázdněných systémů
Teplotní účinnost paliva pro výpal je třeba brát v úvahu v souvislosti s vypalovacím zařízením.
Výsledkem je následný výstup Qtotal vyjádřený rovnicí.
Qtotal = QI/ηfuel
Rovnice 3.14
Kde:
• Qtotal
celkový výstup energie
• ηfuel teplotní efektivnost
264
červen 2008
Kapitola 3
Dlouhovlnné
radiační sušiče
Středněvlnné
radiační sušiče
Krátkovlnné
radiační
sušiče
Mikrovlnné
komorové
sušiče
Konvekční
komorové
sušiče
Konvekční
kontinuální
sušiče
Konvekční
komorové
sušiče
Měrná spotřeba energie
(kWh/kg)
Obrázek 3.45 ukazuje šířky pásem pro měrnou spotřebu sekundární energie na kg odpařené
vody při maximální zátěži a pro maximální možný odpařovací výkon pro různé typy sušáren.
Pro účely srovnání se předpokládá, že proudové sušárny používají elektrické odporové otopné
systémy.
Obrázek 3-42: Šířky pásma pro měrnou spotřebu sekundární energie různých typů sušáren při
odpařování vody
[26, Neisecke, 2003]
Provozní údaje
Jak je uvedeno v kap. 3.11.3.1, uvažování o využití mechanického separačního procesu jako
možného předběžného zpracování před sušením by mohlo v mnoha případech výrazně snížit
spotřebu energie.
Optimalizace vlhkosti vzduchu v sušičkách má zásadní význam pro snižování spotřeby energie
při sušení na minimum.
Použitelnost
Ekonomie
Příklady
Reference
[26, Neisecke, 2003, 203, ADEME, 2000]
červen 2008
265
Kapitola 3
3.11.3.2
Přímé zahřívání
Popis
Přímé zahřívání se provádí hlavně konvekcí. Teplý nebo horký plyn, většinou vzduch (který
může být ve směsi se spalinami z paliva) nebo pára (viz kap. 3.11.3.4), je veden přes, nad nebo
kolem sušených materiálů, a to např. v rotačním bubnu, na roštu apod.
Běžné systémy přímého sušení jsou:
•
•
•
S procházejícím plynem:
o např. rotační buben, sušící pec, tunelové sušičky, sušičky se spirálovým pásem
S provzdušňovanou tuhou látkou
o např. cirkulátor, vsádková sušička, sušička se stacionárním roštem
S velkoobjemovým mícháním tuhých látek
o např. fluidní lože apod.
Přímé zahřívání, zejména u horkého vzduchu zahřívaného přímým spalováním, zabraňuje
mnohým ztrátám tepla, ke kterým dochází v nepřímých systémech, kotlích, parním potrubí
apod.
Nebyly zjištěny.
Provozní údaje
Sušené materiály a odstraňované kapaliny musí být slučitelné se systémem a bezpečné pro
používání, např. nesmí být hořlavé, pokud by docházelo k přímému zahřívání spalováním
zemního plynu.
Použitelnost
Široké použití.
Ekonomie
Snížení nákladů. Prostor. Jednoduchost (např. sušení vzduchem snižuje potřebu páry).
Příklady
Široké použití v mnoha průmyslových odvětvích, např. otáčivé bubny při sušení organických
chemických látek, hnojiv, potravin a písku. Používá se i při povrchové úpravě kovů. Sušička je
posledním stupněm procesu.
Reference
[263, Tempany, 2008, 266, Ullmann's, 2000]
3.11.3.3
Nepřímé zahřívání
Popis
Nepřímé zahřívání se provádí hlavně kondukcí. Teplo se přenáší do sušeného materiálu
zahřátým povrchem. Materiál může být stacionárně nebo kontinuálně přenášen od jednoho
zahřátého povrchu k druhému.
Běžné systémy nepřímého zahřívání jsou:
266
červen 2008
Kapitola 3
•
•
•
•
Ploché a pásové materiály (papír, textil, lepenka) využívají bubnové sušičky. Vlhký
materiál se natočí kolem horizontálních rotujících válců, které jsou zevnitř zahřívány,
většinou parou.
Materiály s nízkou viskozitou (organické nebo anorganické roztoky) vstupují mezi
zahřáté válce válcové sušičky jako tenká vrstva a usušený tuhý podíl se odstraňuje ve
formě filmu, vloček nebo prášku.
Pastovité materiály se suší
o v sušičce s rýhovanými válci (produkuje krátké segmenty určené k dalšímu sušení)
o v šroubovité sušičce s jedním nebo dvěma Archimédovými šrouby. Šrouby se
zahřívají horkou vodou, nasycenou parou nebo horkým olejem
o ve fázové sušičce, což je kontaktní sušička s míchadlem nebo hnětačem. Zahřívá se
párou nebo horkým olejem.
Granulované materiály se suší
o v rotačních sušičkách, buď s vyhřívaným potrubím v bubnu nebo se materiál suší
mezi potrubím v zahřívaném bubnu. Malá rychlost vzduchu je vhodná pro prašné
materiály.
o V sušičkách se šnekovým dopravníkem s pádly, která vyplňují zahřátou nádobu
o V kuželových šnekových sušičkách s kuželovým míchadlem rotujícím v zahřívaném
plášti
o Miskové sušičky se zahřívanými miskami
o Spirálové potrubní sušičky, v nichž je materiál jen krátce v kontaktu se zahřátým
povrchem potrubí a přepravuje se pneumaticky. Je možné ho utěsnit a používat pro
odstraňování organických rozpouštědel, která lze získávat.
Používá se pravděpodobně více energie než u přímého zahřívání – vzhledem ke ztrátám při
přenosu tepla, protože tento proces má dva stupně: zahřátí povrchu a poté zahřátí materiálu.
Provozní údaje
Viz Popis
Použitelnost
Tyto sušičky mohou mít specifické aplikace, jako např. odstraňování organických rozpouštědel.
Ekonomie
Aplikace, kdy nelze uplatnit přímé zahřívání nebo jsou zde jiné překážky.
Příklady
Široké použití
Reference
[264, Tempany, 2008, 266, Ullmann's, 2000]
3.11.3.4
Přehřátá pára
Popis
Přehřátá pára je pára zahřátá na teplotu vyšší než je bod varu vody při daném tlaku. Nemůže
existovat v kontaktu s vodou, ani obsahovat vodu, a připomíná dokonalý plyn; říká se jí také
přeplňovaná pára, bezvodá pára a parní plyn. Přehřátá pára se používá jako ohřívací médium
místo horného vzduchu v přímých sušičkách (kde je ohřívací médium v přímém styku
červen 2008
267
Kapitola 3
s produktem); například při sušení rozprašováním, v proudových ložích, tryskacích ložích,
bubnových sušičkách apod.
Výhodou je, že jediným omezovacím jevem je přenos tepla, a nikoliv přenos masy (vody). Proto
je kinetika sušení lepší. Sušičky jsou menší a menší jsou i tepelné ztráty. Navíc energii (latentní
teplo) vody z produktu lze snadno recyklovat přímo v sušičce prostřednictvím mechanického
stlačení páry (MVR) nebo použít v jiném procesu a tím dosáhnout vyšších úspor energie.
Zacházení s těkavými organickými sloučeninami (VOC) je snazší díky omezenému objemu
odpadních plynů. Tyto sloučeniny lze snadno odčerpat.
Teplocitlivé produkty mohou být poškozeny vysokými teplotami.
Provozní údaje
Spotřeba energie je asi 670 kWh/t vodní páry bez rekuperace tepla a 170 až 340 kWh/t
s rekuperací (např. MVR).
Řízení procesu je snazší, protože konečná vlhkost produktu a kinetika sušení mohou být řízeny
teplotou páry. Eliminace vzduchu snižuje riziko požáru a výbuchu.
Použitelnost
Přehřátou párou mohou být dodatečně vybaveny všechny přímé sušičky. Měly by se provádět
testy pro zaručení kvality produktu a ekonomické výpočty.
Ekonomie
Investice jsou obecně vyšší, především pokud se použije MVR.
První hybnou silou pro zavedení by měla být úspora energie. Často je uváděna vyšší kvalita
produktů, především v zemědělství a potravinářském průmyslu (lepší barva, nepřítomnost
oxidace, apod.).
Příklady
•
Sucrerie Lesaffre (Nangis, Francie): sušení řepné dužiny pomocí přehřáté páry
•
Aplikace: kal, řepná dužina, vojtěška, detergenty, technická keramika, vlněné palivo,
apod.
Reference
[208, Ali, 1996]
3.11.3.5
Získávání tepla z procesů sušení
Popis
Sušení je většinou provázeno vysokou teplotou a odpadní teplo lze získávat:
•
Přímo, když je proces sušení přímý, s horkým vzduchem jako sušícím médiem
o mísení odcházejícího vzduchu s čerstvým přímo před hořákem
o jestliže je odcházející vzduch příliš kontaminovaný (prach, vlhkost apod.), recykluje
se teplo prostřednictvím výměníku (viz kap. 3.3.1) k předehřátí produktu, který se má
sušit, nebo sušícího vzduchu
•
Nepřímo, pomocí mechanické rekomprese par (MVR), kdy se stlačí odcházející pára (viz
kap. 3.3.2), zejména když je topným médiem přehřátá pára (viz kap. 3.11.3.4).
Zde se uvažuje pouze o „přímém“ získávání.
268
červen 2008
Kapitola 3
Minimalizace použité energie.
Předehřátí vzduchu před hořákem při získávání tepla může narušit proces sušení: teplotu a
obsah vlhkosti a možné kontaminanty tam, kde není výměník tepla.Možná bude třeba řídit
teplotu sušení.
Provozní údaje
Úspory energie jsou vždy větší, když je okolní vzduch studený (např. v zimě). Očekává se
minimálně 5 % úspor energie.
Použitelnost
Tuto techniku lze použít pro téměř všechny kontinuální konvekční sušičky s horkým vzduchem
(tunely, pece, bubny apod.). pozornost je třeba věnovat nastavení hořáku a velikosti různých
článků: ventilátorů, potrubí, regulačních ventilů a výměníků tepla. Pro výměník tepla se
požaduje nerez ocel. Pokud hořák sušičky pracuje s palivem, obsahují odpadní plyny síru a oxid
siřičitý a mohou poškodit výměník, pokud dojde ke kondenzaci.
Ekonomie
Doba návratnosti se může velmi lišit, v závislosti na nákladech na energie, odpařovací kapacitě
sušičky a počtu provozních hodin. Nikdy nezapomeňte provést simulaci pro případy nárůstu cen
energií.
Úspory peněz díky úsporám energií.
Příklady
Sušení řepné dužiny (Cambrai, Francie): získávání tepla z odpadních plynů.
Reference
[203, ADEME, 2000]
3.11.3.6
Mechanická rekomprese par nebo tepelné čerpadlo s odpařováním
Zahušťování pomocí odpařování ve spojení s mechanickou rekompresí par (MVR) nebo
tepelným čerpadlem je vysoce účinnou technikou v čištění odpadních vod. Tato technika
umožňuje zejména značně zredukovat objem odpadních vod posílaných na čištění, a to
s nízkými náklady, a umožňuje i recyklaci vody.
Popis
K odpaření 1 tuny vody je třeba 700 až 800 kWh/t energie. Je možné snížit toto množství
pomocí technik získávání tepla, jako jsou tepelná čerpadla nebo MVR, viz kap. 3.3.2,
odpařováky s násobný efektem (s termokompresí).
Koncentrace odpadních vod může vyžadovat různý management a různé techniky čištění.
Provozní údaje
V tabulce 3.29 je popsáno několik druhů odpařováků a jejich měrné spotřeby.
Druh odpařováku
1 stupeň
2 stupně
1 stupeň s termokompresí
3 stupně
Měrné spotřeby 1,2,3
Kg páry / twe (kWh)
kWh elektřiny / twe
1200 (960)
10
650 (520)
5
450-550 (400)
5
350-450 (320)
5
červen 2008
269
Kapitola 3
6 stupňů s termokompresí
115-140 (100)
5
1 stupeň s MVR
0-20 (8)
15 á 30
2 stupně s MVR
0-20 (8)
10 á 20
Tepelné čerpadlo
Pozn.:
•
twe: tuna odpařené vody
•
průměrné hodnoty pro různou koncentraci produktu
•
poslední sloupec odpovídá spotřebě pomocných zařízení (čerpadlo, chladící věže apod.)
tabulka 3-29 Druhy odpařováků a měrné spotřeby
Použitelnost
Volba technologie záleží na povaze produktu a koncentrátu. Možná budou nutné testy
proveditelnosti.
Ekonomie
Záleží na jednotlivém případu.
•
úspory nákladů
•
zvýšení objemu produkce a/nebo kvality produktů.
Příklady
ZF Lemforder Mecacentre vyrábí různé díly pro automobilový průmysl. V roce 1998, během
procesu získávání certifikátu ISO 14001 firma instalovala odpařovák MVR kvůli
zakoncentrování mycí vody z čištění dílů. Instalované zařízení zakoncentruje až 120 litrů
odpadních vod za hodinu s příkonem 7,2 kW a umožňuje recyklaci 20 – 25 m3 vyčištěné vody
za měsíc. Zbytkový zakoncentrovaný kapalný odpad se posílá k vhodnému zpracovateli.
Investiční náklady: 91469 EUR
Roční úspory: 76224 EUR
Návratnost: 14 měsíců.
Reference
[26, Neisecke, 2003, 197, Wikipedia, , 201, Dresch, 2006] [243, R&D, 2002]
3.11.3.7
Optimalizace izolace v procesu sušení
Popis
Jako u všech vyhřívaných zařízení se mohou ztráty tepla snížit izolací sušícího systému (viz též
kap. 3.2.11). Druh použité izolace a požadovaná tloušťka záleží na provozní teplotě systému,
sušených materiálech a také na tom, zda se mají odstraňovat i jiné kapaliny než voda a zda je
vodní pára kontaminovaná (např. parami kyselin).
Izolaci je třeba udržovat, protože se může časem narušit vlhkostí nebo chemikáliemi, křehnout,
mechanicky se poškodit. Poškozenou izolaci lze zjistit vizuálně nebo IČ skenováním, viz kap.
2.10.1.
Úspory energie.
Nebyly zjištěny.
Provozní údaje
Tam, kde mohou být horké povrchy v kontaktu s pracovníky, se doporučuje max. teplota 50 oC.
270
červen 2008
Kapitola 3
Izolace může zakrývat úniky a/nebo korozi a je proto nutné provádět pravidelné kontroly.
Použitelnost
Izolace velkých sušících systémů nebo modernizace.
Ekonomie
Je možné ji spočítat pro každý jednotlivý projekt.
Úspory nákladů, ochrana zdraví a bezpečnost
Příklady
Široké použití.
Reference
[265, Tempany, 2008, 268, Whittaker, 2003]
www.pip.org
3.11.4
Sálavé energie
Popis
V případě sálavých energií, jako je infračervené záření (IR), vysokofrekvenční radiace (HF)
a mikrovlny (MW), je energie přenášena sálavým teplem. Všimněte si, že existuje rozdíl mezi
sušením a tvrzením: zatímco sušení vyžaduje urychlení molekul rozpouštědla na hodnotu
latentního odpařovacího tepla nebo vyšší, techniky tvrzení poskytují energii na křížové vazby
(polymerizaci) nebo jiné reakce. O sušení a tvrzení nátěrů se hovoří v dokumentu BREF STS.
Tyto technologie se uplatňují v procesech průmyslové výroby při tepelném zpracování produktů
a jako takové je lze použít i pro procesy sušení. Sálavé energie lze použít buď samostatně nebo
v kombinaci s kondukcí nebo prouděním.
Sálavé energie mají zvláštní charakteristiky umo6ňující úsporu energie v těchto procesech:
•
•
•
•
Přímý přenos energie. Sálavé energie umožňují přímý přenos energie ze zdroje do produktu,
bez použití zprostředkovacích médií. Proto je přenos tepla optimální, především díky tomu,
že se lze vyhnout ztrátám energie ventilačními systémy. Tím lze dosáhnout významných
úspor energie. Například při procesu sušení nátěru se asi 80 % energie odčerpá s odpadními
plyny.
Vysoká hustota energie. Plošná (IR) nebo objemová (HF, MW) hustota energie je v případě
sálavých energií vyšší v porovnání s konvenčními technologiemi, jako je proudění horného
vzduchu apod. To vede k vyšší rychlosti produkce a umožňuje ošetření produktů o vysoké
měrné energii jako jsou některé práškové barvy
Koncentrace energie na určité místo. Energii lze snadno zaměřit na konkrétní část produktu
Pružnost ovládání. Teplotní setrvačnost sálavých energií je nízká a proměny jsou velké.
Energii lze pružně ovládat, což vede k úsporám energie a dobré kvalitě výrobků.
Nejsou známy.
Provozní údaje
Proudění odpadního vzduchu je obvykle daleko nižší, protože vzduch není zprostředkovacím
médiem pro přenos tepla, ale používá se pouze pro extrakci páry nebo jiných rozpouštědel.
Čištění odpadních plynů, pokud je třeba, je proto snazší a méně nákladné.
červen 2008
271
Kapitola 3
Další výhodou je pružnost ovládání. Teplotní setrvačnost je nízká a proměny jsou velké. Energii
lze pružně ovládat, což vede k úsporám energie a dobré kvalitě výrobků.
Další výhody infračerveného záření:
•
•
•
•
Přímé zahřívání: snížení ztrát horkého vzduchu, a tím úspora energie; málo transportu horké
kapaliny nebo žádný
Menší velikost zařízení
Snazší regulace
Možnost dodatečné instalace do závodu.
Další výhody vysoké frekvence (HF) a mikrovln (MW):
•
•
•
•
•
Přímé zahřívání: snížení ztrát horkého vzduchu, a tím úspora energie; málo transportu horké
kapaliny nebo žádný
Ohřátí celého objemu vede k rychlému sušení a menším ztrátám
Selektivní ohřev, především se ohřívá voda
Homogenní zahřívání, pokud je rozměr produktu kompatibilní s vlnovou délkou
Efektivní přenos tepla
Diferenční ohřev heterogenních produktů může vést k nižší kvalitě výroby.
Některé nevýhody infračerveného záření:
•
•
•
Vyšší investice (+20 − 30 %)
Hlavně vhodné pro ploché výrobky nebo výrobky jednoduchého tvaru
Často se nejedná o prioritní volbu konstruktérů
Některé nevýhody vysoké frekvence a mikrovln:
•
•
Vyšší investice (+20 − 30 %)
Často se nejedná o prioritní volbu konstruktérů
Použitelnost
Sálavé energie, především infračervené záření, lze dodatečně instalovat do výrobny nebo
na posílení výrobní linky, ve spojení s prouděním nebo kondukcí.
Bez ohledu na jejich výhody (rychlé působení, kvalita konečných výrobků, úspory energie) není
využívání sálavých energií v průmyslových aplikacích běžné, i když se ví, že jejich potenciál
úspory energie je značný.
Infračervené záření lze využít:
•
•
•
Pro tvrzení nátěrů, inkoustů a laků
Pro sušení papíru, lepenky a textilií
Jako sušící energie v chemickém průmyslu a výrobě plastů
Vysokou frekvenci lze využít:
•
•
Pro sušení masivních (monolitických) výrobků: textilních (cívek drátu), keramických
Pro sušení prášků v chemickém průmyslu
Mikrovlny lze využít:
•
272
Pro sušení masivních (monolitických) výrobků (dřeva nebo v zemědělství) nebo plochých
výrobků
červen 2008
Kapitola 3
•
Pro sušení chemických a farmaceutických výrobků (ve vakuu).
Ekonomie
Investice jsou obecně vyšší (+20 – 30 %) než v případě konvenčních technik.
Sálavé energie vytvářejí kompaktní systémy. Hybnou silou může být nedostatek prostoru.
Sálavé energie lze využít pro posílení stávajících výrobních linek, zejména infračervené záření.
Příklady
Biotex je francouzská továrna na výrobu latexových polštářů. Ty se velmi obtížně suší a musejí
mí obsah vlhkosti <1 %, aby nenastaly problémy při používání. Proudový tunel (se styčnou
tryskou) nezajišťoval dostatečnou kvalitu a spotřebovával spoustu energie. Zavedení
vysokofrekvenčního systému na výstupu z tunelu splnilo požadavky na kvalitu a snížilo
jmenovitou spotřebu energie na polštář o 41 % (primární energie) při 8násobném zkrácení
výrobní doby. Proudový tunel nechává v polštářích 19 až 45 % vlhkosti, vysokofrekvenční
systém dosahuje 1 %. Návratnost zařízení byla 4 roky.
Reference
[204, CETIAT, 2002, 205, ADEME, , 206, ADEME, 2002]
3.11.5
Počítačové řízení procesu/automatizace procesů termálního
sušení
Popis
Ve velkém množství aplikaci obsahujících proces termálního sušení jsou sušárny běžně řízeny
na základě specifikací cílové hodnoty a především empirických údajů (zkušeností
provozovatele). Doba sušení, rychlost průtoku, počáteční obsah vlhkosti, teplota a kvalita
produktu se používají jako řídící parametry. Snímače vlhkosti s lineárními charakteristikami
a nízkými interferencemi při dlouhé době životnosti jsou požadavkem při zjišťování obsahu
vlhkosti. Počítač dokáže tato měření spočítat v reálném čase a porovnat je s cílovými hodnotami
vypočtenými z matematického modelu procesu sušení. To vyžaduje přesné znalosti procesu
sušení a vhodný software. Ovladač mění odpovídající řídící proměnnou porovnáváním
skutečných hodnot s cílovými.
Příklady z různých závodů ukazují, že lze dosáhnout úspory 5 až 10 % v porovnání s použitím
tradičních empirických ovladačů.
Provozní údaje
Použitelnost
Ekonomie
Příklady
červen 2008
273
Kapitola 3
Reference
[207, ADEME, 2000]
274
červen 2008
Kapitola 4
4 NEJLEPŠÍ DOSTUPNÉ TECHNIKY
4.1
Úvod
Pro lepší porozumění této kapitole a jejímu obsahu bychom chtěli vrátit pozornost čtenáře zpět
k předmluvě tohoto dokumentu a zejména pak k textu, který dále citujeme:
Předmluva, část 3 „Relevantní právní závazky Směrnice o IPPC a definice BAT“:
Účelem Směrnice o IPPC je dosáhnout integrované prevence a omezování znečištění, které
vzniká při činnostech uvedených v Příloze I, a tím následně i vysoké úrovně ochrany životního
prostředí jako celku, včetně energetické účinnosti a uvážlivého managementu přírodních zdrojů.
Právní základ Směrnice se týká ochrany životního prostředí. Její implementace by měla brát v
úvahu i ostatní cíle Společenství, jako je konkurenceschopnost průmyslu Společenství a
oddělení růstu od spotřeby energie, jež přispívá k udržitelnému rozvoji. Kapitola Rozsah pak
uvádí další informace o právním základu energetické účinnosti ve Směrnici.
Řečeno konkrétně, Směrnice o IPPC stanoví systém povolování pro určité kategorie
průmyslových zařízení, který vyžaduje, aby jako provozovatelé, tak i regulátoři zaujali
integrovaný, celkový přístup k potenciálu daného zařízení z hlediska spotřeby a znečišťování.
Hlavním cílem takového integrovaného přístupu musí být zlepšování designu, konstrukce,
managementu a řízení průmyslových procesů, které zajistí vysokou úroveň ochrany životního
prostředí jako celku. Jádrem tohoto přístupu je obecný princip uvedený v Článku 3, tj. že
provozovatelé by měli přijmout veškerá vhodná preventivní opatření proti znečištění, zejména
prostřednictvím aplikace nejlepších dostupných technik, které jim umožní zlepšit svůj
environmentální výkon, a to včetně energetické účinnosti.
Termín „nejlepší dostupná techniky“ je definován v Čl. 2 odst. 11 Směrnice.
Příloha IV Směrnice navíc obsahuje seznam „aspektů, které je třeba vzít v úvahu, obecně nebo
v konkrétních případech, při určování nejlepších dostupných technik, kdy se do posouzení
zahrnují pravděpodobné náklady a přínosy určitého opatření a také zásady předběžné opatrnosti
a prevence.“ Tyto aspekty zahrnují i informace publikované Komisí, aby byl splněn Čl. 16 odst.
2.
Předmluva, část 6 „Jak tomuto dokumentu porozumět a jak ho používat“
červen 2008
275
Kapitola 4
Tato kapitola (kap. 4) uvádí techniky, které jsou považovány za kompatibilní s BAT v obecném
smyslu. Účelem je poskytnout obecné poznatky o technikách energetické účinnosti, které lze
považovat za vhodný referenční bod, který pomůže při určování podmínek povolení, jež má
vycházet z BAT, anebo pro zavedení obecných závazných pravidel dle Článku 9 odst. 8. Mělo
by se však zdůraznit, že tento dokument nenavrhuje hodnoty energetické účinnosti pro povolení.
Při určování vhodných podmínek konkrétního povolení se budou brát v úvahu místní, pro
lokalitu specifické faktory, jako jsou technické parametry příslušného zařízení, jeho geografické
umístění a místní environmentální podmínky. V případě existujících (stávajících) zařízení je
rovněž třeba zohlednit ekonomickou a technickou životaschopnost jejich případné modernizace.
prostředí a tato posuzování budou často ovlivňovat místní okolnosti.
Nejlepší dostupné techniky uvedené v této kapitole nebudou nutně vhodné pro všechna zařízení.
Na druhé straně povinnost zajistit vysokou úroveň ochrany životního prostředí včetně
minimalizace dálkového a přeshraničního znečištění znamená, že podmínky povolení nelze
stanovit výhradně na základě místních okolností. Je tedy nanejvýš důležité, aby povolovací
orgány braly informace obsažené v tomto dokumentu plně v úvahu.
Výsledkem integrovaného přístupu a potřeby vyrovnávat mezisložkové vlivy (jak bylo shrnuto
výše) by mělo být to, že energetická účinnost bude v konečném výsledku pro daný závod
posuzována jako celek, tj.:
•
•
•
•
•
Nemusí být nutně možné maximalizovat energetickou účinnost všech činností a/nebo
systémů v rámci závodu současně.
Nemusí být nutně možné jak maximalizovat celkovou energetickou účinnost tak i
minimalizovat ostatní spotřeby a emise (např. nebývá možné snížit emise např. do ovzduší
bez použití energie)
Energetická účinnost jednoho nebo více systémů se někdy musí deoptimalizovat, aby se
dosáhlo celkové maximální účinnosti daného závodu. Viz kap. 1.3.5 a 1.5.1.1.
Je nutné udržovat rovnováhu mezi maximalizací energetické účinnosti a ostatními faktory,
jako je kvalita produktů nebo stabilita procesu.
Využití „odpadního“ nebo nadbytečného tepla a/nebo obnovitelných zdrojů energie může
být udržitelnější než použití primárních paliv, dokonce i když by to bylo s nižší
energetickou účinností.
Techniky energetické účinnosti se tudíž navrhují jako optimalizace energetické účinnosti.
Techniky popsané v této kapitole byly posuzovány prostřednictvím iterativního procesu, který
zahrnoval tyto kroky:
•
•
•
31
Formulování klíčových otázek v oblasti energetické účinnosti v rozsahu dle Směrnice
o IPPC (viz Předmluva a Rozsah)31
Zkoumání technik, které jsou pro řešení těchto klíčových otázek nejvíce relevantní
Zjištění nejlepších dostupných energetických účinností na základě dat dostupných v EU i ve
světě
Rozsah tohoto dokumentu a Směrnice o IPPC a překrývání s ostatní legislativou a politickými závazky
jsou probrány v Předmluvě a Rozsahu. Tento dokument se tudíž nezabývá takovými otázkami, jako je
např. využití obnovitelných zdrojů energie.
276
červen 2008
Kapitola 4
•
•
Zkoumání podmínek, za kterých byly tyto výkony dosaženy, tj. náklady, mezisložkové
vlivy a hlavní hybné síly vedoucí k realizaci uvedených technik
Volba nejlepších dostupných technik (BAT) v obecném smyslu podle Čl. 2, odst. 11 Přílohy
IV Směrnice.
Klíčovou roli hrálo u každého z těchto kroků a ve způsobu, jakým jsou zde informace
prezentovány, odborné posouzení Evropským úřadem pro IPPC a příslušnou technickou
pracovní skupinou (TWG).
Když byla k dispozici data o nákladech, byla uvedena spolu s popisy technik prezentovaných
v předchozích kapitolách. Umožňují přibližnou představu o velikosti případných nákladů.
Skutečné náklady spojené s aplikací dané techniky však budou do značné míry záviset na
konkrétní situaci, např. na daních, poplatcích a technických charakteristikách závodu. Není
možné tyto pro každý závod specifické faktory v tomto dokumentu plně odhadnout. V případě
absence dat o nákladech se závěry týkající se ekonomické životaschopnosti dané techniky
odvozují z poznatků o stávajících instalacích.
Záměrem je, aby se obecné BAT v této kapitole staly referenčním bodem, vůči kterému se bude
posuzovat současný výkon stávajícího závodu nebo projekt nového. Tímto způsobem budou
BAT pomáhat při určování vhodných „z BAT vycházejících“ podmínek pro určitý závod nebo
při stanovování obecně závazných pravidel dle Článku 9 odst. 8 Směrnice o IPPC. Předpokládá
se, že nové závody lze projektovat tak, aby měly výkon na úrovni obecné zde popsané BAT
nebo dokonce lepší. Rovněž se má za to, že stávající závody by se mohly k těmto úrovním
přiblížit anebo je dokonce překonat – v závislosti na technické a ekonomické použitelnosti
konkrétních technik v daném případě.
I když referenční dokumenty o BAT nestanoví právně závazné standardy, i přesto je jejich cílem
poskytovat průmyslu, členským státům i veřejnosti vodítka a informace o dosažitelných
úrovních emisí a spotřeby (včetně energetických účinností) v případě použití popsaných technik
nebo ekvivalentních parametrů a technických opatření (Článek 9, odst. 4). Bude třeba stanovit
přiměřené podmínky pro každý konkrétní případ a brát přitom v úvahu cíle Směrnice o IPPC a
místní okolnosti.
Identifikace horizontálních BAT
Horizontální přístup k energetické účinnosti ve všech sektorech vychází z premisy, že energie se
využívá ve všech závodech a že běžné systémy a vybavení se vyskytují v mnoha sektorech
IPPC. Horizontální možnosti energetické účinnosti lze tudíž identifikovat nezávisle na konkrétní
činnosti. Na tomto základě lze odvodit BAT, která zahrnuje nejúčinnější opatření k dosažení
vysoké úrovně energetické účinnosti jako celku. Protože tento dokument BREF je horizontální,
každou BAT je nutné určit v širším smyslu, než jak je tomu u vertikálních BREFů, tzn. musejí
se zvažovat interakce procesů, jednotek a systémů v rámci daného stanoviště.
Pro daný proces specifické BAT pro energetickou účinnost a související úrovně spotřeby energií
jsou uvedeny v příslušném „vertikálním“ sektorovém dokumentu BREF. Protože první vydání
všech těchto dokumentů již byla dokončena, jsou podrobně shrnuty v Příloze 7.16.
Nejlepší dostupná technika pro konkrétní závod je tudíž kombinací konkrétních prvků z BAT
popsaných v příslušných sektorových BREFech, dále konkrétních BAT pro související činnosti,
které lze najít v ostatních vertikálních dokumentech BREF, a obecně použitelných prvků BAT
uvedených v této kapitole, tedy těch, které jsou obecné pro všechny závody (viz kap. 4.2). BAT
relevantní pro určité systémy, procesy, činnosti nebo vybavení jsou pak popsány v kap. 4.3 (viz
Obr. 4.1).
Ani tato kapitola ani kapitoly 2 a 3 neuvádějí vyčerpávající seznam technik a nástrojů – mohou
existovat nebo se vyvíjet i další techniky, které mohou být v rámci IPPC a BAT stejně vhodné.
červen 2008
277
Kapitola 4
Implementace BAT
Implementace BAT v nových nebo podstatně modernizovaných závodech nebo procesech
obvykle není problém. Ve většině případů má ekonomický smysl energetickou účinnost
optimalizovat. V rámci stávajícího závodu není implementace BAT kvůli existující
infrastruktuře a místním okolnostem zpravidla tak jednoduchá. Je třeba vzít v úvahu
ekonomickou a technickou životaschopnost modernizace těchto závodů (viz Předmluva a níže
uvedený text). Dokument BREF ECM hovoří o následujících faktorech:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
U nových a podstatně modernizovaných závodů míra závazku vůči zvoleným technikám (tj.
bod, ve kterém změny v designu už nelze dále provádět s nákladovou účinností)
Stáří a design zařízení a vybavení
Postavení závodu v jeho investičním cyklu
Složitost procesů a skutečný výběr technik v provozu
Výrobní kapacita, objemy a mix vyráběných produktů
Druh aplikovaných zpracování a požadavky na kvalitu
Dostupný prostor
Náklady, „dostupnost“ a robustnost technik v časovém horizontu, který provozovatel
požaduje
Čas požadovaný k provedení změn v činnostech (včetně strukturálních změn) v rámci
závodu a jak jsou tyto požadavky optimalizovány s požadavky na výrobu
Porovnání nákladů a přínosů u probíhajících environmentálních opatření
Nové a vznikající techniky
Finanční a mezisložkové náklady.
Tento dokument však většinou nerozlišuje mezi novými a stávajícími závody. Takovéto
rozlišení by nepodněcovalo provozovatele průmyslových závodů k přechodu na BAT. Se
zavedením opatření v oblasti energetické účinnosti je zpravidla spojena určitá návratnost a
vzhledem k velkému významu, který se energetické účinnosti přikládá, je k dispozici mnoho
opatření k implementaci této politiky, včetně finančních pobídek. Informace o akčních plánech a
předpisech EU a členských států lze najít v Příloze 7.13.
Některé techniky se aplikují nepřetržitě, jiné v pravidelných intervalech, celé nebo zčásti. Např.
některé úkony v údržbě se provádějí denně, jiné v daný čas, např. opravy zařízení během
odstávky.
Některé techniky jsou velmi žádoucí a zavádějí se často, ale mohou vyžadovat dostupnost a
spolupráci třetí strany (např. kogenerace), kterou Směrnice o IPPC nebere v úvahu.
Pomůcky pro porozumění této kapitole
Při přípravě tohoto dokumentu začalo být zřejmé, že existuje určité pořadí, v jakém je dobré
uvažovat o aplikaci technik a tudíž o BAT. Tato skutečnost se odráží v pořadí kapitol o BAT
i na Obr. 4.1.
První prioritou je volba a provoz klíčových procesů a činností, které se v rámci těchto procesů
vykonávají. Ty jsou probrány ve svých vertikálních dokumentech BREF, které jsou prvním
referenčním bodem.
V některých případech jsou techniky, které lze aplikovat na související činnosti v závodě,
popsány ve zvláštním vertikálním sektorovém dokumentu BREF , např. LCP, WI nebo WT.
Energetická účinnost je však problematika, která jde napříč průmyslem, a existují aspekty,
o kterých se ve vertikálních sektorových BREFech nehovoří anebo které je třeba řešit jednotně
napříč sektory. Právě tato problematika je rozebrána v tomto dokumentu.
Prvním krokem je akční program vycházející ze Systému managementu energetické účinnosti
(ENEMS), o kterém hovoří kap. 4.2.1. Je možné se jím zabývat také v rámci EMS, o kterém se
278
červen 2008
Kapitola 4
zmiňuje vertikální sektorový BREF, EMS lze také aktualizovat nebo lze stávající EMS doplnit
o separátní ENEMS. Konkrétní BAT se aplikují při modernizaci stávajících závodů nebo
přípravě nových.
Kapitoly 4.2.2 až 4.2.9 podporují implementaci určitých částí ENEMS. Obsahují podrobnější
popisy BAT.
Kap. 4.3 obsahuje BAT pro určité společné systémy, procesy, související činnosti nebo
vybavení, jež mají vliv na energetickou účinnost závodu a ve vertikálních dokumentech BREF
se o nich podrobně nehovoří. Je možné, je jsou zjištěny např. během posuzování nějakého
závodu.
V mnoha případech je diskuse předcházejících kapitol shrnuta do dodatečných informací, které
jsou nazvány „Použitelnost“. Zde najde čtenář informace o tom, ve kterých závodech lze danou
BAT aplikovat, složitost této aplikace apod.
červen 2008
279
Kapitola 4
Energetické a s využitím
energie související BAT
z vertikálních BREF
Jsou otázky managementu
energetické účinnosti zahrnuty do
EMS nebo jemu obdobných systémů
řízení?
4.2.1 ENE na úrovni zařízení
BAT 1: ENEMS
Stávající zařízení
(a) závazek nejvyššího managementu
(b) definice politiky energetické účinnosti
(c) plánování a stanovení cílů
(d) implementace a vykonávání postupů
(e) benchmarking
(f) kontrola výkonnosti a výkon nápravných
opatření
(g) revize ENEMS
(j) při projektování nové jednotky brát v úvahu
i vyřazení daného zařízení z provozu na konci
jeho životnosti
Modernizace stávajících či nových zařízení
(k) vývoj technologií energetické účinnosti a
sledování vývoje v oblasti technik energetické
účinnosti
4.2.2 – 4.2.6 ENE na úrovni zařízení
BAT 1(c): Plánování cílů a cílových stavů
BAT 2: neustálé zlepšování environmentální výkonnosti
BAT 3: provedení ENE auditu
BAT 4: audit vede k zjištění ENE aspektů a možností
BAT 5: využití vhodných nástrojů pro BAT 4
BAT 6: zjištění příležitostí k optimalizaci rekuperace energie (včetně
kogenerace)
BAT 7: aplikace systémového přístupu
BAT 11: dosahování ENE integrací procesů
BAT 1(d): Postupy
1) struktura a odpovědnost
2) BAT 13: školení, povědomí, kompetence
3) komunikace
4) zapojení zaměstnanců
5) dokumentace
6) BAT 1d: účinné řízení procesů
7) BAT 15: údržba
8) připravenost na mimořádné a nouzové situace a reakce na ně
9) zajištění plnění legislativy a dohod souvisejících s energetickou
účinností
BAT 1(e): Benchmarking a porovnání
BAT 8: stanovení indikátorů ENE
BAT 9: systematické porovnávání s referenčními hodnotami
(mezníky, benchmarky)
BAT 1(f): Kontrola výkonnosti
1) BAT 16: monitoring a měření
2) nápravná a preventivní opatření
3) vedení záznamů
4) BAT 3 a 4: nezávislý či interní audit
BAT 1(g): Revize ENEMS
BAT 12: Udržení podnětů
BAT 1(k): Vývoj ENE technologií
BAT 7: Aplikace systémového přístupu k ENE
BAT 6: Hledání příležitostí k optimální rekuperaci energie
BAT 10: Energeticky účinný design (EED) včetně vývoje a výběru
ENE technologie
BAT 11: dosahování ENE integrací procesů
Obrázek 4-1: Vztahy mezi BAT v oblasti energetické účinnosti
280
červen 2008
Údaje a techniky z sektorových BREFů pro
související činnosti, např.
LCP pro spalování a páru
Spalovny odpadů pro spalování odpadů
Nakládání s odpady pro úpravu odpadů na paliva
BAT 3: audit ENE
BAT 7: systémový
přístup
4.3 ENE na úrovni systému a činnosti
BAT 17: 4.3.1 Spalování
BAT 18: 4.3.2 Parní systémy
BAT 19: 4.3.3 Využití odpadního tepla
BAT 20: 4.3.4 Kogenerace
BAT 21, 22 a 23: 4.3.5 Dodávka elektrické energie
BAT 24: 4.3.6 Systémy poháněné el. motory
BAT 25: Systémy stlačeného vzduchu
BAT 26: Čerpací systémy
BAT 27: 4.3.10 HVAC (vytápění, ventilace,
klimatizace)
BAT 28: 4.3.11 Osvětlení
BAT 29: 4.3.9 Sušení a separace
Kapitola 4
4.2 Nejlepší dostupné techniky pro dosažení energetické
účinnosti na úrovni podniku (závodu)
Klíčovým prvkem pro dosažení energetické účinnosti na úrovni závodu je přístup managementu
popsaný v BAT 1. Tento přístup podporují i BAT popsané v následujících kapitolách.
4.2.1
Management energetické účinnosti
Řada technik v managementu energetické účinnosti je označena jako BAT. Rozsah (např. míra
podrobností) a charakter Systému Managementu Energetické Účinnosti (Energy Efficiency
Management System – ENEMS) (např. standardizovaný nebo nestandardizovaný) je zpravidla
svázán s druhem, velikostí a složitostí závodu a s požadavky na energii pro jednotlivé složkové
procesy a systémy (viz kap. 2.1):
1.
BAT má realizovat a naplňovat systém managementu energetické účinnosti (ENEMS),
který v sobě podle místních okolností zahrnuje všechny tyto prvky (viz kap. 2.1. Níže
uvedené body (a), (b) atd. odpovídají bodů v kap. 2.1):
(a) závazek nejvyššího managementu (závazek nejvyššího managementu je považován za
nutnou podmínku pro úspěšnou aplikaci systému managementu energetické účinnosti)
(b) definice politiky energetické účinnosti pro daný závod formulovaná nejvyšším
managementem
(c) plánování a stanovování cílů a cílových stavů (viz BAT 2, 3 a 8)
(d) implementace a provoz postupů a procedur, přičemž se zvláštní pozornost věnuje:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
struktuře a odpovědnosti
školení, povědomí a kompetentnosti (viz BAT 13)
komunikaci
zapojení zaměstnanců
dokumentaci
účinnému řízení procesů (viz BAT 14)
programům údržby (viz BAT 15)
připravenosti na mimořádné a nouzové situace a reakci na ně
zajištění plnění legislativy a dohod souvisejících s energetickou účinností (tam, kde
takové dohody existují)
(e) benchmarking: stanovení a posuzování ukazatelů (indikátorů) energetické účinnosti v čase
(viz BAT 8) a systematické a pravidelné porovnávání s mezníky (benchmarks) pro
energetickou účinnost v rámci sektoru, na národní nebo regionální úrovni – tam, kde jsou
