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]EVROPSKÁ KOMISE GENERÁLNÍ ŘEDITELSTVÍ SVS SPOLEČNÉ VÝZKUMNÉ CENTRUM Institut pro studium perspektivních technologií Oddělení konkurenceschopnosti a udržitelnosti Evropský úřad IPPC Integrovaná prevence Integrovaná prevence Integrovaná prevence Integrovaná prevence a a a a omezování znečiš omezování znečiš omezování znečiš omezování znečištění tění tění tění Referenční dokument o nejlepších dostupných technikách v oblasti energetická účinnost energetická účinnost energetická účinnost energetická účinnost červen červen červen červen 200 200 200 2008 Ztráty při tranformaci/přeměně Ztráty při konečné spotřebě Procesní teplo Přímé teplo Hybná síla Osvětlení Primární energie Konečná energie Proces přeměny Sekundární energie Užitečná energie Konečná spotřeba Ostatní
Transcript
Pro Ministerstvo pr ůmyslu a obchodu p řeložil 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]
EVROPSKÁ KOMISE GENERÁLNÍ ŘEDITELSTVÍ SVS SPOLEČNÉ VÝZKUMNÉ CENTRUM Institut pro studium perspektivních technologií Oddělení konkurenceschopnosti a udržitelnosti Evropský úřad IPPC
Integrovaná prevenceIntegrovaná prevenceIntegrovaná prevenceIntegrovaná prevence a a a a omezování znečišomezování znečišomezování znečišomezování znečištěnítěnítěnítění
ii červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 LVIC-AAF
Velkobjemový průmysl organické chemie – pevné a ostatní látky LVIC-S
Výrobu zvláštních anorganických chemických látek SIC
Společné čištění odpadních vod a odpadního plynu/systémy managementu v chemickém sektoru
CWW
Zpracování odpadů WT
Spalování odpadů WI
Management hlušiny a odpadního kamene z těžebních činností MTWR
Průmysl papíru a celulózy 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 MON
Ekonomiku a mezisložkové vlivy ECM
Elektronické verze návrhů dokumentů i jejich finálních verzí jsou k dispozici na http://eippcb.jrc.es.
Souhrn
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 iii pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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
Souhrn
iv červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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
Souhrn
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 v pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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
Souhrn
vi červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Souhrn
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 vii pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Souhrn
viii červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Souhrn
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 ix pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Souhrn
x červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Souhrn
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 xi pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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).
Souhrn
xii červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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).
Předmluva
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 xiii pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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;
Souhrn
xiv červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
„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. 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. 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.
Předmluva
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 xv pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 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 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. 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
Souhrn
xvi červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 xvii pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Referenční dokument o nejlepších dostupných technikách
v oblasti Energetická ú činnost
SOUHRN.................................................................................................................................................. III
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
1.4.3 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
xviii červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
2 TECHNIKY, KTERÉ JE T ŘEBA 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
2.15.1 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 T ŘEBA 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
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 xix pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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
3.11.1 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
xx červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 Ú ČINNOSTI .....................................................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
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
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 xxi pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
7.2.1 Případ 1. Regulační a škrtící zařízení........................................................................... 348 7.2.2 Případ 2. Tepelné výměníky ........................................................................................ 350 7.2.3 Případ 3. Technologické procesy míchání ................................................................... 352
7.3 Příklad použití energetické účinnosti ..................................................................................... 357 7.3.1 Krakování ethylenu...................................................................................................... 357 7.3.2 Výroba VAM ............................................................................................................... 358 7.3.3 Válcování plechu za horka ........................................................................................... 359
7.4 Příklady zavedení systémů energetického managementu ...................................................... 361 7.5 Příklad energeticky účinného hlavního procesu..................................................................... 364 7.6 Příklad udržování podnětů iniciativ energetické účinnosti: provozní dokonalost .................. 366 7.7 Monitoring a měření............................................................................................................... 367
7.7.1 Kvantitativní měření .................................................................................................... 367 7.7.2 Optimalizace a řízení využívající modelování využití zařízení.................................... 368 7.7.3 Energetické modely, databáze a bilance ...................................................................... 369
7.8 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
7.11 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
xxii červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Seznam obrázk ů
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
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 xxiii pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, 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
xxiv červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 xxv pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, 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
Rozsah
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 xxvii pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Rozsah
xxviii červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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
Rozsah
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 xxix pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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).
Rozsah
xxx červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Otázky energetické účinnosti, kterými se zabývá tento dokument
Kapitola Otázky 1 Úvod a definice
Úvod do energetické účinnosti v EU a tomto dokumentu 1.1 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 Indikátory (ukazatele) energetické účinnosti a jejich použití Význam definování jednotek, systémů a hranic
1.3
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 Energetická účinnost v přístupu „zdola nahoru“ a související problémy Význam systémového přístupu ke zlepšování energetické účinnosti
1.5
Významné otázky spojené s definováním energetické účinnosti Techniky, které je třeba zvažovat při dosahování energetické účinnosti na úrovni závodu
2
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.
Rozsah
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 xxxi pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
2.12 Technologie PINCH je užitečným nástrojem tam, kde na jednom místě existují toky vyhřívání i chlazení a kde je možné integrovat výměnu energie.
2.13 Analýzy exergie a entalpie jsou užitečnými nástroji při posuzování možností energetických úspor a také možností využití nadbytečné energie.
2.14 Termoekonomie kombinuje termodynamickou a ekonomickou analýzu s cílem porozumět tomu, kde lze dosáhnout úspor energie a materiálů.
2.15 Modely energie zahrnují: • využití modelů, databází a bilancí • využití sofistikovaného modelování k optimalizaci managementu médií a
služeb, včetně energie 2.16 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.
3 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.
3.1 Hlavní techniky spalování jsou popsány v příslušném dokumentu BREF LCP. V tomto dokumentu jsou zdůrazněny ty nejdůležitější.
3.2 Parní systémy 3.3 Získávání odpadního tepla pomocí tepelných výměníků a tepelných čerpadel
Pozn.: Chladící systémy jsou probrány v dokumentu BREF CV 3.4 Jsou vysvětleny hlavní druhy kogenerace i trigenerace a využití trigenerace při
místním vytápění a chlazení 3.5 Způsob, jakým se využívá elektrická energie v určitém zařízení, může vést
k energetické neúčinnosti v systému interních i externích dodávek. 3.6 Obecně jsou probírány elektrické, motorem poháněné subsystémy, ačkoli
konkrétní systémy jsou probírány podrobněji (viz kap. 3.7 a 3.8) 3.7 Využití a optimalizace systémů stlačeného vzduchu (compressed air systems -
CAS) 3.8 Čerpací systémy a jejich optimalizace 3.9 HVAC; vytápění, větrání a klimatizace 3.10 Osvětlení a jeho optimalizace 3.11 Sušení a separační procesy a jejich optimalizace 4 Závěry týkající se technik energetické účinnosti Přílohy 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.
Rozsah
xxxii červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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).
Rozsah
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 xxxiii pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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).
Obrázek 1-1: Použití vertikálních sektorových BREFů s horizontálními BREFy
Výstup. Např. povolení, uplatnění, návrh, projekt, dokumentace procesu
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
Krok 2 Další relevantní vertikální
BREFy Specifické odborné informace o technikách a BAT pro ostatní činnosti, např. viz LCP (velká spalovací zařízení)
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
Postup kroků Uživatel BREF
Např. osoba vydávající povolení, zpracovatel žádosti o vydání povolení, konstruktér procesu
Data. Kombinace: Údajů z určité vertikální odvětví Údajů horizontálního BREF Údaje z ostatních vertikálních BREF
Kapitola 1
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 1 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 Úvod 1.1.1 Energie v sektoru pr ůmyslu 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
Kapitola 2
2 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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
Kapitola 1
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 3 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 ú činnosti ke snižování vliv ů 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 %.
Kapitola 2
4 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 ú činnost a Sm ěrnice 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
Kapitola 1
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 5 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Kapitola 2
6 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
1.1.5 Energetická ú činnost 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 vliv ů 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
Kapitola 1
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 7 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. 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 (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: (i) 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.hm-treasury.gov.uk/documents/taxation_work_and_welfare/taxation_and_the_environment/tax_env_GESWP140.cfm (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.
Kapitola 2
8 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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: • http://www.energystar.gov/ia/business/cfo_calculator.xls • http://www.martindalecenter.com/Calculators1A_4_Util.html
Kapitola 1
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 9 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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
Kapitola 2
10 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Kapitola 1
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 11 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Kapitola 2
12 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Obrázek 1-4: Termodynamický systém 1.2.2.1 První zákon termodynamiky: konverze (p řeměna) 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
Systém
Hranice systému
Okolí systému
Kapitola 1
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 13 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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:
in
outnet
Q
W ,=η
Kde: η = účinnost W = práce Q = teplo Lze to také popsat následovně:
výstup energie práce (W) účinnost η =
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 zvyš uje Druhý zákon říká, že entropie (viz níže) termodynamicky izolovaného systému má tendenci se s časem zvyšovat. Entropie je8:
∫
∂=−2
1
12 T
QSS (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 vysvětlit 9: 8 Pro uzavřený systém a reverzibilní proces, protože Q není pro otevřený systém definováno.
Kapitola 2
14 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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.
Kapitola 1
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 15 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 druhéh o 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:
Iememdt
dVcvPWQ
T
T
dt
dE
eee
iiicv
j j
cv −−+
−−
−= ∑∑∑ 01
01
míra změny exergie míra přenosu exergie míra zániku exergie kde: 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:
.....010 IememWQ
T
Te
eeii
i
cvjj j
−−+−
−= ∑∑∑
Průmyslové aplikace:
Kapitola 2
16 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 (parametr ů) 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.