k dispozici verifikovaná data (viz kap. 2.1 (e), 2.16 a BAT 9)
(f) kontrola a nápravná opatření, přičemž se zvláštní pozornost věnuje:
1)
2)
3)
4)
monitoringu a měření (viz BAT 16)
nápravným a preventivním opatřením
vedení záznamů
provádění nezávislých interních auditů (tam, kde je lze provádět), aby se zjistilo, zda
systém managementu energetické účinnosti splňuje to, co bylo v této oblasti
naplánováno, a zda je řádně zaveden a vykonáván (viz BAT 4 a 5)
(g) revize systému managementu (ENEMS) prováděná nejvyšším managementem – zda je
systém i nadále vhodný, adekvátní a efektivní
červen 2008
281
Kapitola 5
(h) viz další rysy prohlášení o energetické účinnosti a externí verifikace (níže)
(i) viz další rysy prohlášení o energetické účinnosti a externí verifikace (níže)
(j) již při projektování nové jednotky brát v úvahu i vyřazení daného zařízení z provozu na
konci jeho životnosti
(k) vývoj technologií energetické účinnosti a sledování vývoje v oblasti technik energetické
účinnosti.
Systému ENEMS může být dosaženo, když se zajistí, aby tyto prvky tvořily součást stávajícího
systému managementu (např. EMS), nebo realizací separátního systému managementu
Za podpůrná opatření jsou považovány ještě další tři kroky. I když mají svoje výhody, i bez nich
může být systém považován za BAT. Tyto tři dodatečné kroky jsou:
•
•
•
(viz kap. 2.1 (h)) příprava a publikování (a pokud možno i externí validace) pravidelných
prohlášení o energetické účinnosti, které popisují všechny významné environmentální
aspekty závodu a umožňují každoroční porovnávání s environmentálními cíli a cílovými
stavy i s mezníky (benchmarks) v rámci sektoru
(viz kap. 2.1 (i)) přezkoumání a validace systému managementu a postupů auditu
akreditovaným certifikačním orgánem nebo externí verifikační autoritou pro ENEMS
(viz kap. 2.1, Použitelnost, 2) implementace a dodržování národně nebo mezinárodně
přijatých dobrovolných systémů, jako je:
DS2403, IS 393, SS627750, VDI Richtlinie č. 46, atd.
Nebo ((pokud je management energetické účinnosti začleněn do EMS) EMAS a
EN ISO 14001 : 1996. Tento dobrovolný krok by mohl dát větší důvěryhodnost
sytému ENEMS. I nestandardizované systémy však mohou být stejně efektivní za
předpokladu, že jsou řádně navrženy a implementovány.
Použitelnost: všechny závody. Rozsah (např. míra podrobností) a charakter aplikace ENEMS
bude záviset na druhu, velikosti a složitosti závodu a na požadavcích na energii pro jednotlivé
složkové procesy a systémy.
4.2.2
Plánování a stanovování cílů a cílových stavů
4.2.2.1 Kontinuální zlepšování v environmentální oblasti
Důležitým aspektem systémů environmentálního managementu je kontinuální zlepšování
v oblasti životního prostředí. To vyžaduje, aby byla v závodě rovnováha mezi spotřebou
energie, surovin a vody a emisemi (viz kap. 1.1.6 a 2.2.1). Při plánovaném kontinuálním
zlepšování je také možné dosáhnout nejlepšího poměru nákladů a výnosů v energetických
úsporách a dalších environmentálních přínosech.
2.
BAT má kontinuálně minimalizovat vliv závodu na životní prostředí, a to
prostřednictvím plánovaných integrovaných akcí a investic v krátkodobém,
střednědobém a dlouhodobém horizontu, přičemž je třeba brát v úvahu poměr
nákladů a výnosů a mezisložkové vlivy.
Použitelnost: všechny závody.
„Kontinuálně“ znamená, že akce se v průběhu času opakují, tj. všechna plánovací a investiční
rozhodnutí by měla brát v úvahu celkový dlouhodobý cíl, kterým je snížení vlivů provozu na
životní prostředí. Může to znamenat, že bude třeba se vyhnout některým krátkodobým akcím,
aby se dostupné investice lépe využily v dlouhodobém horizontu, např. změny v klíčových
procesech mohou znamenat více investic a jejich implementace může trvat déle, ale přinesou
větší snížení energetické náročnosti a emisí (viz příklady v kap. 2.2.1).
282
červen 2008
Kapitola 4
Environmentální přínosy nemusejí být nutně lineární, např. každoročně 2 % energetických
úspor po dobu 10 let. Mohou být nárazové a odrážet aktuální investice do energetických
projektů apod. (viz kap. 2.2.1). Mohou nastat i mezisložkové vlivy – možná bude nutné zvýšit
spotřebu elektrické energie, aby se snížilo vypouštění určité znečišťovací látky do ovzduší.
Vlivy na životní prostředí nelze nikdy snížit na nulu a v čase se jednou dospěje do bodu, kdy
další akce již nepřinesou téměř žádné úspory a přínosy. Během delšího období se však mohou
změnit technologie i náklady (např. ceny energií) a tím i životaschopnost.
4.2.2.2 Zjišťování aspektů energetické účinnosti v závodě a příležitostí
k úsporám energie
Aby bylo možné optimalizovat energetickou účinnost, je třeba identifikovat a kvantifikovat (viz
kap. 2.11) ty aspekty provozu v daném závodě, které mají na energetickou účinnost vliv. Poté
lze energetické úspory zjistit, vyhodnotit, stanovit priority a implementovat dle BAT 2 (viz kap.
2.1 (c)).
3.
BAT má identifikovat ty aspekty provozu v závodě, které ovlivňují energetickou
účinnost, a to provedením auditu, je důležité, aby audit byl v souladu se systémovým
přístupem (viz BAT 7).
Použitelnost: všechny stávající závody, a také závody před plánovanou modernizací nebo
přestavbou. Audit může být interní nebo externí.
Rozsah a charakter auditu (např. míra podrobností, doba mezi audity) bude záležet na
charakteru, velikosti a složitosti závodu a na spotřebě energie u složkových procesů a systémů
(viz kap. 2.8), např.:
- U velkých závodů s mnoha systémy a jednotlivými komponenty, které spotřebovávají
energie (např. motory), bude nutné stanovit priority ve sběru dat a zaměřit se na nutné
informace a nejvýznamnější způsoby používání energie.
- U menších závodů může postačovat audit, při němž se celý závod jednoduše projde.
První energetický audit v závodě se může také nazývat energetickou diagnózou.
4.
Při provádění auditu má BAT zajistit, aby se při tomto auditu zjistily následující
aspekty (viz kap. 2.11):
(a) druh energie a způsoby jejího využívání v závodě a v jeho složkových systémech a
procesech
(b) zařízení používající energii, druh a množství této energie používané v závodě
(c) možnosti minimalizace použité energie, např.:
1)
2)
3)
řízení/zkracování doby provozu, např. vypínání v době, kdy se zařízení nepoužívá
(viz kap. 3.6, 3.7, 3.8, 3.9 a 3.11)
zajištění optimální izolace, viz např. kap. 3.1.7, 3.2.11 a 3.11.3.7
optimalizace médií a služeb spojených se systémy a procesy (viz kap. 3)
(d) možnosti využití alternativních zdrojů nebo využití energie, která je účinnější, obzvláště
energie navíc z jiných procesů a/nebo systémů, viz kap. 3.3.
(e) možnosti aplikovat energii, která je v procesu navíc, do jiných procesů nebo systémů, viz
kap. 3.3
(f) možnosti zvýšení kvality tepla (viz kap. 3.3.2).
červen 2008
283
Kapitola 5
Použitelnost: všechny závody. Rozsah (např. míra podrobností) a charakter budou záviset na
druhu, velikosti a složitosti závodu a na spotřebě energie v jednotlivých složkových procesech a
systémech.
Příklady některých technik směřujících k optimalizaci systémů a procesů jsou uvedeny
v příslušných podkapitolách kapitoly 3.
5.
BAT má využívat vhodné nástroje nebo metodiky, které pomohou identifikovat a
kvantifikovat optimalizaci energie. Takovými nástroji jsou např.:
1)
2)
3)
Energetické modely, databáze a bilance (viz kap. 2.15)
Technika, jako je např. technologie PINCH (viz kap. 2.12), analýza exergie nebo
entalpie (viz kap. 2.13) nebo tzv. termo-ekonomie (viz kap. 2.14)
Odhady a výpočty (viz kap. 1.5 a 2.10.2).
Použitelnost: v každém sektoru. Volba vhodného nástroje nebo nástrojů bude záviset na sektoru,
velikosti, složitosti a použité energii v daném závodě. Volba bude specifická pro každou lokalitu
a je popsána v každé příslušné kapitole.
6.
BAT má zjišťovat příležitosti k optimalizaci získávání energie v rámci závodu, mezi
systémy (viz BAT 7) a/nebo s třetí stranou (nebo stranami), jak je např. popsáno
v kap. 3.2, 3.3 a 3.4.
Použitelnost: Rozsah získávání energie závisí na tom, zda existuje vhodné využití pro daný druh
a množství získávaného tepla (viz kap. 3.3 a 3.4 a Přílohy 7.10.2 a 7.10.3). Systémový přístup je
popsán v kap. 2.2.2 a BAT 7). Příležitosti lze zjišťovat v různou dobu, např. jako výsledek auditů
nebo jiných šetření, při přípravě modernizace nebo nového závodu anebo při změně místní
situace (např. u nedaleké činnosti bylo zjištěno teplo navíc, které lze využít).
Spolupráce a dohoda třetí strany nemusejí být nutně pod kontrolou provozovatele a tudíž ani
v dosahu povolení IPPC. V mnoha případech těmto dohodám pomohly orgány veřejné správy
nebo jsou touto třetí stranou právě tyto orgány.
4.2.2.3 Systémový přístup k energetickému managementu
Největších přínosů lze v energetické účinnosti dosáhnout tím, že se na závod bude pohlížet jako
na celek a budou se posuzovat potřeby a využití různých systémů, jejich navazující energie a
jejich vzájemné interakce (viz kap. 1.3.5, 1.4.2 a 2.2.2).
7.
BAT má optimalizovat energetickou účinnost pomocí systémového přístupu
k energetickému managementu v závodě. Systémy, které je třeba při optimalizaci
zvažovat jako celek, jsou např.:
•
•
Procesní jednotky (viz sektorové dokumenty BREF)
Ohřívané systémy, jako je:
pára (viz kap. 3.2)
horká voda
Chlazení a vakuum (viz BREF CV)
Systémy poháněné motory, jako jsou
Stlačený vzduch (viz kap. 3.7)
Čerpání (viz kap. 3.8)
Osvětlení (viz kap. 3.10)
Sušení, separace a zahušťování (viz kap. 3.11)
•
•
•
•
•
•
284
červen 2008
Kapitola 4
Použitelnost: všechny závody. Rozsah (např. míra podrobností, frekvence optimalizací, systémy,
které je třeba zvažovat vždy) a charakter aplikování této techniky bude záviset na faktorech,
jako je charakter, rozsah a složitost závodu, požadavky složkových procesů a systémů na energii
a na samotných technikách vhodných k aplikaci.
4.2.2.4 Vytýčení a revidování cílů a ukazatelů v oblasti energetické účinnosti
Pro dosažení a udržení energetické účinnosti mají zásadní význam kvantifikovatelné,
zaznamenané cíle. Oblasti možného zlepšení se zjišťují při auditu (viz BAT 3). Je třeba stanovit
ukazatele, jejichž pomocí se opatření na poli energetické účinnosti posoudí. U zpracovatelských
odvětví se jedná především o ukazatele spojené s výkonem produkce nebo služeb (např. GJ/tunu
produktů, viz kap. 1.3), měrnou spotřebu energie (SEC). Tam, kde nelze stanovit jediný
energetický cíl (jako např. SEC), anebo tam, kde to pomůže, může se posuzovat účinnost
jednotlivých procesů, jednotek nebo systémů. Ukazatele pro různé procesy jsou většinou
uvedeny v příslušných sektorových dokumentech BREF (přehled je k dispozici v Příloze 7.16).
Parametry produkce (jako např. míra produkce, druh produkce) se různě proměňují a mohou tak
ovlivňovat měřenou energetickou účinnost. Měly by se zaznamenávat, aby se kolísání vysvětlilo
a aby se zajistilo, že energetická účinnost se bude realizovat pomocí aplikovaných technik (viz
kap. 1.4 a 1.5). Využívání a přenosy energie mohou být komplikované a hranice posuzovaného
závodu nebo systému je třeba stanovit pečlivě, na základě celistvých systémů (viz kap. 1.3.5 a
1.4.2 a BAT 7). Energie by se měla počítat na základě primární energie nebo druhů použití
energie, které byly vyjádřeny jako sekundární energie pro různá média (např. procesní teplo
jako využití páry v GJ/t, viz kap. 1.3.6.1).
8.
BAT má stanovit ukazatele energetické účinnosti tím, že provede všechny následující
kroky:
(a) stanovení vhodných ukazatelů energetické účinnosti pro závod a v případě potřeby i pro
jednotlivé procesy, systémy a/nebo jednotky a měření jejich změn v čase nebo po zavedení
opatření v oblasti energetické účinnosti (viz kap. 1.3 a 1.3.4)
(b) stanovení a zaznamenání vhodných hranic ve spojení s každým ukazatelem (viz kap. 1.3.5 a
1.5.1)
(c) zjištění a zaznamenání faktorů, které mohou způsobovat kolísání energetické účinnosti
příslušného procesu, systémů a/nebo jednotek (viz kap. 1.3.6 a 1.5.2)
Použitelnost: všechny závody. Rozsah (např. míra podrobností) a charakter aplikování této
techniky budou záviset na druhu, velikosti a složitosti závodu a na spotřebě energie v
jednotlivých složkových procesech a systémech.
Sekundární (nebo finální) energie se obvykle používá k monitoringu probíhajících situací.
V některých případech může být nejjednodušší použít více než jeden ukazatel sekundární
energie, např. v průmyslu papíru a celulózy, kde se jak elektřina, tak i pára uvádějí jako
společné ukazatele energetické účinnosti. Při rozhodování o použití (nebo změně) vektorů
energie a médií může být jedním z použitých energetických ukazatelů také sekundární (finální)
energie. Lze však použít i jiné ukazatele, jako např. primární energii nebo bilanci uhlíku a vzít
tak v závislosti na místních okolnostech v úvahu i výrobu sekundární energie a mezisložkové
vlivy (kap. 1.3.6.1).
červen 2008
285
Kapitola 5
4.2.2.5 Benchmarking
Benchmarking je účinný nástroj pro posuzování výkonu zařízení nebo závodu a efektivnosti
opatření v oblasti energetické účinnosti, ale pomáhá překonat i určitou „slepotu“ paradigmat32.
Data lze najít v sektorových BREFech, dokumentech obchodních asociací nebo různých
souvisejících národních dokumentech, v teoretických výpočtech energie pro procesy apod. data
by měla být srovnatelná a někdy mohou potřebovat korekci, např. pro druh vstupní suroviny.
Může být důležitá i důvěrnost dat, např. tam, kde je spotřeba energie významnou součástí
nákladů na produkci, i když je zpravidla možné data chránit (viz kap. 2.16). Viz též stanovení
ukazatelů energie v BAT 8.
Benchmarking lze také aplikovat na procesy a pracovní postupy (viz kap. 2.5 a 2.16).
9.
BAT má provádět systematická a pravidelná srovnání s mezníky (benchmarks)
v rámci sektoru, na národní i mezinárodní úrovni – tam, kde jsou k dispozici
validovaná data.
Použitelnost: všechny závody. Míra podrobností bude záviset na druhu, velikosti a složitosti
závodu a na spotřebě energie v jednotlivých složkových procesech a systémech. Možná bude
třeba řešit otázku důvěrnosti dat (viz kap. 2.16): např. výsledky benchmarkingu by mohly zůstat
důvěrné. Validovaná data jsou data v dokumentech BREF nebo data verifikovaná třetí stranou.
Období mezi jednotlivými benchmarkingy jsou v každém sektoru jiná a zpravidla dlouhá (tj.
roky), protože v krátkém čase se benchmarkingová data rychle nebo výrazně změní jen ve
výjimečných případech.
4.2.3
Fáze plánování nového závodu, jednotky nebo systému anebo jejich výrazné modernizace je
příležitostí k úvaze nad náklady na energie za celou dobu životnosti procesů, zařízení, vybavení
a systémů médií a k výběru energeticky nejúčinnější varianty s nejnižšími náklady za celou
dobu životnosti (viz kap. 2.1 (c)).
10. BAT má optimalizovat energetickou účinnost při plánování nových závodů, jednotek
nebo systémů nebo při jejich podstatné modernizaci (viz kap. 2.3), a to tak, že se
vezmou v úvahu všechny následující aspekty:
(a) energetický účinný design (EED) by se měl iniciovat již v počátečních fázích koncepční a
projektové práce, dokonce i když plánované investice nejsou ještě dobře definovány. EED
je také třeba vzít v úvahu při výběrových řízeních.
(b) Vývoj a/nebo výběr energeticky účinných technologií (viz kap. 2.1 (k) a 2.3.1)
(c) Možná bude třeba provést další sběr dat, v rámci projektu nebo odděleně, aby se doplnila
existující data nebo se vyplnily mezery ve znalostech
(d) Práci na EED by měl provádět odborník na energetiku
(e) Počáteční mapování spotřeby energie by také mělo odpovědět na otázku, které strany
zúčastněné na projektu ovlivní budoucí spotřebu energie. Energeticky účinný design
budoucího závodu by se měl optimalizovat s nimi. Např. zaměstnanci ve (stávajícím)
závodě, kteří by mohli být odpovědní za specifikování parametrů designu.
32
Slepota paradigmat je termín používaný při popisu jevu, ke kterému dochází, když jedno dominantní
paradigma člověku brání vidět životaschopné alternativy, tj. „způsob, jakým to děláme, je nejlepší,
protože jsme to tak dělali odjakživa“.
286
červen 2008
Kapitola 4
Použitelnost: Všechny nové a podstatně modernizované závody, významné procesy a systémy.
Tam, kde není k dispozici vlastní odborník na energetiku (např. v energeticky méně náročných
oborech), měl by se vyhledat externista (viz kap. 2.3).
4.2.4
Vyšší integrace procesů
Usilování o větší integraci procesů přináší i další výhody, např. optimalizaci využití surovin.
11. BAT má usilovat o optimální využívání energií mezi více než jedním procesem nebo
systémem (viz kap. 2.4), v rámci závodu nebo s třetí stranou.
Použitelnost: všechny závody. Rozsah (např. míra podrobností) a charakter aplikace této
techniky bude záviset na druhu, velikosti a složitosti závodu a na požadavcích na energii pro
jednotlivé složkové procesy a systémy.
Spolupráce a dohoda třetí strany nemusejí být nutně pod kontrolou provozovatele a tudíž ani
v dosahu povolení IPPC. V mnoha případech těmto dohodám pomohly orgány veřejné správy
nebo jsou touto třetí stranou právě tyto orgány.
4.2.5
Dlouhodobé udržení podnětů a pobídek pro iniciativy v oblasti
Pro úspěšné dosažení trvalého zlepšování energetické účinnosti je nutné dlouhodobě udržovat
podněty a pobídky v rámci programů energetické účinnosti (viz kap. 2.5).
12. BAT má dlouhodobě udržovat podněty a pobídky v rámci programů energetické
účinnosti, a to pomocí mnoha technik, např.:
(a) zavedením konkrétního systému managementu energetické účinnosti (viz kap. 2.1 a
BAT 1)
(b) Zohlednění množství používané energie na základě skutečných (naměřených) hodnot. Tím
přechází břímě odpovědnosti za energetickou účinnost na uživatele, resp. plátce účtů (viz
kap. 2.5, 2.10.3 a 2.15.2).
(c) Vytvoření center finančního zisku z energetické účinnosti (viz nový text, který bude
připojen ke kap. 2.5)
(d) Benchmarking (viz kap. 2.16 a BAT 9)
(e) Nový pohled na stávající systémy, např. využití tzv. přístupu „Operational Excellence“ (viz
kap. 2.5)
(f) Využití technik patřících do managementu změn (rovněž souvisí s přístupem „Operational
Excellence“, viz kap. 2.5).
Použitelnost: všechny závody. Možná bude vhodné použít jednu techniku nebo několik technik
společně. Rozsah (např. míra podrobností) a charakter aplikace této techniky bude záviset na
druhu, velikosti a složitosti závodu a na spotřebě energie pro jednotlivé složkové procesy a
systémy. Techniky (a), (b) a (c) se aplikují a udržují podle informací v příslušných kapitolách.
Interval mezi aplikacemi technik (d), (e) a (f) by měl být dostatečně dlouhý, aby umožňoval
pokrok v posuzovaném energetickém programu, tj. několik let.
červen 2008
287
Kapitola 5
4.2.6 Péče o zachování odbornosti
Pro implementaci a kontrolu managementu energetické účinnosti jsou třeba lidské zdroje a
zaměstnanci, kteří mohou oblast energetiky ovlivňovat, by měli projít školením (viz kap. 2.1 (d)
(i) a (ii) a kap. 2.6).
13. BAT má pečovat o zachování odbornosti v energetické účinnosti a v systémech
používajících energii, a to pomocí např. těchto technik:
(a) Náborem a/nebo proškolením stálých zaměstnanců. Školení mohou provádět vlastní
zaměstnanci nebo externisté, nebo mohou probíhat formální kursy nebo samostudium (viz
kap. 2.6)
(b) Pravidelným zařazováním pracovníků na akce, při nichž provádějí konkrétní šetření nebo
šetření za pevně stanovených podmínek (ve svém původním závodě nebo v jiném, viz kap.
2.5)
(c) Sdílením společných firemních zdrojů mezi stanovišti/závody (viz kap. 2.5)
(d) Využitím konzultantů s vhodnými zkušenostmi k šetření za pevně stanovených podmínek
(viz např. kap. 2.11)
(e) Outsourcingem specializovaných systémů a/nebo funkcí (viz Příloha 7.12).
Použitelnost: všechny závody. Rozsah (např. míra podrobností) a charakter aplikace těchto
technik budou záviset na druhu, velikosti a složitosti závodu a na požadavcích na energii pro
4.2.7 Účinné řízení procesů
14. BAT má zajistit zavedení účinného řízení procesů, a to např. pomocí těchto technik:
1)
2)
3)
mít zavedené systémy, které zajistí, aby všechny postupy byly známy, chápány a
dodržovány (viz kap. 2.1 (d) (vi) a 2.5)
zajistit, aby klíčové parametry výkonu byly identifikovány, optimalizovány na
energetickou účinnost a monitorovány (viz kap. 2.8 a 2.10)
zdokumentovat nebo zaznamenávat tyto parametry (viz kap. 2.1 (d) (vi), 2.5, 2.10 a
2.15).
Použitelnost: všechny závody. Rozsah (např. míra podrobností) a charakter aplikace těchto
technik budou záviset na sektoru, druhu, velikosti a složitosti závodu a na požadavcích na
energii pro jednotlivé složkové procesy a systémy.
4.2.8 Údržba
Strukturovaná údržba a opravy zařízení používajících energii a řídících zařízení při nejbližší
možné příležitosti mají pro dosažení a udržení účinnosti zásadní význam (viz kap. 2.1 (d) (vii),
2.9 a BAT 1).
15. BAT má provádět údržbu v závodech s cílem optimalizovat energetickou účinnost, a
to pomocí všech následujících technik:
288
červen 2008
Kapitola 4
a) jasné přidělení odpovědnosti za plánování a provádění údržby
b) zavedení strukturovaného programu údržby na základě technických popisů zařízení,
norem atd. i na základě závad na zařízeních a jejich důsledcích. Některé činnosti
údržby je vhodné plánovat na dobu odstávky zařízení
c) podpora programu údržby vhodným systémem vedení záznamů a diagnostickým
testováním
d) při běžné údržbě, poruchách a/nebo nestandardních stavech zjišťovat možné ztráty
energetické účinnosti nebo místa, kde lze tuto účinnost zlepšovat
e) zjišťování úniků, rozbitého zařízení, opotřebovaných ložisek atd., které ovlivňují nebo
kontrolují používání energie a napravení situace při nejbližší možné příležitosti.
techniky budou záviset na druhu, velikosti a složitosti závodu a na požadavcích na energii pro
jednotlivé složkové procesy a systémy. Provádění urychlené údržby musí být v rovnováze se
zachováním kvality produktů a stability procesů a také s otázkami ochrany zdraví a bezpečnosti
při provádění oprav na zařízení, které je v provozu (může se týkat přesunů zařízení, vysokých
teplot apod.).
4.2.9 Monitoring a měření
Monitoring a měření jsou základní součástí kontroly v systému PDCA (plan-do-check-act, tj.
plán-provedení-kontrola-akce) i systému managementu energetické účinnosti (kap. 2.1). Jsou
též součástí účinného řízení procesů (viz BAT 14).
16. BAT má zavést a udržovat zdokumentované postupy, jejichž cílem je pravidelné
měření a monitoring nejdůležitějších charakteristik operací a činností, které mohou
mít výrazný vliv na energetickou účinnost. Některé vhodné techniky jsou uvedeny
v kap. 2.10.
techniky budou záviset na druhu, velikosti a složitosti závodu a na požadavcích na energii pro
červen 2008
289
Kapitola 5
4.3 Nejlepší dostupné techniky pro dosažení energetické
účinnosti v systémech, procesech, zařízeních nebo
činnostech používajících energii
Úvod
Kapitola 4.2.2.3 a BAT 7 hovoří o tom, jak je důležité pohlížet na závod jako na celek a
posuzovat potřeby a účely různých systémů, jejich souvisejících energií a jejich vzájemných
interakcí. BAT 7 uvádí příklady systémů, které lze v průmyslových podnicích běžně najít.
V kapitole 4.2 jsou BAT, které lze aplikovat zpravidla na všechny systémy, procesy a navazující
činnosti. Zahrnují:
•
•
•
•
Analýzu a benchmarking systému a jeho výkonu (BAT 1, 3, 4, 8, 9)
Plánování akcí a investic s cílem optimalizovat energetickou účinnost s ohledem na poměr
nákladů a výnosů a na mezisložkové vlivy (BAT 2)
U nových systémů optimalizaci energetické účinnosti při projektování závodu, jednotky
nebo systému a při výběru procesů (BAT 10)
U stávajících systémů optimalizaci energetické účinnosti systému prostřednictvím jeho
provozování a managementu, včetně pravidelného monitoringu a údržby (např. BAT 14, 15
a 16).
BAT prezentované v této kapitole tudíž předpokládají, že v níže popsaných systémech jsou již
aplikovány i tyto obecné BAT jako součást jejich optimalizace.
4.3.1 Spalování
Spalování je široce používaný proces jak pro přímé ohřívání (např. ve výrobě cementu a vápna
nebo oceli) tak pro ohřívání nepřímé (např. pohon systému parních kotlů nebo výroba
elektřiny). Techniky energetické účinnosti při spalování jsou tudíž řešeny v příslušných
sektorových dokumentech BREF. Pro ostatní případy, jako je např. spalování v navazujících
činnostech, je Rozsahu v dokumentu BREF LCP uvedeno:
„... menší jednotky mohou být potenciálně připojeny k zařízení, přičemž se postaví jedna větší
instalace, která převyšuje 50 MW. To znamená, že všechny druhy konvenčních elektráren,
tepláren a podobných zařízení (kotlů, zařízení KVET, městských tepláren atd.), které se
používají kvůli mechanické energii a výrobě tepla, jsou popsány v tomto dokumentu (BREF
LCP).“
17. BAT má optimalizovat energetickou účinnost spalování pomocí relevantních technik,
jako jsou:
• Techniky specifické pro jednotlivé sektory a popsané v příslušných vertikálních
dokumentech BREF
• Techniky uvedené v Tabulce 4.1
Předsušení - lignit
Zplyňování uhlí
290
Techniky pro sektory a navazující činnosti, u nichž není spalování popsáno ve
vertikálním BREFu
Techniky v dok. BREF LCP podle druhu paliva Techniky v dok. BREF ENE,
Podle kapitol v BREF LCP – červenec 2006
podle kapitol v tomto
dokumentu
Uhlí a
Biomasa
Kapalná
Plynná
lignit
a rašelina
paliva
paliva
4.4.2
4.1.9.1,
4.4.2
a
červen 2008
Kapitola 4
7.1.2
Sušení - palivo
5.1.2,
5.4.2
5.4.4
5.4.2
7.1.2
5.4.2
5.4.4
Zplyňování
biomasy
Lisování kůry
Expanzní turbína
k získávání
energie
stlačeného plynu
Kogenerace
Moderní
počítačem řízené
podmínky
spalování
pro
snížení emisí a
pro výkon kotle
Využití tepla
obsaženého ve
spalinách u
městského
vytápění
Nízký nadbytečný
vzduch
Snížení
teplot
odpadních plynů
4.5.5,
6.1.8
4.2.1,
4.2.1.9,
4.4.3
4.5.4
5.3.3
5.5.4
5.5.3
4.5.5
6.1.8
6.2.1,
6.2.1.1
6.4.2
6.5.3.1
5.4.7
6.4.2
6.4.5
7.1.1,
7.1.2,
7.4.1
7.5.1
7.1.6,
7.5.2
7.4.2
7.5.2
Kogenerace (3.4)
4.4.3
4.4.3
4.4.6
4.4.3
6.4.2
7.4.3
Snížení hmotnostního toku
spalin snížením nadbytečného
vzduchu (3.1.3)
Snížení teploty spalin podle
(3.1.1)
• Zvýšení přenosu tepla do
procesu buď zvýšením
míry přenosu tepla nebo
zvýšením či zlepšením
povrchů přenosu tepla
• Dimenzování na max.
výkon plus vypočtený
bezpečnostní faktor pro
příplatky
• Získávání
tepla
připojením
dalšího
procesu (např. výroba
páry
pomocí
ekonomizéru) pro získání
odpadního tepla ze spalin
• Instalace
předehřívače
vzduchu nebo vody (viz
3.1.1) nebo předehřívání
paliva výměnou tepla se
Procesy mohou vyžadovat
předehřátí vzduchu, když
je třeba vysoká teplota
plamene (sklo, cement
atd.)
• Čištění povrchů přenosu
tepla, které se zanášejí
popelem
nebo
uhlík.
částicemi pro zachování
vysoké účinnosti přenosu
tepla. Pravidelně pracující
červen 2008
291
Kapitola 5
systém odstraňování sazí
může udržet tyto zóny
čisté. Čištění povrchů, kde
dochází k přenosu tepla,
se
v zóně
spalování
provádí
většinou
prostřednictvím
pravidelné kontroly a
odstávky, ale v některých
případech
(např.
v rafinériích) lze čištění
provádět nepřetržitě.
Nízká
koncentrace CO
ve spalinách
Akumulace tepla
Vypouštění
chladící věže
Různé techniky
pro
chladící
systém
(viz
BREF CV)
Předehřátí
palivového plynu
odpadním teplem
Předehřátí
vzduchu
spalování
4.4.3
6.4.2
4.4.3
6.4.2
6.4.2
4.4.3
6.4.2
7.4.2
7.4.2
7.4.2
pro
Rekuperační
a
regenerační
hořáky
Regulace
a
kontrola hořáku
Volba paliva
Oxy-hoření (oxypalivo)
Snížení ztrát tepla
izolací
Snížení
ztrát
prostřednictvím
dveří pece
Spalování
na
fluidním loži
Snížení teploty spalin (3.1.1)
Předehřátí
paliva
výměnou
tepla
se
spalinami (3.1.1). Procesy
mohou
vyžadovat
atd.)
Snížení teploty spalin (3.1.1)
• Instalace
předehřívače
vzduchu
nebo
předehřívání
paliva
výměnou
tepla
se
Procesy mohou vyžadovat
atd.)
3.1.2
•
3.1.4
Pozor! Použití jiného než
fosilního paliva může být
udržitelnější, dokonce i když je
energetická účinnost nižší
3.1.6
3.1.7
3.1.8
4.1.4.2
5.2.3
tabulka 4-1 Techniky spalovacího systému určené ke zvyšování energetické účinnosti
292
červen 2008
Kapitola 4
4.3.2 Parní systémy
Pára je široce používaným médiem pro transport tepla díky své netoxičnosti, stabilitě, nízkým
nákladům a vysoké tepelné kapacitě a také flexibilitě v použití. Účinnost využití páry se často
opomíjí, protože není snadné ji měřit jako tepelnou účinnost kotle. Lze ji určit pomocí nástrojů,
jako je např. BAT 5, ve spojení s vhodným monitoringem (viz kap. 2.10).
18. BAT pro parní systémy má optimalizovat energetickou účinnost pomocí technik, jako
jsou např.:
• Techniky specifické pro jednotlivé sektory a popsané v příslušných vertikálních
dokumentech BREF
• Techniky uvedené v Tabulce 4.2.
Techniky pro sektory a navazující činnosti tam, kde parní systémy nejsou probrány ve vertikálním
dokumentu BREF
Techniky podle kapitol v BREFu ENE
Přínosy
Kapitola
DESIGN
Energeticky účinný design a instalace parního Optimalizace úspor energií
2.3
distribučního potrubí
Škrtící zařízení a využití protitlaké turbíny (použití Poskytuje účinnější metodu
protitlaké turbíny místo redukčních ventilů
snižování tlaku páry pro
nízkotlaké služby
Lze aplikovat, když velikost a
ekonomika hovoří pro využití
turbíny
PROVOZ A ŘÍZENÍ
Zlepšení provozních postupů a řízení provozu kotlů
Optimalizace úspor energií
3.2.4
Využití sekvenčního (následného) řízení kotlů (platí Optimalizace úspor energií
3.2.4
pro závody s více než jedním kotlem)
Instalace izolačních tlumičů u spalin (platí pro závody Optimalizace úspor energií
3.2.4
s více než jedním kotlem)
VÝROBA
Předehřívání napájecí vody pomocí:
Získává se dostupné teplo ze 3.2.5
spalin a přesouvá se zpět do 3.1.1
• Odpadního tepla např. z procesu
systému tím, že předehřívá
• Ekonomizérů prostřednictvím spalovacího
napájecí vodu.
vzduchu
• Odvzdušněné napájecí vody k ohřívání
kondenzátu
• Kondenzací páry používané k oddělení
lehkých podílů a zároveň ohříváním napájecí
vody do odvzdušňovače pomocí výměníku
tepla
Prevence a odstraňování usazenin vodního kamene Posílení účinného přenosu 3.2.6
na povrchu, kde dochází k přenosu tepla. Čištění tepla z plynů ze spalování do
povrchů pro přenos tepla v kotli.
páry
Lepší čištění vody, které minimalizuje odluhy kotle. Snižuje celkové množství 3.2.7
Instalace automatického řízení celkových rozpuštěných rozpuštěných látek v kotelní
látek
vodě, což umožňuje méně
odluhů
a tím
i méně
energetických ztrát
Získávání energie z Připojení nebo obnova Snižuje ztráty tepla z kotle 3.1.7
žáruvzdornosti kotle
a obnovuje jeho účinnost
2.9
Minimalizuje ztráty páry
3.2.8
Minimalizace ztrát z krátkých cyklů kotle
Optimalizace
energetických 3.2.9
úspor
červen 2008
293
Kapitola 5
Provádění údržby kotle
DISTRIBUCE
Optimalizace systému distribuce páry (zejména se týká
níže popsané problematiky)
Izolace páry od nepoužívaných linií
Izolace parního potrubí a potrubí pro návrat
kondenzátu (Zajištění dobré izolace potrubí, ventilů,
armatur a nádob)
Realizace programu řízení a oprav oddělovačů páry
2.9
Minimalizace ztrát páry a
snížení ztrát energie z potrubí a
povrchů zařízení
Snížení ztrát energie z potrubí
a povrchů zařízení
Snižuje průchod ostré páry do
systému kondenzátu a posiluje
účinný provoz zařízení pro
přenos tepla u koncového
uživatele, minimalizuje ztráty
páry
2.9
3.2.10
3.2.10
3.2.11
3.2.11.1
3.2.12
ZÍSKÁVANÍ KONDENZÁTU
Sběr a návrat kondenzátu do kotle k opětovnému
použití (Optimalizace získávání kondenzátu)
Získává se tepelná energie
3.2.13
v kondenzátu a snižuje
se množství vody přidávané do
sytému, uspoří se energie
a čištění pomocí chemických
látek
Opětovné
využití
mžikové
páry
(Využití Využití energie dostupné ve 3.2.14
vysokotlakého kondenzátu k výrobě nízkotlaké páry)
vracejícím se kondenzátu
Získávání energie z odluhu kotle
Přesouvá energii dostupnou 3.2.15
v odluhu zpět do systému a tím
snižuje ztráty energie
Techniky v dokumentu BREF LCP červen 2006 podle druhu paliva a kapitoly
Uhlí a
lignit
Expanzní turbína k získání energie
stlačených plynů
Výměna lopatek v turbíně
Použití
moderních
materiálů
k dosažení vysokých parametrů
páry
Parametry superkritické páry
Dvojité přehřátí
Regenerační napájecí voda
Využití tepla spalin k městskému
vytápění
Akumulace tepla
Moderní počítačové řízení plynové
turbíny a následných kotlů
4.4.3
4.4.3
Biomasa a rašelina
Kapalná paliva
5.4.4
6.4.2
6.4.2
7.4.2
6.4.2
7.1.4
6.4.2
6.5.3.1
7.1.4
7.4.2
7.5.2
7.4.2
4.4.3
4.5.5
4.4.3
4.5.5
4.2.3
4.4.3
4.4.3
5.4.4
6.4.2
6.4.2
Plynná
paliva
7.4.1
7.5.1
7.4.2
7.4.2
tabulka 4-2 Pára – techniky zlepšování energetické účinnosti
4.3.3 Získávání tepla
Hlavní typy systémů získávání tepla jsou popsány v kap. 3.3:
•
•
294
Výměníky tepla
Tepelná čerpadla.
červen 2008
Kapitola 4
Systémy výměny tepla se s dobrými výsledky využívají v mnoha průmyslových sektorech a
systémech a mají široké využití při zavádění BAT 5 a 11. stále více se využívají tepelná
čerpadla.
Využití „odpadního“ nebo nadbytečného tepla může být udržitelnější než použití primárních
paliv, dokonce i když je v takovém případě energetická účinnost nižší.
Získávání tepla nelze aplikovat tam, kde není poptávka, která by odpovídala křivce výroby.
Aplikuje se však ve stále větším počtu případů, často mimo závod – viz kogenerace, kap. 3.4 a
Příloha 7.10.
Techniky chlazení a s nimi spojené BAT jsou popsány v dokumentu BREF CV, včetně technik
údržby výměníků tepla.
19. BAT má udržovat účinnost tepelných výměníků, a to pomocí:
(a) pravidelného monitoringu účinnosti
(b) prevence nebo odstranění znečištění.
Viz kap. 3.3.1.1.
4.3.4 Kogenerace
Po přijetí Směrnice 2003/96/ES o zdanění energií, která vytváří příznivý kontext pro
kogeneraci, je o ni v současnosti velký zájem, který je podporován právě i na úrovni ES přijetím
Směrnice 2004/8/ES o podpoře kogenerace. Nyní budou ekonomicky proveditelná i relativně
malá zařízení a mlhou být k dispozici i různé pobídky. V mnoha případech byla kogenerace
úspěšně instalována s pomocí místních orgánů. Viz kap. 3.4 a příloha 7.10.3 a 7.10.4.
Modelování médií popsané v kap. 2.15.2 může pomoci při optimalizaci systémů výroby a
získávání tepla i při managementu prodeje a nákupu energie, která je navíc.
20. BAT má hledat možnosti kogenerace, uvnitř a/nebo vně závodu (s třetí stranou).
Použitelnost: Spolupráce a dohoda třetí strany nemusejí být nutně pod kontrolou provozovatele
a tudíž ani v dosahu povolení IPPC.
Kogenerace bude pravděpodobně záviset na ekonomických podmínkách stejně jako na
optimalizaci energetické účinnosti. Příležitosti ke kogeneraci by se měly vyhledávat buď na
straně výrobce nebo na straně potenciálního zákazníka, měli by se zjišťovat potenciální partneři
a zkoumat změny v ekonomických okolnostech (teplo, ceny paliva apod.)
O kogeneraci lze obecně uvažovat, jestliže:
•
•
Poptávka po teple a elektrické energii jsou v souladu
Poptávku po teple (v rámci závodu nebo i mimo něj) lze uspokojit z hlediska množství (doba
provozu během roku), teploty atd. pomocí tepla ze zařízení KVET a nelze očekávat žádné
podstatné snížení poptávky po teple.
Kapitola 3.4 hovoří o aplikaci kogenerace, různých typech kogeneračních zařízení a o jejich
použitelnosti v jednotlivých případech.
Úspěšná realizace může záviset na vhodném palivu a/nebo ceně tepla v poměru k ceně elektřiny.
V mnoha případech dohody o kogeneraci organizují orgány státní správy (na místní, regionální
nebo národní úrovni), případně jsou tyto orgány zapojeny přímo, jako třetí strana.
červen 2008
295
Kapitola 5
4.3.5 Zásobování elektrickou energií
Kvalita zásobování elektrickou energií a způsob jejího využívání mohou ovlivňovat
energetickou účinnost, viz kap. 3.5. Někdy je těžké tomu porozumět a také se to často přehlíží.
Často dochází ke ztrátám energie ve formě neproduktivní elektřiny v rámci závodu i v externí
zásobovací síti. Může také docházet ke ztrátě kapacity v elektrickém distribučním systému
závodu. Ta vede k poklesu napětí, které způsobuje přehřívání a předčasné poruchy motorů a
dalších zařízení. Může také vést ke zvýšeným platbám za nákup elektřiny.
21. BAT má zvýšit účiník podle požadavků místního distributora elektřiny, např. pomocí
technik, které jsou popsány v Tabulce 4.3, podle použitelnosti (viz kap. 3.5.1).
Technika
Instalace kondenzátorů v okruzích střídavého
proudu ke zvýšení velikosti jalového výkonu.
Minimalizace prostojů nebo málo zatížených
motorů
Prevence provozování zařízení nad úrovní
jeho jmenovitého napětí
Při výměně motorů použít energeticky účinné
motory (viz kap. 3.6)
Použitelnost
Všechny případy. Nízké náklady dlouhé
trvání, ale vyžaduje zkušenou aplikaci.
Všechny případy.
Všechny případy.
V době výměny.
tabulka 4-3 Techniky korekce účiníku směřující je zvýšení energetické účinnosti
22. BAT má kontrolovat dodávky elektřiny z hlediska harmonických kmitočtů a
v případě potřeby aplikovat filtry (viz kap. 3.5.2).
23. BAT má optimalizovat účinnost zásobování elektrickou energií např. pomocí technik
uvedených v Tabulce 4.4, podle použitelnosti:
Technika
Použitelnost
Zajištění správné velikosti
kabelů podle poptávky po
elektřině
Udržovat
online
transformátor(y) v provozu při
zatížení nad 40 – 50 %
jmenovitého výkonu
Když se zařízení nepoužívá, např. při odstávce
nebo při přemísťování
Použití
vysoce
účinných
transformátorů
s nízkými
ztrátami
Umístit zařízení s velkými
požadavky na proud co nejblíže
zdroji (např. transformátor)
•
U stávajících závodů: pokud je
současný faktor zatížení pod 40% a je
zde více než jeden transformátor
• Při výměně použít transformátor
s nízkými ztrátami a zatížením 40 –
75%
V době výměny nebo tam, kde je přínos
v podobě úspory nákladů za celou dobu
životnosti
Při umísťování nebo přemísťování.
Kapitola
v tomto
dokumentu
3.5.3
3.5.4
3.5.4
3.5.4
tabulka 4-4 Techniky zvyšování účinnosti v zásobování elektřinou
4.3.6 Subsystémy poháněné elektromotory33
33
V tomto dokumentu se pojem „systém“ používá pro soubor spojených prvků nebo zařízení, která
pracují společně za nějakým účelem, např. větrání, CAS. Viz diskuse na téma hranice systému v kap.
1.3.5 a 1.5.1. Tyto systémy obvykle zahrnují subsystémy s motory (nebo komponentní systémy).
296
červen 2008
Kapitola 4
Elektromotory se v průmyslu používají velmi často. Jedním z nejjednodušších opatření na
zlepšení energetické účinnosti je výměna za elektricky účinné motory a pohony s proměnlivou
rychlostí. Mělo by to však provádět v kontextu celého systému, do kterého je motor začleněn,
jinak je zde riziko:
•
•
Ztráty potenciálních přínosů z optimalizace využití a velikosti systémů a následné
optimalizace požadavků na pohon motorů
Ztrát energie, jestliže je pohon s proměnlivou rychlostí aplikován ve špatném kontextu.
Hlavní systémy používající elektromotory jsou:
•
•
•
•
Stlačený vzduch (CAS, viz kap. 3.7)
Čerpání (viz kap. 3.8)
HVAC (viz kap. 3.9)
Chlazení (viz BREF CV).
24. BAT má optimalizovat elektromotory v následujícím pořadí (viz kap. 3.6):
(a) optimalizovat celý systém, jehož je motor (motory) součástí (např. chlazení, viz kap. 1.5.1)
(b) poté optimalizovat motor (motory) v systému podle nově stanovených požadavků na zátěž,
a to pomocí jedné nebo více technik uvedených v Tab. 4.5, podle použitelnosti
Opatření na úspory energie
Použitelnost
INSTALACE SYSTÉMU NEBO MODERNIZACE
Použití energeticky účinných motorů
Úspora nákladů za celou dobu životnosti
Správné dimenzování motoru
Instalace
pohonu
s proměnlivou Použití pohonů s proměnlivou rychlostí může být
rychlostí
limitováno požadavky na bezpečnost.
Podle zatížení. U systémů s více stroji a
proměnlivým zatížením (CAS) může být optimální
použít jen jeden motor s proměnlivou rychlostí.
Instalace
vysoce
účinného Úspora nákladů za celou dobu životnosti
přenosu/redukce
Použití:
Všechny případy
• přímých spojů
• synchronních řemenů nebo
ozubené klínové řemeny
namísto běžných
• kol
s šikmým
ozubením
namísto šnekových
Opravy energeticky účinných motorů V době opravy
nebo nahrazení tímto motorem
Převinutí: vyhnout se převinutí a V době opravy
nahradit
energeticky
účinným
motorem nebo takový motor opravit
anebo
k převinutí
využít
certifikovanou firmu
Řízení kvality elektrické energie
PROVOZ A ÚDRŽBA SYSTÉMU
Mazání, nastavování, vylaďování
Všechny případy
(1) mezisložkové vlivy, použitelnost a ekonomie jsou popsány v kap. 3.6.7
Kapitola v tomto
dokumentu 1
3.6.1
3.6.2
3.6.3
3.6.4
3.6.4
3.6.5
3.6.6
3.5
2.9
tabulka 4-5 Elektromotory – techniky ke zvýšení energetické účinnosti
(c) Když byly systémy používající energii optimalizovány, pak optimalizovat zbývající
(neoptimalizované) motory podle výše uvedené tabulky a těchto kritérií:
červen 2008
297
Kapitola 5
•
•
upřednostnění zbývajících motorů, které jsou v provozu více než 2000 hodin ročně, pro
výměnu za energeticky účinné motory
elektrické motory pohánějící proměnlivou zátěž, která je v provozu na méně než 50 % své
kapacity po více než 20 % své provozní doby a je v provozu po více než 2000 hodin ročně
by nejspíš měly být vybaveny pohonem s proměnlivou rychlostí.
4.3.7 Systémy stlačeného vzduchu (CAS)
Stlačený vzduch se velmi často používá buď jako součást procesu nebo jako zdroj mechanické
energie. Široké použití má tam, kde je riziko výbuchu nebo vznícení. V mnoha případech se
používá jako nedílná součást procesu (např. jako zdroj nízkokvalitního dusíku pro inertní
atmosféru a ke tvarování, vyfukování nebo mísení), a je složité posuzovat jeho mechanickou
účinnost. V některých případech, např. při pohonu malých turbín a montážních nástrojů, má
nízkou celkovou účinnost. Tam, kde nejsou žádné zdravotní nebo bezpečnostní překážky, lze
uvažovat o nahrazení jinými pohony (viz kap. 3.7).
25. BAT má optimalizovat systém stlačeného vzduchu (CAS) např. pomocí technik, které
jsou uvedeny v Tabulce 4.6, podle použitelnosti.
Technika
Použitelnost
DESIGN, INSTALCE NEBO MODERNIZACE SYSTÉMU
Celkový design systému, včetně Nový systém nebo podstatná modernizace
vícetlakových systémů
Modernizace kompresoru
Nový systém nebo podstatná modernizace
Kvalitnější chlazení, sušení a Toto nezahrnuje častější výměnu filtru (viz
filtrování
níže)
Snížení ztrát tlaku třením (např. Nový systém nebo podstatná modernizace
zvětšením průměru potrubí)
Zlepšení pohonů (vysoce účinné Nákladově nejúčinnější u malých systémů
motory)
(méně než 10 kW)
Zlepšení
pohonů
(řízení Použitelné na systémy s proměnlivou zátěží. U
rychlosti)
provozů s více stroji by se měl pouze jeden
stroj
vybavit
pohonem
s proměnlivou
rychlostí.
Využití moderních systémů
řízení
Získávání
odpadního
tepla Pozn.: zisk je z hlediska energie, nikoli
k využití v jiných funkcích
spotřeby elektřiny, protože elektřina je
konvertována na užitečné teplo
Skladování stlačeného vzduchu Všechny případy
blízko vysoce kolísavého použití
Využití externího chladícího Tam, kde je přístup
vzduchu
PROVOZ A ÚDRŽBA SYSTÉMU
Optimalizace pracovního tlaku
Všechny případy
Optimalizace určitých zařízení Všechny případy
koncových uživatelů
Snížení úniků vzduchu
Všechny případy. Největší potenciální přínos.
Častější výměna filtru
Revidovat ve všech případech
Kapitola v tomto
dokumentu
3.7.1
3.7.1
3.7.1
3.7.1
3.6.4, 3.7.2, 3.7.3
3.7.2
3.7.4
3.7.5
3.7.10
3.7.8
3.7.9
3.7.1
3.7.6
3.7.7
tabulka 4-6 Systémy stlačeného vzduchu: opatření v energetické účinnosti
4.3.8 Čerpací systémy
Asi 30 – 50 % energie spotřebované v čerpacích systémech lze uspořit díky změnám v zařízení
nebo řídících systémech (viz kap. 3.8).
298
červen 2008
Kapitola 4
Pro elektromotory pohánějící čerpadla jsou BAT uvedeny pod BAT 24. Hlavní BAT,
používající pohony s proměnlivou rychlostí, je rovněž zmíněna v tab. 4.7).
26. BAT má optimalizovat čerpací systémy pomocí technik uvedených v tabulce 4.7 podle
použitelnosti (viz kap. 3.8):
Technika
DESIGN
Při volbě čerpadla se vyhnout
předimenzování a nahradit
předimenzovaná čerpadla
Harmonizovat správnou volbu
čerpadla a správný motor pro
daný výkon
Design potrubního systému
(viz distribuční systém níže)
ŘÍZENÍ A ÚDRŽBA
Systém řízení a regulace
Odstavení
zbytečných
čerpadel
Použití pohonů s proměnlivou
rychlostí
Použití násobných čerpadel
Pravidelná údržba. Pokud se
neplánovaná údržba stane
nadměrnou, zkontrolovat:
• Kavitaci
• Opotřebení
• Špatný typ čerpadla
DISTRIBUČNÍ SYSTÉM
Minimalizovat počet ventilů a
ohybů,
aby
odpovídal
plynulému provozu a údržbě
Předcházet přílišnému počtu
ohybů (obzvláště napjatých
ohybů)
Zajistit, aby průměr potrubí
nebyl příliš malý (správný
průměr potrubí)
Použitelnost
Pro nová čerpadla: všechny případy
Pro stávající čerpadla: úspora
nákladů za celou dobu životnosti
Pro nová čerpadla: všechny případy
Pro stávající čerpadla: úspora
nákladů za celou dobu životnosti
Kap.
v tomto
dokumentu
3.8.1
3.8.2
Doplňující
informace
Největší
zdroj
plýtvání energií
na čerpání
3.8.2
3.8.6
3.8.3
Všechny případy
Všechny případy
3.8.5
3.8.5
úspora nákladů za celou dobu
životnosti. Nelze aplikovat u
konstantních toků
Pokud je čerpaný tok menší než
polovina maximální jednotlivé
kapacity
Všechny případy.
Oprava nebo nahrazení.
3.8.5
Viz BAT
v kap. 4.3.6
24,
3.8.5
3.8.4
Všechny případy při designu a
instalaci (včetně změn)
3.8.3
3.8.3
3.8.3
tabulka 4-7 Čerpací systémy – opatření v energetické účinnosti
Je třeba mít na paměti, že při řízení škrcení se plýtvá energií méně než při řízení obtoků (bypassů) nebo při absenci řízení. Ke ztrátám energie však dochází vždy a podle velikosti čerpadla
a frekvence jeho používání by se mělo uvažovat o jeho výměně.
4.3.9 Systémy vytápění, ventilace a klimatizace (HVAC)
Běžný systém HVAC obsahuje zařízení, která poskytují některé nebo všechny tyto funkce:
•
Vytápění systému(kotle, viz kap. 3.2, tepelná čerpadla, viz kap. 3.3.2 atd.)
•
Chlazení (viz kap. 3.8)
•
Čerpadla (viz kap. 3.8)
•
Výměníky tepla (viz kap. 3.3.1)
červen 2008
299
Kapitola 5
•
•
Vytápění a chlazení prostor (kap. 3.9.1)
Ventilace pomocí ventilátorů, které vedou vzduch potrubím, do nebo z výměníků tepla
a/nebo vnějšího ovzduší (viz kap. 3.9.2)
Studie ukázaly, že asi 60 % energie v systémech HVAC spotřebují čerpadla chladičů/tepelná
čerpadla a zbývajících 40 % spotřebují doplňkové stroje. Klimatizace se v Evropě stále více
využívá, hlavně na jihu.
Pro fungování mnoha průmyslových systémů má zásadní význam ventilace, která
•
•
Chrání zaměstnance před emisemi znečišťujících látek a tepla na pracovišti
Udržuje čisté pracovní ovzduší a tím chrání kvalitu produktů.
Požadavky tak může diktovat ochrana zdraví, bezpečnosti a procesu (viz kap. 3.9).
27. BAT má optimalizovat systémy vytápění, ventilace a klimatizace, např. pomocí těchto
technik:
U ventilace, vytápění a chlazení prostor jsou to techniky uvedené v Tabulce 4.8, podle
použitelnosti
•
U vytápění, viz kap. 3.2, 3.3.1 a BAT 18 a 19
•
U čerpání, viz kap. 3.8 a BAT 26
•
U chlazení a výměníků tepla viz BREF CV a kap. 3.3. tohoto dokumentu a BAT 19.
DESIGN A ŘÍZENÍ
Celkový
design
systému.
Identifikovat a separátně vybavit
oblasti pro:
• Celkovou ventilaci
• Specifickou ventilaci
• Ventilaci procesu
Optimalizovat počet, tvar a velikost
vstupů
Použití ventilátorů:
• S vysokou účinností
• Projektovaných pro provoz
v optimálním režimu
Management
průtoku
vzduchu,
včetně
ventilace
s duálním
prouděním
Design systému vzduchu:
• Vedení (potrubí) má dostatečnou
velikost
• Cirkulace
• Eliminují se dlouhá vedení a
překážky typu ohybů a úzkých
úseků
Optimalizace elektromotorů, včetně
úvah
o
instalaci
pohonu
s proměnlivou rychlostí
300
Použitelnost
Kapitola v tomto
dokumentu
Nový systém nebo podstatná modernizace.
U modernizace vzít v úvahu úspory za celou
dobu životnosti
3.9.1
3.9.2.1
Nový systém nebo modernizace
3.9.2.1
Nákladově účinné ve všech případech
3.9.2.1
3.9.2.2
3.9.2.1
3.9.2.1
Všechny případy.
modernizace
3.9.2.1
3.9.2.2
viz též kap. 3.6,
3.6.3 a 3.6.7 a
BAT 24
Nákladově
účinná
červen 2008
Kapitola 4
Použitelnost
Použití automatických systémů řízení
Integrace
s centralizovanými
systémy technického managementu
Integrace vzduchových filtrů do
systému proudění vzduchu a
získávání tepla ze spalin (výměníky
tepla)
Nákladová účinnost a snadná modernizace
ve všech případech
U modernizace vzít v úvahu úspory za celou
dobu životnosti.
Je také třeba uvažovat o tepelné účinnosti,
ztrátě tlaku a potřebě pravidelného čištění
Zvážit ve všech případech a realizovat podle
nákladové účinnosti
Snížení potřeb vytápění/chlazení
pomocí:
• Izolací budov
• Účinné zasklení
• Snížení infiltrace vzduchu
• Automatické zavírání dveří
• Destratifikátor
• Snížení
nastavené
teploty
v době, kdy neběží výroba
(programovatelná regulace)
• Snížení stanovené teploty u
vytápění, zvýšení u chlazení
Zlepšit účinnost chladících systémů
pomocí bezplatného chlazení
Zvýšení účinnosti systémů vytápění
pomocí:
• Získávání
nebo
využití
odpadního tepla (viz kap. 3.3.1)
• Tepelného čerpadla
• Sálavých a lokálních topných
systémů spojených se snížením
nastavené teploty v místech, kde
se nepracuje
ÚDRŽBA
Zastavit nebo omezit ventilaci, kde je
to možné
Zajistit vzduchotěsnost systému,
zkontrolovat spoje
Zkontrolovat vyrovnanost systému
Optimalizovat průtok vzduchu
Optimalizace filtrace vzduchu:
• Účinnost recyklace
• Ztráty tlaku
• Pravidelné čištění/výměna filtrů
• Pravidelné čištění systému
Kapitola v tomto
dokumentu
3.9.2.1
3.9.2.2
3.9.2.1
3.9.2.2
3.9.1
Lze aplikovat ve specifických případech
3.9.3
Zvážit ve všech případech a realizovat podle
nákladové účinnosti
3.9.1
Všechny případy
3.9.2.2
Všechny případy
3.9.2.2
Všechny případy
Všechny případy
Všechny případy
3.9.2.2
3.9.2.2
3.9.2.2
tabulka 4-8 Vytápění, klimatizace a ventilace – techniky zvyšování energetické účinnosti
4.3.10 Osvětlení
Ochrana zdraví a bezpečnosti na pracovišti je prioritním kritériem požadavků na systémy
osvětlení. Energii těchto systémů lze optimalizovat podle požadavků na konkrétní použití, viz
kap. 3.10.
28. BAT má optimalizovat systémy umělého osvětlení, např. pomocí technik uvedených
v Tabulce 4.9, podle použitelnosti (viz kap. 3.10):
červen 2008
301
Kapitola 5
Technika
Použitelnost
ANALÝZA POŽADAVKŮ NA OSVĚTLENÍ A DESIGN
Zjistit požadavky na osvětlení, jak z hlediska Všechny případy
intenzity, tak i spektra požadovaného pro
zamýšlený úkol
Plánovat prostory a činnosti tak, aby se Tam, kde toho lze dosáhnout v normálním provozu
optimalizovalo využití přirozeného světla
nebo reorganizací údržby, zvažovat ve všech
případech. Jsou-li požadovány konstrukční změny
(např. stavební práce), pak provést nové instalace
nebo modernizaci
Zvolit příslušenství a svítidla podle konkrétních Nákladově účinné po celou dobu životnosti
požadavků pro zamýšlené využití
PROVOZ, ŘÍZENÍ A ÚDRŽBA
Využití systémů managementu osvětlení, včetně Všechny případy
senzorů přítomnosti osob, časových spínačů apod.
Proškolit zaměstnance o nejúčinnějším využívání Všechny případy
osvětlovacích zařízení
tabulka 4-9 Osvětlení – techniky zvyšování energetické účinnosti
4.3.11 Sušení, separační procesy a zahušťování
Separaci (většinou) tuhé látky od kapaliny lze provádět pomocí jednoho nebo více stupňů.
Optimalizací procesních kroků, které jsou nutné pro dosažení požadovaného produktu, lze
dosáhnout výrazných úspor energie. Energetickou účinnost lze optimalizovat pomocí dvou nebo
více technik v kombinaci (viz kap. 3.11).
29. BAT má optimalizovat procesy sušení, zahuštění a separace pomocí technik
uvedených v Tabulce 4.10, podle použitelnosti, a hledat možnosti využití mechanické
separace ve spojení s tepelnými procesy:
Technika
DESIGN
Volba optimální separační
technologie
nebo
kombinace
(níže
uvedených)
technik
splňujících
požadavky
procesu
PROVOZ
Využití přebytečného tepla
z jiných procesů
Využití kombinace technik
Mechanické procesy, např.
filtrace,
membránová
filtrace
302
Použitelnost
Doplňující informace
Všechny případy
Závisí na dostupnosti
přebytečného
tepla
v zařízení (nebo od
třetí strany)
Zvažovat ve všech
případech
Závisí na procesu. Pro
dosažení
vysoké
suchosti při nejnižší
spotřebě energie je
dobré
zvažovat
kombinaci
s jinými
technikami.
Kapitola
v tomto
dokumentu
3.11.1
Sušení je dobrý způsob využití
přebytečného tepla
3.11.1
Může znamenat přínosy ve
výrobě, např. lepší kvalitu
produktů, vyšší výkon
Spotřeba energie může být o
několik řádů nižší, ale nedosáhne
se vysoké suchosti
3.11.1
3.11.2
červen 2008
Kapitola 4
Technika
Použitelnost
Doplňující informace
Tepelné procesy, např.:
• Nepřímo vyhřívané
sušičky
• Přímo
vyhřívané
sušičky
• Odparky s násobným
efektem, s tepelným
čerpadlem nebo bez
Přímé sušení
Široké použití, ale
účinnost lze zlepšit
zvážením
dalších
možností z této tabulky
Variantou s nejnižší energetickou
účinností mohou být konvekční
(přímé) tepelné sušičky
Viz tepelné a sálavé
techniky a přehřátá
pára
Všechny přímé sušičky
lze modernizovat na
superohřátou páru.
Vysoké náklady, je
třeba
posoudit
nákladovou účinnost
po
celou
dobu
životnosti
Vysoká teplota může
poškodit produkt
Zvažovat
u
téměř
všech
kontinuálních
konvekčních sušiček
s horkým vzduchem
Zvažovat
u
všech
systémů.
Lze
modernizovat.
Lze
snadno
modernizovat
Kompaktní
Snižuje potřebu odtahu
vzduchu
IČ omezeno rozměry
substrátu
Vysoké náklady, je
třeba
posoudit
nákladovou účinnost
po
celou
dobu
životnosti
Variantou s nejnižší energetickou
účinností mohou být konvekční
(přímé) tepelné sušičky
Z tohoto procesu lze získávat
teplo
Účinnější vyhřívání
Může zvýšit produkci ve spojení
s konvekcí nebo vedením
3.11.4
Všechny případy
Lze dosáhnout úspor 5 – 10 % ve
srovnání s použitím tradičního
empirického řízení
3.11.5
Přehřátá pára
Získávání tepla (včetně
MVR
a
tepelných
čerpadel)
Optimalizace
systému sušení
izolace
Sálavé procesy, např.
• IČ záření (IR)
• Vysokofrekvenční
záření (HF)
• Mikrovlnné
záření (MW)
ŘÍZENÍ
Automatizace
tepelného sušení
procesů
Kapitola
v tomto
dokumentu
3.11.3
3.11.3.1
3.11.3.2
3.11.3.3
3.11.3.6
3.11.3.2
3.11.3.4
3.11.1
3.11.3.5
3.11.3.6
3.11.3.7
tabulka 4-10 Systémy sušení, zahušťování a separace: opatření na zvyšování energetické účinnosti
červen 2008
303
Kapitola 5
5 VZNIKAJÍCÍ TECHNIKY ENERGETICKÉ ÚČINNOSTI
5.1
Bezplamenné spalování (bezplamenná oxidace)
Popis
Rekuperační a regenerační hořáky (technologie HiTAC neboli bezplamenné spalování) jsou
realizovány v rámci nového režimu spalování s homogenní teplotou plamene, bez teplotních
špiček konvenčního plamene, v podstatně rozšířené spalovací zóně.
Bezplamenné spalování odpovídá spalovacímu režimu, kde bylo uvedeno do extrému spalování
a interní recirkulace v tepelné komoře.
Obrázek 5-1: Princip fungování regeneračních hořáků
[277, ADEME]
Existují dva typy hořáků HiTAC: hořáky jednoplamenné a hořáky dvouplamenné.
Jednoplamenný hořák HiTAC je charakterizován jedním plamenem, jenž je produkován jednou
palivovou tryskou obklopenou přívody vzduchu a kouřovými vývody. Tento jednotlivý plamen
vzniká podél osy vstřikovací palivové trysky během fází ochlazování a zahřátí. Palivo je
dodáváno nepřetržitě stejnou tryskou a tímto způsobem může vzniknout jednotlivý plamen,
který má stálou pozici. Pozice plamene zůstává mezi fází ohřátí a fází ochlazení téměř
nezměněná, protože regenerátory jsou umístěny kolem trysky palivového vstřikování.
U dvouplamenného hořáku HiTAC jsou dva oddělené vysokooběhové regenerativní hořáky.
Tyto dva hořáky jsou umístěny ve stěnách kotle a pracují tandemově. Sada ventilů mění směr
proudu vzduchu a kouře podle požadované doby přepnutí. Obvykle je zde několik párů hořáků,
které pracují společně. U tohoto typu produktu HiTAC se plamen přesunuje z jednoho hořáku
na další podle doby přepnutí mezi fází ohřívání a ochlazování regenerátoru.
Vzduch předehřívaný produkty spalování (více než 1000 oC) je přiváděn do pece (obr. 5.1).
V tradičních systémech by takové předehřátí vzduchu vedlo k velmi vysokým lokálním
teplotám plamene a tudíž k vysokým emisím NOx. v systémech s bezplamennou oxidací jsou
naopak vstup vzduchu a přívod plynu prováděny odděleně při vysokých rychlostech
vstřikování. Geometrie hořáku a spalovací komory a vysoká rychlost toku plynů vytvářejí
recirkulaci produktů spalování směrem k hořáku. To vede ke zvýšení lokální koncentrace
kyslíku a k tepelnému rozpuštění plamene (dva zdroje tvorby NOx).
304
červen 2008
Kapitola 5
Vysoká teplota vzduchu pro spalování (více než 1000 oC) předehřátého pomocí rekuperačního
regeneračního systému určuje vzplanutí a udržitelnost tohoto režimu spalování.
Spalování je tudíž rozprostřeno v celém objemu komory. Plamen nelze vidět pouhým okem.
Relativní homogenita v teplotě a složení uvnitř komory je jednou z hlavních charakteristik
tohoto procesu.
Princip bezplamenné oxidace lze také realizovat spalování nepředehřátého vzduchu, ale
s vysokou teplotou procesu (800 oC). v takovém případě proces potřebuje iniciaci.
Podle testů dosahuje hořák HiTAC o 35 % vyšší výkonnosti než běžný tryskový hořák. Kromě
vyšší výkonnosti bylo v důsledku velkého objemu plamene u hořáku HiTAC docíleno vyššího
koeficientu přenosu tepla. Palivo použité při testování byl LPG (propan). Energetická
rovnováha jak u hořáku HiTAC, tak u běžného hořáku je zobrazena na níže uvedeném obrázku
5.2.
červen 2008
305
Kapitola 5
Obrázek 5-2: Výsledky čistého tepelného výkonu testovacích kotlů u běžných kotlů a u kotlů
HiTAC
[17, Åsbland, 2005]
Technika bezplamenného spalování je spojena s velkým poklesem emisí NOx díky mocné
recirkulaci produktů spalování (méně než 200 mg/Nm3 při 3% O2). Tato technika zabraňuje
tvorbě teplotních špiček, jak ukazuje obr. 5.3. Na tomto obrázku je srovnání mezi různými
druhy spalování jako funkce teploty spalování a koncentrace kyslíku.
Obrázek 5-3: Podmínky bezplamenného spalování
V režimu bezplamenné oxidace díky sníženým teplotním špičkám může být průměrná teplota
v peci rozšířena, aniž by docházelo k lokálnímu přehřátí blízko hořáků (se středním dopadem na
ohnivzdornost kotle). Přenos tepla k produktu se může podstatně zvýšit a hluk se podstatně
snižuje. Tyto podmínky vedou k:
•
•
306
Úsporám energie 9 – 40%
Snížení emisí oxidů dusíku o 6 – 80 %.
červen 2008
Kapitola 5
Provozní údaje
Kotel HiTAC umožňuje:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
vysoká účinnost využití energie nebo snížené emise CO2
rovnoměrnější teplotní profil
nízké emise NOx a CO
menší hluk při spalování
nejsou třeba další zařízení na úspory energie
menší kouřové potrubí
rovnoměrné rozložení teploty
zvýšený přenos tepla
produktivita vyšší produktové kvality
delší životnost kotle a potrubí.
U technologie HiTAC je spalovací vzduch předehříván na velmi vysokou teplotu a poté je
velkou rychlostí vstřikován do kotlů. Toto spalování vzduchem o vysoké teplotě umožňuje
úplné vyhoření paliva za velmi nízkých hladin kyslíku. Dříve se úplné spalování považovalo při
těchto hladinách za nemožné. Touto metodou se dosahuje delšího plamene, zpomaluje
se rychlost spalování a teploty spalování se udržují na nižší úrovni než u spalovacích kotlů
s teplotou v běžné výši. Takto dochází k efektivnímu snížení emisí NOX a dále
k rovnoměrnějšímu rozložení teploty plamene. Během tohoto procesu se plamen zřetelně
zabarví bledě zelenou barvou.
Tato technika spalování také využívá koncept odděleného paliva a vstřikování horkého vzduchu
do kotle. Díky tomu má kotel vyšší výkon a úspory paliva jsou větší.
U průmyslových aplikací HiTAC jsou palivové trysky a trysky spalovacího vzduchu rozmístěny
na hořáku v určité vzdálenosti od sebe. Palivo a vzduch o vysoké teplotě jsou vysokou rychlostí
vstřikovány přímo do kotle. Proto je plyn v zóně blízko hořáku zcela smísen a jeho dílčí tlak
kyslíku je snížen. Stabilita spalování paliva vstříknutého přímo do této zóny s kyslíkem za
nízkého dílčího tlaku je možná, pokud teplota předehřátého vzduchu přesáhne teplotu
samovznícení paliva.
V průmyslovém kotli je možné získat spalovací vzduch při teplotě 800 –1350 oC s využitím
vysokovýkonného tepelného výměníku. Například moderní regenerativní tepelný výměník
přepojený na vysoký oběh může regenerovat až 90 % odpadního tepla. Tímto způsobem lze
dosáhnout velké úspory energie.
Použitelnost
Ohřívací kotle, kde lze využít regenerativních hořáků s technologií HiTAC, jsou v sektorech
teplárenského průmyslu široce rozšířeny po celé Evropě; jedná se o sektory železáren, sklářství,
výrobu cihel a dlaždic, neželezných kovů a slévárenství. Například 5,7 % primární energie
poptávané v EU se využívá v ocelárenském průmyslu. Energie také zodpovídá za vysoký podíl
výrobních nákladů v těchto odvětvích.
Tuto techniku nelze vždy aplikovat na stávající procesní linky, protože kotle je třeba navrhnout
tak, aby se do vešly hořáky. Hořáky HiTAC mají také dost vysoké požadavky na čistotu
ovzduší: pokud se použije procesní plyn, bude v kotli pro použití hořáků HiTAC příliš mnoho
prachu.
červen 2008
307
Kapitola 5
Ekonomie
Nevýhodou této techniky jsou investiční náklady na hořáky. Avšak návratnost je obvykle do 3
až 5 let. Vyšší produktivita u těchto hořáků a nízké emise oxidů dusíku jsou proto důležitými
faktory, které je třeba vzít v úvahu při analýze nákladů a přínosů.
Důležitými faktory jsou vyšší produktivita kotle a nižší emise oxidů dusíku.
Příklady
Ocelárna SSAB Tunnplåt AB in Borlänge, Švédsko instalovala jeden pár regeneračních hořáků
HiTAC v krokové peci. Tato pec předehřívá ocelové desky s celkovou kapacitou 300 tun/hod.
Palivem je těžký topný olej. Instalace sestává ze dvou hořáků, které v regeneračním režimu hoří
v intervalu 60 sekund.
Hořáky HiTAC jsou instalovány v předehřívací zóně kotle, kde předtím nebyly instalovány
žádné hořáky. Za touto zónou je topná zóna (zóna 2). Kapacita nového zařízení je asi 10 %
kapacity zóny 2. Každý hořák HiTAC má kapacitu asi 2 MW. Celkový počet hořáků v kotli je
119.
Tento dlouhodobý test páru regeneračních hořáků ukázal velmi dobrou spolehlivost a také to, že
nutnost údržby zařízení je nízká.
Srovnání s obyčejným rekuperačním hořákem říká, že úspory paliva jsou asi 12% díky vyššímu
podílu získávání tepla. Tento jeden pár regeneračních hořáků byl dimenzován tak, aby zvýšil
produktivitu v kotli o 2%. Měření obsahu NOx ve spalinách v blízkém okolí hořáků HiTAC
také ukázala, že tento pár hořáků HiTAC nijak dále nepřispěl k celkovému množství NOx
koncentrace (asi 150 ppm, obsah kyslíku 4%).
Reference
[17, Åsbland, 2005], [26, Neisecke, 2003].
5.2
Uchování energie stlačeného vzduchu
Popis
Uchování energie stlačeného vzduchu (CAES) je složitá technika uchování energie, při které se
vzduch stlačí pomocí energie (obvykle elektrické energie odebrané ze sítě v době mimo špičku)
a tato energie se využije později dle potřeby. Stlačený vzduch se často uchovává ve vhodných
podzemních dolech nebo jeskyních vytvořených uvnitř solných hornin.
Závisejí na aplikaci. V plynové elektrárně fungující v podmínkách špičky se 40% plynu
použitého v konvenční plynové turbíně využije k produkci stejného množství výstupní
elektrické energie.
Pokud je třeba vytvořit prostory k uchování plynu, může to být spojeno s environmentálními
problémy.
Provozní údaje
Nadbytečná elektřina ze sítě v níže popsaném příkladu se využívá v elektromotoru k pohonu
kompresoru. Stlačený vzduch se zchladí a použije k vyplnění velkých prostor, ohřeje se a pak se
dodává do upravené plynové turbíny. Energie ze stlačeného vzduchu spolu s energií ze
spalovacích procesů pohání turbínu a tím se přeměňuje na elektřinu a vrací se do sítě.
Použitelnost
V provozu jsou dvě zařízení.
308
červen 2008
Kapitola 5
Ekonomie
Tři možné scénáře ekonomicky životaschopné realizace jsou:
• Centrální zařízení (300 MW, nejlepší komerční perspektiva)
• Decentralizované zařízení (50 MW)
• Vzdálený ostrov (30 MW).
Mocný požadavek na uchování energie a její využití v případě potřeby.
Příklady
Jednotka na 290 MW postavená v německém Hundorfu v roce 1978 a 110 MW jednotka
postavená v USA – McIntosh, Alabama v roce 1991. Třetí komerční zařízení CAES (2700 MW)
se plánuje v Nortonu (Ohio, USA).
Reference
[281, EWEC, 2004] [282, Association]
červen 2008
309
Kapitola 6
6 ZÁVĚREČNÉ POZNÁMKY
6.1
Načasování a postup práce
Úvodní schůzka technické pracovní skupiny (TWG) se konala v květnu 2005 a první návrh byl
vydán ke konzultacím v dubnu 2006. Druhý návrh obsahující návrhy nejlepších dostupných
technik (BAT) byl vydán ke konzultacím v červenci 2007. závěrečná schůzka pracovní skupiny
proběhla v listopadu 2007.
6.2
Zdroje informací
V moderní společnosti se energie využívá mnoha způsoby. Význam energetické účinnosti byl
doceněn již v době vývoje prvního parního stroje při průmyslové revoluci. Studium energie a
přeměn energie se nazývá termodynamika a základní zákony termodynamiky se datují právě
z této doby. V současné době se nejdůležitějšími otázkami staly dopady spalování na klimatické
změny a náklady na energie a zabezpečení dodávek. Většina údajů použitých z výměny
informací byla převzata ze studií provedených v letech 2000 – 2007, jsou však zařazena i data
z 90. let, protože nejdůležitější koncepty se nezměnily.
Velké množství dat o energetické účinnosti se týká velmi širokého spektra otázek, přičemž ne
všechny se týkají IPPC. Je také obvyklé, že rozsah horizontálních dokumentů BREF může být
velmi široký a obě tyto otázky se přidaly k výzvě spočívající v řízení této výměny informací. Při
přípravě tohoto dokumentu se naše zaměření nasměrovalo na energetickou účinnost jako jednu
z klíčových problematik Směrnice o IPPC a na poskytnutí informací o BAT na podporu
naplňování IPPC na evropské úrovni i úrovni podniků.
Data se dělí podle druhu informací, převážně pak na:
• Konkrétní data, hlavně z energeticky náročných odvětví (např. sklářství, chemický
průmysl, metalurgie)
• Data o technologiích jdoucích napříč sektory (např. spalování, pára, motorové pohony,
čerpadla, stlačený vzduch atd.)
• Obecná data o energetické účinnosti pro všechny sektory a podniky – nejenom ty, které
spadají svou velikostí pod IPPC.
Zdroje použitých informací byly také široké, např. projekty financované EU, programy
energetické účinnosti v členských státech a dalších zemích (USA, Japonsko), odborné noviny a
časopisy i učebnice. Aby byla energetická účinnost srozumitelná pro široké publikum, uvádějí
mnohé tyto dokumenty příklady jedné nebo více technik použitých v kombinaci. To
zkomplikovalo prezentaci dat, protože bylo tudíž nutné zjistit a popsat jednotlivé techniky podle
Nástinu a průvodce pro dokumenty BREF. Mnohé příklady jsou uvedeny v přílohách a
křížových odkazech kvůli lepšímu porozumění těmto technikám i tomu, jak je lze využívat
společně.
Dobré postupy a BAT v oblasti energetické účinnosti byly poskytnuty z těchto členských zemí:
Rakousko, Německo, Nizozemsko a Velká Británie. I když tyto země poskytly dobrý přehled,
podrobnější data byla zpřístupněna z konkrétnějších technologických a průmyslových zdrojů:
např. Francie přispěla dalšími 11 dokumenty. Španělsko poskytlo přehled základů
termodynamiky, který byl zařazen do příloh.
Data přímo z průmyslu přišla z energeticky nejnáročnějších odvětví (chemický průmysl,
petrochemie, spalování odpadů, železo a ocel, výroba elektřiny a sklářství), i od výrobců
systémů stlačeného plynu.data o dalších systémech, technikách a příklady z odvětví
nenáročných na energii přišla z evropských programů a členských států.
Hlavním zdrojem dat byly komentáře technické pracovní skupiny ke dvěma návrhům a
doprovodné dodatečné informace, celkem asi 2300 komentářů. Vyměňovaly se a objasňovaly se
310
červen 2008
Kapitola 6
další informace o jednotlivých technikách. Kromě mnoha dalších zdrojů se k objasnění určitých
termínů využívala i online encyklopedie Wikipedia a názory na její užitečnost se liší. Někteří
členové pracovní skupiny dávají přednost tradičním zdrojům a odkazům, zatímco jiní
akceptovali její snadný přístup ve srovnání s tradičními zdroji. Definice z Wikipedie se
nepoužily pro zásadní oblasti, jako jsou např. závěry BAT.
Bylo k dispozici jen málo informací o energetické účinnosti dosažené jednotlivými technikami a
pouze omezená data o obecných indikativních úsporách energie u některých průřezových
technik a příklady. Není tudíž možné dělat závěry ohledně hodnot energetické účinnosti pro
jednotlivé techniky, i když některé informativní hodnoty jsou uvedeny u některých technik
v kapitole 2 a 3 a v příkladech uvedených v přílohách. Poskytnou užitečné informace o
různorodé velikosti úspor při volbě technik na úrovni závodu.
Informace také vzešly z exkurzí a bilaterálních schůzek v členských státech se zástupci
průmyslu.
Dalším problémem při posuzování a používání dat bylo to, že mnoho dokumentů (nebo přístupů
zaujatých různými zdroji) došlo ke stejným závěrům různou cestou a že stejné techniky byly
často pojmenovány zmateně. To znamená, že data možná nebyla nalezena v předpokládaných
dokumentech nebo nebyla snadno identifikována při elektronickém nebo manuálním
vyhledávání. Zdroje nebyly vždy zaměřeny na podniky IPPC a/nebo se předměty překrývaly.
Např. mnoho prostor v podnicích se vytápí, větrá nebo chladí. Ve stavební technologii se této
oblasti říká HVAC. Zdá se však, že většina dat byla odvozena pro kanceláře a komerční budovy
a nebylo jasné, zda platí i pro průmysl, např. větrání spalin z průmyslových procesů, anebo zde
je třeba doplnit další data (viz kap. 7.4.1).
6.3
Míra konsensu
Na závěrečném setkání TWG v listopadu 2007 bylo dosaženo značné míry konsensu ohledně
formátu dokumentu a zařazených technik. Je velmi důležité, že také došlo k naprosté shodě na
tom, že závěry by se mohly vyjádřit jako horizontální BAT pro všechny průmyslové sektory a
podniky spadající pod Směrnici o IPPC.
V tomto horizontálním dokumentu (který pokrývá velmi odlišná průmyslová odvětví) nebylo
možné zjišťovat data o hodnotách energetické účinnosti pro každou techniku. Je však třeba
poznamenat:
• Hlavní dohoda o BAT spočívá v tom, že každý závod by si měl stanovit svá vlastní
měřítka energetické účinnosti a podle nich poměřovat svůj výkon a využívat přitom
techniky energetické účinnosti.
• Hlavní techniky a data o energetické účinnosti pro první kolo „vertikálních“ dokumentů
BREF jsou shrnuty v Příloze.
6.4
6.4.1
Mezery a překrývání ve znalostech a doporučeních pro
budoucí sběr informací a výzkum
Mezery a překrývání v datech
Data o technikách
Byl nedostatek (nebo zjevný nedostatek) předložených dat nebo panovaly nejasnosti ohledně
následujících témat:
•
Energeticky účinný design (EED): předložená data naznačila, že využití externích
odborníků na energetickou účinnost mělo přínos. Dobré bylo také zjištění (a vyřazení)
tendrů a/nebo výrobců, kteří by neměli z optimalizace energetické účinnosti přínos (např.
byly prezentovány nejnižší počáteční kapitálové náklady a nikoli náklady po dobu celé
životnosti). Energeticky náročná odvětví však mají významné vlastní odborné znalosti a
červen 2008
311
Kapitola 6
•
•
•
•
•
•
domnívají se, že řešení této problematiky interně je dostatečně dobré a nebyl učiněn
žádný závěr ohledně zařazení těchto technik mezi BAT. Jsou třeba další podrobné
informace o příkladech aplikace těchto dvou technik v energeticky účinném designu.
Účinné řízení procesů: při aktualizaci BREFů by se měly zkoumat konkrétní techniky a
parametry řízení.
Monitoring a měření jsou pro dosažení energetické účinnosti zásadní. I když data použitá
v kap. 2.7 jsou užitečná, neodrážejí plně spektrum možných technik použitelných ve
všech sektorech. Možná by bylo pro vertikální sektorové BREFy užitečné příslušné
techniky popsat – buď přímo nebo odkazem z tohoto dokumentu. Další informace o
monitoringu a měření budou třeba také pro revizi tohoto dokumentu.
Spalování a pára: zde existuje velké množství informací. Oběma tématům se podrobně
věnuje BREF LCP, který uvádí, že práce na výměně informací o LCP zahrnovala všechny
druhy a velikosti konvenčních elektráren pro mechanickou výrobu tepla a elektřiny, a to
pod i nad IPPC limitem pro LCP 50 MW. Během výměny informací k energetické
účinnosti však bylo dodáno mnoho dodatečných technik, které nebyly nalezeny v BREFu
LCP. Závěr byl, že se v tomto dokumentu uvedou techniky nalezené v BREFu LCP a
dodatečné techniky se připojí. Dodatečné informace jsou třeba pro:
o techniky spalování a/nebo parních systémů, které se v současnosti nevyužívají ve
velkých podnicích. Např. i když je spalování na fluidním loži popsáno v BREFu
LCP, přehled jeho použitelnosti v ostatních sektorech a jeho výhod a nevýhod by byl
v tomto dokumentu užitečný. Viz též kap. 7.4.2.
o pára: zjišťování dat v případě, když je pára BAT pro vytápění a použití v procesech
Získávání tepla: scházejí data na podporu identifikace BAT při využití výměníků tepla a
tepelných čerpadel.
Vytápění, ventilace a klimatizace (HVAC): kap. 3.9 je sestavena na základě dat o
ventilačních systémech. I když jsou však uvedeny odkazy na další komponenty (čerpadla,
výměníky), nebyla k dispozici data o HVAC jako uceleném systému (včetně citovaných
webových stránek EU). Možná budou také třeba další údaje o průmyslových extrakčních
technikách /podobně jako tomu bylo u technik popsaných v BREFu STM): ta by mohla
být posbírána a použita v tomto horizontálním dokumentu BREF nebo vertikálních
sektorových dokumentech.
mrazící systémy: předpokládalo se, že tyto systémy by pokryla část týkající se HVAC.
Rozsáhlé chlazení skladů surovin a produktů podléhajících zkáze (hlavně potravin) však
spotřebovává v průmyslu EU značnou část energie a pro revizi jsou ještě třeba další