Kapitola 1
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 17 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Kapitola 2
18 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
1.2.2.6 Zjiš ťování 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.
Kapitola 1
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 19 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
1.3 Definice a ukazatele (indikátory) energetické ú činnosti a zvyšování energetické ú činnosti
1.3.1 Energetická ú činnost a její m ěření ve Sm ěrnici 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 neú činné 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 '
Kapitola 2
20 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 ú činnosti [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:
Využitá energie (energie importovaná – energie exportovaná) SEC =
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.:
použitá energie EIF =
obrat zařízení (podniku) [GJ/ EUR obratu]
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
Kapitola 1
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 21 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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
použitá energie (importovaná energie – exportovaná energie) SEC =
∑ 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
použitá energie (importovaná energie –exportovaná energie) SEC =
∑ 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:
refiCBAi
SECXi *,,
∑−
Energie použitá ve výrobní jednotce za dané období SEC =
∑ 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).
Kapitola 2
22 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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:
SECref EEI = 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.
Kapitola 1
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 23 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 ukazatel ů (indikátor ů) 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].
Kapitola 2
24 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 systém ů 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
Kapitola 1
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 25 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
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:
(hs-hw) Energetická hodnota páry =
ηb kde: hs Entalpie páry hw Entalpie vody přiváděné do kotle (po odvzdušnění) ŋb 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
Ztráty při tranformaci/přeměně
Ztráty při konečné spotřebě
Procesní teplo
Přímé teplo
Hybná síla
Osvětlení
Primární energie
Ko
neč
ná
ener
gie
Pro
ces
pře
měn
y
Sekundární energie
Uži
tečn
á en
erg
ie
Ko
neč
ná
spo
třeb
a
Ostatní
Kapitola 2
26 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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
Kapitola 1
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 27 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 ú činnost
Kapitola 2
28 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Kapitola 1
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 29 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
tabulka 1-1 Indikativní Hodnoty horní výhřevnosti a spalného tepla pro různá paliva [153, Wikipedia] 1.3.6.3 Management na stran ě poptávky a na stran ě 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).
Kapitola 2
30 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
1.4 Ukazatele energetické ú činnosti v pr ůmyslu 1.4.1 Úvod: definování ukazatel ů a dalších parametr ů 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 ú činnost ve výrobních jednotkách Následující dva příklady ilustrují koncepty SEC a EEI a zdůrazňují klíčové otázky interpretace. 1.4.2.1 Příklad 1. Jednoduchý p řípad 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.
Kapitola 1
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 31 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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: Es,in = energie dodaná do procesu prostřednictvím páry za účelem výroby určitého množství produktu P Ee,in = energie dodaná do procesu prostřednictvím elektřiny za účelem výroby určitého množství produktu P Ef,in = energie dodaná do procesu prostřednictvím paliva za účelem výroby určitého množství produktu P 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.
Výrobní jednotka Surovina F
Pára Es,in
Hlavní produkt P
Elektrická energie
Ee,in
Import paliva
Ef,in
Kapitola 2
32 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• Ef,in = 0.01 tuny paliva x 50 GJ/tunu = 0.50 GJ • Ee,in = 10 kWh x 0.0036 GJ/kWh x 100/40 = 0,09 GJ (kde 1 kWh = 0,0036 GJ) • Es,in = 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)
0,036 = 1,5 tj. 150 %
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 p řípad 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.
Kapitola 1
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 33 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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/produkt ů (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
Recyklované palivo P f
Recyklované palivo Ef,rec
Výrobní jednotka
Surovina F 1
Pára Es,in
Hlavní produkty P 1
Elektrická
energie Ee,in
Import paliva
Ef,in
Surovina F n
Další produkty P 2
Další Eo,in
Odpad/ztráty W (spalování, fléra, odpadní toky do
životního prost ředí)
Pára Es,out
Elektrická
energie Ee,in
Další Eo,out
Kapitola 2
34 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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)
Kapitola 1
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 35 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Kapitola 2
36 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
1.4.3 Energetická ú činnost 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.
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:
∑=
×jednotkai
irefi EIFP ,,1 EEI =
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.
Exportovaná energie
Jednotka
Jednotka Jednotka
Jednotka
Produkty výstup Suroviny vstup
Importovaná energie
Kapitola 1
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 37 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Následující rovnice by se měla vyzkoušet vždy: Energie použitá stanovištěm (závodem)
= Σ SECi1 × Pi + energie použitá sekcí médií a služeb
kde: i=jednotky
Kde: ∑−unitsi
SECi = součet hodnot SEC pro i jednotek
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.
Kapitola 2
38 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
1.5 Otázky, které je t řeba zvažovat p ři definování ukazatel ů energetické ú činnosti
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):
Vstup energie práce W Energetická účinnost η =
Výstup energie =
energie E (obvykle vyjádřeno v %)
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:
Změna v použité energii Zlepšení =
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).
Kapitola 1
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 39 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 %
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.
Nový elektromotor Elektrický p říkon 96 kW
Elektrický výkon 90 kW
Příkon (96 kW) Výkon (90 kW) Zlepšení ú činnosti (4 kW)
Hranice systému
(93,7 %)
Starý elektromotor Elektrický p říkon 100 kW
Elektrický výkon 90 kW
Příkon (100 kW) Výkon (90 kW) Účinnost (90 %)
Hranice systému
Kapitola 2
40 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
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):
Účinnost 75 EEF =
Referenční účinnost 47 = 1,60 tj. zvýšení energetické účinnosti o 60 %
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.
Nový elektromotor Elektrický p říkon 96 kW Hydraulický výkon (67 kW)
Příkon (96 kW) Výkon (45 kW) Účinnost (47 %)
Hranice systému
(93,7 %)
Chladící voda
(80 %)
Nový elektromotor Elektrický p říkon 96 kW Hydraulický výkon (45 kW)
Příkon (96 kW) Výkon (45 kW) Účinnost (47 %)
Hranice systému
(93,7 %)
Chladící voda
(50 %)
Kapitola 1
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 41 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
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).
Nový elektromotor a nové čerpadlo s regula čním ventilem konstantního výkonu
Hydraulický výkon (45 kW)
Příkon (60 kW) Výkon (45 kW) Účinnost (75 %)
Hranice systému
(93,7 %)
(80 %)
Elektrický p říkon (60 kW)
Kapitola 2
42 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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):
Použitá energie (importovaná energie – exportovaná energie) SEC =
Vyprodukované produkty =
produkty/vyprodukované výstupy
Energie použitá v chladícím systému 90 – 67 kW SEC =
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)
1,77 = 62 %
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):
Regula ční ventil
Teplo z proces ů (13 000 kW th)
Nový elektromotor, nové čerpadlo a starý tepelný vým ěník
Příkon (90 kW) Hodnota výkonu 1: Chlazení procesu 13 000 kW th
Hodnota výkonu 2: Hydraulický výkon 67 kW )
Hranice systému
13 000 kW th Chladící voda
(80 %)
Elektrický p říkon (90 kW)
Kapitola 1
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 43 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 systém ů a hranic systém ů 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.
Regula ční ventil
Teplo z proces ů (8 000 kW th)
Nový elektromotor, nové čerpadlo a dva tepelné vým ěníky
Příkon (90 kW) Hodnota výkonu 1: Chlazení procesu 8 000 kW th
Hodnota výkonu 2: Rekuperované teplo 4 000 kW th )
Hranice systému
8 000 kW th
Chladící voda
(80 %)
Elektrický p říkon (90 kW)
Rekuperované teplo, nahrazuje
topný olej p ři vytáp ění prostor:
(4 000 kW th)
Hydraulický výkon: 67 kW
Nevyužité teplo 4 000 kW th
Hodnota výkonu 2: Hydraulický výkon 67 kW )
Kapitola 2
44 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 Ostatní d ůležité otázky, které je t řeba zvažovat na úrovni závodu 1.5.2.1 Zaznamenávání používaných postup ů 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 odpad ů a prost řednictvím fakulí
(bezpečnostních ho řáků) 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:
Kapitola 1
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 45 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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.
Kapitola 2
46 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 rostou cí 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 produkt ů 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.
Kapitola 1
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 47 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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 energetické účinnosti. 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 hospodá řství 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.
Kapitola 2
48 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 p řispívající k udržitelnosti a/nebo
celkové ú činnosti stanovišt ě 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.
Kapitola 1
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 49 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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
Kapitola 2
50 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
na ohřátí veškerých vstupů do rafinérského zařízení z okolní teploty na 104,4 oC se nazývá citelné teplo. 1.5.2.11 Další p říklady 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.
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 51 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Kapitola 2
52 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 přínosy
Hlavní environmentální přínosy podpořené příslušnými údaji 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
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 53 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
2.1 Systémy managementu energetické ú činnosti (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.
Kapitola 2
54 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 • Informa ční 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) závazek nejvyššího managementu (b) definice politiky energetické účinnosti (c) plánování a stanovování cílů a cílových stavů (d) implementace a provoz postupů a procedur (e) benchmarking (f) kontrola a nápravná opatření (g) revize managementu (h) příprava pravidelných prohlášení o energetické účinnosti (i) validace certifikačním orgánem nebo externí verifikační autoritou pro ENEMS (j) již při projektování zvažovat vyřazení závodu z provozu na konci jeho životnosti (k) vývoj technologií energetické účinnosti.
4. Kontrola a nápravné akce (monitorová) � Kontrola odchylek + nápravná opatření � Systém interního a externího auditu � Benchmarking
Přístup Plán – Realizace – Kontrola - Zlepšení
3. Zavedení a provoz � Organizace a odpovědnost � Motivace, odměňování, školení � Energetický monitoring a reportování � Nákup energie, reportování LTA
2. PLÁN � Cíle a plán akcí (ECP) � EM systém, standardy, návrh
1. Energetická politika (závazek) � legislativa, LTA � cíle, CO2 nebo energetická účinnost � BAT, LCA, LCC
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 55 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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: • 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. (b) 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
Kapitola 2
56 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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.