informace. Data UNEP o nedávných diskusích o Montrealském Protokolu přišla příliš
pozdě a nemohla být do tohoto dokumentu zařazena. Důležitou technikou je použití
správného chladiva (a tudíž i správných zařízení. Důležité je:
o že chladiva by nejen neměla přispívat k narušování ozonové vrstvy, ale měla by co
nejméně ovlivňovat skleníkový efekt a měla by mít co nejmenší požadavky na
energii při svém používání
o měly by být k dispozici techniky manipulace a zařízení, která snižují riziko úniku
během provozu, výměny i po ukončení provozu.
Je třeba více informací.
•
•
312
chladící systémy: toto téma je popsáno v BREFu CV, který za primární BAT považuje
využití nadbytečného tepla z jednoho zdroje k plnému nebo částečnému uspokojení
potřeb tepla jiného systému (který může být součástí stejného procesu nebo závodu).
Tento a další nejdůležitější poznatky z BREFu CV jsou shrnuty i v tomto dokumentu.
Korekce elektrické energie pro zásobování elektřinou: dva zdroje udávají hodnotu
účiníku 0,95 jako hodnotu, o kterou by se mělo usilovat. Korekce na tento účiník však
nelze ekonomicky dosáhnout pomocí určitých aktivit, např. obloukových pecí. Ostatní
odvětví si nebyla jistá, jaký účiník by byl pro jejich činnosti vhodný. Nemohlo být proto
dosaženo konsensu ohledně této hodnoty ani ohledně toho, zda je pro každé odvětví
specifická. Je třeba více údajů. Při aktualizaci vertikálních sektorových dokumentů BREF
by se měly stanovit vhodné hodnoty pro jednotlivé sektory.
červen 2008
Kapitola 6
•
•
•
Systémy stlačeného vzduchu (CAS): scházely informace o tom, kdy je použití CAS
nejlepší dostupnou technikou. Je zřejmé, že tam, kde je integrován do hlavních činností
procesu (např. výroba dusíku, foukání skla apod.), nelze jej snadno nahradit. U některých
navazujících horizontálních aktivit (dopravní médium, montážní nástroje) je však třeba
více údajů, aby bylo možné rozhodnout, zda je v daném případě CAS zároveň i BAT.
Existuje určitá dobrá praxe a její benchmark v energetické účinnosti, ale je příliš obecný,
než aby ho bylo možné použít pro BAT. Jsou třeba další informace pro odvození
benchmarků podle druhu kompresoru atd.
Sušení a separace: byly dány dohromady, protože základním závěrem BAT je: tam, kde je
to technicky možné, použít při sušení produktů více než jeden stupeň, např. mechanickou
separaci a po ní tepelné sušení. Existují nicméně techniky sušení a separace, které zde
nebyly popsány.
Nebyla obdržena data o těchto oblastech:
o vakuové systémy
o budování izolace: data nebyla ve formě, která by se dala použít
o řízení tepelných ztrát/zisků v budovách (okna, dveře)
o interní dopravní systémy (dopravníky, přesun práškových materiálů pomocí
stlačeného vzduchu apod.
Doporučení
Výše uvedené mezery by se měly zaplnit při revizi tohoto dokumentu nebo dalších souvisejících
dokumentů BREF (CV a CWW).
Data o nákladech
Podobně jako u jiných BREFů, i zde pro mnoho technik chyběla data o nákladech.
V horizontálním dokumentu se je tato problematika složitá, protože velikost i aplikace se mezi
jednotlivými sektory liší. V některých případech se to řešilo pomocí příkladů v přílohách.
6.4.2
Téma výzkumu a další práce
V oblasti ENE probíhá rozsáhlý výzkum. Je pravděpodobné, že výzkum nových procesů a
technologií bude probíhat spíše na základě jednotlivých sektorů nebo produktů než v obecné
rovině. Je však důležité, že na výzkum v určitých oblastech lze pohlížet jako na výzkum
vedoucí ke zlepšování energetické účinnosti. Přínosy mohou být v několika rovinách (např.
vyšší výnos a kvalita produktů, snížené emise):
•
Technologie stěžejních procesů (např. katalýza, biotechnologie/biokatalýza)
•
Využití konkrétních vlnových délek záření spíše než konvekčního nebo kondukčního
vyhřívání (např. mikrovlny k iniciování reakcí, nové systémy nanášení barev)
•
Získávání tepla v nových aplikacích (získávání tepla v jednotkách intenzivního chovu
zvířat, tepelná čerpadla apod.)
•
Intenzifikace procesů.
Byla zjištěna velká potřeba další práce ve dvou oblastech:
•
Více dat, např. pro oblasti uvedené v kap. 7.4.1
•
Více demonstračních programů na podporu využívání stávajících moderních technik tam,
kde:
o chybějí data a/nebo
o se tyto techniky používají jen v jednom odvětví nebo jsou jen málo pochopeny.
Nedostatečné pochopení nových technik se ukázalo jako riziko pro provozovatele při změně
např. podmínek v kontinuálních procesech, protože může dojít ke ztrátě kvality produktů nebo
výkonu.
Konkrétním příkladem je vysokoteplotní bezplamenné spalování. Komerčně se využívá
v Japonsku ve výrobě oceli. Používá se také v USA a jinde ve výrobě oceli, cihel, neželezných
kovů, ve slévárenství a v malých sklářských pecích. Pilotní projekt na jeho využití v ocelářství
červen 2008
313
Kapitola 6
byl v EU úspěšně dokončen, ale není známa žádná jeho komerční aplikace, ačkoli tato technika
může ušetřit až 30 % energie (viz kap. 6.1).
EK zahajuje a podporuje sérii projektů zabývajících se čistými technologiemi, novými
technikami a managementem čištění odpadních vod a recyklace. Tyto projekty by mohly
představovat dobrý příspěvek k budoucím revizím tohoto dokumentu. Čtenáři jsou proto
vyzváni, aby informovali EIPPCB o všech výsledcích výzkumů, které jsou relevantní vzhledem
k rozsahu tohoto dokumentu (viz též Předmluva).
Současné projekty v oblasti energetické účinnosti financované EU v rámci programu CORDIS
lze najít na http:/cordis.europa.eu.
Tento program se v čase mění a některé aktuální příklady jsou tyto:
•
ochrana před poškozením
o vývoj tenkého keramického nátěru na ochranu proti poškození kovového povrchu
lopatek turbíny
•
SRS NET a ENE
o vědecký referenční systém o nových energetických technologiích, energetické
účinnosti u koncových uživatelů a RTD
•
ECOTARGET
o nové procesy pro radikální změnu evropského papírenského průmyslu
•
FENCO-ERA
o iniciativa za elektrárny bez emisí z fosilních paliv
•
Různé systémy posuzování nových a čistých technologií
6.5
Revize tohoto dokumentu
Data o technikách energetické účinnosti jsou do značné míry aktuální (2000 – 2007) a v blízké
budoucnosti se nejspíš podstatně nezmění. Struktura dokumentu se v druhém návrhu podstatně
změnila, bylo doplněno mnoho nových informací a byly zjištěny další mezery v tomto
dokumentu (viz kap. 6.4.1). Zaplnění těchto mezer by bylo ku prospěchu evropského průmyslu
a revizi tohoto dokumentu by bylo možné provést v roce 2013. Revize by mohla být uzavřena
do roku 2015.
314
červen 2008
Reference
REFERENCE
2 Valero-Capilla, A., Valero-Delgado A. (2005). "Fundamentals of energy
thermodynamics".
3 FEAD and Industry, E. W. T. (2005). "Plug-ins to the Introduction to energy".
4 Cefic (2005). "How to define energy efficiency?"
5 Hardell, R. and Fors, J. (2005). "How should energy efficiency be defined?"
6 Cefic (2005). "Key Aspects of Energy Management".
7 Lytras, K., Caspar, C. (2005). "Energy Audit Models".
9 Bolder, T. (2003). "Dutch initial document on Generic Energy Efficiency Techniques".
10 Layer, G., Matula, F., Saller, A., Rahn, R. (1999). "Determination of energy indicators
for plants, manufacturing methods and products (abridged version)".
11 Franco, N. D. (2005). "Energy models".
12 Pini, A. a. U., A. and Casula, A. and Tornatore, G. and Vecchi, S. (2005). "Energy
saving evaluation using pinch analysis tool".
13 Dijkstra, A. "Definition of benchmarking".
16 CIPEC (2002). "Energy Efficiency Planning and Management Guide".
17 Åsbland, A. (2005). "High temperatur air combustion".
18 Åsbland, A. (2005). "Mechanical Vapour Recompression".
20 Åsbland, A. (2005). "Surplus heat recovery at board mill".
21 RVF, T. S. A. o. W. M. (2002). "Energy recovery by condensation and heat pumps at
Waste-to-Energy to plants in Sweden".
26 Neisecke, P. (2003). "Masnahmen zur Verminderung des Energiverbrauchs bei
ausgewählten Einzeltechniken".
28 Berger, H. (2005). "Energiefficiencte Technologien umd efficiensteigernde
Massnahmen".
29 Maes, D., Vrancen, K. (2005). "Energy efficiency in steam systems".
31 Despretz, H., Mayer, B. "Auditor'Tools. SAVE-project AUDIT II".
32 ADENE (2005). "Steam production".
33 ADENE (2005). "Steam netwokrs".
34 ADENE (2005). "Heat recovery systems".
36 ADENE (2005). "Process control systems".
40 ADENE (2005). "Transport energy management".
48 Teodosi, A. (2005). "Operating procedure of heat exhcangers with flashed steam in an
alumina refinery".
51 Pini, A., Casula, A., Tornatore, G., Vecchi, S. (2005). "Energy saving evaluation using
pinch analysis tools".
55 Best practice programme (1998). "Monitoring and Targeting in large companies. Good
červen 2008
315
Reference
Practice Guide 112. Best Practice Programme. SAVE".
56 Best practice programme (1996). "Monitoring and targeting in small and medium-sized
companies. Good practice guide 125".
62 UK_House_of_Lords (2005). "Energy Efficiency, Volume I:".
63 UK_House_of_Lords (2005). "Energy Efficiency. Volume II: Evidence".
64 Linde, E. (2005). "Energy efficienct stationary reciprocating engine solutions".
65 Nuutila, M. (2005). "Energy Efficiency in Energy Production".
67 Marttila, M. (2005). "Pinch Technology for Energy Analysis".
89 European Commission (2004). "EMAS Energy Efficiency Toolkit for Small and
Mmedium sizwd Enterprises".
91 CEFIC (2005). "Guidelines for Energy Efficiency in Combustion installation".
92 Motiva Oy (2005). "Benchmarking and Energy Mangement Schemes in SMEs, Draft".
93 Tolonen, R. (2005). "Improving the eco-efficiency in the ditrsict heating and district
cooling in Helsinki".
94 ADEME (2005). "Energy efficiency in transport".
95 Savolainen, A. (2005). "Electric motors and drives".
96 Honskus, P. (2006). "An approach to ENE BREF content".
97 Kreith, F. a. R. E. W. (1997). "CRC Handbook of Energy efficiency", 0-8493-2514-5.
98 Sitny, P., Dobes, V. (2006). "Monitoring and targeting".
107 Good Practice Guide (2004). "A strategic approach to energy and environmental
mangement".
108 Intelligent Energy - Europe (2005). "Benchmarking and energy mangement schemes in
SMEs (BESS), Draft".
113 Best practice programme (1996). "Developing an effective energy policy. Good practice
guide 186".
114 Caddet Analysis Series No. 28 (2001). "Energy Conservation in the Pulp and Paper
Industry".
115 Caddet Analysis Series No. 23 "Industrial Heat Pumps".
116 IEA Heat Pump Centre "IEA Heat Pump Centre", http://www.heatpumpcentre.org.
117 Linnhoff March "Pinch methodology", www.linnhoffmarch.com.
118 KBC "Pinch methodology", www.kbcat.com.
119 Neste Jacobs Oy "Pinch methodology", www.nestejacobs.com.
120 Helsinki Energy (2004). "What is District Cooling?"
www.helsinginenergia.fi/kaukojaahdytys/en/index.html.
121 Caddet Energy Efficiency (1999). "Pressured air production and distribution. Caddet
Energy Efficiency Newsletter No 3".
122 Wikipedia_Combustion (2007). http://en.wikipedia.org/wiki/Combustion.
123 US_DOE "Improving steam system performance. A source book for industry." Best
316
červen 2008
Reference
Practices activity for the U.S. Department of Energy's (DOE) Industrial Technologies
Program.
125 EIPPCB "LCP BREF".
126 EIPPCB "C&L BREF".
127 TWG "TWG comments D1", personal communication.
128 EIPPCB "LVIC-S BREF".
130 US_DOE_PowerFactor "Motor Challenge Fact sheet, Reducing Power Factor Cost".
131 ZVEI "Position Paper on the Green Paper on Energy Efficiency: Improving Energy
Efficiency by Power Factor Correction".
132 Wikipedia_Harmonics, http://en.wikipedia.org/wiki/Harmonics.
133 AENOR (2004). "EN 12953-10".
134 Amalfi, X. (2006). "Boiler Audit House".
135 EUROELECTRICS "Harmonics", personal communication.
136 CDA "Harmonics", http://www.copper.org/homepage.html.
137 EC "EURODEEM", http://re.jrc.ec.europa.eu/energyefficiency/eurodeem/index.htm.
139 US_DOE "Motor Master Plus",
http://www1.eere.energy.gov/industry/bestpractices/software.html.
140 EC (2005). "Green Paper on Energy Efficiency COM(2005)265 final of 22 June 2005".
141 EU (2007). "Berlin Declaration".
142 EC (2007). "Energy Efficiency Action Plan October 2007 COM (2006) 545 FINAL".
145 EC (2000). "Green Paper: Towards a European Strategy for the security of Energy
Supply COM (2000) 769 FINAL Nov 2000".
146 EC (2004). “Directive 2004/8/EC of the EP and Council on the promotion of
cogeneration based on a useful heat demand in the internal energy market and amending
Directive 92/42/EEC".
147 EC (2006). “Council Directive 2006/32/EC of 5 April 2006 on energy end-use
efficiency and energy services and repealing Council Directive 93/76/EEC".
148 EC (2005). “Framework Directive 2005/32/EC for the setting of eco-design
requirements for energy using products (EuP)".
152 EC (2003). "Guidance on Interpretation of "Installation" and "Operator" for the
Purposes of the IPPC Directive amended 2007".
153 Wikipedia "thermodynamics: laws, definitions, etc".
154 Columbia_Encyclopedia "Enthalpy".
156 Beerkens, R. G. C., van Limpt H.A.C., Jacobs, G (2004). “Energy Efficiency
benchmarking of glass furnaces", Glass Science Technology, pp. 11.
157 Beerkens R.G.C. , v. L., H. (2006). "Analysis of Energy Consumption and Energy
Savings Measures for Glass Furnaces".
158 Szabo, L., Dr (2007). "Energy efficiency indicators", personal communication.
červen 2008
317
Reference
159 EIPPCB (2006). "STS BREF: Surface treatment using organic solvents".
160 Aguado, M. (2007). "Site visit, Outokumpo Tornio steel works, Finland", personal
communication.
161 SEI (2006). "Certified energy management systems".
162 SEI (2006). "The New Irish Energy Managament Standard- Aughinish Alumina
Experience".
163 Dow (2005). "ENE TWG kick off meeting presentation".
164 OECD (2001). "The application of biotechnology to industrial sustainability:".
165 BESS_EIS "Energy savings in design".
166 DEFRA, U. (2003). "Delivering energy efficiency savings".
167 EIPPCB (2006). "Economics and cross-media BREF".
168 PNEUROP (2007). "Proposed new text for compressed air Section (CAS)".
169 EC (1993). "SAVE programmes - set up to implement directive 93/76/EEC to limit
carbon dioxide emissions by improving energy efficiency".
170 EC (2003). "European motor challange programme - Pumping systems programme",
European motor challange programme.
171 de Smedt P. Petela E., M., I., Brodkorb M. (2006). "Model-based utilities management
optimisation and management".
172 Maagøe Petersen, P. (2006). "Energy Efficient Design".
173 EIPPCB (2003). "Intensive livestock farming BREF".
174 EC (2007). "Novel potato process - LIFE project LIFE04ENV/DK/67", LIFE,
LIFE04ENV/DK/67.
175 Saunders_R. (2006). “Electron Beam: One Way to Mitigate Rising Energy Costs",
RADTECH report.
176 Boden_M. (2007). "Confirmation: EEFIN report results still valid", personal
communication.
177 Beacock, S. (2007). "EUREM project", personal communication.
179 Stijns, P. H. (2005). “Energy management system - Atrium Hospital, Heerlen. NL",
Euro Heat and Power.
180 Ankirchner, T. (2007). "European energy manger training project", personal
communication.
181 Wikipedia "Process control engineering".
182 Wikipedia "Discussion and information on quality assurance and quality management:"
http://en.wikipedia.org/wiki/ISO_9000.
183 Bovankovich (2007). "Energy management: what you need to know", personal
communication.
186 UBA_AT "Energieeffiziente Technologien und effizienzsteigernde Massnahmen".
188 Carbon_Trust_(UK) (2005). "Energy use in Pig Farming ECG089", Energy
318
červen 2008
Reference
Consumption Guide.
189 Radgen&Blaustein (2001). "Compressed Air Systems in the European Union", LOG-X,
3-932298-16-0.
190 Druckluft "System optimisation in CAS", http://www.druckluft-effizient.de/e/facts/08system-optimisation.pdf.
191 Druckluft "Compressed Air Distribution", http://www.druckluft-effizient.de/e/facts/07air-distribution.pdf.
193 Druckluft "Compressed Air-Example plants", http://www.drucklufteffizient.
de/e/links/downloads.php?m=link.
194 ADEME (2007). "Compressed Air".
195 DETR "Air compressors with integral variable speed control", Best Practice
Programme, Energy Efficiency, http://www.drucklufteffizient.
de/links/demoprojekte/uk-vsd.pdf.
196 Wikipedia "Compressed Air".
197 Wikipedia "Drying".
199 TWG "Annex 1622 Front Ends Pump Systems".
200 TWG "Annex 1612 Front Ends Pump Systems".
201 Dresch, M. (2006). "DRYING-Proposal for "Energy Efficiency Techniques" BREF".
202 IFTS, C. I. (1999). "Contribution à l'élaboration de la stratégie de l'ADEME pour la
maîtrise de l'énergie dans les procédés de séparation/concentration".
203 ADEME (2000). "Les procédés de séchage dans l'industrie".
204 CETIAT (2002). "Gains énergétiques induits par l'utilisation des énergies radiantes dans
l'industrie: bilans thermiques sur site et retours d'expérience".
205 ADEME "Optimisation énergétique du séchage du latex naturel", www.ademe.fr.
206 ADEME (2002). "Les énergies radiantes et leurs applications industrielles".
207 ADEME (2000). "Mesure de l'humidité des solides dans l'industrie".
208 Ali, B. (1996). "Séchage à la vapeur d'eau saturée - Etat de l'art", Cahiers de l'AFSIA.
209 Wikipedia "Lighting".
210 EC (2000). "The European Motor Green Light Programme",
http://sunbird.jrc.it/GreenLight/.
211 ADEME (1997). "Financer des travaux d'economie d'energie en hotellerie restauration".
212 BRE_UK (1995). "Financial aspects of energy management in buildings - Good
practice guide 165".
213 EC "Guide to Energy Efficiency Bankable Proposals".
214 EC (1996). "Shared energy saving and supply agreement for UK buildings".
215 Initiatives, I. C. f. L. E. (1993). "Profitting from energy efficiency! A financing
handbook for municipalities".
216 Initiatives, I. C. f. L. E. (1995). "Energy Smart Cities, Energy Efficiency Financing
červen 2008
319
Reference
Directory".
217 Piemonte, R. (2001). "Gestione del servizio di illuminazione pubblica e realizzazione di
interventi di efficienza energetica e di adeguamento normativo sugli impianti comunali,
con l'opzione del finanziamento tramite terzi - Capitolato tipo d'appalto per le
amministrazioni comunali".
218 Association, W. E. E. (1997). "Manual on financing energy efficiency projects".
219 IDAE "Propuesta de Modelo de Ordenanza Municipal de Alumbrado Exterior".
220 Blasiak W., Y., W., Rafidi N., (2004). “Physical properties of a LPG flame with
hightemperature
air on a regenerative burner," Combustion and Flame, pp. 567-569.
221 Yang W., B. W. (25 May 2005,). “Mathematical modelling of NO emissions from High
Temperature Air Combustion with Nitrous Oxide Mechanism", Fuel Processing
Technology,, pp. 943-957.
222 Yang W., B. W. (2005). “ Flame Entrainments Induced by a Turbulent Reacting Jet
Using High-Temperature and Oxygen Deficient Oxidizers", Energy and Fuels, pp.
1473-1483.
223 Rafidi N., B. W. (2005). “Thermal performance analysis on a two composite material
honeycomb heat regenerators used for HiTAC burners," Applied Thermal Engineering,
pp. 2966-2982.
224 Mörtberg M., B. W., Gupta A.K (2005). “Combustion of Low Calorific Fuels in High
Temperature and Oxygen Deficient Environment." Combustion Science and
Technology.
225 Rafidi N., B. W., Jewartowski M., Szewczyk D. (June 2005). “Increase of the Effective
Energy from the Radiant Tube Equipped with Regenerative System in Comparison with
Conventional Recuperative System", IFRF Combustion Journal, article No 200503.
226 CADDET (2003, March). “"High-performance Industrial Furnace Based on
Hightemperature
Air Combustion Technology - Application to a Heat Treatment Furnace"".
227 TWG “Comments to Draft 2 ENE BREF".
228 Petrecca, G. (1992). "Industrial Energy Management".
229 Di Franco, N. “ Energy diagnose in semi-conductors mill".
230 Association, C. D. (2007). "Harmonics",
http://www.copper.org/applications/electrical/pq/issues.html.
231 The motor challenge programme "The motor challenge programme,"
http://re.jrc.ec.europa.eu/energyefficiency/motorchallenge/index.htm.
232 60034-30, I. "Rotating electrical machines - Part 30: efficiency classes of single speed,
three-phase, cage induction motors (IE code)".
233 Petrecca, G. (1992). " Industrial Energy Management".
320
červen 2008
Reference
234 PROMOT "PROMOT", http://promot.cres.gr/promot_plone.
236 Fernández-Ramos, C. (2007). "Energy efficient techniques LCP BREF", personal
communication.
237 Fernández-Ramos, C. (2007). "Cooling in CV BREF", personal communication.
238 Hawken, P. (2000). "Natural Capitalism", ISBN 0-316-35300-0.
240 Hardy, M. "A Practical Guide to Free Cooling, Alternative Cooling, Night Cooling and
Low Energy Systems," http://www.ambthair.com.
241 Coolmation “Free Cooling".
242 DiLouie, C. (2006). "Advanced Lighting Controls: Energy Savings, Productivity,
Technology and Applications," ISBN 0-88173-510-8.
243 R&D, E. (2002). "Waste water concentration by mechanical vapour recompression
(MVR) or heat pump (HP)".
244 Best practice programme "Compressed air costs reduced by automatic control system",
http://www.druckluft-effizient.de/links/demoprojekte/gpcs137.pdf.
245 Di Franco, N. (2008). "Energy efficient management of transformers".
246 ISPRA, D. J. I. (2008). "Figure-Comparison of energy efficient and conventional
pumping system", personal communication.
248 ADEME (2007). "Drying systems-Proposal for ENE BREF_Annex 5MDDrying".
249 TWG (2007). “TWG Final ENE BREF Meeting Nov 2007".
250 ADEME (2006). "Energy Diagnosis Reference Frame for Industry", personal
communication.
251 Eurostat (2007). "Panorama of Energy".
252 EEA (2005). "Atmospheric greenhouse gas concentrations", CSI 013.
254 EIPPCB (2005). "Waste Incineration BREF", BREF.
255 EC; Waste, P. f. a. D. o. t. E. P. a. t. C. o. and COM_(2005)_667 (2005). "Proposal for a
Directive of the European Parliament and the Council on Waste COM (2005) 667".
256 Tempany, P. (2007). "Continuing environmental improvement", personal
communication.
257 Clark, J. H. (2006). “Green Chemistry: today (and tomorrow)", Green Chemistry.
258 Tsatsaris, G. and Valero, A. (1989). “Thermodynamics meets economics - Combining
thermodynamics and economics in energy systems", Mechanical Engineering.
259 IEA (2006). "Scenarios and strategies to 2050".
260 TWG (2008). “Comments on Draft 3: BAT Chapter, etc".
261 Carbon_Trust_UK (2005). "Energy use in Pig Farming".
262 UK_Treasury (2006). "(The Stern report): The economics of climate change".
263 Tempany, P. (2008). "Directly heated drying".
264 Tempany, P. (2008). "Indirectly heated drying".
265 Tempany, P. (2008). "Insulation and drying".
červen 2008
321
Reference
266 Ullmann's (2000). "Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 6th edition
electronic release".
267 EIPPCB (2006). "STM: Surface treatment of Metals and Plastics".
268 Whittaker, G. (2003). "Specifying for industrial Insulation Systems", Steam Digest
Volume 4.
269 Valero, A. (2007). "Introduction to Thermodynamics for the ENE BREF".
270 Tempany, P. (2008). "Estimations and calculations", personal communication.
271 US_DOE (2004). "Waste Heat Reduction and recovery for improving furnace
effciency, productivity and emissions performance", DOE/GO-102004-1975.
272 Finland, M. O.-. (2007). "Energy audit for transport chains".
276 Agency, S. E. P. (1997). "Energy Conservation in the Pulp and Paper Industry", 4712/4.
277 ADEME "Recuperation de chaleur par prechauffage de l'air".
278 ADEME "Space heating - Annex 8".
279 Czech_Republic (2006). "Energy Performance Contracting - The ESCO concept".
280 UBA_DE (2006). "Energy Services Company (ESCO) concept".
281 EWEC (2004). "Proceedings of the European Wind Energy Conference".
282 Association, E. S.,
http://www.electricitystorage.org/tech/technologies_technologies_caes.htm.
322
červen 2008
Glosář
GLOSÁŘ
Pojem
Symboly
µm
~
°C
0
∆T
ε
σ
A
AC
AEA
aka
API
ASTM
atm
av
B
bar
bara
barg
BAT
BOOS
Bq
BREF
Anglický
ekvivalent
Význam
micrometre
around; more or
less
degree Celsius
ambient conditions
temperature
difference
(increase)
exergetic
efficiency
entropy production
J/K
mikrometr (1 µm = 10-6 m)
přibližně, více či méně
alternating current
Austrian Energy
Agency
also known as
American
Petroleum Institute
American Society
for Testing and
Materials
atmosphere
average
bar
bar absolute
bar gauge which
means
the
difference between
atmospheric
pressure and the
pressure of the gas.
At sea level, the
air pressure is 0
bar gauge, or
101325
bar
absolute
best
available
techniques
burner
out of
service
Becquerel
BAT
reference
document
stupeň Celsia
okolní podmínky
změna teploty (nárůst)
exergetická účinnost
produkce entropie J/K
střídavý proud
Rakouská energetická agentura
známé též jako
Americký ropný institut
Americká společnost pro testování a materiály
atomsféra (1 atm = 101325 N/m2)
průměr/průměrně
bar (1,013 bar = 1 atm)
absolutní bar
kalibrační/standardní/normovaný bar; znamená rozdíl mezi
atmosférickým tlakem a tlakem plynu. Při nulové nadmořské
výšce je tlak vzduchu 0 kalibračního baru, nebo 101325
absolutního baru.
nejlepší dostupné techniky
hořák mimo provoz
Becquerel (s-1) – aktivita radionuklidu
referenční dokument o BAT
PT/EIPPCB/ENE_Finální návrh
verze z března 2008
323
Glosář
Pojem
BTEX
C
C
C
C4 stream
CC
CCGT
CCP
CEM
CEMS
CEN
CENELEC
CFB
CFBC
324
Anglický
Význam
ekvivalent
benzene, toluene, benzen, toluen, etyl benzen, xylen
ethyl
benzene,
xylene
velocity
specific heat of an
incompressible
substance
a
mixture
of
molecules
all
having four carbon
atoms. Usually
•
butadiene
(C4H6)
• butene-1, butene2 and isobutylene
(C4H8)
• N-butanes and
isobutene (C4H10)
combined cycle
combined
cycle
gas turbine
coal combustion
products
continuous
emission
monitoring
continuous
emission
monitoring system
European
Committee
for
Standardisation
European
Committee
for
Electrotechnical
Standardisation
circulating
fluidised bed
circulating
fluidised
bed
combustion
rychlost m/s
měrné tepelo nestlačitelné látky J/(kgK)
směs molekul, z nichž všechny mají čtyři atomy uhlíku, obvykle
• butadien (C4H6)
• buten-1, buten-2 a isobutylen (C4H8)
• N-butany a isobuten (C4H10)
kombinovaný cyklus
kombinovaný cyklus plynové turbíny
produkty spalování uhlí
kontinuální monitoring/měření emisí
systém kontinuálního monitoring/měření emisí
Evropský výbor pro standardizaci
Evropský výbor pro elektrotechnikou standardizaci
cirkulační fluidní lože
spalování v cirkulačním fluidním loži
červen 2008
Glosář
Pojem
CFC
CHP
CIP
cm
CHSK
COP
COPHP
COPR
cp
Anglický
ekvivalent
chlorofluorocarbon
is
a compound
consisting
of
chlorine, fluorine,
and carbon. CFCs
are very stable in
the
troposphere.
They move to the
stratosphere and
are broken down
by
strong
ultraviolet
light,
where they release
chlorine atoms that
then deplete the
ozone layer
combined heat and
power
(cogeneration)
clean-in-place
system
centimetre
- COD - chemical
oxygen demand:
the amount of
potassium
dichromate,
expressed
as
oxygen, required
to
chemically
oxidise at approx.
150 °C substances
contained in waste
water
coefficient
of
performance
coefficient
of
performance
of
heat pump cycle
coefficient
of
performance
of
refrigeration cycle
specific heat at
constant pressure
Význam
chlorflouruhlodovík je sloučenina složená z chloru, fluoru
a uhlíku. CFC jsou v troposféře velmi stabilní. Přesunují se do
stratosféry, kde jsou rozkládány silným ultrafialovým zářením.
Při rozkladu se uvolňují atomy chloru, které pak rozkládají
ozonovou vrstvu
kombinovaná výroba tepla a elektrické energie (kogenerace)
čištění zařízení bez jeho demontáže, obvykle prováděné
rozprašovačem [www.cleaningvalidation.com/Glossary.htm]
centimetr
chemická spotřeba kyslíku, množství dichromanu draselného,
vyjádřeného jako množství kyslíku, potřebného k chemické
oxidaci látek obsažených v odpadní vodě (při zhruba 150 °C)
koeficient výkonnosti/účinnosti
koeficient výkonnosti oběhu tepelného čerpadla
koeficient výkonnosti oběhu chlazení
měrná teplo za konstantního tlaku J/(kgK)
červen 2008
325
Glosář
Pojem
neustálé
zlepšování
mezisložkové
vlivy
cv
cv
D
d
DC
DCS
DDCC
CZT
DK
E
e
Anglický
ekvivalent
–
continual
improvement - it is
a process
of
improving year by
year the results of
energy
management,
increasing
efficiency
and
avoiding
unnecessary
consumptions
cross-media
effects
the
calculation of the
environmental
impacts
of
water/air/soil
emissions, energy
use, consumption
of raw materials,
noise and water
extraction
(i.e.
everything
required by the
IPPC Directive)
specific heat at
constant volume
control volume
day
direct current
distributed control
system
direct
digital
combustion
control
- DH - district
heating
Denmark
exergy
mass
326
per
Význam
proces zlepšování výsledků energetického managementu rok
po roku, zvyšování účinnosti a zabránění nadbytečných spotřeb
výpočet
environmentálních
dopadů
z emisí
do
vody/ovzduší/půdy, spotřeby energie, spotřeby surovin, z hluku
a čerpání vody (tj. vše požadované Směrnicí IPPC)
měrné teplo za konstantního objemu J/(kgK)
systém s proměnným objemem
Část prostoru, na který se vztahuje určitý soubor rovnic.
V systému s proměnným objemem jsou všechny kvantity
zachovávány, což znamená, že geometrie systému je funkcí času.
[http://en.wikipedia.org/wiki/Control_volume]
Imaginární hranice, jimiž je identifikován systém. Jsou jimi
polohovány všechny vnitřní prvky systému, všechny vnější
prvky
systému
a všechny
zdroje
energie
[www.fluidedesign.com/pump_glossary.htm]
den
stejnosměrný proud
distribuovaný řídící systém
přímé digitální řízení spalování
centralizované zásobování teplem
Dánské království (Dánsko)
unit exergie na jednotku hmoty J/kg
červen 2008
Glosář
Pojem
EA
EAM
EDTA
EEI
EFF
EGR
EIF
EII
EIPPCB
ELV
EMAS
Anglický
ekvivalent
energy audit
energy audit model
ethylenediamine
tetraacetic acid
energy efficiency
index
motor efficiency
classification
scheme created by
the
European
Commission and
the EU motor
manufacturers
(CEMEP). There
are three class
levels
of
efficiency, known
as EFF1 (high
efficiency motors),
EFF2
(standard
efficiency motors)
and EFF3 (poor
efficiency motors),
applying to low
voltage two- and
four-pole motors
with
ratings
between 1.1 and
90 kW
exhaust
gas
recirculation
energy
intensity
factor
energy
intensity
index
European
IPPC
Bureau
emission
limit
value
European
Community EcoManagement and
Audit Scheme
Význam
energetický audit
model energetického auditu
ethylendiamintetraoctová kyselina
index energetické účinnosti
schéma klasifikace účinnosti motorů vytvořené Evropskou
komisí a Evropským sdružením výrobců motorů (CEMEP). Jsou
definovány tři třídy úrovně účinnosti, známé jako EFF1 (motory
s vysokou účinností), EFF2 (motory se standardní účinností)
a EFF3 (motory s nízkou účinností), které jsou uplatňovány
na nízkonapěťové dvou- či čtyř pólové motory s výkony mezi
1,1 až 90 kW
recirkulace odpadního plynu/spalin
faktor/ukazatel energetické intenzity
index energetické intenzity
Evropský úřad IPPC
mezní hodnota emisí [hodnota emisního limitu]
Systém Evropského společenství pro řízení podniků a auditu
z hlediska ochrany životního prostředí (EMAS) [znění podle
Nařízení ES č. 761/2001]
červen 2008
327
Glosář
Pojem
Anglický
ekvivalent
emise
- emission - the
direct or indirect
release
of
substances,
vibrations, heat or
noise
from
individual
or
diffuse sources in
the installation into
the air, water or
land
mezní
the
mass,
hodnoty
expressed in terms
emisí
of certain specific
parameters,
concentration
and/or level of an
emission, which
may
not
be
exceeded during
one
or
more
periods of time
EMS
environment
management
system or energy
management
system
energetický
- energy audit - the
audit
process
of
identification
of
the
energy
consumptions, the
conservation
potentials
and
appropriate
efficiency
practices
systém
energy
energetického management – the
managementu part of overall
management
system, which is
dedicated to the
continual energy
performance
improvement
328
Význam
přímé nebo nepřímé uvolňování látek, vibrací, tepla nebo hluku
z bodových nebo difúzních zdrojů v zařízení do ovzduší, vody či
půdy [Směrnice IPPC, čl. 2(5), ISAP]
objem vyjádřený pomocí určitých specifických parametrů,
koncentrace nebo hladiny určité emise, která nemá být během
jednoho či několika časových období překročena [Směrnice
IPPC, čl. 2(6), ISAP]
systém environmentálního
energetického managementu
managementu
nebo
systém
proces, při němž jsou identifikovány spotřeby energie,
potenciály k úsporám a vhodné postupy zvýšení účinnosti
součást obecného systému managementu, která je zaměřena
na neustálé zlepšování energetické výkonnosti
červen 2008
Glosář
Pojem
energetická
výkonnost
EO
EOP
EPER
ESCO
ET
EU-15
EU-25
F
f
FBC
FBCB
fg
FI
G
g
g
g
G
GJ
Anglický
ekvivalent
energy
performance - the
amount of energy
consumed
in
relation
with
obtained results.
The lower the
specific
energy
consumption, the
higher the energy
performance
energy output
end-of-pipe
European pollutant
emission register
energy
service
company
total energy
15 Member States
of the European
Union
25 Member States
of the European
Union
saturated liquid
fludised
bed
combustion
fludised
bed
combustion boiler
difference
in
property
for
saturated vapour
and
saturated
liquid
Finland
acceleration
gravity
saturated gas
Význam
množství spotřebované energie vztažené k obdrženým výstupům.
Čím nižší je měrná (specifická) spotřeba energie, tím vyšší je
energetická výkonnost
výstup energie
koncová technologie omezování znečišťování
Evropský registr emisí znečišťujících látek
podnik energetických služeb
celková energie J
15 členských států Evropské unie
25 členských států Evropské unie
nasycená kapalina
spalování ve fluidním loži
kotel/topeniště pro spalování ve fluidním loži
rozdíl ve vlastnostech nasycených par a nasycené kapaliny
Finská republika (Finsko)
of gravitační zrychlení m/s2
gram
nasycený plyn
giga 109
gigajoule
červen 2008
329
Glosář
Pojem
zelený
certifikát
GT
GTCC
GW
GWh
GWhe
GWP
H
H
h
h
harmonická
složka
TTO
HiTAC
HMI
HP
HPS
HRSG
Anglický
ekvivalent
- green certificate a market-based
tool to increase use
of
renewables.
Green certificates
represent
the
environmental
value of renewable
energy production.
The
certificates
can be traded
separately from the
energy produced
gas turbine
gas
turbine
combined cycle
global
potential
Význam
tržně konformní nástroj zvyšování využití obnovitelných zdrojů
energie. Zelený certifikát představuje environmentální hodnotu
výroby obnovitelné energie. Certifikáty lze obchodovat odděleně
od vyrobené energie.
plynová turbína
gigawatt
gigawatthodina
gigawatthodina elektrické energie
warming potenciál globálního oteplování
enthalpy
specific enthalpy
entalpie J
měrná entalpie J/kg
hodina
- harmonics - sinusová složka periodické vlny nebo množství, která má
frekvenci, jež je celočíselným násobkem základní frekvence.
a sine-shaped
component
of Harmonická složky je rušením [clean power]
a periodic wave or
quantity
having
a frequency that is
an
integral
multiple
of
a fundamental
frequency. It is
a disturbance
in
clean power
- HFO – heavy těžký topný olej
fuel oil
High Temperature Vysokoteplotní spalovací technologie
Air
Combustion
Technology
human
machine rozhraní člověk – stroj
interface
high pressure
vysoký tlak
high
pressure vysokotlaká pára
steam
heat
recovery parní generátor s rekuperací tepla
steam generator
I
330
červen 2008
Glosář
Pojem
IE
EIA
IEF
IGCC
installation
IPPC
IRR
OSI
ISO 14001
J
J
JRC
K
K
kcal
kg
kJ
KN
kPa
Anglický
ekvivalent
Ireland
International
Energy Agency
Information
Exchange Forum
integrated
gasification
combined cycle
a
stationary
technical
unit
where one or more
activities listed in
Annex I of the
IPPC Directive are
carried out, and
any other directly
associated
activities
which
have
a technical
connection
with
the
activities
carried out on that
site and which
could have an
effect on emissions
and pollution
integrated
pollution
prevention
and
control
internal rate of
return
International
Standardisation
Organisation
ISO
Environmental
Management
Standard
Joint
Centre
Význam
Irsko
Mezinárodní energetická agentura
Forum výměny informací (neformální konzultační/poradní orgán
pro provádění Směrnice IPPC)
kombinovaný cyklus s integrovaným zplyňováním
stacionární technická jednotka, ve které probíhá jedna či více
činností uvedených v příloze I, a jakékoliv další tím přímo
pojené činnosti, které po technické stránce souvisejí činnostmi
probíhajícími v dotyčném místě a mohly by ovlivnit emise
a znečištění [Směrnice IPPC, čl. 2(3), ISAP]
integrovaná prevence a omezování znečišťování
vnitřní výnosové procento/vnitřní míra výnosu
Mezinárodní organizace pro standardizaci
Standard ISO pro environmentální management
joule
Research Společné výzkumné středisko
kinetic energy
kelvin (0 °C = 273,15 K)
kilokalorie (1 kcal = 4,19 kJ)
kilogram
kilojoule (1 kJ = 0,24 kcal)
kinetická energie J
kiloPascal
červen 2008
331
Glosář
Pojem
Anglický
ekvivalent
kt
kWh
L
l
LCP
LTO
LP
LPG
LPS
LVOC
M
m
m
M
m/min
m2
m3
MBPC
mg
MIMO
MJ
mm
332
Význam
kilotuna
kilowatthodina (1 kWh = 3600 kJ = 3,6 MJ)
litr
combution velké spalovací zařízení
large
plant
- LFO – light fuel
oil
low pressure
liquid petroleum
gas
low pressure steam
large
volume
organic chemicals
(BREF)
model-based
predictive control
lehký topný olej (lehčí, než TTO)
nízký tlak
zkapalnělý propan-butan (ropný plyn)
nízkotlaká pára
BREF pro velkoobjemovou chemii
hmotnost
metr
mega 106
metry za minutu
metr čtvereční
metr krychlový
řízení na bázi modelových předpovědí
miligram (1 mg = 10-3 g)
multi-input, multi- vícenásobné vstupy a výstupy
ouput
megajoule (1 MJ = 1000 kJ = 106 joule)
milimetr (1 mm = 10-3 m)
červen 2008
Glosář
Pojem
monitoring
MP
MPS
Mt
MWe
MWth
N
N
n.a.
n.d.
ng
Nm3
NMHC
NMVOC
η
O
OECD
OFA
Anglický
ekvivalent
process intended to
assess
or
to
determine
the
actual value and
the variations of an
emission
or
another parameter,
based
on
procedures
of
systematic,
periodic or spot
surveillance,
inspection,
sampling
and
measurement
or
other assessment
methods intended
to
provide
information about
emitted quantities
and/or trends for
emitted pollutants
medium pressure
medium pressure
steam
[(energy)]
[(energy)]
Význam
proces, jehož účelem je vyhodnocení nebo stanovení skutečných
hodnot a odchylek emisí nebo jiného parametru. Proces sestává
z postupů systematické, periodické nebo jednorázové kontroly,
inspekce, vzorkování a měření nebo jiných vyhodnocovacích
metod provedených s cílem získat informace o emitovaných
množstvích a o trendech v emisí znečišťujících látek
střední tlak
střednětlaká pára
megatuna (1Mt = 106 t)
megawatt elektrického výkonu
megawatt tepelného výkonu
nozzle
vstřikovací tryska
not applicable OR nelze uplatnit NEBO není dostupné
not available
no data
neexistence dat/údajů
nanogram (1 ng = 10-9 g)
normální metr krychlový (101325 kPa, 273,15 K)
non-methan
nemetanové uhlovodíky
hydrocarbons
non-methan
nemetanové prchavé organické sloučeniny
volatile
organic
compounds
thermal efficiency tepelná účinnost
Organisation for Organizace pro hospodářskou spolupráci a rozvoj
Economic
Cooperation
and
Development
overfire air
spalovací vzduch [??přebytek vzduchu (při spalování)]
červen 2008
333
Glosář
Pojem
provozovatel
°R
Ottův cyklus
P
P
P, p
Pa
PCB
PCDD
PCDF
PDCA
PFBC
PI
PID
PLC
znečišťující
látka
ppb
ppm
334
Anglický
ekvivalent
- operator - any
natural or legal
person
who
operates
or
controls
the
installation
or,
where
this
is
provided for in
national
legislation,
to
whom
decisive
economic power
over the technical
functioning of the
installation
has
been delegated
degree rankine
Význam
jakákoliv fyzická nebo právnická osoba, která zařízení provozuje
nebo řídí, nebo pokud to vyžadují vnitrostátní právní předpisy,
na kterou byla přenesena rozhodující hospodářská pravomoc nad
technickou funkcí zařízení [Směrnice IPPC, čl. 2(12), ISAP]
Rankinův stupeň
Stupnice absolutní teploty vycházející z Fahrenheitovy stupnice,
ale s R definovaným jako absolutní nula. 0°F odpovídá 459.67°R
[www.omega.com/literature/transactions/volume1/glossary.html]
- Otto cycle- four čtyřdobý motor
stroke engine
pressure
plan-do-check-act
cycle
pressurised
fluidised
bed
combustion
process-integrated
proportional
integral derivative
control
programmable
logic controls
pollutant
individual
substance or group
of
substances
which can harm or
affect
the
environment
parts per billion
parts per million
(by weight)
peta 1015
tlak
pascal
polychlorované benzeny
polychlorované dibenzo-dioxiny
polychlorované dibenzo-furany
cyklus plánování, realizace, kontroly a nápravného jednání
[Demingovo schéma plánování, zavádění a provozu, měření
a vyhodnocování, přezkoumání a zlepšování]
tlakové spalování ve fluidním loži
integrované do procesu
řízení odvozené podle poměrů k celku
logické programovatelné řízení
jakýkoliv chemický prvek a jeho sloučeniny, které mohou
poškodit nebo ovlivnit životní prostředí
částí v bilionu
částí v milionu (v hmotnostním vyjádření)
červen 2008
Glosář
Pojem
ppmvd
PT
Q
Q
Q˙
teplo J
tepelný výkon [spotřeba tepla]
heat rate
R
R
R&D
Ru
S
S
s
s
SAVE
program
SCADA
SE
MSP
měrná
spotřeba
SPOT
T
t
t
T
T
t/r
Anglický
Význam
ekvivalent
parts per million částí v milionu v objemovém vyjádření suchých plynů
by volume for
volume for dry
gases
potential energy
potenciální energie
gas constant
research
development
universal
constant
plynová konstanta J/(gK)
and výzkum a vývoj
gas univerzální plynová konstanta J/(molK)
entropy
specific entropy
entropie J/K
měrná entropie J/(kgK)
sekunda
energy program Evropských společenství pro energetickou účinnost
EC
efficiency
programme
supervisory
control and data
acquisition
Sweden
- SME – small and
medium
sized
enterprise
specific
consumption
consumption
related
to
a reference basis,
such as production
capacity, or actual
production
(e.g.
mass per tonne or
per unit produced)
steam
plant
optimization tool
time
metric tonne
temperature
t/yr
dohledová kontrola a sběr dat/údajů
Švédské království (Švédsko)
malé a střední podniky
spotřeba vztažená k referenčnímu základu, jako je výrobní
kapacita, nebo skutečná výroba (např. hmotnost/množství
na tunu nebo na vyrobenou jednotku)
nástroj pro optimalizaci parní elektrárny
čas
tuna (1000 kg nebo 106 g)
teplota
tera 1012
tun za rok
červen 2008
335
Glosář
Pojem
TEE
TWG
top
management
U
U
u
UHC
V
V
v
V
VAM
VOCs
vol-%
W
W
Anglický
ekvivalent
abbreviation
for
white certificate in
Italy, see white
certificate
technical working
group
the person or
group of people of
the
highest
authority the direct
the company or
part of it
zkratka pro italské bílé certifikáty, viz bílý certifikát
technická pracovní skupina
osoba nebo skupina osob majících nejvyšší autoritu/pravomoci
pro řízení podniku nebo jeho části
internal energy
vnitřní energie
internal energy per vnitřní energie na jednotku hmotnosti J/kg
unit of mass
unburned
nespálené uhlovodíky
hydrocarbons
volume
specific volume
objem
měrný objem, převrácená hodnota hustoty m3/kg
volt
acetát monomer vinyl acetátu
vinyl
monomer
volatile
organic prchavé organické sloučeniny
compounds
percentage
by procento objemu (také % v/v)
volume
(also %
v/v)
work
336
Význam
práce J
červen 2008
Glosář
Pojem
bílý certifikát
WI
wt-%
W-t-E
X
x
Y
r
Z
Z
z
Anglický
ekvivalent
- white certificate a market-based
tool to get energy
savings for some
category
of
operators
(distributors,
consumers, etc.)
coupled
with
a trading system
for
energy
efficiency
measures resulting
in energy savings.
The savings would
be verified and
certified by the socalled
“white”
certificates.
waste incineration
percentage
by
weight
(also %
w/w)
waste to energy
molar
quality
- y – year
Význam
tržně konformní nástroj energetické politiky, kdy určitá
kategorie provozovatelů (distributoři, spotřebitelé, atd.) může
obchodovat energetické úspory dosažené realizací opatření
energetické účinnosti. Úspory energie jsou ověřeny
a certifikovány tzv. „bílými certifikáty“
spalování odpadu
procento hmotnosti (také % w/w)
odpad na energii
fraction, molární zlomek, kvalita
rok
compressibility
součinitel stlačitelnosti
factor
elevation, position výška, pozice m
m
červen 2008
337
Přílohy
7 PŘÍLOHY
7.1
Energie a zákony termodynamiky
[269, Valero, 2007]
Pro pochopení toho, kde se energie používá, a pro zajištění jejího účinného a řízeného využívání
má zásadní význam provádění energetických auditů a diagnóz v průmyslových podnicích.
Přitom je třeba provádět bilance hmoty, energie a exergie pro zařízení a odpovídající procesy.
Poté lze dát doporučení na zlepšení účinnosti a/nebo minimalizaci ztrácející se energie.
Základním oborem, který se věnuje energii a různým koncepcím nebo zákonům popisujícím
přechod jedné formy energie v druhou je termodynamika. Základní pojetí termodynamiky je zde
shrnuto, přičemž je kladen důraz na oblasti, které mají zvláštní význam pro optimalizaci
používání energie a energetické účinnosti v průmyslu. Podrobné vysvětlení je k dispozici ve
vysokoškolských učebnicích (viz Literatura).
7.1.1
7.1.1.1
Obecné principy
Charakteristika systémů a procesů
(Pozn.: tam, kde mají symboly nebo vzorce rozměry, jsou uvedeny v jednotkách SI)
Termodynamický systém je množství hmoty v předem vymezených hranicích. Vše, co je mimo
tento systém, se nazývá jeho okolím. Systémy mohou být považovány za uzavřené nebo
otevřené. Systém je uzavřený, jestliže nedochází k vzájemné výměně hmoty mezi ním a jeho
okolím. Pokud k této výměně dochází, systém je otevřený.
Velmi důležitou skupinou systémů jsou systémy s rovnovážným tokem. Systém s rovnovážným
tokem lze definovat jako každý fixní systém v prostoru, skrze nějž protéká tekutina, a vlastnosti
této tekutiny, buď uvnitř systému nebo na jeho hranicích, se během času nemění. Typickými
příklady jsou vzdušné kompresory, plynové turbíny, parní turbíny, kotle, čerpadla, výměníky
tepla apod. všechna tato zařízení mají společné to, že do nich vstupuje a pak z nich vystupuje
jeden nebo více proudů tekutin. Jsou také známé jako rovnovážné systémy či systémy
s rovnovážným tokem.
Každá charakteristika systému se nazývá vlastností. Nejčastějšími příklady jsou teplota, tlak,
objem nebo hmotnost. Vlastnosti jsou považovány za intenzivní, jestliže jsou nezávislé na
velikosti systému (teplota, tlak, hustota) nebo extenzivní, jestliže jejich hodnota závisí na
velikosti systému (hmotnost, objem, celková energie). Jestliže je extenzivní vlastnost vydělena
celkovou hmotností systému, nazývá se výsledná vlastnost měrnou vlastností. Stav systému jsou
podmínky systému tak, jak je popisují jeho vlastnosti. Stavová rovnice je jakákoli rovnice
týkající se vlastností látky.
Systém, který je v rovnováze, nepodléhá žádným změnám, když je izolován od okolí. Každá
změna, kterou by systém mohl projít, se považuje za proces. Systém je v rovnovážném stavu,
jestliže se žádná z jeho vlastností nemění v čase. Když se systém vrátí do svého původního
stavu na konci procesu, pak tento systém prošel cyklem. Reverzibilní procesy jsou ty, ve
kterých vše, co se zapojí do procesu, může být po provedení procesu vráceno do svého
původního stavu. Po nevratném procesu toto není možné. I když všechny reálné procesy jsou
nevratné, je studium reverzibilních procesů dobré k tomu, abychom porozuměli limitů chování
systémů a procesů.
červen 2008
338
Přílohy
7.1.1.2
Formy uchování a přenosu energie
7.1.1.2.1
Uchování energie
Energii lze uchovat v mnoha formách. Těmi termodynamicky nejdůležitějšími jsou: vnitřní,
kinetická a potenciální energie. Ostatní formy energie, jako je magnetické, elektrické a
povrchové napětí, jsou specifické a nebudeme se zde jimi zabývat. Energie se měří v joulech (J)
nebo např. v kilowatthodinách (kWh).
Vnitřní energie (U) je spojena s mikroskopickými formami energie, pohybem, pozicí a vnitřním
stavem atomů nebo molekul.
Energie spojená s pohybem systému jako celku ve vztahu k nějakému referenčnímu rámci se
nazývá kinetická energie KN a vyjadřuje se takto:
Rovnice 7.1
kde:
C = rychlost systému ve vztahu k nějakému fixnímu ref. rámci
m = hmotnost tělesa v pohybu
Změna gravitačního potenciálu (PT) je spojena s postavením systému jako celku v gravitačním
poli Země a lze ji vyjádřit jako:
Rovnice 7.2
kde:
g = gravitační zrychlení
z = výška těžiště systému ve vztahu k nějaké libovolně zvolené referenční
rovině.
Energie systému, která sestává z kinetické, potenciální a vnitřní energie, se vyjadřuje:
Rovnice 7.3
7.1.1.2.2
Přenos energie
Výše zmíněné formy energie, které tvoří celkovou energii systému, jsou statické formy energie
a lze je v systému uchovat. Energii lze však také transformovat z jedné formy do druhé a
přenášet mezi systémy. U uzavřených systémů lze energii přenášet pomocí práce a tepla. Teplo
a práce nejsou vlastnosti, protože závisejí na detailech procesu a ne jenom na koncových
stavech. Míra přenosu energie se vyjadřuje ve wattech (1 Watt = 1 Joule/sekundu).
Teplo
Teplo (Q) lze definovat jako energii v přechodu z jedné hmoty do druhé díky teplotnímu rozdílu
mezi nimi. Zahrnuje množství energie přenesené do uzavřeného systému během procesu jinak
než prací. Přenos energie probíhá pouze ve směru klesající teploty.
Teplo lze přenášet třemi způsoby: vedením, sdílením a zářením. Vedení je přenos energie
z částic z vyšší energií na okolní částice s nižší energií díky interakcím mezi částicemi.
K vedení dochází v tuhých látkách, kapalinách i plynech. Sdílení je přenos energie mezi tuhým
povrchem s určitou teplotou a okolním pohybujícím se plynem nebo kapalinou o jiné teplotě.
červen 2008
339
Přílohy
Tepelné záření emituje látka v důsledku změn v elektronové konfiguraci svých atomů nebo
molekul. Energie je transportována elektromagnetickými vlnami a nevyžaduje žádné médium.
K tomuto jevu může docházet i ve vakuu.
Práce
Termodynamická definice práce (W) je: práci vykoná systém na svém okolí, jestliže jeho
výhradní efekt na vše vně tohoto systému by mohl spočívat ve zvednutí určité hmotnosti.
Podobně jako teplo, i práce je energie v přechodu. Míra energie předané prací se nazývá síla a
označuje se W.
7.1.2
První a druhý zákon termodynamiky
Dva základní zákony termodynamiky jsou: (1) energie se zachovává a (2) je nemožné provést
jakoukoli změnu nebo sérii změn, jejichž jediným výsledkem je přenos energie ve formě tepla
z z nízké na vysokou teplotu. Jinými slovy – teplo samo od sebe nepoteče z místa s nízkou
teplotou do místa s vysokou teplotou.
K procesu nedojde, pokud nejsou zároveň splněny oba zákony termodynamiky.
7.1.2.1
Bilance energie. První zákon termodynamiky
První zákon termodynamiky je obecný fyzikální princip, který říká, že energie se zachovává. I
když byl zákon formulován v mnoha verzích, všechny mají v zásadě stejný význam. Následuje
několik příkladů:
•
•
•
•
•
Kdykoli je energie transformována z jedné formy v druhou, vždy se zachovává
Energii nelze ani vytvořit, ani zničit
Celkový součet všech energií zůstává v daném systému konstantní
Čistá energie ve formě tepla přidaného (odebraného) do systému, který pracuje v cyklu,
se rovná čisté energii ve formě práce vyprodukované (spotřebované) systémem
Hodnota čisté práce provedené uzavřeným systémem, který prochází adiabatickým
procesem mezi dvěma stavy, nebo na tomto systému závisí výhradně na koncových
stavech a nikoli na detailech adiabatického procesu.
7.1.2.1.1
Bilance energie v uzavřeném systému
Pro uzavřený systém první zákon znamená, že změna v energii systému se rovná čisté energii
přenesené do systémy prostřednictvím práce a tepla, tj.:
Rovnice 7.4
V předchozí rovnici byla použita obvyklá znamení: teplo je kladné, když se do systému přidává,
a práce je kladná, když ji systém produkuje.
7.1.2.1.2
Bilance energie v otevřených systémech
Většina termodynamických aplikací se provádí na základě řízeného objemu. V takových
případech je třeba aplikovat princip zachování hmoty: rychlost akumulace hmoty uvnitř
řízeného objemu se rovná rozdílu mezi celkovými rychlostmi toku hmoty dovnitř a ven přes
hranice systému.
340
červen 2008
Přílohy
Rovnice 7.5
Bilance rychlosti energie je pro takový systém tato:
(v SI jednotkách, W)
Rovnice 7.6
V předchozí rovnici je h měrná entalpie toků vstupujících do systému a vystupujících z něj:
Rovnice 7.7
Pro systémy s rovnovážným tokem jsou toky hmoty a toky energie přenášené teplem a prací
v čase konstantní.
Rovnice 7.8
V rovnovážném stavu lze první zákon termodynamiky tudíž vyjádřit takto:
Rovnice 7.9
7.1.2.1.3
Účinnosti prvního zákona: tepelná účinnost a koeficient výkonu
Obecně tak účinnost tepelného systému vyjadřuje vztah mezi produkovanou využitelnou energií
a množstvím energie použité.
Tepelná účinnost tepelného stroje je podíl vstupního tepla, který se přemění na čistou práci:
(bezrozměrné)
Rovnice 7.10
Jinými ukazateli účinnosti jsou koeficient výkonu (výkonnosti) chladícího cyklu (COPR) a
cyklu tepelného čerpadla (COPHP):
Rovnice 7.11
Rovnice 7.12
Na rozdíl od tepelné účinnosti může být hodnota COP větší než jedna. To znamená, že např.
množství tepla odstraněného z chlazeného prostoru může být větší než množství vstupní práce.
7.1.2.2
Druhý zákon termodynamiky: entropie
Druhý zákon nám umožňuje poznat, které druhy transformace jsou možné nebo nemožné a
v jakém směru k nim dochází. I druhý zákon má mnoho formulací – uvádíme dva příklady:
červen 2008
341
Přílohy
•
•
Není možné sestavit tepelný stroj, který by neprodukoval nic jiného než výměnu tepla
z jediného zdroje původně v rovnovážném stavu a vykonanou práci. Tepelné stroje musí
vždy odmítnout teplo do zásobníku tepelné energie.
Žádné cyklické zařízení nemůže způsobit, že se teplo bude přenášet ze zásobníků
s nízkou teplotou do zásobníků s vyšší teplotou.
Pro vyjádření druhého zákona v obecné a použitelné formě je třeba koncept entropie.
7.1.2.2.1
Entropie
Když jsou dva stabilní stavy systému propojeny různými vnitřně reverzibilními procesy,
zjišťujeme, že integrál vyměněného tepla nezávisí na průběhu procesu. To znamená, že existuje
určitá funkce, která závisí pouze na vlastnostech stavu systému. Tato funkce se nazývá entropie.
Změna entropie je definována takto:
Rovnice 7.13
Entropie je abstraktní vlastnost a lze na ni pohlížet jako na míru neuspořádanosti. Pomocí
entropie lze zavést více formulací druhého principu:
•
•
Celková entropie stroje a všech okolních komponent, které jsou se strojem v interakci, se
musí zvýšit, když tepelný stroj není úplně reverzibilní
Jediné procesy, ke kterým může docházet, jsou ty, pro které se entropie izolovaného
systému zvyšuje (tento postulát je znám jako princip zvyšování entropie).
7.1.2.2.2
Bilance entropie v uzavřeném systému
Vzhledem k nevratné povaze téměř všech reálných procesů není entropie konzervativní
vlastností. Bilanci entropie pro uzavřený systém vyjadřuje vztah:
Rovnice 7.14
První člen na pravé straně rovnice je spojen s přenosem tepla do nebo ze systému během
procesu a lze ho interpretovat jako přenos entropie doprovázející přenos tepla. Kladná hodnota
znamená, že entropie se přenáší do systému a záporná hodnota znamená, že entropie vychází ze
systému ven. Člen se nazývá produkce entropie vyjadřuje ireverzibility vznikající v procesu.
Produkce entropie je kladná, kdykoli dochází k ireverzibilitám a nulová v ideálním případě, kdy
k žádným ireverzibilitám nedochází.
Od teď můžeme měřit množství ireverzibilit prostřednictvím produkce entropie, která se
vypočítá pomocí jednoduché bilance. Ireverzibility jsou klíčem k porozumění procesu
degradace energie a tím pádem i technikám v oblasti úspor a uchování energie. Protože energie
není zničena, ale degradována, je klíčovou otázkou každé energetické analýzy označení
ireverzibilit v procesu a navržení opatření, aby se jim předešlo.
342
červen 2008
Přílohy
7.1.2.3
Bilance entropie v otevřeném systému
Rychlost změny entropie v řízeném objemu během procesu se rovná součtu rychlosti přenosu
entropie přes hranice řízeného objemu přenosem tepla, čisté rychlosti přenosu entropie do
tohoto objemu tokem hmoty a rychlosti tvorby entropie v rámci tohoto objemu v důsledku
ireverzibilit:
Rovnice 7.15
Termíny misi a mese představují rychlost přenosu entropie z a do systému doprovázenou tokem
hmoty. Qj představuje rychlost přenosu tepla v místě na hranici, kde je okamžitá teplota Tj.
poměr Qj /Tj vyjadřuje doprovodnou rychlost přenosu entropie. Termín σ značí rychlost
produkce entropie díky ireverzibilitám uvnitř řízeného objemu.
7.1.2.4
Analýza exergie
7.1.2.4.1
Exergie
Exergie termodynamického systému je maximální teoretická využitelná práce (hřídelová nebo
elektrická práce), kterou lze získat, když je systém uveden do úplné termodynamické rovnováhy
termodynamickým prostředím, přičemž systém má interakci pouze s tímto prostředím. Říká se,
že systém je v mrtvém stavu, když je v termodynamické rovnováze se svým okolím. V mrtvém
stavu má systém teplotu a tlak svého okolí, nemá žádnou kinetickou nebo potenciální energii a
se svým okolím nemá žádnou interakci. Exergie je měřítkem odchýlení stavu systému od jeho
prostředí. Jakmile je prostředí specifikováno, je možné přiřadit exergii hodnotu pouze z hlediska
hodnot vlastností systému a exergii lze považovat za vlastnost systému. Hodnota exergie, jak ji
definuje následující rovnice, nemůže být záporná a není zachována, ale zničena ireverzibilitami.
Měrná exergie na jednotku hmoty je:
Rovnice 7.16
Index „0“ značí mrtvý stav.
Když dochází k toku hmoty přes hranice řízeného objemu, dochází i k přenosu exergie, který
doprovází toky hmoty a práce. Nazývá se měrný tok exergie nebo fyzikální exergie
materiálového proudu a vyjadřuje ji vztah:
Rovnice 7.17
7.1.2.4.2
Bilance exergie
Bilance exergie pro uzavřený systém se získá kombinací bilancí energie a entropie. Změna
exergie v uzavřeném systému se rovná součtu přenosu exergie doprovázející teplo, přenosu
exergie doprovázející práci mínus destrukce exergie. Výsledná rovnice je:
červen 2008
343
Přílohy
Rovnice 7.18
T0 a P0 značí teplotu a tlak okolí. Tj je teplota povrchu, kde dochází k přenosu tepla. Rychlost
změny energie je dána vztahem:
Rovnice 7.19
7.1.2.4.3
Účinnost dle druhého zákona: exergetická účinnost
Tepelná účinnost a koeficient výkonu definované v kap. 2.1.3 vychází pouze z prvního zákona
termodynamiky a nemají žádný vztah k nejlepšímu možnému výkonu. Exergetická účinnost
však tento nedostatek překonává a dává reverzibilní operaci určitou míru aproximace.
Exergetická účinnost je užitečná pro rozlišení prostředků k využívání energetických zdrojů,
které jsou termodynamicky efektivní, od těch, které nejsou. Je možné ji využít k hodnocení
efektivnosti inženýrských opatření přijatých na zlepšení výkonu tepelného systému. Exergetická
účinnost je definována jako poměr mezi exergií získanou a exergií dodanou:
(bezrozměrné)
Rovnice 7.20
Exergetickou účinnost lze vyjádřit mnoha různými formami v závislosti na analyzovaném
systému. U tepelného stroje je dodaná exergie zvýšením exergie tepla přeneseného do tohoto
stroje, což je rozdíl mezi exergií tepla dodaného a exergií tepla odmítnutého. Čistá výstupní
práce je získaná exergie. Pro chladničku nebo tepelné čerpadlo je dodanou exergií vstupující
práce a získanou exergií je exergie tepla přeneseného do vysokoteplotního média pro tepelné
čerpadlo a exergie tepla přeneseného z nízkoteplotního média pro chladničku.
7.1.3
7.1.3.1
Diagramy vlastností, tabulky, databanky a počítačové programy
Diagramy vlastností
Jestliže jsou známy jakékoli dvě stavové proměnné jednoduché čisté látky, pak třetí proměnná
je také určena. To znamená, že stav systému jedné čisté látky lze zobrazit v diagramu se dvěma
nezávislými parametry. Pět základních parametrů (vlastností) látky, které jsou obvykle
v diagramech parametrů známy, je: tlak (P), teplota (T), měrný objem (V), měrná entalpie (H)
a měrná entropie (S). Kvalita (X) se zobrazí, jestliže se jedná o směs dvou nebo více látek.
Nejčastějšími diagramy parametrů jsou diagramy: tlak – teplota (P-T), tlak – měrný objem (PV), teplota – měrný objem (T-V), teplota – entropie (T-S), entalpie – entropie (H-S) a teplota –
entalpie (T-H). Tyto diagramy jsou velmi užitečné při zobrazování procesů v grafech. První tři
diagramy navíc pomáhají při vysvětlování vztahů mezi třemi fázemi hmoty.
Na obr. 7.1 je například diagram T-s. Tyto diagramy se v termodynamice hojně používají,
protože dobře zobrazují ireverzibility v procesech. Jsou zde čáry konstantního objemu,
344
červen 2008
Přílohy
konstantního tlaku a konstantní entalpie. Vertikální čáry v těchto diagramech představují
procesy probíhající izoentropické (konstantní entropie) komprese/expanze, zatímco vodorovné
čáry znamenají izotermní fázové změny (odpařování/kondenzace)
Obrázek 7-1: Diagram teploty a entropie
7.1.3.2
Tabulky vlastností, databanky a simulační programy
Tabulky v reálném světě nestačí, je třeba znát termodynamické vlastnosti mnoha látek, čistých i
ve směsi. Komplexní termodynamické databanky a navazující modely fyzikálních vlastností
tvoří jádro každého počítačového simulátoru energie. Nepřesnost nebo nedostupnost dat může
vést k odmítnutí atraktivních řešení uchování energie. V literatuře i na trhu lze naštěstí najít
značné množství databází a počítačových programů. Problém může být s výběrem vhodných
kritérií, dokonce i když jsou nalezena navzájem protichůdná data. Kvalitní, přesné a aktuální
informace jsou v mnoha případech rozhodující. Jsou základem výpočtu vlastností směsí, v nichž
je odchýlení od neideálního chování běžné. Významné kompilace dat poskytují Americký ropný
institutu (API), Institut organické chemie v Belsteinu, Design Institute for Physical Property
Data, DIPPR of AIChE; Deutsche Gesellshaft für Chemisches Apparatewesen, Chemische
Technik und Biotechnologie e.V., DECHEMA, Physical Property Data Service, PPDS
v Británii a další. Např. DIPPR má komplexní soubor dat o čistých komponentech a primárním
zdrojem dat o směsích je DECHEMA. Komerční simulační programy s rozsáhlými možnostmi
výpočtu termodynamických vlastností jsou běžně k dispozici. Tři nejběžnější jsou ASPEN
PLUS, HYSIM, a PRO/II.. Tyto počítačové balíčky však mohou dělat víc, než potřebuje
analytik provádějící rutinní výpočty při zjišťování energetických úspor, nebo naopak, mohou
pracovat méně specializovaně. Tyto programy jsou nákladné. Částečná řešení, která analytikovi
umožní sestavit své vlastní simulační řešení a zahrnout vlastnosti čistých látek, jsou např. EES,
Thermoptim, a BBlocks. Je tudíž důležité, aby analytik věnoval dostatek času přemýšlení o tom,
co stojí za to koupit.
7.1.3.3
Zjišťování neúčinností
Tato problematika je popsána v kap. 1.2.2.6.
červen 2008
345
Přílohy
7.1.4
Nomenklatura
Symbol
C
E
.
E
e
ET
g
H
h
I
.
I
KN
m
.
m
P, p
PT
Q
.
Q
S
s
t
T
U
u
V
v
W
.
W
Význam
Rychlost
Exergie
Rychlost exergie
Jednotka
m/s
J
J/s
Exergie na jednotku hmoty
Celková energie
Gravitační zrychlení
Entalpie
Měrná entalpie
Ireverzibilita
Rychlost ireverzibility
J/kg
J
m/s2
J
J/kg
J
J/s
Kinetická energie
Hmotnost
Tok hmoty
J
Kg
Kg/s
tlak
Potenciální energie
Teplo
Rychlost (míra) tepla
Pa
J
J
J/s
Entropie
Měrná entropie
Čas
Teplota
Vnitřní energie, energie
Vnitřní energie na jednotku
hmoty
objem
Měrný objem
práce
Rychlost práce
J/K
J/(kgK)
s
K
J
J/kg
z
Zvýšení, pozice
Řecká písmena
η
Tepelná účinnost
ε
Exergetická účinnost
σ
Produkce entropie
.
Rychlost produkce entropie
σ
Indexy
0
av
C
cv
7.1.4.1
•
•
346
m3
m3/kg
J
J
m
J/K
J/(kgK)
Podmínky okolí
Průměr dané vlastnosti
Kompresor
Řízený objem
Literatura
Anderson, E. E. Thermodynamics. International Thomson Publishing. 1994.
Avallone, E. A. Mark’s Standard Handbook for Mechanical Engineers. 9th Edition.
McGraw Hill.1978
červen 2008
Přílohy
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Bejan, A.; Tsatsaronis, G. and Moran, M. Thermal Design and Optimization. Wiley
Interscience. 1996.
Çengel, Y. A. and Boles, M. A. Thermodynamics: an engineering approach. International
Edition. Mc Graw Hill. 1994.
Danner R.P.; Spencer C.F.; Nagvekar M. Thermophysical Properties for Design
Simulations in Developments in the Design of Thermal Systems, Ed. By R.F. Boehm,
Cambridge Univ. Press, 1997
Hering, E. and Modler, K. Grundwissen des Ingenieurs. München: Carl Hanser Verlag,
cop. 2002
Lozano, M.A. and Valero, A. Determinación de la exergía para sustancias de interés
industrial. Ingeniería química. Marzo 1986.
Moran, M. J. and Shapiro, H. N. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. 4th
Edition. John Wiley & Sons. 2000.
Moran, M. J.; Shapiro, H.N.; Munson, and Dewitt. Introduction to thermal systems
engineering. John Wiley & Sons. 2003
Moore, W.J. Physical Chemistry, 1974
Perry, R. H. and Green, D. Perry’s chemical engineers’ handbook. Mc Graw Hill. 1984.
The CRC Handbook of thermal engineering. Kreith F. Editor in chief. CRC Press
Springer. 2000.
Valero, A. and Lozano, M.A. Los balances de energía, entropía, exergía y energí libre.
Métodos para el diagnóstico de instalaciones industriales. Ingeniería química. Mayo
1987.
Valero, A. and Lozano M.A. An Introduction of Thermoeconomics in Developments in
the Design of Thermal Systems, Ed. By R.F. Boehm, Cambridge Univ. Press, 1997
Valero-Capilla A. and Valero-Delgado A. Fundamentals of energy thermodynamics,
2005
Wark, K. Thermodynamics. Mc Graw Hill. 1983
červen 2008
347
Přílohy
7.2
7.2.1
Případové studie termodynamické ireverzibility
Případ 1. Regulační a škrtící zařízení
Regulační zařízení jsou v průmyslu dosti běžně užívána pro řízení a snižování tlaku zejména
využitím ventilů. Protože je škrtící proces izoentalpický (vzrůsty a poklesy entalpie se rovnají),
nedochází ke ztrátě energie a podle prvního termodynamického zákona je účinnost tohoto
procesu optimální.
Přesto zde dochází k typické mechanické nevratnosti, která snižuje tlak a zvyšuje entropii
tekutiny, aniž by byl získán jakýkoliv dodatečný přínos. V důsledku toho je ztracena exergie
a tekutina je např. při procesu expanze v turbíně schopná produkovat méně energie.
Je-li proto cílem snížit tlak tekutiny, pak je žádoucí směřovat k izoentropickým expanzím, které
jako dodatečný výstup na turbíně dodávají užitečnou práci. Není-li to možné, pracovní tlak by
měl být vždy co největší, neboť tak se lze vyhnout použití kompresorů nebo čerpadel pro
transport tekutiny (dodatečná užitečná energie).
Velmi častým postupem je na průmyslových zařízeních udržování vnitřního tlaku na turbíně
na úrovni konstrukčních parametrů. Obvykle to znamená používání a nadužívání plnících
ventilů, kterými je výkon turbíny regulován. Podle druhého zákona lze uplatnit regulaci
klouzavým tlakem (proměnný tlak) a změnou otevření všech plnících ventilů.
Obecným doporučením je, aby ventily měly co největší rozměr. Uspokojivého škrtícího procesu
lze dosáhnout při poklesu tlaku o 5 – 10 % při maximálním průtoku, přičemž v minulosti bylo
s velmi malými ventily dosahováno 25 – 50 % poklesu. Pochopitelně čerpadlo pohánějící
tekutinu musí mít rozměry odpovídající proměnným podmínkám.
Na závěr je nutno zdůraznit, že potrubí působí také jako škrtící zařízení a snižuje tlak tekutiny,
která jím prochází. Ztráty exergie v procesu bude tudíž omezovat také vhodná konstrukce
s malým počtem zábran, jako jsou nepotřebné ventily, kolena a prohnutí potrubí a z vhodných
materiálů.
V každém případě je zřejmé že je nutné provádět energetické „účetnictví“, do něhož jsou
zahrnuty všechny energetické úrovně provozovny. Z perspektivy prvního zákona je velmi
obtížné až nemožné identifikovat všechny nevratnosti.
Početní příklad
Při uvádění elektrárny do provozu je pro naplnění turbočerpadla prováděn odběr páry
přicházející z vysokotlaké turbíny (P = 40 kg/cm2, T = 350 °C).
Protože turbočerpadlo může na vstupu být provozováno pod tlakem 8 kg/cm2, je nutné páru
přicházející z vysokotlaké turbíny regulovat (viz Obrázek 8.1). V následujícím
termodynamickém příkladě jsou vyhodnoceny proměnné páry na vstupu a výstupu z ventilu.
Proces je načrtnutý na T-s a h-s diagramech (viz Obrázek 8.2) Tok exergie je získán při
nominálním toku 45 000 kg/h.
348
červen 2008
Přílohy
Obrázek 7-2: Proces regulace páry
Řešení
První termodynamický zákon odhaluje, že proces je izoentalpický, nebo se škrtícím regulačním
procesem není spojený žádný přesun práce nebo tepla:
0 = m1(h2-h1) ═>h2 = h1 Rovnice 7.1
Měrné entalpie a entropie získané z tabulek vlastností jsou:
•
•
•
•
•
při P1 a T1
h1 = 3091,95 kJ/kg a s1 = 6,58 kJ/kg K
při P2 a h2 = h1
T2 = 319 ºC
S2 = 7,30 kJ/kg K
Obrázek 7-3: T-s a h-s diagramy příkladu procesu regulace páry
Měrný tok exergie je vypočítán podle:
e = h – T 0s
Rovnice 7.22
Kde T0 = 273 K a potenciální a kinetická energie jsou zanedbatelné. Tudíž:
e1 = 3091,95 – 273 × 6,58 = 1295,61 kJ/kg
a
e2 = 3091,95 – 273 × 7.30 = 1099,05 kJ/kg
Proces je dokonale nevratný (jedná se o mechanickou ireversibilitu). Ke ztrátě exergie dochází
exergetickou rovnováhou systému. Protože zde není žádný přesun tepla nebo práce, bilance
exergie se redukuje na:
červen 2008
349
Přílohy
7.2.2
Případ 2. Tepelné výměníky
Tepelné výměníky jsou zařízení, na nichž si dva proudy směňují teplo. Každý přesun tepla je
následkem teplotního rozdílu a tudíž je vždy spojen se vznikem entropie a zánikem exergie.
Proto zde dochází k rozporu mezi cílem minimalizovat ztráty exergie a maximalizovat účinnost
přesunu tepla.
V protiproudém tepelném výměníku podobném zařízení zobrazeném na Obrázku 8.3 je teplá
tekutina (fluidum) s teplotou T1,in ochlazena na T1,out uvolněním tepla studené tekutině, která
se zahřeje z teploty T2,in na T2, out, a ztrátu exergie tohoto děje vypočteme následovně:
Změny kinetické a potenciální energie jsou obvykle zanedbatelné a nejsou přítomné žádné
interakce prací. Pro první odhad lze za zanedbatelný považovat i pokles tlaku. Ireversibilita
vytvořená v tepelném výměníku je dána rovnicí:
I = (e1,in + e2,in) – (e1,out + e2,out) = (h1,in + h2,in) – (h1,out + h2,out)
Rovnice 7.23
Z rovnice výše lze ukázat, že I je vždy kladné a roste s velikostí rozdílu teplot média na vstupu
a výstupu protiproudého výměníku a s velikostí rozdílu mezi horním a spodním tokem
v paralelním výměníku. Protiproudý výměník je z hlediska exergie vždy lepší, než výměník
souproudý (paralelní), neboť za podobné teploty je exergie do systému vždy uvolňována.
Ireversibility probíhají v tepelných výměnících díky působení dvou faktorů: přenos tepla
způsobený rozdílem teplot a ztráta tlaku spojená s cirkulací média. Jak tření média, tak
nezvratný přenos tepla lze snížit omezením toku média. Ovšem je-li nutné dosáhnout stejné
výměny tepla, je potřeba vytvořit větší teplovodnou plochu, tj. je nutné navrhnout větší tepelné
výměníky.
Myšlenka rozšířit použití protiproudých tepelných výměníků na celé zařízení, tj. použít je
na všechny toky, které je potřeba v provozovně ohřívat či chladit, takovým způsobem, kdy je
změna teploty mezi místy, kudy teplo prochází, odůvodněně nízká, vede k energetické integraci
procesů a k použití energetických kaskád. Toto je podstatou pinch metodiky vyvinuté pro účely
integrace sítí tepelných výměníků. Integrace může být na pracovní oběhy, tepelná čerpadla
a chladící oběhy rozšířena nejefektivnějším způsobem. V souhrnu tento postup zajišťuje nejnižší
dosažitelnou spotřebu páry (či jiného zdroje tepla) a nejnižší úroveň chlazení vody (či jiného
zdroje chladu) za posouditelných termodynamických a technických podmínek.
350
červen 2008
Přílohy
Obrázek 7-4: Protiproudý tepelný výměník
Početní příklad
V přehřívači páry (viz Obrázek 8.4) je 1 100 000 kg/h páry ohřáno z 350 na 540 °C při tlaku 40
kg/cm2. Teplo absorbované párou přichází z odpadních plynů/spalin spalovacího procesu.
Průměrná teplota, za niž dochází k přesunu tepla, je 1 000 °C. Na obrázku 1.10 je proces
zobrazen na T-s a h-s diagramech a jsou na nich určeny množství absorbovaného tepla a ztráty
energie.
Obrázek 7-5: Přehřívací proces toku páry
Řešení
Energetická bilance systému z Obrázku 8.4 je:
•
m (h2 – h1) = Q
Měrná entalpie a entropie získané v tabulkách vlastností jsou:
•
•
při P1 a T1
o h1 = 3 091,95 kJ/kg a
o s1 = 6,58 kJ/kg K
při P2 a T2
o h2 = 3 530,85 kJ/kg a
o s2 = 7,21 kJ/kg K
Získaný přesun tepla je tudíž:
Q = 11100000 × (3530,85 − 3091,95) = 438,9 kJ / kg = 482,7 × 10 6 kj / h
T-s a h-s diagramy jsou na Obrázku 7.6:
červen 2008
351
Přílohy
Obrázek 7-6: T-s a h-s diagram příkladu přehřívacího procesu páry
Měrný tok exergie je vypočten podle:
e = h − T0 s
Rovnice 1.37
kde T0 = 273 K a potenciální a kinetická energie jsou zanedbatelné. Tudíž:
e1 = 3091,95 − 273 × 6,58 = 1295,61 kJ / kg
a
e2 = 3530,85 − 273 × 7,21 = 1562,52 kJ / kg
Vzniklá ztráta exergie je určena podle vztahu:
7.2.3
Případ 3. Technologické procesy míchání
Dalším z velmi běžných procesů v průmyslu je míchání tekutin různého složení nebo s různými
teplotami. Proces zahrnuje popouštěcí procesy pro řízení teploty, míchací procesy pro řízení
kvality, procesy čištění látek, destilaci atd.
Příkladem budiž adiabatická směs dvou různých toků ideálních plynů se stejnými teplotami
a tlaky, a kdy n1 a n2 se rovnají počtu molů v tocích. Vznik entropie při míchacím procesu
odpovídá součtu nárůstu entropie každého plynu způsobeného expanzí plynů z P na jejich dílčí
tlak ve směsi. Tudíž:
σ=
352
1
n1 + n 2
P1
P2 