(d) 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
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 57 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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) Benchmarking, tj.: • Provádění systematických a pravidelných srovnání na sektorové, národní nebo regionální
úrovni (další podrobnosti v kap. 2.16) (f) 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
Kapitola 2
58 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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) 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 (h) 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 p ři 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. nepoužívání podzemních konstrukcí ii. začlenění prvků, které usnadňují demontáž iii. volba povrchových úprav, které lze snadno dekontaminovat
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 59 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Mezisložkové vlivy 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
Kapitola 2
60 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 61 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Hybná síla pro zavedení 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
Kapitola 2
62 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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)
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 63 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
2.2 Plánování a stanovování cíl ů a cílových stav ů 2.2.1 Pokra čující zlepšování v oblasti životního prost ředí
a mezisložkových vliv ů 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.
Kapitola 2
64 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Dosažené environmentální přínosy 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. Mezisložkové vlivy 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.
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 65 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Ekonomie Umožňuje realizovat kapitálové investice moudrým, poučeným způsobem, nejlépe zhodnotit peníze a snižovat celkové zatížení životního prostředí. Hybná síla pro zavedení 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 p řístup 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“). Dosažené environmentální přínosy 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
Kapitola 2
66 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Mezisložkové vlivy 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. Hybná síla pro zavedení 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 Energeticky ú činný design (EED) 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.
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 67 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
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.
Potenciál úspor
Invest iční náklady
Čas Etapa
provozu Etapa
projektování
Náklady (1)
(2)
Kapitola 2
68 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 Činnost energeticky účinného designu (projektování) Základní projekt / koncepční projekt
• 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
Energetická služba
Typ procesu
Projekt provozovny
Řízení a provoz
Údržba
Jednání
Problémové oblasti ve fázi
provozu
Problémové oblasti ve fázi projektování
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 69 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
spotřebu energie • Určení klíčových osob a stran, které ovlivňují energetickou
účinnost nového zařízení • Minimalizace energetických služeb • Zavedení nejlepší dostupné techniky
Podrobný projekt • 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 Výběrová řízení • Žádat účastníky výběrových řízení a výrobce o energeticky
účinnější řešení • Řízení kvality projektů zařízení a specifikací ve výběrových
řízeních Stavba • Řízení kvality specifikací pro instalované vybavení ve srovnání
s vybavením specifikovaným ve výběrových řízeních Uvedení do provozu • Optimalizace procesů, médií a služeb podle specifikací Fáze provozu • 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. Dosažené environmentální přínosy 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. Mezisložkové vlivy 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.
Kapitola 2
70 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Společnost Úspory
(EUR/rok) Úspory
(%) Investice (EUR)
Návratnost (roky)
Přísady do potravin: • Nové koncepce chlazení • Změna procesu kvašení • Snížení HVAC v procesu balení • Získávání tepla z fermentační
kádě • Nové zásady pro osvětlení
130 000 30 115 000 0,8
Cukrovinky: • Lepší kontrola procesu sušení • Optimalizace chladícího okruhu • Snížení infračerveného sušení
produktů • Snížení tlaku stlačeného vzduchu • Levnější zdroj tepla (lokální
vytápění)
65 000 20 50 000 0,7
Hotová jídla: • Změna zdroje tepla pro pece • Nová technologie mražení • Nová koncepce získávání tepla • Optimalizace NH3 chlazení • Optimalizované výměníky tepla
740 000 30 1 500 000 2,1
Plasty: • Nová koncepce chlazení
(přirozené chlazení) • Získané teplo použito k vytápění
budov • Snížený tlak stlačeného vzduchu • Snížení systémů HVAC
a mražení • Lepší kontrola chladících procesů • Využití loje k vytápění prostor
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. Posouzení dat o spotřebě energie a oblastí zaměření 2. Minimalizace energetických služeb a aplikace BAT 3. Poskytnutí vstupů pro projekt zařízení nebo závodu, pro řízení a instrumentaci 4. Zajištění kvality výběrových řízení 5. Navazující činnosti Každá fáze projektu by měla přinést specifické výstupy, aby se provozovatel mohl rozhodnout, která další zkoumání by se měla provést.
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 71 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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).
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.
Výrobce
Kontraktor
Technický konzultant
Architekt atd.
Expert na energetiku
Podnik/ závod
Kapitola 2
72 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Hybná síla pro zavedení Hlavní hybné síly pro energeticky účinný design jsou: • Nižší provozní náklady • Aplikace nových technologií (příležitost pro zavedení BAT) • Dobře projektově připravená zařízení nebo závody díky lepšímu postupu při projektování
a kvalitnějším podkladům.
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 73 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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
Kapitola 2
74 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Dosažené environmentální přínosy 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. Mezisložkové vlivy Závisejí na procesu. Viz Příklady. Provozní údaje Závisejí na procesu. Viz Příklady. Použitelnost Závisí na závodu. Viz Příklady. Ekonomie Závisí na procesu. Viz Příklady. Hybná síla pro zavedení 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
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 75 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Odkaz na výrobu škrobu: LIFE04ENV/DK/67 [174, EC, 2007]; http://ec.europa.eu/environment/life/project/Projects/ [257, Clark, 2006]
Kapitola 2
76 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Dosažené environmentální přínosy • 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. Mezisložkové vlivy 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 . Hybná síla pro zavedení • 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: • 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.
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 77 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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]; http://ec.europa.eu/environment/life/project/Projects/
2.5 Dlouhodobé udržení podn ětů a pobídek pro iniciativy v oblasti energetické ú činnosti
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)
Kapitola 2
78 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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).
Dosažené environmentální přínosy 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. Mezisložkové vlivy 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. Hybná síla pro zavedení 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.
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 79 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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, TWG]
Kapitola 2
80 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 e-learning). 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.
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 81 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Dosažené environmentální přínosy Umožňuje realizaci energetické účinnosti. Mezisložkové vlivy 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. Hybná síla pro zavedení 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 Skutečnost Úspory energie na účastníka 400 MWh/rok 1280 MWh/rok Úspory nákladů na účastníka 16000 EUR/rok 73286 EUR/rok Průměrná doba splácení nutných investic
- 3,8 roku
Průměrné splácení (přímých nákladů na kurs, na základě 230 pracovních dnů za rok)
33 krát náklady na školení (7 pracovních dnů)
tabulka 2-4 Pilotní projekt EUREM – úspory na účastníka
Kapitola 2
82 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 83 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Dosažené environmentální přínosy Příspěvek k energetické účinnosti. Mezisložkové vlivy 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. Hybná síla pro zavedení 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).
Kapitola 2
84 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Při zpracování dat do diagramu lze využít poměrně levný software.
Obrázek 2-7: Sankeyův diagram: paliva a ztráty v běžné továrně [186, UBA_AT] Dosažené environmentální přínosy Zlepšuje komunikaci o otázkách energetické účinnosti. Mezisložkové vlivy Nejsou známy. Provozní údaje Viz Popis. Použitelnost U všech podniků, které potřebují znázorňovat toky energií. Ekonomie Jedná se o levnou techniku. Hybná síla pro zavedení 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]
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 85 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
2.8 Účinné řízení procesu 2.8.1 Systémy řízení proces ů 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.
Kapitola 2
86 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Dosažené environmentální přínosy Snížené náklady na energie a zlepšení životního prostředí.
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 87 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Mezisložkové vlivy 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. Hybná síla pro zavedení 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
Kapitola 2
88 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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, zajišt ění) 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). Dosažené environmentální přínosy Snížení množství vyřazených nebo přepracovávaných výrobků, které představují mrhání původní vstupní energií a mohou vyžadovat větší vstupy energie při přepracování. Mezisložkové vlivy Nejsou známy.
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 89 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Hybná síla pro zavedení 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
Kapitola 2
90 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 91 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 Dosažené environmentální přínosy Úspory energie. Snížení hluku (např. z opotřebovaných ložisek, unikající páry). Mezisložkové vlivy Nepředpokládají se. 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. Hybná síla pro zavedení 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 Monitoring a m ěření [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
Kapitola 2
92 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 nep římého m ěření 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. Dosažené environmentální přínosy Úspory energie. Mezisložkové vlivy Nejsou známy. Provozní údaje Viz Popis. Použitelnost Použitelné v široké míře. Ekonomie Závisí na každém jednotlivém případu. Hybná síla pro zavedení Jako součást preventivní údržby: • Předchází nečekanému uzavření provozů • Umožňuje plánovanou výměnu • Prodlužuje životnost zařízení apod.
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 93 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 výpo čty 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. Dosažené environmentální přínosy Pomoc při zjišťování a dosahování úspor energie. Mezisložkové vlivy 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. Hybná síla pro zavedení Úspory nákladů. Příklady Široké použití. Příklady online kalkulátorů lze najít v Referencích.
Kapitola 2
94 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
info/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 m ěřící 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
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 95 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Obrázek 2-8: Struktura moderního měřícího systému [98, Sitny, 2006] Dosažené environmentální přínosy Lepší řízení využití energie. Mezisložkové vlivy 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. Hybná síla pro zavedení Viz Ekonomie. Příklady Viz Příloha 6. Reference [183, Bovankovich, 2007] Schott glass: [127, TWG] Atrium Hospital, Heerleen, NL [179, Stijns, 2005].
PROVOZOVNA Úroveň 1
ODDĚLENÍ Úroveň 2
ODDĚLENÍ Úroveň 2
Účetní centrum Úroveň 3
Účetní centrum Úroveň 3
Účetní centrum Úroveň 3
Účetní centrum Úroveň 3
MĚŘIČE SPOTŘEBY
Kapitola 2
96 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Dosažené environmentální přínosy 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. Mezisložkové vlivy Nejsou. Provozní údaje
Základní data Elektrárna s vysokotlakou párou
Spalování odpadu se superohřátou párou
Q max (t/h) 200 45 T (°C) 545 400 P (barabs) 255 40 Vnitřní průměr potrubí (mm) 157 130,7 Diferenciální tlak v mbar (přibližně): clonka 2580 1850 Dosavadní Pitotovy trubice 1770 595 Pitotovy trubice nové generace
1288 444
Trvalý pokles tlaku v mbar a na měřící systém v mbar (přibližně): clonka 993 914 Dosavadní Pitotovy trubice 237 99 Pitotovy trubice nové generace
19,3 7,3
Ztráty kinematické energie na měřící systém v kWh/h (se 100 mbar ≈ 67,8 kWh/h - přibližně): clonka 673 620 Dosavadní Pitotovy trubice 161 67 Pitotovy trubice nové generace
13 5
tabulka 2-5 Příklady poklesu tlaku způsobeného různými systémy měření Použitelnost Nové nebo podstatně modernizované podniky.