n1 R ln P − n 2 R ln P  = − R ∑ xi ln xi (J/K)


červen 2008
Přílohy
Nechť Pi = xiPi a x x =
ni
ztráta exergie je spočtena dle vztahu:
∑ ni
I = T0σ = − RT0 ∑ xi ln xi
(J)
Výraz je vždy kladný a symetrický vzhledem k hodnotě xi = 0,5. S xi blížícím se nule
(maximální čistota) se hodnota výrazu přibližuje také nule. Obrázek 8.6 ukazuje poměr Ii/RT0
ve vztahu k molárnímu zlomku jedné složky ve směsi xi. Maximální exergie je dosaženo, když
se xi = 0, ale za takových podmínek je relativně snadné oddělit obě složky. Při čištění směsi
roste ztráta exergie na mol oddělované látky.
Obrázek 7-7: Zlomek Ii/RT0 vzhledem k molárnímu zlomku jedné složky směsi
Pro zvažovaný binární systém je nevratnost rovna:
I = − RT0 [x ln x + (1 − x) ln(1 − x)] a
 x 
dI
= − RT0 ln 

dx
 (1 − x) 
Vybrané hodnoty této derivace uvádí tabulka 8.1:
x
0,10
0,01
10 – 3
10 – 4
I/RT0
(1/RT0)dI/dx
0,325
2,20
0,056
4,96
7,91 × 10 - 3
6,91
1,02 × 10 – 3
9,21
tabulka 7-1 Vybrané hodnoty derivací
Derivace uvádí množství práce potřebné ke zvýšení čistoty produktu a snadnost, s níž lze směs
znečistit. Jinými slovy souvisí hodnota exergie produktu s touto derivaci. Vícesložkové směsi
se chovají stejným způsobem. Maximální hodnota funkce −
xi ln xi , které je dosahováno
∑
pro ekvimolární směsi, je uvedena v tabulce 8.2:
červen 2008
353
Přílohy
N
2
3
4
- Σxilnxi
0,693
1,099
1,386
N - Σxilnxi
5
1,609
7
1,946
10
2,302
tabulka 7-2 Maximální hodnoty pro směsi
S rostoucím počtem složek směsi se zesiluje efekt nevratnosti. Tyto úvahy vedou k souboru
doporučení, jak dosáhnout u míchacích procesů energetických úspor. Za prvé a nejdůležitěji je
nutné, kdykoliv je to možné, vyhnout se míchacím procesům. Získání vysoce kvalitní páry nebo
velmi čisté látky vyžaduje velké množství exergie, která je z většiny ztracena, pokud dochází
k míchání s tokem nižší kvality (a to i když je ztráta energie nulová). Zadruhé nesmí být
překročeny technické normy kvality určitého produktu a v případě, že jsou překročeny,
především by neměly být produkty míchány s toky nižší kvality.
Podle tohoto způsobu je-li produkt s čistotou 0,1 % smíchán ekvimolárně s jiným produktem
s čistotou 1 %, výsledný produkt bude mít čistotu 0,55 %, ale hodnota exergie výsledného
produktu významně poklesne v závislosti na jednotlivých tocích, neboť exergie souvisí
s derivací
dI
a nikoli se střední hodnotou složení.
dx
Vybrané technické normy produktů by měly být revidovány a je-li to možné, měly by být
„změkčeny“. V chemickém průmyslu je to základním postupem, neboť se v něm velmi často
vyskytují částečně upravené hmoty míchané s přečištěnými produkty nebo směsnými produkty,
které přicházejí ze dvou paralelních technologických jednotek a cílem míchání je dosáhnout
průměrné čistoty.
Početní příklad
Tok páry s tlakem 180 kg/cm2 a teplotou 550 °C je míchán s nasycenou kapalinou za tlaku
180 kg/cm2, aby bylo dosaženo teplotní normy dané konstrukčními parametry určitého zařízení
(viz Obrázek 8.7).
Na Obrázku 8.8 jsou výsledná teplota směsi a ztráta exergie určeny při hmotnostních tocích
1 100 000 kg/h pro páru a 30 000 kg/h pro kapalinu.
Obrázek 7-8: Míchací komora dvou toků
Řešení
Hmotnostní bilance systému je:
m1 + m2 = m3
354
červen 2008
Přílohy
Protože v procesu neprobíhá žádná práce ani žádný přesun tepla a kinetickou a potenciální
energii lze považovat za nulové, energetická bilance je redukována na:
m1 h1 + m2 h2 = (m2 + m1) h3
Při P1 a T1 je z tabulek vlastností získána měrná entalpie a měrná entropie: h1 = 3 414,2 kJ/kg a s1
= 6,41 kJ/kg K. Pro nasycenou kapalinu chladného toku (2) je potřebné určit pouze jednu
vlastnost (v tomto případe tlak) pro zafixování stavu: h2 = 1717,06 kJ/kg a s2 = 3,85 kJ/kg.
S použitím výrazu pro energetickou bilanci dostáváme:
Ve smíchaném proudu (3) za h3 a P3, je T3 = 534 °C a s3 = 6,35 kJ/kg K.
Změny měrné entalpie a entropie lze získat z tabulek vlastností. Měrný tok exergie je vypočítán
podle Rovnice 1.37, přičemž T0 = 273 K a potenciální a kinetická energie jsou považovány za
zanedbatelné. Tudíž:
e1 = 1664,52 kJ / kg , e2 = 666,67 kJ / kg
a e3 = 1634,55 kJ / kg
Hodnota ireversibility je získána exergetickou bilancí:
I = m1(e1 - e3) + m2 (e2 – e3) =>
I = 1.1 x 106(1664.52 – 1634.55) + 30 x 103(666.67 – 1634.55) = 3.76 x 106 kJ/h = 1.04 MW
T-s diagram je zobrazen na Obrázku 7.9.
Obrázek 7-9: T-s diagram příkladu procesu míchání
Poznámky ke všem případovým studiím
Nevratnosti jsou jevy všech energetických systémů, které mají potenciál ke zlepšení. Kromě
vyhnutí se určitým rozdílům v tlaku, teplotě a/nebo chemických potenciálech, příčiny špatného
užití energie spočívají v oddělení dodávky od potřeby. V účinných energetických systémech
hraje důležitou roli čas. Aby dosáhly rovnováhy se svým okolím, energetické systémy
červen 2008
355
Přílohy
spontánně snižují svůj tlak, teplotu a chemický potenciál. Omezení těchto jevů lze dosáhnout
dvěma strategiemi:
•
•
bezprostředně spojit energetické donory s energetickými akceptory
skladování/akumulace: uzavřít systém do pevných stěn pro udržení tlaku, adiabatických
stěn pro udržení teploty a/nebo spoutání chemických systémů do metastabilních stavů.
Jinými slovy jde o spoutání systémů do vazeb, které jejich intenzivní vlastnosti udrží v čase
konstantní.
356
červen 2008
Přílohy
7.3
7.3.1
Příklad použití energetické účinnosti
Krakování ethylenu
Zařízení na krakování ethylenu přeměňují surovinu přicházející z rafinérie na ethylen
a propylen, které představují hlavní surovinu odvětví výroby polymerů. Zařízení na krakování
ethylenu vykazují vysokou energetickou intenzitu. Náklady na energii představují více než 50 %
provozních nákladů jednotky.
Suroviny (Fi) jsou obvykle nafta, LPG a plynná frakce, a mají původ v rafinerii. Hlavními
produkty (Pi) jsou ethylen a propylen. V odvětví je běžná praxe, že jsou pro účely porovnání
přidávány do hlavních produktů další tři vysoce hodnotné produkty: butadien, benzen a vodík.
Butadien a benzen ve skutečnosti nevznikají v krakovacím zařízení jako čisté produkty.
Butadien je součástí proudu C4 a benzen je součást proudu benzínové frakce. Obvykle jsou
extrahovány na vyhrazené extrakční jednotce, která není začleněna do celkového rámce zařízení
na krakování.
Poměr obsahu těchto vysoce hodnotných produktů k ethylenu se liší v úzkém intervalu (mezi
1,7 a 2,3) a závisí na parametrech krakování a kvalitě/druhu suroviny.
U zařízení, kde je ekonomika řízena hlavně produkcí ethylenu, je smysluplnějším energetickým
indikátorem místo podílu produkce vysoce hodnotných chemický látek podíl produkce ethylenu
ku spotřebě energie.
Energetické vektory
•
•
•
•
pára: typické zařízení na krakování ethylenu bude mít obvykle několik parních úrovní
(vysokotlakou úroveň přibližně 100 barg, středotlaká úroveň přibližně 20 barg
a nízkotlaká úroveň přibližně 4 barg). V závislosti na konfiguraci bude do krakovacího
zařízení pár importovaná pro určité úrovně a pro jiné úrovně exportovaná
elektrická energie: většina krakovacích zařízení je čistým spotřebitelem energie. Zařízení
vybavená kogenerací mohou být čistými exportéry elektrické energie. V odvětví je při
porovnávání různých zařízení konvenčně používán konverzní faktor 37,5 % pro přepočet
primární energie
teplá voda: většina krakovacích zařízení produkuje velké objemy teplé vody. Ve většině
případů je však teplota vody příliš nízká, aby ji bylo možné využít v ostatních zařízeních.
V některých případech je ovšem integrace s jinými zařízeními či externími zákazníky
možná. V takovém případě bude připočten kredit za export příslušných kalorií. Zlepšení
energetické účinnosti je tak determinováno „externími“ okolnostmi a je nezávislé
na „interních“ parametrech výkonnosti sledované jednotky, Jedná se o skutečnou možnost
využít výstupní tok energie za poplatek, možnost, která by jinak byla nahrazena
dodatečnou primární energií. V důsledku dvě jednotky se stejnou „interní“ výkonností
budou vyhodnoceny odlišně, pokud právě jedna z nich může nalézt užití energie jednoho
z výstupních toků (tepelná integrace)
palivo: většina krakovacích zařízení produkuje kapalné palivo (pyrolýza topného oleje)
a plynné palivo (směs bohatá na metan). Většina plynného paliva je recyklována
v ethylenových pecích. V závislosti na konfiguraci a způsobu provozu může být
vyprodukované plynné palivo o sobě dostačující pro všechny pece a zbytek plynného
paliva je exportován, nebo může být v pecích stále nedostatek paliva, takže je potřebné
importovat externí palivo, obvykle zemní plyn. V energetické bilanci je započteno pouze
palivo spotřebované uvnitř zařízení na krakování ethylenu. Všechna exportovaná paliva
jsou započtena jako produkty (logicky, neboť hodnota paliva byla přítomna již
v surovině)
červen 2008
357
Přílohy
•
•
7.3.2
chladící voda: všechna krakovací zařízení využívají chladící vodu. Někdy jsou chladící
věže částí zařízení na krakování ethylenu, ovšem chladící voda přichází z chladících věží,
které dodávají chladící vodu dalším výrobním jednotkám. V takovém případě není
energie spotřebovaná na výrobu chladící vody často během výpočtu energetické účinnosti
procesu zaznamenaná
ethylenové procesy dále využívají další pomocné látky, jako je N2 a stlačený vzduch.
Tyto pomocné látky jsou často vyráběny centrálně v provozovně nebo třetím subjektem.
Energie potřebná k výrobě těchto látek není často započtena.
Výroba VAM
Některé položky navrhované pro výpočet faktoru energetické intenzity (EIF) v Části 1.3.2
nemusí být aplikovatelné pro každý proces. V takovém případě nevhodnosti je pak nutné vybrat
takové položky, aby odpovídaly skutečným podmínkám.
Jako příklad je vzato zařízení na výrobu monomeru vinyl acetátu (VAM – vinyl acetáte
monomer). Některé části VAM zařízení nejsou měřeny nebo kvantifikovány (zde označené (?)),
zatímco jiné lze snadno určit (zde označené ()), viz Obrázek 7.10:
Vstup
Výstup
Elektrická energie
Recyklovaná pára
Pára
Kondenzát
Chladící voda
Navrácení chladící vody
?
Pomocné látky
Lehké frakce
?
Inhibitor
Těžké frakce
?
Čistý plyn
?
Odpadní plyn
?
Tepelné ztráty (izolace)
?
Etylen
Kyselina octová ?
Kyslík
VAM zařízení
VAM
Voda
CO2
?
Obrázek 7-10: Vstupy a výstupy ze zařízení na výrobu monomeru vinyl acetátu (VAM)
Jak bylo uvedeno v Části 1.3.2, ztráty tepla vracením chladící vody a izolací by nikdy neměly
být započteny do EIF či EEI. Odpadní plyn a čistý plyn by neměly být započteny, pokud jsou
spalovány bez rekuperace tepla. Pro tyto položky by ovšem mohlo být užitečné zjistit nějaké
údaje o jejich množství a následně ověřit ekonomický potenciál ze snížení těchto ztrát nebo
odpadních toků.
Naproti tomu je nutné věnovat více pozornost ostatním položkám, jako jsou lehké a těžké
frakce, nebo nejsou-li odpadní a/nebo čisté plyny zhodnoceny v jiných procesech. V navržené
podobě ukazatele nejsou tyto toky zahrnuty, neboť se předpokládá, že palivový obsah těchto
toků je již zahrnut v surovině. Je odpovědností provozovatele, jak bude definovat způsob, jímž
budou tyto toky započteny.
358
červen 2008
Přílohy
7.3.3
Válcování plechu za horka
Surovinou válcovny plechu jsou přibližně dva decimetry silné ploché ocelové pláty, které jsou
válcovány do pásů, jejichž tloušťka je několik milimetrů. Válcovna sestává z pecí, válcovacího
zařízení, chladícího zařízení a pomocných systémů, které zahrnují čerpadla, ventilátory,
hydraulické a mazací systémy, osvětlení, pracovní dílnu, prostor pro pracovníky, šatny atd.
Tokový diagram válcovny plechu je na Obrázku 7.11:
Plosky (materiál,
jenž bude
válcován)
Zkapalněný ropný Elektrická energie
plyn
Chladící voda
Vzduch
Kotel
Pec
Pec
Válcovací zařízení
Kompresor
Pec
Chladící lože
Stovky čerpadel a ventilátorů na různých místech
Odpadní
plyny
Vzduch
Šrot
(zmetkové
produkty)
Chladící voda
Ztráty tepla
Válcované
produkty
Obrázek 7-11: Tokový diagram válcovny plechu
V tomto příkladě vstupuje do analýzy několik různých zdrojů primární energie. Následující
diskuse je zaměřena pouze na užití elektrické energie. Počet elektrickou energií poháněných
součástí či subsystémů ve válcovně plechu lze odhadnout na více než jeden tisíc.
Spotřebu elektrické energie lze snadno zaznamenat spolehlivými elektroměry. Produkce oceli
může znamenat buď hmotnost plosek vstupujících do válcovny nebo hmotnost válcovaných
a schválených konečných produktů. Rozdíl odpovídá váze odpadů, jenž může vznikat v různých
fázích válcování.
Byly analyzovány údaje získané ve stávající válcovně během období jedenácti týdnů a některé
výsledky jsou uvedeny na Obrázku 7.12. Spotřeba energie byla mezi 120 a 80 kWh na tunu
dodaných produktů a závislá na množství tun, které byly vyprodukovány za týden. Průměrná
spotřeba tak byla 100 kWh/t a odchylka činila 20 %. Během sledovaného období nebylo přijato
žádné opatření úspor energie.
červen 2008
359
Přílohy
kWh/t
Měrná spotřeba energie ve válcovně
t/týden
Obrázek 7-12: Měrná spotřeba energie ve válcovně plechu
Snížení měrné spotřeby energie se zvýšením úrovně produkce je zcela normální a je způsobeno
dvěma činiteli:
•
•
výrobní zařízení je provozováno při vysoké úrovni produkce delší dobu. To znamená, že
doby odstávky se stávají kratší. Některé typy zařízení jsou provozovány nepřetržitě,
i když zrovna produkce neběží. Takové časové intervaly budou zúženy, pokud se doby
odstávky zkracují
existuje základní spotřeba energie, která nezávisí na využití výrobní kapacity. Tato
spotřeba souvisí s osvětlováním, provozem ventilátorů větracího systému, provozem
kancelářského vybavení apod. Při zvýšené míře produkce bude tato spotřeba rozvržena
na více tun produktu.
Pokles měrné spotřeby energie s rostoucí úrovní výroby je tak způsoben kolísáním podmínek
na trhu, které jsou mimo moc podniku. Otázkou je, zda by mělo být zvýšení produkce
a následné snížení měrné spotřeby energie považováno za opatření zlepšení energetické
účinnosti.
Následně byl ve válcovně realizován program zlepšení energetické účinnosti. Byla zavedena
řada opatření, jejichž cílem bylo snížení spotřeby energie. Výsledky těchto opatření jsou
ilustrovány na Obrázku 7.13. Výsledky zřejmě značně závisí na úrovni produkce. Jak lze vidět
na Obrázku 7.13, lze oddělit výsledky snah o úspory energie a výsledky vyvolané ostatními
činiteli, jako je využití kapacity.
360
červen 2008
Přílohy
Měrná spotřeba energie ve válcovně
kWh/t
Snížení spotřeby
energie jako
výsledek zvýšené
produkce
Zlepšení
energetické
účinnosti jako
výsledek
programu úspor
energie
t/týden
Obrázek 7-13: Měrná spotřeba energie ve válcovně plechu
Je také zřejmé, že dojde k interpretačním komplikacím při porovnávání měrné spotřeby energie
měsíc po měsíci nebo rok po roku. Měrná spotřeba energie může mezi jednotlivými obdobími
značně vzrůst, ačkoliv byla realizována řada opatření úspor energie. V takovém případě není
účinek opatření dostatečně velký, aby kompenzoval růst spotřeby energie vyvolaný nižšími
úrovněmi výroby.
7.4
Příklady zavedení systémů energetického managementu
Příklad 1:
Aughinish Alumina (AAL), Irsko [161, SEI, 2006]
Aughinish Alumina (AAL) je největším evropským zařízením na výrobu oxidu hlinitého,
zpracováním bauxitové rudy vyrábí více než 1,6 milionu tun oxidu hlinitého ročně. Produkt je
exportován do vysokých pecí, v nichž je vytaven hliník. Zařízení umístěné na ostrově
Aughinish, Co Limerick, je jedním z největších irských odběratelů energie a zaměstnává 400
pracovníků. Zpracování oxidu hlinitého je energeticky náročný proces. Energie představuje
30 % celkových nákladů.
Podnik přijal návrh SEI zavést v zařízení systém ENEMS. Zvolen byl systém dle dánské normy
DS 2403 (irská norma IS 393 z dánské normy vychází, ovšem byla vydána později). Podnik
zvolil standardizovaný systém zajišťující přijetí systémového a strukturovaného přístupu ke
zlepšování energetického hospodářství a řízení nákladů souvisejících se spotřebou energie. DS
2403 je systém velmi podobný normě ISO 14001. Proto představoval pro podnik nejlepší
variantu, neboť taková úprava ENEMS, aby odpovídala stávajícím postupům dle ISO 14001,
není výrazně náročná.
Předběžné posouzení, audit a analýzu mezer mezi skutečností a požadavky normy byly
provedeny dánskými konzultanty. Úkolem vývoje potřebných systémů byl pověřen energetický
manager, jenž je zaměstnán na plný pracovní úvazek. AAL mělo rozsáhlou síť měření spotřeby
a toků energie. Důraz byl tudíž kladen na zlepšení dostupnosti údajů a podnícení formálních
revizí a postupů ohlašování. Tak jsou zviditelněny problémové oblasti a zjištěny příležitosti ke
zlepšení.
Všichni zaměstnanci od úrovně inženýrů, přes údržbu po nákupčí, jejichž pracovní činnost byla
přímo ovlivněna požadavky normy DS 2403 byli na jednodenním kurzu proškolení ve
znalostech o provozu systému ENEMS. Zbývajících 400 zaměstnanců absolvovalo
jednohodinovou prezentaci „Energetické ostražitosti”, která informovala o základních prvcích
systému.
červen 2008
361
Přílohy
Příklady identifikovaných a realizovaných opatření:
1. Zlepšení rekuperace tepla
Před vstupem napájecí vody kotlů o teplotě 120 °C do odvzdušňovacího zařízení je voda v řadě
kotlových kondenzátorů ohřána regenerovanou párou. Výkon kondenzátorů nebyl po určitou
dobu nijak velký. Důvodem nízkého výkonu bylo oprýskání parního potrubí. Nízký výkon
ukazoval na nesoulad s normami. Následně byl zahájen zacílený program řešení problémů.
Termografická analýza a měření tlaku odhalily části parního potrubí, v nichž docházelo
k nejvyšší poklesům tlaku. Z této informace doplněné o podrobné výpočty tolerovatelného
poklesu tlaku byl odvozen požadavek na zahájení specifické úpravy v zařízení AAL během jeho
odstavení z provozu, které je naplánované jednou ročně. Výsledky analýz byly během úprav
potvrzeny a realizace úprav vedla k významnému zlepšení energetické účinnosti. Tento přístup
byl úspěšně použit na dalším zařízení. V průběhu roku 2006 byly očekávány další zlepšení,
neboť bylo naplánováno provést úpravy na dalších zařízeních.
2. Zvýšení teploty vstupního toku
Aby bylo možné řídit extrakci látek, musí být do tlakové varny přidáván vápenný kal. Teplota
kalu musí být co nejvyšší, neboť je nutné dosáhnout v autokláv vysoké teploty a teplota kalu by
byla kompenzována vyšší spotřebou páry z kotlů. Na počátku roku 2005 došlo k provozním
problémům, které vedly k poklesu teploty vápenného kalu. Problémy ukazovaly na nesoulad
s normami. Během následujícího šetření byla objevena jednoduchá nízkonákladová metoda
řešení problému. Je velice nepravděpodobné, že by k objevu došlo bez zavedení systému dle
normy DS 2403. Ačkoliv byly dosaženy relativně malé úspory energie v poměru k celkovým
nákladům podniku AAL za energie, úspory energie dosaženy byly a současně byl zlepšen
provoz zařízení na hašení vápna.
Příklad 2:
Outokumpu, ocelárny Tornio, Finsko [160, Aguado, 2007]
Outokumpu je mezinárodním podnikem a ocelárny Tornio jsou jedny z největších
integrovaných zařízení na výrobu oceli na světě. Kapacita oceláren Tornio je 1,65 milionů tun
oceli. Počet zaměstnanců je okolo 2300. V ocelárnách je systém managementu energetické
účinnosti integrován se stávajícím systémem environmentálního managementu ISO 14001. V
rámci integrovaných systémů bude do 1. prosince 2007 zahájen reporting spotřeby energie.
Podnik Outokumpu byl v roce 2006 zařazený do Dow Jones indexu udržitelnosti, v kterém byly
sledovány i ukazatele společenské odpovědnosti podniku.
V roce 2006 byly úspěšně certifikovány manažerské systémy energetické účinnosti v dalších
provozech Outokumpu: Avesta, Degerfors a Nyby. V Avestě byl přijat cíl snížit spotřebu
elektrické energie o 3 % (z 980 na 950 kWh/t) a zlepšit účinnost využití paliv (LPG) o 2 % (z
608 na 596 kWh/t) do prosince 2007. V Degerforsu byl stanoven cíl snížit spotřebu energie
v odbavovacím areálu o 40 % do roku 2005. V Sheffieldu (tavící pece) byl přijat cíl zavést
systém energetického managementu s prvky energetické skupiny a energetického mistra. Cílem
tohoto systému je snížit do prosince 2007 neproduktivní spotřebu energie o 10 % vůči roku
2006.
Příklad 3:
chemický podnik Dow [163, Dow, 2005]
Chemický podnik Dow je mezinárodní firmou rozdělenou do šestí provozních divizí
zahrnujících 28 dceřinných podniků, které vyrábějí více než 3200 výrobků a dosahují ročních
tržeb 40 000 milionů amerických dolarů. Korporace v 208 provozovnách lokalizovaných v 38
zemích světa zaměstnává 43 000 pracovníků. Potřeba výkonu v těchto provozovnách činí 3500
MW. Z tohoto výkonu je 54 % zajištěno z vnitřních zdrojů. Z vnitřního výkonu je 74 % tvořeno
kogenerací.
V současnosti Dow využívá systémy managementu, řízení pracovního procesu a nástroje
neustálého zlepšování.
362
červen 2008
Přílohy
Celosvětové ředitelství podniku přijalo následující cíle energetického managementu: za roky
1995 – 2005 zlepšit energetickou účinnost ročně o 2 % (20 % celkově vůči základnímu roku
1994), cíle na roky 2005 – 2015 jsou formulovány v roce 2005.
Strategie energetického managementu: zajistit dlouhodobou udržitelnost, podnikatelské
jednotky začlení do svého strategického plánování a projektových cyklů téma energetické
účinnosti a cíle úspor energie a plány na jejich dosažení.
Zavedení tématu energetické účinnosti do řízení Dow je zaměřeno na všechny požadavky
popsané v části 2.1 – definice struktur, komunikace, správa dat, identifikace příležitostí a provoz
systému. Energetická účinnost je součástí vývojové strategie „Most Effective Technology”
(nejúčinnější technologie) a náležitě je v dlouhodobých investicích vyhodnocována. Využívány
jsou dále nástroje marketingu, brainstormingu a pákového efektu. Byla ustavena zvláštní funkce
globálního vedení úspor energie (Global Energy Conservation Leader), jejímž úkolem je
podporovat energetickou účinnost ve všech předmětech podnikání Dow. V každé provozovně je
zaměstnán místní koordinátor energetické účinnosti. Ten je odpovědný za realizaci opatření
energetické účinnosti na úrovni provozovny a komunikuje s členy podnikového regionálního
výboru pro úspory energie.
Zapojení zaměstnanců je realizováno publikováním úspěšných opatření, dostupností nástrojů
energetické účinnosti pro každého zaměstnance, soutěžemi o nejvyšší úspory a dalšími
aktivitami.
Struktura systému je integrovaná místními týmy/výbory přes úroveň jednotlivých provozoven
na úroveň mezi jednotlivými podniky a oblastmi podnikání. Takto je zajištěno převedení cílů
jednotlivých zpracovatelských závodů do celopodnikových cílů. Mezi provozovnami dochází
k maximální integraci, k využití synergického efektu, sdílení nápadů a projektů a pákovým
efektem jejich šíření na další závody. Komunikace mezi provozovnami umožňuje identifikovat
příležitosti na více zařízeních.
Klíčovým faktorem je využití stávajících pracovních postupů a nástrojů neustálého zlepšování
spolu s:
•
•
•
•
důrazem na projektování energeticky nejúčinnější technologie/řešení
důrazem na údržbu, provoz, energetický management
zahrnutím alternativních paliv (paliv z odpadů) a zlepšení energetické účinnosti do
reportingu energetické náročnosti (spotřeba alternativních paliv z odpadů může mít
negativní dopad na celkovou účinnost využití paliv, může ovšem vést ke snížení emisí CO2
pocházejících z využití jiných fosilních paliv, z tohoto důvodu by nemělo být využití
alternativních paliv z odpadů penalizováno kvůli negativními vlivu na energetickou
účinnost)
zavedením šesti sigma (σ) - 6 σ je metoda řízení závislá na číselných údajích, jejímž cílem
je snížení víceprací a zachovat výnosy. Metoda využívá systematické řízení založené
na cyklu “měření-analýza-zlepšení-řízení”. Mimo jiné využívá hodnocení práce zákazníky,
statistické analýzy, nástroje vyhodnocování příležitostí. Realizace zlepšení je zaměřena
na management změny, management závazků a na komunikaci.
Dosažené výsledky
Dow dosáhl naplánovaného 20% snížení spotřeby energie (vyjádřené jako energetická náročnost
podniku Dow a ostatních chemických a petrochemických podniků) z 13 849 kJ/kg produktu
na 11 079 kJ/kg produktu. Kilogramy produktu vyjadřují celkový mix výrobků podniku Dow.
Příklady konkrétních zlepšení
Dow Centrála - Německo (pět závodů):
červen 2008
363
Přílohy
•
•
Optimalizace bilance páry a zemního plynu v provozovně Boehlen vedla k významnému
snížení ročních emisí CO2 a místnímu zlepšení energetické účinnosti
Mezi dvěma provozovnami vzdálenými 40 km byl zahájen projekt balení vodíku. Tak bylo
umožněno minimalizovat úniky a spalování vodíku a maximalizovat účinnost využití
chemických látek a paliv. Výsledek se projevil jako uzavřený cyklus vodíku (s minimálními
úniky) a snížení emisí CO2.
Freeport, Texas, USA:
• Zahájení celozávodního programu na snížení spotřeby elektrické energie v zařízeních
poháněných motory. Byl vyvinut nástroj umožňující pracovníkům z provozu vyhodnocovat
příležitosti k úsporám energie a následně buď snížit spotřebu energie nebo postoupit
příležitost projektantům zařízení.
Terneuzen, Holandsko:
• Optimalizace bilance páry mezi kotlem a krakovacím zařízením na výrobu olefinů vedla ke
snížení ztrát páry a zvýšení efektivnosti zařízení využívajících páru (turbíny, redukční
stanice).
7.5
Příklad energeticky účinného hlavního procesu
Příklad 1: Enzymatická výroba akryamidu (Mitsubishi Rayon, Japan)
[164, OECD, 2001]
Akrylonitril byl v klasickém výrobním procesu hydrolyzován přidáním stechiometrických
množství kyseliny sírové za přítomnosti inhibitorů polymerizace, které zabraňovaly
polymerizaci jak vstupních surovin, tak výstupních produktů. V roce 1097 byl vyvinut proces
katalýzy pomocí mědi. Tento proces nevyžaduje žádnou kyselinu sírovou. Jelikož měl tento
nový proces řadu výhod, brzy se široce rozšířil.
Vývoj polymerizačních technologií ovšem pokročil a používání polymerů vyvolalo novou
poptávku po vysoce čistých monomerech akrylamidu. Bylo také zjištěno, že akrylamid
vyráběný katalytickou metodou, ač byl považován za vysoce kvalitní, obsahuje stopové
nežádoucí příměsi, které ovlivňují polymerizační reakce. Podnik Mitsubishi Rayon (MRC)
proto zahájil vývoj nového výrobního procesu akrylamidu využívající enzymatických reakcí.
Nový postup vedl ke snížení množství příměsi v produktu. Proces je v podstatě hydrolýzou
pomocí regenerovatelného katalyzátoru napevno umístěného v buňkách.
Pilotní vývojový projekt první generace mikrobů trval rok a půl. Požadavkem nebyl pouze
vývoj pracovního procesu, ale také zajištění kvality výroby. Druhá a třetí generace se vyvíjely
po 6ti měsících. Závěrečné testy prokázaly aplikovatelnost procesu a kvalitu produktu. Celý
vývoj geneticky modifikovaného organismu trval 7 let a nakonec byly vystavěny příslušné
technologie.
Celosvětová kapacita výroby akrylamidu 105 t/rok
Proces
Japonsko Asie (vyjma Japonska) USA Evropa
Katalytický
0,9
0,75
1,35 1,15
Enzymatický (1998)
0,2
0,2
0,1
0,35
Enzymatický (2001, odhad) n.a.
0,5
n.a.
0,45
tabulka 7-3 Celosvětová kapacita výroby akrylamidu 105 t/rok
[164, OECD, 2001]
První enzymatický proces vyžadoval kroky odbarvení a zvýšení koncentrace. Nový
enzymatický proces tyto kroky nepožaduje – viz tabulka 7.3.
364
červen 2008
Přílohy
Reakční proces
Katalytický
(1971-)
Reakční teplota
343°K
Výstup z jednoho cyklu 70 - 80 %
reakcí
Koncentrace akrylamidu ~ 30 %
Zvýšení koncentrace
požadováno
Čištění
odstranění
katalyzátoru
Enzymatický
(1985-)
273 - 288°K
~ 100 %
48 - 50 %
nepožadováno
odstranění
bílkovin
tabulka 7-4 Porovnání procesů výroby akrylamidu
[164, OECD, 2001]
Environmentální dopady katalytického, původního enzymatického a nového enzymatického
postupu byly vyhodnoceny srovnávacími studiemi. Tyto studie vedly k závěru, že
biotechnologický postup vede k nižším dopadům, než postup katalytický, obzvláště v oblasti
spotřeby energie a emisí oxidu uhličitého. Úspory energie jsou uvedeny v tabulkách 7.5 a 7.6.
Katalytický
Pára
Elektrická
energie
Suroviny
1,6
0,3
Enzymatický
(původní proces)
2,8
0,5
Enzymatický (nový
proces)
0,3
0,1
3,1
3,1
3,1
tabulka 7-5 Srovnání spotřeby energie v MJ/kg akrylamidu
[164, OECD, 2001]
Pára
Elektrická
energie
Suroviny
Katalytický Enzymatický
proces)
1,25
2,0
0,25
0,25
2,3
2,3
(původní Enzymatický
proces)
0,2
0,1
(nový
2,3
tabulka 7-6 Srovnání emisí CO2 v kg CO2/kg akrylamidu
[164, OECD, 2001]
Příklad 2: Využití barviv a nátěrových systémů tvrzených zářením místo tradičních
nátěrových systémů používajících rozpouštědla
54" tepelný tisk (≈ 1.37 m). Typická tisková úloha vyžaduje rozsah pokrytí 35 - 40 % světlého
12-bodové desky. Výpočty předpokládají tři směny, využití pracovní doby 75 % z dostupné
pracovní doby = 4680 hodin za rok.
Tradiční systém barviv a sušení:
Barviva a nátěry využívající rozpouštědla, 60 – 65 % pevných látek. Sušiče využívají zemní
plyn na ohřev vzduchu na přibližně 150 °C. Spotřeba elektřiny na proudění vzduchu je zahrnuta
do výpočtů.
Podklad je obvykle na válcových chladičích za pecemi ochlazen. Vzduch obsahující
rozpouštědla (odpadní plyn) je obvykle čištěn (oxidizéry). Spotřeba energie v těchto dvou
systémech nebyla zahrnuta do výpočtu.
Systém s elektronovým paprskem (EB – Electron beam):
Barviva EB jsou ze 100 % pevné látky. Pokud jsou vystaveny paprsku vysocenergetických
elektronů polymerizují nebo tvrdnou. Do podkladu je odvedeno minimální množství tepla
červen 2008
365
Přílohy
(tepelný rozsah okolo 8 – 12 °C) a tudíž není potřebné žádné chlazení. Nevznikají žádné
odpadní plyny obsahující rozpouštědla. Tvrzení EB ovšem vyžaduje inertní dusíkovou
atmosféru. Jelikož nebyly poskytnuty žádné údaje o spotřebě energie na vytvoření takové
atmosféry, byly náklady na jednotku N2 odhadnuty zcela podle spotřeby elektrické energie
vynaložené na její vytvoření. Tyto náklady byly přičteny k celkové spotřebě energie.
GJ za rok
Zemní plyn
Elektrická
energie
Tradiční tisk
4,67 x 104
384
5,31 x 103
4,7x 104
5,31 x 10e3
Úspory
Úspory
nákladů
EB tisk
41 690 GJ/y
89 %
USD 649 162
(2006,
v cenách
a elektrické energie)
zemního
plynu
tabulka 7-7 Úspory energie, systém EB barviv
[175, Saunders_R., 2006]
Příklad 3. Rekuperace tepla z ustájení brojlerů
Vzduch v hale, v níž jsou ustájena brojleři, je obvykle ohříván. Systém “kombideck” vyhřívá
podlahu. Tento systém sestává z tepelného čerpadla, podzemních zásobníků včetně potrubí,
a řady izolovaných tunelů umístěných pod podlahou stáje. Do 21. dne věku potřebují brojleři
teplo (teplotu 28 °C), které je jim dodáváno čerpáním horké vody do podzemního systému
tunelů. Po určité době, kdy je zachovávána rovnováha, se v systému vytváří růstem brojlerů
nadměrné teplo. Nadbytečné teplo je absorbováno vodou v podlažním systému a je
akumulováno v zásobníku. Systém dosahuje lepší produktivity brojlerů (snížení úmrtnosti, vyšší
ceny masa, lepší výkrmnost) a pozitivních účinků na životní pohodu zvířat (menší tepelný stres,
nižší úmrtnost, menší potřeba veterinární péče).
Investiční náklady činí 2 EUR na ustájení brojlera do prostoru s hustotou 20 brojlerů na m2.
Provozní náklady (odpisy, úroky a údržba) činí 0,2 EUR na ustájeného brojlera za rok. Roční
zvýšení výnosů třikrát převyšuje zvýšené provozní roční náklady. Například náklady veterinární
péče byly sníženy o 30 %. Náklady na energii byly sníženy o přibližně 52 %. Doba návratnosti
je okolo 4 – 6 let. Broiler housing: Section 4.4.1.4, [173, EIPPCB, 2003]
7.6
Příklad udržování podnětů iniciativ energetické
účinnosti: provozní dokonalost
Příklad 1: Shell Nederland Chemie, Moerdijk, Holandsko (zařízení s kapacitou
900 000 milionů t/rok etylenu).
Podnik usiluje o snížení nákladů na energii a o snížení emisí oxidu uhličitého. V partnerství
s podnikem Shell Global Solutions byl realizován projekt využívající podnikový program
„Energise”.
Zaměstnanci závodu neustále vyhledávali způsoby úspor energie, ale měli k dispozici pouze
omezený čas, neboť se museli věnovat především zajištěním kontinuity výroby a kvality
výrobků. Jelikož zařízení na produkci nižších olefínů bylo vysoce energetické účinné,
pracovníci pochybovali, zda je možné na tomto zařízení dosáhnout dalších úspor energie.
366
červen 2008
Přílohy
Konzultanti programu Energise ovšem spoluprácí s představiteli provozovny vyvinuli sadu
provozních opatření vedoucích ke snížení spotřeby energie.
Na počátku tým identifikoval 150 příležitostí ke zlepšení energetické účinnosti, a po jejich
revizi bylo 23 z nich dále rozvinuto a realizováno jako běžné projekty. Práce proběhly bez
odstavení provozu. Okolo 59 % celkových úspor bylo dosaženo úpravou technik řízení procesu,
včetně instalace nových zpětných regulačních klapek a optimalizací nastavení regulačních
hodnot. Zbývající úspory byly dosaženy změnami pracovních postupů (23 % z celkových úspor)
a zlepšením údržby technologického a přístrojového vybavení (18 %). Klíčové oblasti zlepšení
byly následující:
•
•
•
významné úspory byly dosažené úpravou úrovní tlaku v kompresorových systémech,
instalací nových přístrojů na ovládání kompresorů, které umožňují nastavit je na optimální
výkon. Například úpravy řídících prvků kompresoru chlazení propylenu snížily spotřebu
energie o 10 %.
bylo významně sníženo kolísání parametrů provozu v celé škále výstupu. Tak byla snížena
pravděpodobnost omezení kapacity a omezila se podmíněná nutnost snížit celkových výstup
zařízení. Za zmínku stojí především výrazné snížení úzkých hrdel letní kapacity zařízení.
velká část úspor energie měla původ v lepším porozumění bilanci páry v zařízení, ladění
nastavení zařízení a investice do přístrojového vybavení umožňující monitoring výkonnosti
zařízení..
Pozornost byla zaměřena na provozní dokonalost (Operational Excellence), nejlepší postupy
a techniky řízení procesu. Stranou pozornosti byly investice do nových strojů. Řada malých
projektů vedla ke kapitálové investici 100 000 amerických dolarů (údaj z roku 2006, přibližně
75 000 EUR) za projektování, výběr dodavatele a výrobu dodatečného přístrojového vybavení.
Dosaženy byly energetické úspory o hodnotě 5 milionů amerických dolarů za rok (přibližně 3,6
milionů EUR), v relativním vyjádření 3.5 % úspor energie.
Příklad 2: Dow Corning, několik provozoven.
Provozní dokonalost ve smyslu vylepšení výrobního zařízení a zvýšení provozní disciplíny byla
zavedena ve všech provozovnách. Ve všech závodech se zvýšila spolehlivost provozu a jeho
předpověditelnost, což vedlo k výrazným přínosům ve zvýšené kvalitě výroby a vyššímu využití
instalované kapacity. Těmito postupy byla s minimální kapitálovou investicí odhalena skrytá
kapacita provozoven ve výši 15 - 20 %.
7.7
7.7.1
Kvantitativní měření
Dvě organizační složky podniku sdílejí jeden měřič elektrické energie. Náklady byly
rozdělovány v poměru 60/40. Organizační složka, která platila 60 % nákladů, zřejmě platila
nepřiměřeně hodně. Dohoda o tomto dělení byla ukončena a proběhlo znovurozdělení podílů
na nákladech. Nainstalován byla pokročilý měřící systém s automatickým odečítáním hodnot
(viz Část 2.7.5). Tak bylo zjištěno, že složka platící před instalací měřiče 60 % skutečně
spotřebovává 41 % elektrické energie. Dále byl identifikováno zařízení na vytápění, které
způsobovalo jednou týdně 175 kW odběrovou špičku. Odběr byl přesunut na den v týdnu
tarifovaný nižší sazbou (viz Část 5.2). Celkové úspory činily 324 000 amerických dolarů
(≈ 240 000 EUR) ročně.
červen 2008
367
Přílohy
7.7.2
Optimalizace a řízení využívající modelování využití zařízení
Příklad 1: Schott AG, DE
Podnik vyrábí různé typy produktů ze skla a má několik výrobních závodů v Německu a dalších
zemích.
V minulosti byly spotřeby energie a související náklady alokovány na jednotlivé výrobní
jednotky podniku podle fixního pravidla, nikoli podle skutečné spotřeby. Manažeři tudíž
nemohli ovlivnit náklady za energii a vytvářela se slabá motivace ke snížení spotřeby. Podnik
zavedl automatizovaný systém monitoringu spotřeby energie (ECS – energy control system)
zcela vybavený elektronickým měřením a softwarovým modelováním:
•
•
•
•
•
•
elektrická energie: 940 měřících míst
voda: 203 měřících míst
zemní plyn: 49 měřících míst
stlačený vzduch: 43 měřících míst
topný olej: 8 měřících míst
N2, O2, NH3: 7 měřících míst.
Dosažené environmentální přínosy:
•
•
zlepšení povědomí o nákladech vedlo k úsporám energie
optimalizace spotřeby energie
Provozní přínosy:
•
•
•
rychlejší odstraňování poruch a menší ztráty produkce
vyrovnání dodávky energie
zpřehlednění toků energie.
Ekonomie:
•
•
•
software: zhruba 50 000 EUR
hardware: zhruba 500 EUR/měřící místo
úspory za rok:
o špičkový odběr snížen u dodávky elektrické energie o 3 až 5 %
o doba návratnosti: mezi 0,9 - 2 roky (závislé na projektu)
Schott glass: [127, TWG]
Příklad 2: nemocnice Atrium, Heerleen, NL
V nemocnici byl instalována nejmodernější trigenerační jednotka z konce 90. let 20. století. Po
celý den (24 hodin denně) byla pro nemocnici se 100% spolehlivostí vyráběna pára, tepelná,
elektrická energie a chlad. Jednotka sestává z horkovodního kotle, dvou parních kotlů,
elektrických a absorpčních ochlazovačů, dvou plynových motorových CHP jednotek a dvou
záložních generátorů. Složitost výrobních a souvisejících zařízení a různost palivových nákladů
znemožňovaly ekonomicky optimální nastavení provozu. Byl proveden přehled (viz Část 2.5.2),
jehož výsledkem byla instalace kondenzátoru odpadních plynů, jenž uspoří ročně 520 – 713
MWh (5 % spotřeby energie). Dále byl instalován systém řízení v reálném čase. Ukazatel
návratnosti investice do systému řízení dosahuje hodnoty 49 % (75 000 – 95 000 EUR/rok při
variabilních ročních nákladech za energii zhruba 1,2 milionu EUR). Atrium Hospital [179,
Stijns, 2005]
368
červen 2008
Přílohy
7.7.3
Energetické modely, databáze a bilance
Příklad 1. Modely elektrické energie
Obsah jednoduchého elektrického modelu je pro názornost uveden v tabulce 7.8.
A
ODDĚLEN
Í
Oddělení 1
SPOTŘEBI
Č
Spotřebič 1
Spotřebič 2
Spotřebič 3
n.
B
Jmenovitý Jmenovitá
výkon kW účinnost
10
20
15
Celkem
oddělení 1
Oddělení 2
55
4
10
0,92
0,85
0,9
D
E
Počet
Ukazatel
provozníc
využití
h hodin za
výkonu
rok
500
1
4 000
0,8
4 000
0,9
780
Spotřebič 1
1
500
0,85
3 500
0,5
Spotřebič 2
20
15
0,9
4 000
1
Spotřebič 3
Spotřebič 4
5
10
7,5
2
0,8
0,75
4 500
1 500
0,9
0,8
Spotřebič 5
3
150
0,92
3 000
0,95
Celkem
oddělení 2
Oddělení #
C
1 307
Spotřebič .
CELKEM
...
...
...
3 250
F
Spotřeb
a
energie
kWh
298 913
301 176
600 000
1 200 08
9
1 029 41
1
1 333 33
3
189 844
32 000
1 394 02
2
3 978 61
1
...
58,1
5 425 00
0
100,0
„Spotřebovaná energie“ v sloupci „F“ je určena vynásobením počtu spotřebičů × jmenovitý
výkon × hodiny provozu × ukazatel využití výkonu a dělením jmenovitou účinností:
Rovnice 7.24
Sečtením veškeré energie spotřebované ve všech odděleních lze spočíst celkovou energii
spotřebovanou v provozovně.
Není-li záběr studie příliš široký či komplexní, je tento typ modelů vhodný pro zjištění oblastí,
kde lze s nejvyšší pravděpodobností nalézt možnosti k úsporám energie. Postačující je věnovat
pozornost na rozložení spotřeb elektrické energie v každém oddělení, které je uvedeno ve
sloupci „G“. Je velmi pravděpodobné, že v odděleních, kde je nejvyšší spotřeba energie, bude
možné identifikovat řadu činností ke zlepšení energetické účinnosti. Oddělení, v nichž je
spotřeba elektrické energie nízká, lze ve studii vynechat, nebo je analyzovat později.
červen 2008
17,5
...
„n.“ ve sloupci „A“ znamená počet stejných zařízení (jak z technického, tak provozního
hlediska), které jsou v oddělení instalovány.
AxBxDxE
C
%
...
tabulka 7-8 Jednoduchý elektrický model
F=
G
369
Přílohy
Pokud to bude kontext vyžadovat (např. pokud jsou výrobní cykly extrémně složité, nebo pokud
dosud nikdy nebyly shromažďovány údaje o tocích energie), může být také užitečné shromáždit
následující údaje, pomocí nichž lze identifikovat akce úspor energie:
•
o motorech a pohonech:
o typ stroje poháněného motorem (kompresor, ventilátor, čerpadlo, atd.)
o identifikační kód
o výrobce a název výrobku
o druh motoru
o rok pořízení, či zbývající roky životnosti
o počet dosud vykonaných protočení
o typ regulace rychlosti, pokud existuje
o typ převodního mechanismu
o možnost změnit čas provozu (s cílem využít příznivější tarify za elektrickou energii
uplatňované v určité hodiny nebo dny).
•
o osvětlovací soustavě:
o typ osvětlovacího tělesa
o počet zářičů v tělese
o počet osvětlovacích těles
o typ zářičů
o jmenovitý výkon zářičů
o účinnost zářiče
o typ tlumivky (železo, měď nebo vysokofrekvenční)
Příklad 2. Modely tepelné energie
Ačkoliv by měly být shromážděny všechny výše uvedené údaje, v tepelných modelech první
úrovně (strana „výroby“) je nutné podobně jako při sestavování elektrického modelu použít
pouze několik z nich (viz tabulka 7.9):
370
červen 2008
Přílohy
A
PROCES
ZAŘÍZENÍ
Fáze 1
Velké pece
(např.
Malé pece
spalování)
Celkem
fáze 1
Fáze 2
(např.
výroba
tepla)
Horkovodní
kotel
Parní kotel
Horkovodní
kotel
D
E
F
Počet
Jmenovitý
Ukazatel Spotřeba
Jmenovitá provozních
n.
výkon
využití
energie
účinnost
hodin za
kWth
výkonu Nm3 CH4
rok
4
800
0,85
7 700
0,8 2 417 000
5
B
C
600
0,85
7 000
0,8
6 200
4 683 000
2 500
0,92
1 000
0,5
283 200
2
1 000
0,92
7 000
0,5
793 200
2
1 000
0,92
1 600
0,5
181 200
9 000
Fáze 3
(např.
obslužné
procesy)
Rozprašovací
1
sušárna
Generátor
horkého
1
vzduchu
Malá topná
37
tělesa
Velká topná
2
tělesa
20,5
...
0,7
200
1
11 900
400
0,85
1 600
0,5
39 200
30
0,8
1 600
0,5
115 700
60
0,8
1 600
0,5
12 500
2 030
CELKEM
3 250
76,5
1257600
400
Celkem
fáze 3
%
226 600
2
Celkem
fáze 2
G
3,0
179 300
6 119 900 100,0
tabulka 7-9 Údaje tepelného energetického modelu (strana výroby)
Aby bylo porovnání snazší, byla v tomto případě spotřebovaná energie odhadnuta v Nm3
zemního plynu. Množství spotřebovaného zemního plynu jsou v tomto případě dány rovnicí:
F=
A x B x D x E x 3600
C x 34 500
Kde
•
•
3600
34 500
převodní koeficient z kWh na kJ
je výhřevnost zemního plynu (kJ/Nm3).
Tepelné modely první úrovně (strana „výroby“) je nutné zkontrolovat, zda celkové množství
spotřeby energie odpovídá celkovému množství energie podle faktur za dodávky zemního
plynu. Pokud se hodnoty rovnají, model je spolehlivý a využitelný ke zjištění nejvhodnějších
oblastí pro realizaci opatření úspor energie.
červen 2008
371
Přílohy
Pokud je vyhodnocována také spotřeba tepelné energie, je nutné sestavit model druhé úrovně
(strana „spotřeby“). Aby bylo možné sestavit příslušné tabulky, je nezbytné provést sčítání
na všech strojích, které spotřebovávají tepelnou energii v jakékoliv formě (horká voda, pára,
horký vzduch, atd.) vyjma palivové (která je brána v úvahu v modelu první úrovně).
Pro každou technikou jednotku strojového vybavení by měly být shromážděny následující
údaje:
•
•
•
•
372
druh potřebného tepelného nosiče
hodiny/roky spotřeby tepla
ukazatel využití výkonu, při němž je spotřebovávána tepelná energie
jmenovitý tepelný výkon.
červen 2008
Přílohy
Údaje lze upořádat např. podle tabulky 7.10.
A
ODDĚLENÍ ZAŘÍZENÍ
Oddělení 1
Zařízení 1
Zařízení 2
Zařízení 3
B
C
D
E
F
Počet
Tepelný
Ukazatel Spotřeba
Tepelný
provozních
výkon
využití
energie
n.
nosič
hodin za
kWth
výkonu Nm3 CH4
rok
2
Pára
500
1 000
1
104 200
1
Pára
125
500
0,8
5 200
Horká
5
75
5 000
0,8
156 400
voda
Celkem
oddělení 1
Oddělení 2
265 800
Zařízení 1
Zařízení 2
1
20
Zařízení 3
5
Zařízení 4
10
Zařízení 5
3
Pára
Horký
vzduch
Pára
Horká
voda
Pára
75
2 500
0,5
9 800
0,9
3 000
1
62 500
50
2 500
0,8
52 100
5
1 500
0,8
6 300
25
3 000
0,9
21 100
Celkem
oddělení 2
Oddělení #
Spotřebič .
...
...
...
...
CELKEM
%
21,8
151 800
125
...
...
1 215 700 100,0
tabulka 7-10 Údaje tepelného modelu (strana spotřeby)
Model druhé úrovně (strany spotřeby) je užitečný pro ověření, zda dochází ke shodě mezi
teplem dodaným pomocnými zařízeními (kotli, zdroji tepla, atd.) a teplem požadovaným
provozem spotřebičů. Ve výše uvedeném příkladě jsou množství ze sloupce „F“ dána vztahem:
F=
G
A x C x D x E x 3600
34 500
Výpočet do tabulky 7.9 je následující:
1 257 600 + 179 300 = 1 436 900 Nm3 dodaného zemního plynu.
Výpočet spotřeby zemního plynu podle modelu druhé úrovně vychází 1 215 700 Nm3. Rozdíl
15 % je dán účinností jednotlivých technických prvků: výroba tepla, rozvodné potrubí
a regulace, a konečná spotřeba.
Je-li rozdíl přijatelný, lze oba modely považovat za „ověřené“, v opačném případě je nutné
učinit určité korekce (obvykle u hodnot počtu provozních hodin a ukazatele využití výkonu),
aby bylo dosaženo snížení rozdílu.
Pokud je rozdíl mezi hodnotami množství spotřebovaného zemního plynu vysoký, je tomu tak
kvůli vysoké úrovni ztrát ve fázích výroby-rozvodu-spotřeby různých energetických médií
(např. páry, horké vody, atd.). V takovém případě bude pravděpodobně možné implementovat
různé aktivity zlepšení energetických účinností, jako je na příklad tepelná izolace zařízení.
červen 2008
373
Přílohy
7.8
7.8.1
Ostatní nástroje používané k auditu a na podporu dalších
technik používaných na úrovni provozovny
Provádění auditu a nástroje energetického managementu
Doposud byla vyvinuta řada nástrojů, které „standardizují“ obsah a přístupy energetických
auditů. Konzultační společnosti si pro procedury externího auditu v jiném podniku vyvinuly
obvykle přizpůsobitelné nástroje, jako jsou kontrolní seznamy. Další nástroje mají odbory,
vládní instituce apod. Následující odstavce popisují vybrané nástroje. Řada těchto nástrojů
se může v obsahu a prvcích překrývat. Odpovědnost za volbu potřebného nástroje nese auditor.
Výše zmíněné nástroje jsou obecné, nejsou navrženy specificky pro určité odvětví ekonomické
činnosti či pouze pro model energetického auditu. Jejich užitečnosti často koresponduje
s jednou nebo více fázemi auditorské studie:
•
•
pokyny nebo příručky realizace auditu, příručky energetického managementu –
jedná se o základní součást schématu energetických auditů, která představuje východisko
školících lekcí a je zacílen zejména na auditory. V pokynech či příručkách je vysvětleno,
jak audit realizovat, jak provádět výpočty, jaké jsou typy a obsahy nejčastěji
navrhovaných variant úspor energie (ECOs – energy conversation options). Ačkoliv je
předpokládáno, že auditoři mají přiměřené znalosti o termodynamice (a také
elektrotechnice), nezřídka příručky obsahují část, v níž je pojednáno o těchto
energetických tématech
energetické inspekce, kontrolní seznamy nebo pokyny ke zběžnému auditu –
v souvislosti s prohledávacím typem modelů energetického auditu jsou tyto dokumenty
informační podpory zpracovány s cílem usnadnit auditorovu práci a současně zajistit
kvalitu a rychlost studie. Primárně jsou dokumenty určeny energetickým auditorům, ale
mohou ho využít také energetičtí manageři průmyslových závodů, kteří usilují o spuštění
procesu energetického managementu bez externí asistence. Pak tyto dokumenty slouží
jako nástroje auditu prováděného z vlastních zdrojů ve fázi předcházející poptávce
po externímu poradenství. Kontrolní seznamy mohou být:
o obecné (viz údržba, Kapitola 2.9)
o specifické pro určité činnosti (viz energetické audity, Kapitola 2.11)
o specifické pro určité technické systémy (užitková zařízení a budovy)
o specifické pro určitá průmyslová odvětví (výrobní procesy)
Kontrolní seznamy mohou být použity také pro zjištění souladu nebo identifikaci příležitostí
úspor energie porovnáním s nejlepšími postupy energetického managementu nebo
s technologiemi (viz Zavedení a provoz postupů, Kapitola 2.1, a „Operational Excellence,
Kapitola 2.5).
•
•
•
374
výpočtové metody a software – též známy jako energetické modely. Další základní
součástí schémat energetického auditu jsou výpočtové metody a software, které souvisejí
s analytickým typem modelů energetického auditu. Jejich primárním cílem je napomoci
auditorovi při kvantitativním vyhodnocování potenciálů energetických úspor
a vyhodnocení investičních nákladů a jejich návratnosti. Použití doporučených nebo
certifikovaných výpočetních nástrojů auditorem (za předpokladu, že jsou použity
správně) napomáhá zákazníkovi auditu dosažení kvalitních výsledků
formulář(e) pro sběr dat – obecně jsou propojeny s výpočtovými nástroji, které je
využívají pro zajištění vstupních dat. Tento typ dokumentů informační podpory
auditorům napomáhá při sběru všech informací potřebných pro studii. Informace budou
součástí závěrečné zprávy a také usnadní přešetření význačných rysů provozovny
z hlediska energie. Informace usnadní také interpretaci výsledků auditu a závěrečná
doporučení
šablony zpráv – stejně jako formuláře pro sběr dat jsou šablony zpráv propojeny
červen 2008
Přílohy
•
•
•
7.8.2
s výpočtovými nástroji a výstupy výpočtů jsou včleněny do zprávy. Zpráva je finálním
dílem auditu a tudíž navržení šablony napomáhá všem účastníkům využít služeb auditu
způsobem, jenž vytváří nejvyšší zisk, a kvalitně zpracovat zprávu auditu
kontrolní list kontroly kvality zprávy z auditu – kontrolní seznam je dokument, jenž
může využít jak podnik, tak na auditor (sebe-kontrola). Dokument je doplňkem nebo
alternativou k šablonám zpráv a představuje převod modelů energetických auditů do
praxe: je-li v určitém modelu energetického auditu očekáván nějaký výstup, pak by měl
být ve zprávě, a právě kontrolním seznamem lze snadno ověřit, že práce byla vykonána
v souladu se specifickými požadavky modelu
cílové hodnoty nebo porovnávání s referenčními hodnotami (viz Část 2.12) –
referenční či cílové hodnoty lze využít buď jako informace v diskusi podporující potřebu
energetických auditů, nebo je auditoři mohou využít jako technické údaje, jimiž v případě
zjednodušených auditů odůvodní svá doporučení
databáze variant energetických úspor (ECOs) – obtížnou částí auditu je získání
podrobných informací o nákladech a následcích doporučených opatření energetických
úspor. Databáze ECOs, v níž jsou uloženy tyto údaje, umožní auditorovi/podniku uspořit
mnoho času a peněz, a tak napomoci ke snížení nákladů auditu, přičemž kvalita zůstává
zachována. Udržování aktuálních údajů v databázi ovšem vyžaduje poměrně hodně práce.
Příkladem je:
o standardní údaje: mohou při detailním auditování napomoci při kontrole výpočtů
nebo při nahrazení údajů, které je obtížně naměřit nebo jiným způsobem zjistit. Lze
je převzít z databází (viz výše), referenčních údajů nebo zkušeností získaných
v jiném provozu nebo auditu, apod.
Protokol o měření a verifikaci
Mezinárodní protokol o měření a verifikaci výkonu (International Performance Measurement
and Verification Protocol – IPMVP) je v průmyslu standardním protokolem pro měření a
verifikaci úspor energie. Je to široký rámec, který nastiňuje flexibilní a široký soubor přístupů
k měření a verifikaci pro hodnocení úspor energie v budovách a uzavřených prostorách, např.
osvětlení (ale nikoli procesní operace). To umožní majitelům budov, energetickým servisním
společnostem (ESCO) a všem, kdo financují projekty energetické účinnosti v budovách, aby
kvantifikovali výkon a úspory energie z opatření na uchování energie (ECM).
Konkrétní techniky jsou navrženy tak, aby odpovídaly nákladům na projekt a požadavkům na
úspory a zároveň i konkrétním opatřením a technologiím v oblasti energetické účinnosti.
Každou možnost lze aplikovat v jiných programech a projektech a je třeba vycházet z faktorů,
jako jsou složitost hodnocených opatření nebo očekávaná rizika. Podle toho má každá varianta
trochu jiné náklady na realizaci, jinou přesnost i sílu a zároveň i omezení. Jedním z cílů této
iniciativy bylo pomoci vytvářet sekundární trh pro investice do energetické účinnosti, mj. tím,
že se bude rozvíjet promyšlený soubor možností v monitoringu a verifikaci, který lze aplikovat
na široké spektrum úsporných opatření jednotným způsobem. Výsledkem by měly být
spolehlivé úspory po celou dobu trvání projektu.
Protokol řídí EVO (Energy Verification Organisation) – Organizace pro verifikaci v energetice,
a více informací je n stránkách:
http://www.evo-world.org/index.php?option=com_content&task=view&id=61&Itemid=80
[92, Motiva Oy, 2005, 227, TWG, , 250, ADEME, 2006, 261, Carbon_Trust_UK, 2005]
červen 2008
375
Přílohy
7.9
Benchmarking
7.9.1
Rafinérie minerálních olejů
Rafinerie již vážně řeší aspekty energetické účinnosti, neboť náklady za energii představují více
než 50 % celkových provozních nákladů. Na úrovni jedné rafinerie lze sledovat výkon
v energetice pomocí faktoru energetické intenzity. Ve skutečnosti je jednodušší použít poměr
mezi celkovou spotřebovanou energií v provozovně a množstvím zpracované ropy. Poměr je
pak ekvivalentem EIF. Sledování poměru v čase vyžaduje interpretaci, aby bylo možné zjistit,
jaké změny mají původ v energetickém managementu, a jaké změny jsou způsobeny ostatními
činiteli. Poměr ovšem nelze použít pro účely porovnávání energetické výkonnosti různých
rafinérií, neboť všechny rafinerie se liší svojí složitostí, konfigurací, zpracovávanou ropou
a výrobními mixy. Všechny tyto parametry ovlivňují energetické potřeby rafinerií.
Rafinérie převádějí surovou ropu na ropné produkty uplatnitelné na trhu a při tomto procesu
spotřebovávají energii. každá rafinérie je jedinečnou a složitou kombinací jednotlivých
procesních jednotek. Byly vyvinuty indikátory, která se snaží tuto složitost zachytit, aby bylo
možné monitorovat energetický výkon dané rafinérie v čase a posoudit relativní výkon různých
rafinérií. Jedním z pokusů, jak postihnout tuto složitost, je Solomon Energy Benchmark pro
rafinerie. Společnost Solomon pro rafinerie představila koncept indexu energetické intenzity
(energy intensity index – EII). Společnost Solomon zpracovává celosvětové benchmarkingové
studie rafinerií každé dva roky. Studie zahrnují všechny aspekty, jako je kapacita, náklady
na údržbu, provozní výdaje, a také energetický výkon. Energetický výkon je měřen EEI
indikátorem, jenž je definován následovně:
EII =
100 ×
Celková skutečná spotřeba energie v rafinerii
Σ (výkon jednotky × energetický standard jednotky) + zjevné teplo +
nakoupená energie
V rovnici:
•
•
376
čitatel je celková spotřeba energie v rafinerii (vyjádřená ve výhřevnosti) a rovná
se celkové spotřebě paliva/elektrické energie (jak importované, tak v rafinerii vyrobené),
ale započítává také export páry a/nebo elektrické energie. Elektrická energie z externí
přenosové soustavy je přepočtena na primární energii standardním faktorem účinnosti
výroby elektrické energie 37,5 %.
jmenovatel je standardní spotřeba energie podle Solomon (označená jako řídící energie)
a sestává ze tří hlavních prvků:
o součet řídících energií za všechny výrobní jednotky: řídící energie jsou spočítány
vynásobením využité kapacity jednotky (normální propustnost jednotky nebo stupeň
přísunu surovin) standardním energetických faktorem dané jednotky. Standardní
energetický faktor jednotky je stanoven společností Solomon pro každý typ výrobní
jednotky. Pro některé výrobní jednotky tento energetický faktor závisí na kvalitě
suroviny (např. hustota ropy)/náročnosti operace (katalytický reforming, katalytické
krakování, atd.)/typu výrobního zařízení, atd. Tyto řídící energie jsou sečteny a tak je
metodikou Solomon získána celková standardní spotřeba energie pro všechna
rafinérská výrobní zařízení
o faktor zjevného tepla: faktor započítává energii potřebnou k předehřátí vstupní
suroviny z normální teploty na 104,4 °C. Základem vstupní suroviny jsou všechny
hrubé toky surového materiálu (a jejich příslušné hustoty), které jsou zpracovány
v procesních jednotkách. Míšené produkty nejsou započteny
o faktor externí energie: faktor započítává energii spotřebovanou v systému distribuce
pomocných látek, při provozu míšení produktů, v tankovišti (vytápění nádrží,
vytápění čerpacího cyklu [překlad podle BREF Rafinerie, str. 157], zařízení
červen 2008
Přílohy
tankovišť) a v environmentálních zařízeních. Základem pro výpočet je vstup
surového materiálu do procesní jednotky a do zařízení na míšení produktů a faktor
složitosti rafinerie.
EII je bezrozměrný a v protikladu s definicí EII se s rostoucím energetickým výkonem snižuje.
EII usiluje o porovnání energetické účinnosti rafinérií, které jsou různě složité a jsou vybavené
různými jednotkami. Odvětvím rafinérií je přesto tento nástroj porovnávání považován za
přinejmenším nedokonalý. Některé rafinerie se špatným EII mají málo příležitostí ke zlepšení
energetického výkonu, zatímco jiné s výtečným EII mají někdy ke zlepšení velký potenciál.
Kromě toho EII neposkytuje dobrý obraz na prostory/jednotky, které by vyžadovaly zlepšení.
Podrobné rozčlenění provozovny na hlavní výrobní jednotky by v tomto ohledu mohlo podat
lepší informace pro identifikaci příležitostí ke zlepšení energetického výkonu.
[227, TWG]
7.9.2
Rakouská Energetická Agentura (AEA - Austrian Energy
Agency)
Zprávy AEA s názvem “Energetický benchmarking na úrovni podniků, deník zpráv z podniků”
využívají odlišné referenční hodnoty, než je ukazatel měrné spotřeby energie. Použity jsou
například následující ukazatele využití určitých technologií úspor energie (viz Kapitola 3):
•
•
•
frekvence kontrol kotlů (100 % provozoven ohlásilo časté kontroly kotlů)
frekvence kontrol průtoku stlačeného vzduchu (25 % provozoven při výměně
technologického procesu systematicky odstraňuje slepá ramena potrubních systémů a 50
% z nich příležitostně kontroluje slepá ramena)
využití technologií úspor energie (pohony s proměnlivou rychlostí, energeticky účinné
motory (EEM), rekuperace tepla, tepelná čerpadla, energeticky účinné osvětlení, údržba
kotlů a systémů se stlačeným vzduchem).
Tento způsob vyhodnocování však upřednostňuje posuzování zezdola nahoru (bottom – up –
změna určitých prvků výrobních technologií) před posouzením celkových energetických
systémů v provozovnách.
7.9.3
Systém pro malé a střední podniky (MSP) - Norsko
Pro MSP vytvořilo benchmarkingový systém využívající webový prostor. Benchmarking je
založen na porovnání měrných spotřeb (např. kWh/kg) podniků. Měrné spotřeby jsou počítány
z celkového užití energie a celkové produkce provozovny. Dosud bylo z celku 800 zapojených
podniků ustaveno 43 různých benchmarkingových skupin. Jelikož jeden závod obvykle vyrábí
různé produkty s různými energetickými intenzitami, jsou kvůli standardizaci rozdílů používány
korekční faktory.
7.9.4
Úmluvy o benchmarkingu, Holandsko
V Holandsku jsou využívány dlouhodobé dohody (úmluvy) mezi státní správou a velkými
podniky (spotřeba energie více než 0,5 PJ/r). V úmluvách jsou využívány referenční hodnoty
(benchmarking). Úmluvy vytvářejí rámec pro snížení emisí CO2 (viz kapitola 5)
Ukázkovým příkladem je papírenský a lepenkový průmysl. Holandský průmysl výroby papíru
a lepenky v Holandsku zahrnuje 26 výrobních závodů a je významným spotřebitelem energie.
Podniky účastnící se systému úmluv se zavázaly, že budou realizovat na svých zařízeních
taková opatření úspor energie, která tato zařízení vyzvednou na světovou špičku v oblasti
červen 2008
377
Přílohy
energetické účinnosti. Světová špička je definována jako nejlepších 10 % zařízení z hlediska
energetické účinnosti. Zásadní roli v řízení procesu benchmarkingu sehrála národní odvětvová
asociace, která najala dva konzultanty, účetní firmu a inženýrskou firmu se zkušenostmi
z průmyslu.
Úmluva zavazuje k výpočtu energetické účinnosti na základě výhřevnosti primárních
energetických zdrojů (paliv) spotřebovaných v provozovně na jakékoliv účely (např. výroba
páry a elektrické energie, přímé vytápění, spalovací motory). Elektrická energie odebraná ze
přenosové soustavy nebo do ní dodaná z provozovny je přepočítávána jednotným koeficientem
40 %.
Konzultanti vyhodnotili informace o energetické výkonnosti papíren na celém světě, a to jak
z veřejných, tak z jejich soukromých databází. Jelikož holandské papírny vyrábí pouze konečné
produkty (neprodukují vlákninu), vyhodnocení bylo omezeno na jednotky používané v těchto
finálních fázích výroby papíru. Benchmarking byl vyhodnocen pro následující generické
jednotky::
•
•
•
•
•
příprava materiálu
papírenský stroj
konečné zpracování (navíjení, řezání, balení, atd.)
přeměna energie
obecná pomocná technická zařízení.
S využitím korekčních faktorů byla zajištěna srovnatelnost informací o výkonnosti různých
jednotek. Mezi korekční faktory patřily například aspekty jako složení surovin, odbarvování,
klížení, provozy čištění odpadních vod a konfigurace zařízení na výrobu energie.
Pro šest dílčích částí průmyslového procesu byly v závislosti na konečném produktu zpracovány
nejlepší postupy, které používá 10% nejúspěšnějších firem na světě:
•
•
•
•
•
•
tisk novin
tisk knih a dokumentů
papír
lepenka
karton a skládačkový karton
malé specializované papírny.
(Podobný systém funguje i ve flanderské provincii v Belgii)
[227, TWG]
7.9.5
Benchmarking ve sklářství
Ve sklářském průmyslu bylo objeveno
nejefektivnějších postupů tavení skla:
•
•
•
•
několik
postupů
k identifikaci
energeticky
metody nejlepších postupů a využití energetických bilancí
vypočtení teoretických požadavků na energii či entalpii a zjištění nejnižší praktické
úrovně spotřeby energie
benchmarking měrné spotřeby ve sklářských pecích
vývoj nových technik tavení a zjemňování.
V různých odvětvích sklářského průmyslu jsou od roku 1999 shromažďovány údaje o provozu
zhruba 250 sklářských pecí. Naneštěstí není možné získat úplný a spolehlivý soubor dat