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 97 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Hybná síla pro zavedení 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.
Kapitola 2
98 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
ROZSAH
ÚZKÝ ŠIROKÝ
HRUBÉ SÍTO JEMNÉ SÍTO
STANOVENÍ PŘEDLOŽENÍ
DŮKLADNOST
CÍL
Zvláštní systém/oblast
Všechny systémy/všechny
provozovny
Všeobecné vyhodnocení
potenciálu
Podrobné vyhodnocení
potenciálu
Zvláštní opat ření úspor
energie
Obecné oblasti úspor energie
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 99 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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
Kapitola 2
100 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
skimming, tzn. je zde vždy riziko, že když bude nalezeno několik výrazných úsporných opatření, ta ostatní budou ignorována. 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.
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 101 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Tento model také vytváří základ pro velmi standardní a podrobné podávání zpráv, což přináší provozovateli určité výhody, zejména v řízení kvality a monitoringu. Dosažené environmentální přínosy 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. Mezisložkové vlivy 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. Hybná síla pro zavedení 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]
Kapitola 2
102 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 103 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
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.
50
100
150
200
100 200 300
CP=1
CP=2
Tepelný obsah v kW
Tep
lota
v °C
c°
Kapitola 2
104 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
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.
Entalpie
Tep
lota
Q H,min
Q C,min
∆∆∆∆ T min
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 105 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
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.
Entalpie
Tep
lota
Qc,min + α
Zdroj tepla
Spot řebitel tepla
αααα
QH,min + α
Tok nulovéh o tepla
Kapitola 2
106 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Dosažené environmentální přínosy Optimalizace bilance energie ve výrobně. Mezisložkové vlivy 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.: • 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.
Entalpie
Tep
lota
Qc,min + α
Zdroj tepla
Spot řebič tepla αααα
QH,min + α
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 107 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Hybná síla pro zavedení 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.
Kapitola 2
108 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Příklady
Úspory spojené s některými aplikacemi metodiky PINCH* (Náklady: USD**, dle Ullmana 2000) Popis procesu Úspory
Ropná jednotka Úspory 1,75 milionu USD při návratnosti 1,6 roku
Velký petrochemický komplex vyrábějící ethylen, butadien, HDPE, LDPE a polypropylen
Úspory více než 7 milionů USD s návratností od 12 do 20 měsíců
Chemické látky na objednávku, vsádkové procesy s 30 reaktory a více než 300 produkty
Úspory 0,45 milionu USD při návratnosti 3 měsíce až 3 roky
Speciální chemické látky na bázi síry, vsádkový a kontinuální proces
30 % úspory z celkového účtu závodu za energie (ve výši 0,18 milionu USD při návratnosti 9 – 16 měsíců
Rafinérie jedlého oleje, vsádkový provoz, široké spektrum vstupních surovin
Úspory až 70 % energie ve výši 0,79 milionů USD s návratností 12 až 18 měsíců, lepší organizace práce (bez špiček) přinesla nárůst kapacity 15 %
Vsádková výroba mléčných produktů a sušených nápojů
Úspory 30 % odpovídající 0,2 milionu USD 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]
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 109 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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).
Kapitola 2
110 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Dosažené environmentální přínosy 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. Mezisložkové vlivy 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).
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 111 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Hybná síla pro zavedení 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
Kapitola 2
112 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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. Dosažené environmentální přínosy Především úspory energií, ale i snížení materiálové náročnosti, odpadů a emisí. Mezisložkové vlivy 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.
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 113 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Ekonomie Závisí na jednotlivých případech. Hybná síla pro zavedení 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. Dosažené environmentální přínosy
Kapitola 2
114 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Umožňuje plánování na základě znalosti míst, kde se používá energie. Mezisložkové vlivy 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:
η×=).(
.)(
jmen
ef
P
PLF
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.
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 115 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Kapitola 2
116 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Hybná síla pro zavedení 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 model ů 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.).
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 117 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Dosažené environmentální přínosy Snížení spotřeby energií a s nimi spojených emisí. Viz Příklady. Mezisložkové vlivy 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.
Kapitola 2
118 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 Hybná síla pro zavedení 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.
řídící se hlavně Podnikatelský/obchodní proces energetic
kou účinností
náklady na energie/smlouva
mi 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.
+
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 119 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
řídící se hlavně Podnikatelský/obchodní proces energetic
kou účinností
náklady na energie/smlouva
mi 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.
+
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
Kapitola 2
120 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 121 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Dosažené environmentální přínosy Účinný nástroj, který pravidelně pomáhá realizovat opatření v oblasti energetické účinnosti. Mezisložkové vlivy 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).
Kapitola 2
122 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Hybná síla pro zavedení 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]
Kapitola 2
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 123 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
2.17 Ostatní nástroje Ostatní nástroje, které lze využít na úrovni závodu, jsou popsány v Příloze 7.8.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 125 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 Druh zařazených informací Popis Stručné popisy technik energetické účinnosti předkládané spolu
s obrázky, schématy, diagramy apod., které tyto techniky znázorňují
Dosažené environmentální přínosy
Hlavní vlivy na životní prostředí, zejména z hlediska používané energie, ale včetně úspor vody, surovin, nárůstu produkce apod. spojených s danou technikou
Mezisložkové vlivy 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
Hybná síla pro zavedení Důvody (jiné než IPPC) pro zavedení techniky (legislativa, dobrovolné závazky, ekonomické důvody)
Kapitola 3
126 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Příklady Odkaz na alespoň jednu situaci, kdy byla technika evidentně použita
Reference Zdroje informací a literatura obsahující podrobnosti o dané technice
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.).
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 127 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Techniky pro sektory a navazující činnosti, u nichž není spalování popsáno ve vertikálním BREFu
Techniky v dok. BREF LCP podle druhu paliva
Podle kapitol v BREF LCP – červenec 2006
Techniky v dok. BREF ENE, podle kapitol v tomto dokumentu
Uhlí a lignit
Biomasa a
rašelina
Kapalná paliva
Plynná paliva
Předsušení - lignit
4.4.2
Zplyňování uhlí 4.1.9.1, 4.4.2 a 7.1.2
Sušení - palivo 5.1.2, 5.4.2 5.4.4
Zplyňování biomasy
5.4.2 7.1.2
Lisování kůry 5.4.2 5.4.4
Expanzní turbína k získávání energie stlačeného plynu
7.1.1, 7.1.2, 7.4.1 7.5.1
Kogenerace 4.5.5, 6.1.8
5.3.3 5.5.4
4.5.5 6.1.8
7.1.6, 7.5.2
Kogenerace (3.4)
Moderní počítačem řízené podmínky spalování pro snížení emisí a pro výkon kotle
4.2.1, 4.2.1.9, 4.4.3 4.5.4
5.5.3 6.2.1, 6.2.1.1 6.4.2 6.5.3.1
7.4.2 7.5.2
Využití tepla obsaženého ve
4.4.3
18 Odkaz se týká verze BREF LCP z července 2006
Kapitola 3
128 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
spalinách u městského vytápění Nízký nadbytečný vzduch
4.4.3 4.4.6
5.4.7 6.4.2 6.4.5
7.4.3 Snížení hmotnostního toku spalin snížením nadbytečného vzduchu (3.1.3)
Snížení teplot odpadních plynů
4.4.3 6.4.2 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
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 129 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
čištění provádět nepřetržitě.
Nízká koncentrace CO ve spalinách
4.4.3 6.4.2
Akumulace tepla
6.4.2 7.4.2
Vypouštění chladící věže
4.4.3 6.4.2
Různé techniky pro chladící systém (viz BREF CV)
4.4.3 6.4.2
Předehřátí palivového plynu odpadním teplem
7.4.2 Snížení teploty spalin (3.1.1) • Předehřátí paliva
výměnou tepla se spalinami (3.1.1). Procesy mohou vyžadovat předehřátí vzduchu, když je třeba vysoká teplota plamene (sklo, cement atd.)
Předehřátí vzduchu pro spalování
7.4.2 Snížení teploty spalin (3.1.1) • Instalace předehřívače
vzduchu 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.)
Rekuperační a regenerační hořáky
3.1.2
Regulace a kontrola hořáku
3.1.4
Volba paliva 3.1.5 Oxy-hoření (oxy-palivo)
3.1.6
Snížení ztrát tepla izolací
3.1.7
Snížení ztrát prostřednictvím dveří pece
3.1.8
Spalování na fluidním loži
4.1.4.2 5.2.3
tabulka 3-2 Přehled spalovacích technik přispívajících ke zlepšení energetické účinnosti v LCP a ENE [236, Fernández-Ramos, 2007]
Kapitola 3
130 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
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).
Teplo v palivu Hf
Spalovací zařízení
Přenos tepla na proces , HP
Citelné teplo v odpadních plynech, H g
Tok tepla zdmi HW
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 131 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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:
f
p
HH=η
nebo v kombinaci s rovnicí:
f
wg
H
HH +−= 1η
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%.
Kapitola 3
132 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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 Dosažené environmentální přínosy Úspory energie. Mezisložkové vlivy 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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 133 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Hybná síla pro zavedení 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 za řízení na p ředehřívání 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.
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.