z celého světa. Data byla ovšem získána aspoň z Evropy, Japonska, USA, Kanady a Turecka.
378
červen 2008
Přílohy
Využít lze různé metody řazení:
•
•
•
od nejnižší měrné spotřeby energie k nejvyšší měrné spotřebě a určení 10% světové
špičky
nejlepší pec v regionu, s využitím průměru za pece umístěné v regionu jako referenční
hodnoty (benchmarku)
nejnižší dosažitelná spotřeba energie ve sklářské peci použitím všech nejlepších
dostupných technik (z literatury, od dodavatelů technologie a z BREFu Výroba skla).
Je možné vypočítat teoretickou spotřebu energie a využít termodynamické modely. Při teplotě
1400 °C spotřebuje typická šarže (dávka) ze směsi sody, vápence a oxidu křemičitého okolo
0,52 MJ/kg skla na chemické reakce a 1,75 MJ/kg na ohřev taveniny.
Byly zjištěny faktory ovlivňující energetickou účinnost:
•
•
•
•
•
•
•
přítomnost drceného skla v šarži
výběr surovin
stáří a typ pece
měrná a celková míra tažnosti
elektrický příhřev
předohřev šarže
další faktory, jako:
o konstrukce a izolace pece
o rovnováha přebytku vzduchu
o druh hořáku a paliva.
Údaje byly vyjádřeny v hodnotě primárních energetických zdrojů a tak byly zohledněny
spotřeby elektrické energie a vznik kyslíku v oxidačních pecích a obsah střepů v dávce.
Přepočíst lze i další parametry, např. pec lze normalizovat na 0 roků stáří (tj. je-li nová), ovšem
tento postup pak nezohledňuje opravy v chladném stavu během jedné kampaně, které zlepšují
energetickou účinnosti, apod.
Ve výsledku byla zjištěna 10% úroveň světové špičky o hodnotě 4285 MJ/t taveného skla.
Rozdíl mezi energeticky nejúčinnější pecí a mediánovou pecí (50 percentil) byla určen na 25 %.
Dále byly určeny nejlepší postupy pro obalové a plavené sklo.
Ve studii byly také zjištěny důležité závěry, které jsou zde uvedené v části “Použitelnost” – viz
výše.
7.9.6
Alokace energie/emisí CO2 mezi různé produkty ve složitém
procesu s následnými kroky
USIPA, francouzská asociace producentů škrobu vyvinula za pomoci společnosti
PriceWaterhouseCoopers metodiku posuzování/alokací energie v procesech výroby škrobu a
dalších látek. Tato metodika se využívá:
•
•
•
K alokaci způsobů použití energie v různých krocích procesu a na různé druhy produktů
K alokaci emisí CO2 v různých krocích procesu a na různé druhy produktů
K realizaci zlepšení ve využívání energie.
Lze jí tudíž využívat jako nástroj benchmarkingu.
Škrobárenský průmysl charakterizuje široké spektrum produktů, které se vyrábějí z několika
málo surovin v několika po sobě jdoucích krocích. Produkt z určitého kroku se může buď prodat
červen 2008
379
Přílohy
zákazníkovi pro konkrétní využití nebo se může dále zpracovávat ve škrobárně za vzniku
dalších produktů.
Tyto výrobní kroky jsou dobře identifikovány, v konkrétní pracovní oblasti procesu a/nebo
konkrétním zařízení. Jsou to buď kontinuální nebo vsádkové procesy.
Surovina → škrob → cukr → produkty → polyoly
Kvůli zjednodušení tohoto přístupu byly produkty roztříděny do homogenních skupin (sušené
škroby – přírodní nebo modifikované), kapalné cukry, sušené cukry, kapalná dextróza, sušená
dextróza, kapalné polyoly, sušené polyoly, produkty fermentace.
Způsoby použití (které lze postavit na roveň emisím CO2) jsou alokovány k různým krokům
procesu a tím i k množství prodaných produktů. Ve vztahu k prodaným produktům lze vypočítat
konkrétní koeficienty. Protože obsah vody se může mezi jednotlivými kroky procesu lišit, jsou
všechny výpočty prováděny ve vztahu k produktům se 100 % obsahem tuhé části.
Např. u emisí CO2 se konkrétní emise CO2 alokuje ke každému kroku procesu, ve vztahu
k množství páry použité v tomto kroku (prostřednictvím emisí CO2 vztažených na produkci páry
v závodě) a na suroviny spálené v sušičkách v rámci tohoto kroku. Konkrétní emisi CO2 lze pak
alokovat na určitý produkt, a to sečtením konkrétních emisí v každém s následných výrobních
kroků.
Tato metodika nepřináší sama o sobě žádný přínos, ale je nástrojem k porozumění:
•
•
Příspěvku každého výrobního kroku k využití/intenzitě energie a/nebo k emisím CO2
Příspěvku různých skupin produktů ke struktuře spotřeby energie v podniku.
Realizace technik vyžaduje práci u stolu a přístup k provozním informacím (produkovaný
objem, využití energie atd.) na úrovni provozů pro každý jednotlivý krok procesu.
Příklady
Emise CO2 pro francouzské škrobárenské závody – emisní faktory specifické pro jednotlivé
produkty.
Tato metodika se také používá v jedné francouzské škrobárně pro stanovení dobrovolného
závazku k omezení emisí skleníkových plynů (AERES).
Reference
Zprávy USIPA – PWC
[227, TWG]
7.10
7.10.1
Příklady ke Kapitole 3
Příklady výpočtů - pára
Příklad 1
Izolační ventily
Tepelná izolace jednoho 100mm regulačního ventilu při tlaku páry 800 kPa (8 bar) a teplotě
175 °C, jenž je umístěn uvnitř stavby, sníží tepelné ztráty o 0,6 kW. Tím jsou sníženy náklady
na palivo o 40 EUR/rok a vytváří úspory energie 6 MWh/rok.
Společnost Johnson Matthey Catalyst z Teeside, UK, uvádí, že instalace izolačních obalů
na ventily a příruby vedlo k:
380
červen 2008
Přílohy
•
•
•
ročním úsporám energie 590 MWh
úspoře uhlí 29 t
době návratnosti 1,6 let.
Návratnost opatření v určitém systému rozvodu páry bude záviset na počtu provozních hodin,
aktuální ceně paliva a geografickém umístění provozovny.
Předehřívání napájecí vody využitím ekonomizérů (Část 3.2.5)
Příklad 1:
Ekonomizér lze použít pro plynový kotel, jenž vyrábí 5 t/h páry při 20 barg.
Kotel vyrábí páru s výkonem 80% a je provozován po dobu 6 500 hodin za rok. Plyn je
nakupován za cenu 5 EUR/GJ.
Ekonomizér je použit k předehřívání surové vody před jejím zpracováním v odplyňovači.
Polovina kondenzátu je znovu využita, druhá polovina je doplněna surovou vodou. Ve výsledku
může ekonomizér podat zlepšení o 4,5 %.
Současné využití kotle je:
6500 hod/rok × (2798,2 – 251,2) kJ/kg × 5 t/hod × 5/GJ = 517 359 EURO/rok
0,80 × 1000
Roční provozní náklady se po instalaci a provozu ekonomizéru sníží na:
6500 hod/rok × 2798,2 – 251,2) kJ/kg × 5 t/hod × 5/GJ = 489 808 EURO/rok
0,845 × 1000
Příjem tedy dosahuje 27 551 EURO/rok.
Příklad 2:
Kotel vyrábí spalováním zemního plynu 45 000 lb/hod (150 psig pounds per square inch–
jednotka tlaku: liber na na čtvereční palec). Kondenzát je navracen do kotle a smíchán s tokem
doplňující vody. Tak je získána napájecí voda o teplotě 118 °F. V komíně je naměřena teplota
500 °F. Kotel je v provozu 8400 hodin ročně, náklady za energii činí 4,5 USD/MMBtu.
Výsledky instalace a provozu ekonomizéru lze vypočítat následovně:
Hodnota entalpie:
pro nasycenou páru 150 psig: 1195, 50 Btu/lb (pozn. Btu – britsh thermal unit – jednotka
energie)
pro napájecí vodu o teplotě 117 ºF: 84.97 Btu/lb
Tepelný výstup kotle = 45 000 lb/hod × (1195, 50 – 84,97) Btu/lb = 50 milionů Btu/hod
Z tabulek lze dohledat množství rekuperovatelného tepla při teplotě spalin 500 °F a využití
výkonu 50 MMBtu/h spalování zemního plynu.
Roční úspory = 4,6 MMBtu/hod × 4,50 USD/MMBtu × 8400 hod/rok = 173 880 USD/rok =
197 300 EUR/rok (1 USD= 1,1347 EUR, kurz k 1. lednu 2002)
3.2.5
Zabránění vzniku a odstraňování vodního kamene na teplosměnném povrchu
Příklad 1:
červen 2008
381
Přílohy
Parní kotel ročně spotřebuje 304 000 Nm3 zemního plynu a je ročně průměrně 8 000 hodin
v provozu. Pokud je dovoleno, aby se na teplosměnném povrchu zformovala 0,3 tlustá
usazenina vodního kamene, pak bude přenos tepla snížen o 2,9 %.
Nárůst provozních nákladů za rok v porovnání s výchozí situací je:
304000 Nm3/r × 2,9 % ×0,15 EURO/Nm3 = 1322 EURO/r.
Příklad 2:
Parní kotel při provozu 8000 hodin ročně spotřebuje 450 000 (MMBtu) paliva. Výkon kotle je
45 000 liber páry s tlakem 150 psig za hodinu. Pokud není v parním potrubí zabráněno
formování kamene tloušťky 1/32 palce (což je považováno za normální vrstvu kamene), pak lze
z tabulek vyčíst hodnotu ztráty energie v palivu ve velikosti 2 %. Nárůst provozních nákladů za
předpokladu, že energie je oceněna na 3 USD/MMBtu je:
Nárůst ročních provozních nákladů = 4 500 000 MMBtu/rok × 3 USD/MMBtu × 0,02 = 27 000
USD = 30 637 EUOR (1 USD = 1,1347 EURO, směnný kurz k 1. lednu 2002)
3.2.6
Minimalizace odluhu/odkalu
Příklad 1
Na plamencovém kotli, jenž vyrábí páru o tlaku 26 bar 5500 hodin ročně, je instalován
automatický řídící systém odluhu. Odluhovací systém redukuje míru zakalování z 8 na 6 %.
Kotel vyrábí 25 tun páry za hodinu a jeho tepelná účinnost dosahuje 82 %. Cena plynu je
5 EURO/GJ.
Doplňující voda je dodávána při teplotě 20 °C, náklady činí 1,3 EURO/t (včetně čištění). Cena
za odpadní vodu je 0,1 EURO/t.
Za předpokladu, že kondenzát není vracen zpět do oběhu, lze množství odstraněného kalu určit
pouze na základě toku užitkové vody. Vodivost užitkové vody je 222 µS/cm. Toto je ukazatel
množství nerozpuštěných solí ve vodě. Doplňující voda může mít maximální vodivost 3000 –
4000 µS/cm.
Míra odkalu (B) je vypočtena následovně:
Množství soli do systému
(25 000 + B) × 222
=
=
množství soli ze systému
B × 3000
Míra odkalu je: 1998 l/hod nebo 8 %.
Počáteční množství užitkové doplňkové vody je:
25 000 kg/hod/(1 + 0,8) = 28 000 l/hod
Po instalaci systému řízení odkalu je množství vody:
25 000 kg/hod/(1 + 0.06) = 26 500 l/hod, rozdíl činí 500 l/hod
Entalpie doplňující vody při tlaku 25 barg je: 972,1 kJ/kg.
Entalpie napájecí vody při 20°C a normálním tlaku je: 83,9 kJ/kg.
Rozdíl je tudíž: 888,2 kJ/kg.
Úspory nákladů na palivo pak dosahují:
382
červen 2008
Přílohy
5001 l/hod × 5500 hod × 888,2 kJ/kg × 5 EURO/GJ
0,82 × 1 000 000
=
14894 EURO/rok
Úspor bylo dosaženo také snížením nákladů na čištění a nákladů na odluh.
Množství ušetřené vody činí: 500 l/hod × 5500 hod/rok = 2750 t/rok.
Tato hodnota představuje nevynaložené náklady ve výši 3850 EURO/yr.
Instalace systému tak vytváří roční jistý zisk 18744 EURO.
[227, TWG]
Příklad 2
Předpokládejme, že instalace automatického řídícího systému odluhování snižuje míru odkalu
z 8 na 6 %. Tento příklad předpokládá nepřetržitý provoz parního kotle s parametry: pára
100 000 lb/hod; 150 psig. Palivem je zemní plyn. Dále přepokládejme teplotu doplňující vody
60 °F, účinnost kotle 82 %, cenu paliva 3 USD/MMBtu, a celkové náklady za vodu, odpadní
vodu a její čištění 0,004 USD/galon. Celkové roční úspory nákladů jsou:
Napájecí voda kotle: počáteční = 100 000/(1-0,08) = 108 695 lb/hod
konečná = 100 000/(1-0,06) = 1 069 383 lb/hod
Úspora doplňující vody = 108 695 – 1 069 383 = 2312 lb/hod
Entalpie napájecí vody = 338,5 Btu/lb; pro doplňující vodu při 60 ºF = 28 Btu/lb
Úspory tepelné energie = 338,5 -28 = 310,5 Btu/lb
Roční úspora paliva = 2312 lbs/hod × 8760 hod/rok × 310,5 Btu/lb × 3 USD/MMBtu / 0,82 ×
106 = 23 007 USD
Roční úspora vody a chemických látek = [v originále chybí hodnota] lbs/hod × 8760 hod/rok ×
310,5 Btu/lb × 0,004 USD/gal / 8,34 lbs/gal = 9714 USD
Celkové úspory = 23 007 USD + 9714 USD = 32721 USD = 37 128,11 EURO (1 USD= 1,1347
EURO, směnný kurz k 1. lednu 2002)
3.2.7
Rekuperace tepla z odluhu kotle
Příklad 1
Mezi odkalovací trubkou z kotle a přívodem užitkové doplňující vody je instalován tepelný
výměník. Kotel je v provozu 7600 hod/rok, tlak je 10 barg, účinnost kotle je 82 %. Míra odkalu
je u kotle 6 %. Spalován je zemní plyn, jehož cena je 4 EURO/GJ. Napájení doplňující
užitkovou vodou je 5.3 t/hod.
Na každých 10 t/hod páry při 6% míře odluhu je vytvořen zisk účinnosti 369 MJ/hod. Aby bylo
možné dosáhnout tohoto zisku, je nutné dodávat doplňující vodu rychlostí 5,3 t/hod. Při této
rychlosti je zvýšení účinnosti 5,3/10 × 368 = 195 MJ/hod.
Úspory jsou následující:
7600 hod × 195 MJ/hod × 4 EUR/GJ
1000 × 0,82
= 7229 EURO/rok
červen 2008
383
Přílohy
3.2.8
Izolace parního potrubí a potrubí na kondenzát
Příklad
Cena páry ze zařízení je 4,5 USD/MMBtu, průzkum parního systému odhalil 1120 stop (ft)
dlouhý odhalený úsek potrubí o průměru 1 palec a 175 stop odhaleného potrubí o průměru 2
palce, každý pod tlakem 150 psig. Dále byl zjištěn 250 stop dlouhý odhalený úsek potrubí
o průměru 4 palce pod tlakem 15 psig. Z tabulek byla určena ztráta tepla za rok:
1-palcová trubka:
2- palcová trubka:
3- palcová trubka:
1120 ft × 285 MMBtu/rok na 100 stop = 3192 MMBtu/rok
Celková ztráta tepla = 3192 + 840 +1037 = 5069 MMBtu/rok
Celkové roční úspory provozních nákladů z instalace izolace s 90% účinností jsou:
0,90 × 4,5 USD/MMBtu × 5069 MMBtu/rok = 20 530 USD = 23 295,13 EURO
(1 USD= 1,1347 EURO, směnný kurz k 1. lednu 2002)
3.2.8.1 Instalace odnímatelných izolačních krytů na ventily a armatury
Roční úspory paliva a nákladů získané instalací 1-palcových izolačních krytů na neizolovaný 6palcový (150 mm) uzávěrový ventil toku 250 lb/psig nasycené páry (406 °C) lze vypočítat
s použitím údajů z tabulky 3.2.8.1 [není v originále uvedena]. Předpokládejme nepřetržitý
provoz spalování zemního plynu v kotli s účinností 80 % a cenou paliva 4.5 USD/MMBtu:
Roční úspora paliva = 5992 Btu/hod × 8760 hod/rok × 1/0,80 = 65,6 MMBtu/rok
Roční úspora nákladů = 65,6 MMBtu/rok × 4,5 USD/MMBtu = 295 USD na 6-palcový
uzávěrový ventil = 334,73 EURO (1 USD= 1,1347 EURO, směnný kurz k 1. lednu 2002).
3.2.10 Zavedení programu kontrol a oprav separátorů páry
Příklad 1.
Množství ztracené páry lze odhadnout pro jednotlivý separátor následovně:
Rovnice 7.25
Kde:
•
•
•
•
•
•
•
Lt,y
FTt,y
FSt,y
CVt,y
ht,y
Pin,t
Pout,t
je množství páry, které ze separátoru páry t unikne v období y (t)
součinitel provozu separátoru páry t v období y
součinitel zatížení separátoru páry t v období y
koeficient průtoku separátoru páry t v období y
počet hodin provozu separátoru páry t v období y
vstupní tlak na separátoru páry t (atm)
výstupní tlak na separátoru páry t (atm).
Součinitel provozu FTt,y je určen podle hodnot Tabulky 7.11:
384
červen 2008
Přílohy
BT
LK
RC
Typ
Profukování
Úniky
Rychlé cykly
FT
1
0,25
0,2
tabulka 7-11 Hodnoty součinitele provozu pro úniky páry ze separátoru par
Součinitel zatížení zohledňuje vztah mezi párou a kondenzátem. Čím více kondenzátu prochází
separátorem páry, tím méně je v něm prostoru pro páru. Množství kondenzátu závisí na typu
separátoru, jak je uvedeno v Tabulce 7.12 níže:
Typ separátoru
Standardní aplikace
Odkapávací a vektorové sběrače
Průtok páry (bez kondenzátu)
Součinitel zatížení
0,9
1,4
2,1
tabulka 7-12 Součinitele zatížení pro úniky páry
Nakonec rozměr potrubí určuje hodnotu koeficientu průtoku.
CV = 3,43 D2
kde D = průměr ústí potrubí (cm).
Příklad výpočtu je následující:
•
•
•
•
•
•
•
FTt,y = 0,25
FSt,y = 0,9 protože množství páry, které projde separátorem, zkondenzuje, ale ve
srovnání s kapacitou separátoru je to správně (viz tabulka výše)
CVt,y = 7,72
D = 1,5 cm
ht,y = 6000 h/r
Pin,t = 16 atm
Pout,t = 1 atm.
Ze separátoru páry za rok unikne až 1 110 tun páry.
Pokud v podniku stojí tuna páry 15 EUR, pak konečné ztráty činí 16 650 EUR ročně.
Kdyby nešlo pouze o případ netěsnosti, ale dokonce zcela unikala, pak by mohly náklady vzrůst
až na 66 650 EUR ročně.
Tyto ztráty jsou silným odůvodněním pro zavedení účinného managementu a kontrolního
systému všech parních separátorů v podniku.
Příklad 2:
Uvažujme zařízení, v němž cena páry dosahuje 4,50 USD/1000 lb. Na parním potrubí s tlakem
150 psig je vstup do separátoru poškozen. Vstupní otvor separátoru je 1/8 palce v průměru. V
tabulce jsou uvedeny odhadované ztráty páry při výkonu 75,8 lb/hod. Oprava poškozeného
separátoru jsou dosaženy následující úspory::
Úspory = 75,8 lb/hjod × 8760 hod/rok × 4,50/1000 lb = 2988 USD/year = 3390,45 EURO
červen 2008
385
Přílohy
3.2.12 Opětovné využití emisní páry
Příklad:
Ventilační potrubí má následující parametry:
Rychlost emisí páry:
Průměr ventilačního potrubí:
Hodin provozu:
Účinnost kotle:
Cena paliva:
300 ft/min
4 palců
8000 hod/rok
82 %
4,5 USD/MMBtu
Emisní páru lze kondenzovat na emisním kondenzátoru, přenést její tepelnou energii na příchozí
doplňující vodu a následně ji vrátit do kotle. Energie je rekuperována ve dvou formách: teplejší
doplňující voda a čistší, destilovaný kondenzát jsou vhodné pro využití v provozu.
Potenciál rekuperace energie emisního kondenzátoru
Obsah energie, MMBtu/rok*
Průměr potrubí
rychlost páry, stopy/min
(palce)
200
300
400
500
600
2
90
140
185
230
280
4
370
555
740
925
1110
6
835
1250
1665
2085
2500
10
2315
3470
4630
5875
6945
* Je předpokládán nepřetržitý provoz, teplota doplňující vody 70 ºF, teplota
kondenzované páry 100 ºF
Vzhledem k údajům v tabulce výše dosahuje potenciál rekuperované energie z emisní páry 555
MMBtu (při 8760 hodinách provozu ročně). Roční úspora nákladů za palivo tak potenciálně
činí:
Energie ušetřená za rok = 555 MMBtu/rok × 8000 hod/rok/8760 hod/rok × 1/0,82 =
618 MMBtu
Potenciální palivové náklady ušetřené za rok = 618 MMBtu × 4,5 USD/MMBtu =
2781 USD**= 3155,57 EURO
** Poznámka: roční úspora paliva je uvedena na jeden ventil. V parním zařízení je obvykle více
ventilů, a proto celkové úspory mohou být výrazně vyšší. Je ovšem nutné zohlednit náklady
na dodatečný tepelný výměník. Referenční literatura ovšem pro toto opatření uvádí krátkou
dobu návratnosti.
V tabulce níže je uvedeno množství páry získané na libru emitovaného kondenzátu jako funkce
kondenzátu a tlaku páry.
Emitování vysokotlakého kondenzátu
Procenta emitovaného kondenzátu (lb páry / lb kondenzátu)
Vysokotlaký kondenzát
Nízkotlaká pára (psig)
(psig)
50
30
15
5
200
10.4
12.8
15.2
17.3
150
7.8
10.3
12.7
14.9
100
4.6
7.1
9.6
11.8
75
2.5
5.1
7.6
9.9
386
červen 2008
Přílohy
Příklad:
Náklady na páru představují v zařízení 4,5 USD/MMBtu, vyráběna je pára o tlaku 150 psiq,
jejíž část je odvedena na využití páry o tlaku 30 psig. Za předpokladu nepřetržitého provozu
určete roční úspory výroby nízkotlaké páry emitováním 5000 lb/hod kondenzátu o tlaku 150
psig. Průměrná teplota vody doplňující napájení kotle je 70 °F.
Z tabulky výše je zřejmé, že je-li kondenzována pára o tlaku 150 psig na 30 psig, 10,3 %
kondenzátu se vypaří.
Množství vyrobené nízkotlaké páry = 5000 lb/hod × 0,103 = 515 lb/hod
Hodnoty entalpie z tabulek ASME jsou:
pro nasycenou páru o tlaku 30 psig
pro doplňující vodu o teplotě 70 ºF
= 1171,9 Btu/lb
= 38.0 Btu/lb
Roční úspory jsou vypočteny následovně:
Roční úspory = 515 lb/hod × (1171,9 – 38,0) Btu/lb × 8760 hod/rok × 4,5 USD/MMBtu =
23 019 USD= 26 119,37 EURO
3.2.13 Minimalizace ztrát kotle z krátkých provozních cyklů
Příklad
Příklad:
Kotel o výkonu 1500 hp (koňských sil: 1hp = 33.475 Btu/hod) s účinností jednoho cyklu 72,2 %
(E1) je nahrazen kotlem o výkonu 600 hp s účinností jednoho cyklu 78.8 % (E2). Roční úsporu
nákladů je možné vypočítat následovně:
Zlomková úspora paliva = (1 - E1 / E2 ) = 1 – 72,7/78,8) × 100 = 7,7 %
Pokud původní kotel spotřeboval ročně 200 000 MMBtu v palivu, úspory z náhrady tohoto kotle
kotlem menším (za předpokladu ceny paliva 3,00 USD/MMBtu) jsou:
Roční úspory = 200 000 MMBtu × 0,077 × 3,00 USD/MMBtu = 46 200 USD = 52 422,56
EURO
7.10.2
Rekuperace odpadního tepla
Kyselé čištění tepelných výměníků
V provozovnách využívajících známý Bayerův proces extrakce hliníku ze surového bauxitu, jež
jsou označovány jako bauxitové rafinérie, je prováděno žíravé louhování rudy za vysokých
teplot, V mnoha bauxitových rafinériích, jako je v této části popsaná italská rafinérie, dosahují
teploty až 250 °C. V některých zařízeních v západní Austrálii jsou při tomto procesu
dosahovány teploty 140 °C. Výše teploty závisí na typu bauxitu.
červen 2008
387
Přílohy
Reakce či vyluhovací fáze je následována fází dekomprese (sestávající z řady postupných
mžikových výparů), která probíhá tak dlouho, dokud tlak a teplota výluhu neklesnou až
na úroveň atmosférických podmínek.
Emisní pára, která vzniká při této fázi, je kondenzací rekuperována na řadě plášťových
a trubkových kondenzátorů. Výměna tepla probíhá přes plášť trubky. Vnitřním prostorem
trubek je odváděn žíravý výluh do reakční fáze. Účinnost rekuperace emisní páry hraje velmi
důležitou roli pro energetickou účinnost celého procesu. Čím vyšší je účinnost rekuperace, tím
nižší je potřeba čerstvé páry do autoklávů, a tím i nižší spotřeba topného oleje v celém procesu.
Eurallumina
Schéma procesu
Rozklad
bauxitu
Bauxit
Pára
Zásobníky
Kontaminovaný
výluh + zbytky
Čeření
Ohřívače
Drcení
Výluh
Filtrace a
odkalení
Vypařování
Zbytky
Kalcinace
Proces srážení
Úprava tříděním
Promývání
oxid
hlinitý
Obrázek 7-14: Schéma procesu bauxitové rafinérie Eurallumina
[48, Teodosi, 2005]
Popis techniky energetické účinnosti
Plášťové a trubkové ohřívače podstupují pravidelné kyselé čištění, jímž je obnoven vnitřní
povrch trubek a zachována účinnost přenosu tepla. Na trubkách dochází zejména při vysokých
teplotách ke srážení křemičitanového kamene z technologického výluhu.
V rafineriích je desilikační čištění prováděno běžně, ale úroveň křemičitanů v Bayerově výluhu
je tak velký, že míra usazování může vážně ovlivnit rekuperaci emisní páry a energetickou
účinnost.
Řešením, jak zlepšit průměrný součinitel přenosu tepla v ohřívačích a následně snížit spotřebu
topného oleje celého technologického procesu je optimalizace četnosti kyselého čištění.
Dosažené environmentální přínosy, zejména zlepšení energetické účinnosti
Délky provozních cyklů ohřívačů byly sníženy z 15 na 10 dnů a následně byla zvýšena četnost
provádění kyselého čištění trubek. Tato provozní změna umožnila zvýšení průměrného
součinitele přenosu tepla a zlepšení rekuperace emisní páry. Viz Obrázek 7.15.
388
červen 2008
Součinitel
přenosu tepla
(kcal/m2h°C)
Přílohy
Dny provozu
Obrázek 7-15: Doby trvání provozních cyklů ohřívačů
[48, Teodosi, 2005]
Jako jediný postranní vliv způsobený zavedením této techniky lze uvést dodatečné množství
odpadní kyseliny, kterou je nutné odstranit a které má původ ve větší četnosti kyselého čištění.
V případě bauxitové rafinérie ovšem nedochází ke vzniku žádného environmentálního
problému, neboť odpadní kyselina je odstraňována spolu s ostatními zbytky procesu či
s odpadním bauxitem, které jsou zásadité. Směs dvou odpadních zbytků vytváří ve skutečnosti
příležitost pro neutralizaci odpadů z procesu (tak zvané rudé bahno), ještě než jsou odvedeny do
odkalovací nádrže.
Provozní údaje
Údaje o výkonnosti byly výše uvedené hodnoty spotřeb energie a topného oleje. Pokud je
pozornost věnována emisím, úspora topného oleje v kotlích vedla k odpovídajícímu snížení
emisí na komíně kotelny, které byly odhadnuty na 10 000 tun CO2 za rok, a také ve srovnání
s emisemi před zavedením odsiřovacího procesu v roce 2000 na 150 tun SO2 za rok.
Technika kyselého čištění trubek musí být vybavena přípravou kyselého roztoku
na doporučenou koncentraci a přidáním vhodného korozního inhibitoru, jímž je chráněn kovový
povrch. Užitečnou technikou zlepšení ochrany kovů před účinky kyseliny během její cirkulace
trubkami je nechat obíhat po pláštích chladnou vodu, čímž je zabráněno nekontrolovanému
zvyšování teploty uvnitř trubek.
Použitelnost
Vysokoteplotní ohřívače v referenční rafinérii byly vybaveny nerezovými ocelovými trubkami,
čímž je vyloučeno vytváření puklin v trubkách. Volba bylo provedena s ohledem na význam
nepřetržitosti procesu výroby kvalitního kondenzátu, jenž je využíván jako napájecí voda kotle.
Tato volba také přispěla k dlouhé životnosti ohřívačů (více než 12 let), i když kyselé čištění
probíhá častěji.
Ekonomie
Náklady nového postupu jsou dány menší investicí, kterou je nutno realizovat v některých
provozovnách kvůli zvýšení četnosti čištění a v podniku kvůli zajištění provozu. Úspory
v provozu jsou vyjádřeny úsporou topného oleje a snížením emisí.
červen 2008
389
Přílohy
Zlepšení energetické účinnosti systému lze odhadovat podle snížení spotřeby topného oleje ve
výši 3 kg/t oxidu hlinitého, což představuje 1,6 % spotřeby topného oleje v procesu. Pokud je
výroba v rafinérii 1 Mt oxidu hlinitého za rok, úspory se rovnají 3 000 tun topného oleje ročně.
Ekonomické důvody.
Příklady
Eurallumina, Portovecompany, Itálie.
Reference
[48, Teodosi, 2005]
Rekuperace nadbytečného tepla v lepenkárně
Popis techniky energetické účinnosti
Spolupráce mezi obcemi a průmyslem je považována za důležitý způsob, jak zvyšovat
energetickou účinnost. Jedním dobrým příkladem takové spolupráce je případ Lindesbergu,
Švédsko – malé obce mající okolo 23 000 obyvatel. Společnost AssiDomän Cartonboard
z Frövi, Švédsko, od roku 1998 zásobuje městskou síť zásobování teplem nadbytečným teplem.
Tato síť je provozována společností Linde Energi AB (městský energetický podnik). Dodávky
činí 90 % spotřeby systému centralizovaného zásobování teplem. Teplo je do Lindesbergu
přiváděno 17 km dlouhým dvousměrným potrubím.
V provozovně výroby lepenky usilují o snížení znečišťování životního prostředí a v důsledku
tohoto úsilí za poslední desítky let výrazně poklesla spotřeba vody. Provozovna tak získala
možnost vyrábět přebytek horké vody s teplotou přibližně 75 °C. Teplota horké vody je dále
zvýšena v chladiči spalin a následně dodána od sítě centralizovaného zásobování teplem – viz
Obrázek 8.15.
Pára
Spaliny z kotle
na stromovou kůru
165 °C
85 %
Chladič
plynu
Voda pro
zásobování
teplem, vývod
Kondenzátor
Tepelný
výměník
Horká voda
z provozovny výroby
lepenky
Zásobník
horké
vody
75 %
Zásobník
teplé
vody
40 %
Kondenzát
Voda pro
zásobování teplem,
přívod
Obrázek 7-16: Systém rekuperace tepla napojený na systém centralizovaného zásobování teplem
[20, Åsblad, 2005]
V takto uspořádaném systému rekuperace tepla je využíváno nadbytečné teplo z provozovny
výroby lepenky, které bylo shromážděno v sekundárním tepelném systému. Navíc je využíváno
také teplo spalin, které by jinak bylo vypuštěno do životního prostředí. Využití těchto zdrojů
tepla obvykle nezvyšuje spotřebu paliva v provozovně. Při špičkovém zatížení je ovšem
390
červen 2008
Přílohy
postupně zapojován parní kondenzátor – viz Obrázek 4.18 – a tato spotřeba páry vede ke
zvýšené spotřebě paliva v provozovně (převážně biopaliv).
Dosažené environmentální přínosy, zejména zlepšení energetické účinnosti
Než byla provozovna výroby lepenky napojena na systém centralizovaného zásobování tepla,
bylo 65 % poptávky po teple zajištěno z fosilních paliv (topný olej a LPG) a zbytek byl dodán
elektrickou energií poháněným tepelným čerpadlem se zdrojem v podzemní vodě (35 %).
V současnosti pokrývají dodávky tepla z provozovny výroby lepenky více než 90 % poptávky
po teple. Olejové kotle v Linde Energi AB jsou využívány pouze během nejchladnějších období,
tj. přibližně 2 týdny v roce, a tepelné čerpadlo je vyřazeno z provozu.
V porovnání se situací před napojením AssiDomän na systém centralizovaného zásobování
teplem klesla spotřeba fosilních paliv o 4 200 tun LGP a 200 m3 topného oleje ročně. Spotřeba
elektrické energie klesla o 11 000 MWh/r, neboť tepelné čerpadlo bylo odstaveno z provozu.
Kromě zřejmých přínosů z menší spotřeby fosilních paliv a elektrické energie vedlo odstavení
tepelného čerpadla ke snížení emisí látek poškozujících ozonovou vrstvu.
Provozní údaje
Použitelnost
Tento druh spolupráce není omezen pouze na průmysl a obce. V průmyslovém parku může být
tento druh spolupráce velmi přínosný. Ve skutečnosti se jedná o jednu z idejí podstaty konceptu
eko-průmyslových parků.
Ekonomie
Celkové investiční náklady dosáhly 15 miliónů EUR. Linde ENergi AB obdržela grant od
švédské vlády ve výši 2,3 miliónu EUR (15 % z celkové investice).
Motivem byly jak ekonomické, tak environmentální zájmy podniku a obce. Doba zavedení byla
také vhodná, neboť přebytek tepla se v provozovně začínal být problémem (riziko tepelného
znečišťování) a tepelné čerpadlo v systému centralizovaného zásobování teplem potřebovalo
kvůli povinnosti postupně přestat používat pracovní tekutiny s CFC renovaci.
Příklady
•
•
•
•
Södra Cell Värö,Varberg
Shell rafinérie, Göteborg
Swedish Steel, Borlänge
SCA, Sundsvall.
Reference
[20, Åsbland, 2005]
7.10.3
Kogenerace
Interní spalovací motory (pístové motory) Příklad: Bindewald Kupfermühle
•
•
mlýn na obilí: 100 000 t pšenice a žita/rok [není zřejmé, zda je použita stejná konvence
označování desetinných čárek a oddělovačů řádů]
sladovna: 35 000 t sladu/rok [viz výše]
červen 2008
391
Přílohy
Uvažujme CHP jednotku se stacionárním pístovým motorem (úspora paliva 12,5 milionů kWh
ve srovnání s oddělenou výrobou 12 milionů kWhel a zhruba 26 milionů kWhth.
Technické údaje:
•
výkon v palivu: 2* 2143 kfuel (zemní plyn)
•
elektrický výkon: 2*700 kWel
•
tepelný výkon: 2* 1.200 kWth
•
spotřeba paliva? dotaz
•
výroba elektrické energie: zhruba 10,2 milionů kWhel/rok
•
výroba tepla: zhruba 17,5 milionů kWhth/rok
•
počet hodin plného vytížení: 7286 hod/rok
•
poměr elektrické energie ku tepelné energii: 0,58
Provozní údaje:
•
zahájení provozu: prosinec1991
•
stupně účinnosti:
o elektrická účinnost: 33 %
o tepelná účinnost: 56 %
o palivová účinnost: 89 %
•
objem údržby:
o každých tisíc hodin malá údržba
o každých 10 tis. hodin generální údržba
•
dostupnost výkonu: zhruba 90 %
•
nákladová efektivnost:
o kapitálové výdaje: 1,2 milionů EURO (včetně pomocného zařízení)
o doba návratnosti:
statická: 5 let
dynamická: 7 let
•
Přínosy pro životní prostředí
o úspora nákladů: 12 000 MWh paliva/ročně [není zřejmá konvence umístění tečky]
o omezení emisí CO2: 2 500 t/rok [viz výše]
Reference
[64, Linde, 2005]
7.10.4
Trigenerace
Příklad: letiště Barajas, Madrid, Španělsko.
Budova letiště Barajas Airport potřebuje ve velkém množství jak vytápění, tak chlazení. Nový
letištní terminál má plochu 760 000 m2 (76 hektarů). Uplatněním konceptu trigenerace nyní
motory vyrábějí elektrickou energii v základním zatížení při vysoké obecné účinnosti, místo aby
byly odstaveny na úroveň pohotovostních generátorů bez zlepšení jejich investiční návratnosti.
Hlavní prioritou bylo vyvinout nákladově optimální CHP jednotku, která bude technicky
pokročilá, environmentálně příznivá a bude garantovat extrémně vysoký stupeň spolehlivosti,
pro tuto stavbu na tak důležitém místě důležitou.
Řešením bylo šest Wärtsilä 18V32DF dvoupalivových motorů na zemní plyn jako hlavní palivo
a lehký topný olej (LFO – light fuel oil) jako palivo záložní. Provozní hodiny na

energetická účinnost

Transkript

Podobné dokumenty

Biomasa_-_specifikace

Odborný životopis

Fischer Otokar_soupis

BREF WTI-CAST C

1 Vouilloz, Nicolas FRA FRA19760208 23 1166 2

Analýza - závěrečná zpráva - část I.

Srovnávací měření mezi infračerveným a plynovým vytápěním

obchodní akademie orlová dějepis světa

Proces integrovaného povolování a aplikace BAT pro zařízení k

Zemní plyn ve víru bouří

KVET

BREF WTI-CAST A

Katedra technických zařízení budov K11125

BREF WTI-CAST E