Odpadní plyn
Kotel
Nosi č energie
Venkovní vzduch
Předehřívač vzduchu
Kapitola 3
134 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Dosažené environmentální přínosy 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. Mezisložkové vlivy 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 . --------------- Hf % CO2 kde: • WL ztráty ze spalin, v % hodnoty hoření (%) • c Siegertův koeficient • Tgas měřená teplota spalin (°C) • Tair teplota dodávaného vzduchu • % CO2 měřená koncentrace CO2 ve spalinách vyjádřená v procentech. 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 0,6459 + 0,0000220 x tgas + 0,00473 x CO2 Těžké palivo 0,5374 + 0,0000181 x tgas + 0,00717 x CO2 Benzín 0,5076 + 0,0000171 x tgas + 0,00774 x CO2 Zemní plyn (LCV) 0,385+ 0,00870 x CO2 Zemní plyn (HCV) 0,390+ 0,00860 x CO2
tabulka 3-3 Výpočet Siegertova koeficientu pro různé druhy paliva [29, Maes, 2005]
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 135 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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:
8.9
102404743.0
−×=RW = 11,1 %
Po zásahu vypadá situace takto:
8.9
302404743.0
−×=RW = 10,2 %
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.
Jednotka Hodnota Úspory energie MWh/rok Několik tisíc Snížení CO2 t/rok Několik stovek Úspory v EUR EUR/rok Desítky tisíc Roční provoz v hodinách
h/rok 8700
tabulka 3-4 Možné úspory spojené s předehříváním vzduchu pro spalování [28, Berger, 2005] Hybná síla pro zavedení Vyšší energetická účinnost procesů. Příklady Široké použití Reference [29, Maes, 2005], [16, CIPEC, 2002]
Kapitola 3
136 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
3.1.2 Rekupera ční a regenera ční ho řáky 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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 137 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Obrázek 3-4: Různé oblasti spalování [17, Åsbland, 2005] Dosažené environmentální přínosy Úspory energie. Mezisložkové vlivy 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.
Kapitola 3
138 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Hybná síla pro zavedení 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 prost řednictvím snížení
přebyte čného 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). Dosažené environmentální přínosy Úspory energie. Mezisložkové vlivy 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. Hybná síla pro zavedení 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]
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 139 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
3.1.4 Regulace a řízení ho řáků 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. Dosažené environmentální přínosy 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. Mezisložkové vlivy Nepředpokládají se. 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. Hybná síla pro zavedení 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. Dosažené environmentální přínosy 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
Kapitola 3
140 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• Získávání tepelné energie z odpadních plynů, odpadních kapalin nebo tuhých odpadů, které se používají jako palivo
• Minimalizaci ostatních vlivů na životní prostředí, např. dopravy. Mezisložkové vlivy 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. Hybná síla pro zavedení • Účinnost spalovacího procesu • Snížení ostatních vypouštěných znečišťujících látek. Příklady • Odpady spalované jako služba v zařízeních na přeměnu odpadů v energii (waste-to-
energy) (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-ho ření (oxypalivo) Popis Místo okolního vzduchu se použije kyslík. Kyslík se buď získává ze vzduchu přímo na místě, nebo se většinou kupuje ve velkém. Dosažené environmentální přínosy Jeho využití má různé přínosy: • 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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 141 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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.
Mezisložkové vlivy 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. Hybná síla pro zavedení 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]
Kapitola 3
142 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Dosažené environmentální přínosy Energetické úspory. Mezisložkové vlivy 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. Hybná síla pro zavedení Udržení teploty procesu. Příklady Opravy izolace se provádějí např. v ocelářském nebo sklářském průmyslu. Reference [91, CEFIC, 2005] 3.1.8 Snížení ztrát prost řednictvím dve ří 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. Dosažené environmentální přínosy Nebyla dodána data. Mezisložkové vlivy
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 143 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Nebyla dodána data. Provozní údaje Ztráty jsou velmi zřejmé při pohledu infračervenou kamerou. Zlepšením designu lze docílit minimalizace ztrát dveřmi a průzory. Použitelnost Nebyla dodána data. Ekonomie Nebyla dodána data. Hybná síla pro zavedení Nebyla dodána data. Příklady Nebyla dodána data. 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 4000 W/m2 °C • olej 1500 W/m2 °C • pára >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
Kapitola 3
144 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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
Papír a celulóza 2318 83 % Chemické látky 1957 57 % Rafinérie ropy 1449 42 %
tabulka 3-5 Využití páry v některých průmyslových odvětvích Dosažené environmentální přínosy Samotná pára je netoxická. Mezisložkové vlivy • 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
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 145 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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)
Kapitola 3
146 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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%. Hybná síla pro zavedení • 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, Fernández- Ramos, 2007]
Distribuce
Rekuperace
Konečná spot řeba
Zásobník na kondenzát
Separátor páry
Ohřívač procesu
Ventil na snížení tlaku
Čerpadlo kondenzátu
Spalovací plyny
Separátor páry
Ohřívač procesu
Předehřívač spalovacího
vzduchu
Ekonomizér
Výroba
Skořepinový nebo trubkový
tepelný vým ěník
Separátor páry
Odvzduš ňovač
Izolační ventil
Spalovací vzduch
Palivo Napájecí čerpadlo
Ventilátor
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 147 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
3.2.2 Přehled opat ření 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 Energeticky účinný design a instalace parního distribučního potrubí
Optimalizace úspor energií 2.3
Škrtící zařízení a využití protitlaké turbíny (použití protitlaké turbíny místo redukčních ventilů
Poskytuje účinnější metodu snižování tlaku páry pro nízkotlaké služby
3.2.3
PROVOZ A ŘÍZENÍ Zlepšení provozních postupů a řízení provozu kotlů
Optimalizace úspor energií 3.2.4
Využití sekvenčního (následného) řízení kotlů (platí pro závody s více než jedním kotlem)
Optimalizace úspor energií 3.2.4
Instalace izolačních tlumičů u spalin (platí pro závody s více než jedním kotlem)
Optimalizace úspor energií 3.2.4
VÝROBA Předehřívání napájecí vody pomocí:
• Odpadního tepla např. z procesu • Ekonomizérů prostřednictvím
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
Získává se dostupné teplo ze spalin a přesouvá se zpět do systému tím, že předehřívá napájecí vodu.
3.2.5 3.1.1
Prevence a odstraňování usazenin vodního kamene na povrchu, kde dochází k přenosu tepla. Čištění povrchů pro přenos tepla v kotli.
Posílení účinného přenosu tepla z plynů ze spalování do páry
3.2.6
Lepší čištění vody, které minimalizuje odluhy kotle. Instalace automatického řízení celkových rozpuštěných látek
Snižuje celkové množství rozpuštěných látek v kotelní vodě, což umožňuje méně odluhů a tím i méně energetických ztrát
3.2.7
Získávání energie z Připojení nebo obnova žáruvzdornosti kotle
Snižuje ztráty tepla z kotle a obnovuje jeho účinnost
2.10.1 2.9
Optimalizace ventilu odvzdušňovacího zařízení Minimalizuje ztráty páry 3.2.8 Minimalizace ztrát z krátkých cyklů kotle Optimalizace energetických
úspor 3.2.9
Provádění údržby kotle 2.6 DISTRIBUCE Optimalizace systému distribuce páry (zejména se týká níže popsané problematiky)
2.6 3.2.10
Izolace páry od nepoužívaných linií Minimalizace ztrát páry a 3.2.10
20 Odkaz na verzi BREFu LCP z roku 2006
Kapitola 3
148 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
snížení ztrát energie z potrubí a povrchů zařízení
Izolace parního potrubí a potrubí pro návrat kondenzátu (Zajištění dobré izolace potrubí, ventilů, armatur a nádob)
Snížení ztrát energie z potrubí a povrchů zařízení
3.2.11
Realizace programu řízení a oprav oddělovačů páry
Snižuje průchod ostré páry do systému kondenzátu a posiluje účinný provoz zařízení pro přenos tepla u koncového uživatele, minimalizuje ztráty páry
3.2.12
ZÍSKÁVANÍ KONDENZÁTU Sběr a návrat kondenzátu do kotle k opětovnému použití (Optimalizace získávání kondenzátu)
Získává se tepelná energie v kondenzátu a snižuje se množství vody přidávané do sytému, uspoří se energie a čištění pomocí chemických látek
3.2.13
Opětovné využití mžikové páry (Využití vysokotlakého kondenzátu k výrobě nízkotlaké páry)
Využití energie dostupné ve vracejícím se kondenzátu
3.2.14
Získávání energie z odluhu kotle Přesouvá energii dostupnou v odluhu zpět do systému a tím snižuje ztráty energie
3.2.15
Techniky v dokumentu BREF LCP červen 2006 podle druhu paliva a kapitoly
Uhlí a lignit
Biomasa a rašelina
Kapalná paliva
Plynná paliva
Expanzní turbína k získání energie stlačených plynů
7.4.1 7.5.1
Výměna lopatek v turbíně 4.4.3 5.4.4 6.4.2 Použití moderních materiálů k dosažení vysokých parametrů páry
4.4.3 6.4.2 7.4.2
Parametry superkritické páry 4.4.3 4.5.5
6.4.2 7.1.4
Dvojité přehřátí 4.4.3 4.5.5
6.4.2 6.5.3.1
7.1.4 7.4.2 7.5.2
Regenerační napájecí voda 4.2.3 4.4.3
5.4.4 6.4.2 7.4.2
Využití tepla spalin k městskému vytápění
4.4.3
Akumulace tepla 6.4.2 7.4.2 Moderní počítačové řízení plynové turbíny a následných kotlů
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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 149 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 za řízení 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. Dosažené environmentální přínosy Snížení ztrát exergie. Mezisložkové vlivy 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
Kapitola 3
150 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Hybná síla pro zavedení 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). Dosažené environmentální přínosy Energetické úspory. Mezisložkové vlivy Nebyla dodána data. Provozní údaje Nebyla dodána data. 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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 151 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Ekonomie Nebyla dodána data. Hybná síla pro zavedení Nebyla dodána data. Příklady Nebyla dodána data. Reference [123, US_DOE, , 134, Amalfi, 2006, 179, Stijns, 2005]
Chapter 3
152 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE_Finální
Obrázek 3-6: Moderní řídící systém s optimalizací využití kotle
Průmě. využití výkonu 50 % Kondenzát Míra vrácení kondenzátu 60 % Míra kondenzace 1607 kg/h
Tepelná izolace NE Úprava vody SOFTENER Teplota v zásobníku 32 °C Rekuperace odkalu NE Napájecí voda TAS 20 °f Typ zásobníku jednoduchý Napájecí voda TH 0 °f Ekonomizér NE Modulace vody NE Prom ěnlivost v ětrání NE O2 korekce NE Příkon ventilátoru 8,8 kW Modulace ho řáku ANO Příkon vodního čerpadla 2,5 kW EKONOMIZÉR
Náklady za elekt řinu 5221 EUR/year Power exchange 0 kw Teplota vs tup. odp. plynu 240 °C
TH 30 °f Teplota výstup. odp. plynu 240 °C Voda TAS 20 °f Dávka Teplota vstup. vody 32 °C Teplota vody 15 °C objem prysky řic 100 Teplota výstup. vody 32 °C
Spot řeba solí 7488 Náklady za s ůl 1872
EKONOMIZÉR odpadního plynu
HCl consumption
0 Výroba páry 21840 t/rok HCl náklady 0 Pracovní tlak 10 bars
Úprava vody Náklady úprav 10858 Odpařování 5 t/ h
Doplňující voda 9734 m3/h Roční náklady 9734 EUR/m3 Provoz 8736 h
ZEMNÍ PLYN Průměrný pr ůtok paliva 207 Nm3/h Míra odluhu 179 kg / h Spot řeba paliva 1808352 Nm3/rok Úroveň odluhu 7 % Náklady na palivo 329247 EUR/rok
Výkon 3250 KW Odluh Účinnost 90,04 %
Odhad náklad ů na tunu páry 16,34
EUR/tunu páry
Zásobník vody ODVZDUŠNĚNÍ
PARNÍ KOTEL
Plyn
litry kg/rok
kg/rok EUR / rok EUR / rok
EUR/rok
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 153 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
3.2.5 Předehřívání napájecí vody (v četně použití ekonomizér ů) 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.
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.
Turbine Kotel
Ostrá pára
Ekonomizér (1)
Odvzdušn ěná napájecí voda
Zásobník napájecí vody (2)
Odvzdušn ěná napájecí voda
Předehřev napájecí vody odpadním teplem
Zásobník kondenzátu (3)
Kondenzátor
Spot řebič tepla
Turbína
Odpadní plyn
Kapitola 3
154 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Dosažené environmentální přínosy 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. Mezisložkové vlivy 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,
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 155 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 Získatelné teplo (kW)
Tepelný výkon kotle (kW) Počáteční teplota plynu v komíně,
tabulka 3-7 Údaje pro zemní plyn, 15 % přebytečný vzduch a konečná teplota komína 250 oF Převzato z [123, US_DOE] Hybná síla pro zavedení 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 odstra ňování nános ů kotelního kamene na povrchu,
kde dochází k p řenosu 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. Dosažené environmentální přínosy Snížení ztrát energie. Tabulka 3.8 ukazuje ztráty při přenosu tepla, když se na povrchu s přestupem tepla tvoří vodní kámen.
Kapitola 3
156 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Tloušťka usazeniny vodního kamene (mm) Rozdíl v přenosu tepla21 (%)
0,1 1,0 0,3 2,9 0,5 4,7 1,0 9,0
tabulka 3-8 Rozdíly v přenosu tepla [29, Maes, 2005] Mezisložkové vlivy 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. Hybná síla pro zavedení 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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 157 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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). Dosažené environmentální přínosy 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.
Kapitola 3
158 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Mezisložkové vlivy 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. Hybná síla pro zavedení • Ekonomické důvody • Spolehlivost zařízení Příklady Široké využití. Reference [29, Maes, 2005], [16, CIPEC, 2002] [123, US_DOE, , 133, AENOR, 2004]
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 159 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
3.2.8 Optimalizace ventilu odvzduš ňovacího za řízení 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. Dosažené environmentální přínosy Snížení zbytečných ztrát energie. Mezisložkové vlivy 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.
Kapitola 3
160 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 Nebyla dodána data. Hybná síla pro zavedení Úspory nákladů. Příklady Široké použití. Reference [123, US_DOE] 3.2.9 Minimalizace ztrát zp ůsobených 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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 161 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Dosažené environmentální přínosy Nebyla dodána data. Mezisložkové vlivy 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. Hybná síla pro zavedení • Úspory nákladů • Lepší výkon systému. Příklady Nebyla dodána data. Reference [29, Maes, 2005, 123, US_DOE] 3.2.10 Optimalizace parních distribu čních systém ů 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. Dosažené environmentální přínosy Úspora energie ze zbytečných ztrát.
Kapitola 3
162 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Mezisložkové vlivy Nebyla dodána data. 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 Hybná síla pro zavedení • úspory nákladů • ochrana zdraví a bezpečnosti. Příklady Široké využití. Reference [123, US_DOE] 3.2.11 Izolace parního potrubí a potrubí pro vracen í 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. Dosažené environmentální přínosy Tabulka 3.10 ukazuje ztráty tepla z neizolovaného parního potrubí při různém tlaku páry.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 163 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Mezisložkové vlivy Zvýšené používání izolačních materiálů. Provozní údaje Nebyla dodána data. 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. Hybná síla pro zavedení 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 izola čních tvarovek nebo ventil ů
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. Dosažené environmentální přínosy Účinnost této techniky záleží na konkrétní aplikaci, ale ztráty tepla v důsledku častého narušení izolace se často podceňují.
Kapitola 3
164 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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)
* 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. Mezisložkové vlivy 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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 165 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Hybná síla pro zavedení • Úspory nákladů • Zdraví a bezpečnost Příklady Široce používaná technika. Reference [29, Maes, 2005], [16, CIPEC, 2002, 123, US_DOE] 3.2.12 Realizace programu ú činné údržby odd ělova če 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). Dosažené environmentální přínosy Tabulka 3.12 ukazuje přibližné ztráty páry způsobené úniky pro několik průměrů.
Přibližné ztráty páry (kg/h) Přibližný tlak páry (bar)
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 Popis Definice OK V pořádku Funguje tak, jak má. BT Profukuje Pára z tohoto oddělovače uniká a dochází k maximálním
ztrátám páry. Je nutné ho vyměnit. LK Uniká Pára z tohoto oddělovače uniká. Je třeba ho opravit nebo
vyměnit.
Kapitola 3
166 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
RC Rychlý cyklus Cyklus tohoto termodynamického oddělovače páry je příliš rychlý. Je třeba ho opravit nebo vyměnit.
PL Ucpaný Oddělovač páry je uzavřený. Nemůže skrze něj proudit žádný kondenzát. Je třeba ho vyměnit.
FL Zaplavený Tento oddělovač páry již není dále schopen si poradit s tokem kondenzátu. Je třeba ho vyměnit za oddělovač o správné velikosti.
OS Mimo provoz Tato větev nefunguje. NT Netestován 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: • L t,y je množství páry, které oddělovač páry t ztratí za období y (tuny) • FTt,y je provozní faktor oddělovače páry t během období y • FSt,y je faktor zatížení oddělovače páry t během období y • CVt,y je koeficient průtoku oddělovače páry t během období y • ht,y je počet hodin provozu oddělovače páry t během období y • Pin,t je vstupní tlak oddělovače páry t (atm) • Pout,t je výstupní tlak oddělovače páry t (atm). Provozní faktor FTt,y vyplývá z Tabulky 3.14.
druh FT BT Profukuje 1 LK Uniká 0.25 RC Rychlý
cyklus 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 0,9 Oddělovač páry s odkapáváním a indikací
1,4
Tok páry (žádný kondenzát) 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).
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 167 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Hybná síla pro zavedení • 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 op ětovnému 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
Kapitola 3
168 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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. Dosažené environmentální přínosy 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. Mezisložkové vlivy Nebyla dodána data. 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). Hybná síla pro zavedení Nebyla dodána data. 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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 169 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Dosažené environmentální přínosy 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
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] Mezisložkové vlivy 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
Kapitola 3
170 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 171 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Hybná síla pro zavedení • Úspory nákladů • Využití nízkotlaké páry. Příklady Nebyla dodána data. Reference [29, Maes, 2005, 123, US_DOE] 3.2.15 Získávání energie z odluh ů 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). Dosažené environmentální přínosy 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 Provozní tlak kotle Míra odluhu
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. Mezisložkové vlivy 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 %
Kapitola 3
172 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Hybná síla pro zavedení 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
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 173 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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)
Kapitola 3
174 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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).
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 175 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Dosažené environmentální přínosy Dochází k energetickým úsporám pomocí toků sekundární energie. Mezisložkové vlivy Nebyla dodána data. 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. Hybná síla pro zavedení • 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 vým ěníků 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.
Kapitola 3
176 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Dosažené environmentální přínosy Lepší tepelná výměna a získávání tepla. Mezisložkové vlivy 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. Hybná síla pro zavedení 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 (v četně 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
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 177 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Expanzní ventil
Motor
Kompresor
OdpařováníZ
droj tepla
Využití tepla
Zkapaln ění
Nízký tlak Vysoký tlak
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
Kapitola 3
178 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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).
Obrázek 3-9: Schéma absorpčního tepleného čerpadla [28, Berger, 2005] kde v obr. 3.9: QC = získaný výstup tepla
Ejektor
Proces teplo/energie
Absorbér Odpařovák
Čerpadlo roztoku
Ventil roztoku
Q
QO Q
QH
Ventil chladící
látky
Proces ochlazování
Kondenzátor
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 179 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
QH = vstup primární energie QO = vstup odpadního tepla QA = 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.
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.
Kondenzátor
Kompresor
Tepelný zdroj (pára)
Kondenzát
Odvod tepla
Kapitola 3
180 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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:
boiler
power plant distribution
ηCOP
η η> 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. Dosažené environmentální přínosy 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. Mezisložkové vlivy 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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 181 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 oC) a vyšší teplotní nárůst. Současné systémy MVR pracují s teplotami zdroje tepla 70 – 80 oC a dodaného tepla 110 – 150 oC 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.
Kapitola 3
182 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Švédská energetická agentura přispěla grantem ve výši téměř 1 milion EUR. V době instalace čítaly úspory asi 1 milion EUR ročně. Hybná síla pro zavedení • 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: • 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.
23 HCFC jsou spolu s CFC látky ničící ozónovou vrstvu. Obě skupiny látek se postupně přestávají používat. Jako náhrada slouží amoniak, CO2, fluorovodíkové plyny apod.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 183 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 P řístup vycházející z
BAT
Poznámka Odkaz v dok.
BREF CV (kap.)
Míra rozptýleného tepla je vysoká (> 60 oC)
Snížit používání vody a chemikálií a zlepšit celkovou energetickou účinnost
Předběžné chlazení suchým vzduchem
Limitujícími faktory jsou energetická účinnost a velikost chladícího systému
1.1/1.3
Míra rozptýleného tepla je střední (25 – 60 oC)
zlepšit celkovou energetickou účinnost
Není zřejmý Specifické pro každý provoz
1.1/1.3
Míra rozptýleného tepla je nízká (< 25 oC)
zlepšit celkovou energetickou účinnost
Chlazení vodou
Volba provozu 1.1/1.3
Nízká a střední míra tepla a kapacita
Optimální celková energetická účinnost s úsporami vody a snížením viditelné vlečky
Mokré a hybridní chladící systémy
Suché chlazení je méně vhodné kvůli potřebnému prostoru a ztrátě celkové energetické účinnosti
1.4
Chlazení nebezpečných látek, včetně environmentálních rizik
Snížení rizika úniků
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.
Kapitola 3
184 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Charakteristi
ky lokality Kritéria P řístup vycházející z
BAT Poznámka Odkaz
v dok. BREF
CV (kap.)
Podnebí Požadovaná projektovaná teplota
Posoudit varianty pro tzv. suchou a mokrou teplotu
V případě vysoké suché teploty má chlazení suchým vzduchem většinou nižší energetickou účinnost
1.4.3
Prostor Omezený povrch v lokalitě
Předem smontované konstrukce střešního typu
Omezení z hlediska velikosti a hmotnosti chladícího systému
1.4.2
Dostupnost povrchové vody
Omezená dostupnost
Recirkulující systémy Proveditelné jsou mokré, suché nebo hybridní systémy
2.3 3.3
Citlivost recipientu na tepelné zatížení
Splnit kapacitu tak, aby se nepřekročilo tepelné zatížení
• Optimalizovat úroveň opětovného využití tepla
• Využití recirkulujících systémů
• Volba lokality (nové chladící systémy)
1.1
Omezená dostupnost podzemní vody
Minimalizace použití podzemních vod
Chlazení vzduchem, pokud není k dispozici žádná vhodná alternativa
Akceptovat cenu za energie
3.3
Pobřežní oblast
Velká kapacita >10 MW th
Chladící systémy s jedním průběhem
Předcházet míchání lokální tepelné vlečky blízko bodu vstupu, např. extrakcí vody hluboko pod hladinou pod zónou mísení s využitím rozvrstvení teplot
1.2.1 3.2 Příl. XI.3
Specifické požadavky dané lokality
V případech povinného omezení vlečky a menší výšky věže
Aplikace hybridního24 chladícího systému
Akceptovat cenu za energie
2
tabulka 3-19 Příklady charakteristik pro r ůzné 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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 185 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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)
0,95
Zařízení s parní turbínou (protitlak) 0,45 Parní kondenzační turbína s extrakcí (protitlak, kondenzační turbíny s neřízenou extrakcí a kondenzační turbíny s extrakcí)
0,45
Plynové turbíny s kotli na získávání tepla 0,55 Motory s interním spalováním (Ottovy nebo Dieselovy motory (recipročně) s využitím tepla
0,75
Mikroturbíny Stirlingovy motory Palivové články (s využitím tepla) Parní motory Organické Rankinovy cykly Ostatní druhy
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.
Kapitola 3
186 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 187 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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
Kapitola 3
188 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 189 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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
Kapitola 3
190 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Dosažené environmentální přínosy 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).
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 191 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.. Mezisložkové vlivy 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
Kapitola 3
192 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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). Hybná síla pro zavedení 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:
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 193 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
- 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.
Kapitola 3
194 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Dosažené environmentální přínosy Hlavní výhoda trigenerace je dosažení stejného výstupu s významně nižším množstvím vstupu paliva než při oddělené výrobě energie a tepla.
MWe = elektrická energie
MWf = energie paliva MWc = energie chladu MWh = tepelná energie
Trigenerace: výroba elektrické energie, výroba tepla a absorpční chlazení
Terminál
Celková účinnost, tepelný mód 77 % Celková účinnost, mód chlazení 65 %
Systém vytápění
Systém chlazení
Vstup paliva 23 MWf 10 MWe
Až 5 MW
7.8 MWh
Dodatečné palivo do pomocného kotle 0 MWf
Dodatečné palivo do kompresorového chladiče 0 MWf
Oddělená výroba elektrické a tepelné energie
Vstup paliva do tepelného módu 23 MWf Mód chlazení 25,3 MW
Celková účinnost, tepelný mód 56 % Celková účinnost, mód chlazení 59 %
Dodatečné palivo 8,76 MWf
Tepelný mód 10 MWe Mód chlazení 11 MWe
Terminál
Kompresorový chladič 5 MWC Kotel 7,8 MWh
Mód chlazení 1 MWe
10 MWe
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 195 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
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. Mezisložkové vlivy Nejsou známy. Provozní údaje Nebyla poskytnuta data. 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
Elektrická energie A - Stroj 1
B - Stroj 2
C - Nákup
A - Stroj 1 B- Stroj 2 D – Kompresorový chladi č E- Chlazení kotl ů
Vytápění a chlazení
Vytápění
leden červen prosinec
leden červen prosinec
Chlazení
A
A
B
B
C
E D
Kapitola 3
196 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 Nebyla poskytnuta data. Hybná síla pro zavedení 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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 197 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Obrázek 3-20: Lokální chlazení v zimě chladící technologií zdarma [93, Tolonen, 2005]
Obrázek 3-21: Lokální chlazení v létě pomocí absorpční technologie [93, Tolonen, 2005] Dosažené environmentální přínosy 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.
CHP
70 °C* 85 °C*
55 °C* 75 °C*
25 °C* 35 °C*
63 °C** 43 °C*
*
Výměník - roztok
Síť vytáp ění
Absorbér
Výpar vody
55 mbar
Voda
18 °C* 19 °C*
28 °C* 27 °
16 °C* 8 °C*
40 °C**
10 °C**
Moře Čerpadl
o
8 mbar
Síť zásobování chladem
* °C – Vztahuje se k teplot ě vody ** °C – Vztahuje se k teplot ě v
Generátor tepla
Kondenz átor
Výparník
Výměník – mo řská voda
Chladící voda do mo ře
10 °C *
Chladící voda z mo ře
Protiproudý chladi č
Síť zásobování chladem
16 °C * 8 °C *
Čerpadlo
4 °C * Moře
Síť centralizovaného zásobování chladem • Výroba chladu závisí na ro čním období. • * °C – Vztahuje se k teplot ě vody.
Kapitola 3
198 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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.
Mezisložkové vlivy 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. Hybná síla pro zavedení Nebyla poskytnuta data. 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
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 199 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
(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 ú činíku 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.
skutečný výkon Účiník =
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).
Obrázek 3-22: Jalový a zdánlivý výkon
skute čný výkon = 100 kW
zdánlivý výkon = 142 kVA
účiník = 100 kVAR
Kapitola 3
200 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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).
Dosažené environmentální přínosy 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
Činná energie TWh
Cos ϕ Jalová energie TVArh
Zdánlivá energie TVAh
Odhadovaný účiník
1 168 0,70 1192 1669
Cílový účiník 1 168 0,95 384 1229
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). Mezisložkové vlivy 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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 201 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Hybná síla pro zavedení
• 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 kmito čty 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. Dosažené environmentální přínosy Úspora energie Mezisložkové vlivy 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
Kapitola 3
202 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Hybná síla pro zavedení
• 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. Dosažené environmentální přínosy Nebyla dodána data. Mezisložkové vlivy Nebyla dodána data. 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. Hybná síla pro zavedení Cena. Příklady Mnoho aplikací.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 203 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Reference [135, EUROELECTRICS] [230, Association, 2007] 3.5.4 Energeticky ú činný management transformátor ů 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 = ----- = ------------ Rovnice 3.8 P1 P1
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).
Kapitola 3
204 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 %.
Dosažené environmentální přínosy Nižší spotřeba druhotných energetických zdrojů. Mezisložkové vlivy 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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 205 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Hybná síla pro zavedení 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 Subsystémy 27 pohán ěné 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).
Kapitola 3
206 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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: • účinnost motoru • správné rozměry • řízení motoru: ovládání stop/start a rychlosti • jakost zdroje energie • systém mechanického převodu • údržbářské zvyklosti
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 207 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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.
Kapitola 3
208 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 hvězda-trojúhelník). 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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 209 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 ú činné 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)
Kapitola 3
210 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 rozm ěry motoru 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.)
28 Financováno Ministerstvem energetiky USA 29 Podporováno Evropskou komisí – DG TREN 30 Zveřejněno Evropskou komisí
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 211 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 prom ěnnými otá čkami (VSD - variable speed drive) 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.) 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.
Kapitola 3
212 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 p řevodu 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.) 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 motor ů 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.) 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 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.) 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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 213 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Obrázek 3-29: Náklady na nový motor v porovnání s převinutím 3.6.7 Dosažené environmentální p řínosy, mezisložkové vlivy,
použitelnost a další otázky spojené s energetickou účinností elektromotor ů
Dosažené environmentální přínosy 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 repairs)
0.5 − 2 %
‚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 Mezisložkové vlivy 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:
Kapitola 3
214 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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):
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) = [ ]HEMrewindedyelectricit
oldHEM
CostCostCost
HkW ηη /1/1 −×××−
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. Hybná síla pro zavedení
Náklady využití elektromotoru rozd ělené během jeho technické životnosti na
96,00
1,50
2,50 Energie
Údržba
Investice
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 215 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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]
Kapitola 3
216 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
3.7 Systémy stla čeného 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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 217 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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)
% zisku (2)
Potenciální příspěvek
(3)
Komentář
Instalace nebo obnova systému Zlepšení pohonů (vysoce účinné motory)
25 % 2 % 0,5 % Nákladově nejúčinnější v malých (<10 kW) systémech
Zlepšení pohonů (řízení rychlosti)
25 % 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.
Modernizace kompresoru
30 % 7 % 2,1 %
Využití sofistikovaných řídících systémů
20 % 12 % 2,4 %
Získávání 20 % 20 % 4,0 % Pozn.: zisk je z hlediska energie, nikoli
Kapitola 3
218 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
odpadního tepla pro využití v jiných aplikacích
spotřeby elektřiny, protože elektřina je konvertována na užitečné teplo
Kvalitnější chlazení, sušení a filtrování
10 % 5 % 0,5 % Toto nezahrnuje častější výměnu filtru (viz níže)
Celkový design systému, včetně multitlakových systémů
50 % 9 % 4,5 %
Snížení ztrát tlaku třením (např. zvětšením průměru potrubí)
50 % 3 % 1,5 %
Optimalizace některých zařízení koncových uživatelů
5 % 40 % 2,0 %
Provoz a údržba systému Snížení úniků vzduchu
80 % 20 % 16,0 % Největší potenciální zisk
Častější výměna filtru
40 % 2 % 0,8 %
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%. Dosažené environmentální přínosy 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. Mezisložkové vlivy 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: • výroba stlačeného vzduchu • skladování stlačeného vzduchu • zpracování stlačeného vzduchu • distribuce stlačeného vzduchu.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 219 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Kromě toho existují i pomocné systémy, jako je získávání tepla nebo zpracování kondenzátu. Běžné složky subsystémů jsou uvedeny v Tabulce 3.24:
Výroba Skladování Zpracování Distribuce Pomocné systémy Kompresor Vzdušník Sušička Potrubí Získávání tepla Řídící jednotka Filtr Ventily Odvod kondenzátu Chlazení
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.
Kapitola 3
220 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 8 tříd • Vlhkost a kapalná voda 10 tříd • Celkový obsah oleje 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:
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 221 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Obrázek 3-33: Různé profily poptávky [168, PNEUROP, 2007]
Profil spot řeby vzduchu č. 1
0
20
40
60
80
100
120
0:15 2:0
0 3:45 5:3
0 7:15 9:0
0 10:45 12:3
0 14:15 16:0
0 17:45 19:3
0 21:15 23:0
0
Neděle Pondělí Úterý Středa Čtvrtek Pátek Sobota
0 20
40
60
80
100
120
140
0:15 2:0
0 3:45 5:3
0 7:15 9:0
0 10:45 12:3
0 14:15 16:0
0 17:45 19:3
0 21:15 23:0
0
Profil spot řeby vzduchu č. 2
Čas Čas
Kap
acita
v l/
s
Kap
acita
v l/
s Neděle Pondělí Úterý Středa Čtvrtek Pátek Sobota
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 223 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Hybná síla pro zavedení 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.
Kapitola 3
224 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Dosažené environmentální přínosy Udržování designu CAS na nejmodernější úrovni snižuje spotřebu elektrické energie. Mezisložkové vlivy Nebyla dodána data. 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
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 225 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 Nebyla dodána data. Reference [168, PNEUROP, 2007, 194, ADEME, 2007] 3.7.2 Pohony s m ěnitelnými otá čkami 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. Dosažené environmentální přínosy Úspory energie.
Kapitola 3
226 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Mezisložkové vlivy 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. Hybná síla pro zavedení 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
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 227 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 ú činné 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). Dosažené environmentální přínosy Úspory energie. Mezisložkové vlivy • Využitý proud je nižší • Generované teplo je nižší. Provozní údaje Nebyla dodána data. 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. Hybná síla pro zavedení Úspory nákladů. Příklady Nebyla dodána data. 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
Kapitola 3
228 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Dosažené environmentální přínosy • Lepší energetická účinnost • Nižší využitý proud a vzniklé teplo. Mezisložkové vlivy 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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 229 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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
Kapitola 3
230 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Hybná síla pro zavedení 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. Dosažené environmentální přínosy Úspory energie.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 231 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Mezisložkové vlivy 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.
Kapitola 3
232 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Nominální energie -
kompresor Získatelné teplo
(přibl. 80 % nomin. energie)
Roční úspory topného oleje při 4000 hod. provozu ročně
Nomin. energie(kW) x0,8xpočet hodin provozu/rokxnákl. na top. olej (EUR/l)
Roční úspory nákl.
= 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) • Spalné teplo topného oleje = 10,57 kWh/l • Faktor účinnosti topného oleje = 75 %. Hybná síla pro zavedení Úspory nákladů. Příklady Nebyla dodána data. Reference [121, Caddet Energy Efficiency, 1999, 168, PNEUROP, 2007] 3.7.6 Snižování únik ů ze systému stla čeného 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 Je možné přímé měření, jestliže je instalován měřič spotřeby stlačeného vzduchu. o 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:
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 233 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Úniky (%) = 100 x doba chodu / doba měření
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.
o 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. Dosažené environmentální přínosy 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. Mezisložkové vlivy 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
Kapitola 3
234 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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. Hybná síla pro zavedení Nebyla dodána data. 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 filtr ů Popis Ztráty tlaku mohou být způsobeny špatně udržovanými filtry, buď kvůli neadekvátnímu čištění, anebo nejsou jednorázové filtry dostatečně často vyměňovány. Dosažené environmentální přínosy
• Úspory energie. • Snížení emisí olejové mlhy a/nebo částic.
Mezisložkové vlivy Zvýšené používání filtrů a jejich přechod do odpadů. Provozní údaje Nebyla dodána data. Použitelnost Všechny CAS. Ekonomie Viz tabulka 3.23.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 235 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Hybná síla pro zavedení Nebyla dodána data. Příklady Nebyla dodána data. Reference 3.7.8 Přívod studeného vzduchu do kompresor ů 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 oC 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. Dosažené environmentální přínosy Nižší spotřeba primárních zdrojů energie. Kompresory většinou pohánějí elektrické motory. Mezisložkové vlivy 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.
Kapitola 3
236 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Popis Hodnota Jednotka Vzorec Poznámka A Současný instalovaný výkon
komprese 135 kW -
B Hodin provozu/rok při plném zatížení 2000 Hodin/rok - C Potřebná energie 270000 kWh A x B D Dosažené snížení teploty
přiváděného vzduchu 5 oC Odhad
E Procento úspor 2,00 % - Z tech. literatury
F Roční úspory elektrické energie 5400 kWh C x E G Náklady na kWh 0,1328 EUR/kWh - Průměrný
údaj H Roční ekonomické úspory 717 EUR/rok F x G I Investice 5000 EUR - Odhad pro
vedení a ventilátor
L IRR před zdaněním 6,7 % - Z analýzy nákladů a výnosů
M Čistá kladná hodnota 536 EUR - Z analýzy nákladů a výnosů
N Návratnost 7,0 Roky - 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 Hybná síla pro zavedení • Jednoduchost instalace • Úspory energie a peněz. 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
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 237 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Dosažené environmentální přínosy
Kapitola 3
238 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
V praxi se ukázalo, že snížení tlaku o 1 bar vede k úsporám energie 6 – 8 %. Snížení tlaku také přináší snížení úniků. Mezisložkové vlivy Nebyla dodána data. Provozní údaje Nebyla dodána data. 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). Hybná síla pro zavedení 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 stla čeného vzduchu v blízkosti nejvíce kolísavého
použití Popis Nádrže na stlačený vzduch lze umístit blízko těch částí CAS, které mají nejvíce kolísavé použití. Dosažené environmentální přínosy 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. Mezisložkové vlivy Nebyla dodána data. Provozní údaje Nebyla dodána data. Použitelnost
• Zvažovat ve všech případech, kde jsou oblasti s vysoce kolísavou poptávkou • Široké využití.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 239 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Ekonomie Snížení kapitálových a provozních nákladů. Hybná síla pro zavedení Nebyla dodána data. Příklady Nebyla dodána data. Reference Nebyla dodána data.
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
Kapitola 3
240 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 systém ů Popis a provozní údaje (Informace o dosažených environmentálních přínosech, mezisložkových vlivech, použitelnosti, 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 Popis a provozní údaje (Informace o dosažených environmentálních přínosech, mezisložkových vlivech, použitelnosti, ekonomii, hybných silách pro zavedení, příkladech a referencích pro energeticky účinné techniky v oblasti čerpacích systémů jsou uvedeny v kap. 3.8.7.) 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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 241 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
vztlaková výška
Průtok
síla
výkonnost
NPSHR
Maximální hospodárnost
Konstruk ční požadavek
Kapitola 3
242 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 Popis a provozní údaje (Informace o dosažených environmentálních přínosech, mezisložkových vlivech, použitelnosti, ekonomii, hybných silách pro zavedení, příkladech a referencích pro energeticky účinné techniky v oblasti čerpacích systémů jsou uvedeny v kap. 3.8.7.) 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.
Obrázek 3-37: Vztlaková výška čerpadla vs. průtoková rychlost
Křivka čerpání
Křivka systému
Požadovaný bod
Průtoková rychlost Q
tepl
o
H
Statická vztlaková výška
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 243 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 Popis a provozní údaje (Informace o dosažených environmentálních přínosech, mezisložkových vlivech, použitelnosti, ekonomii, hybných silách pro zavedení, příkladech a referencích pro energeticky účinné techniky v oblasti čerpacích systémů jsou uvedeny v kap. 3.8.7.) 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 Popis a provozní údaje (Informace o dosažených environmentálních přínosech, mezisložkových vlivech, použitelnosti, ekonomii, hybných silách pro zavedení, příkladech a referencích pro energeticky účinné techniky v oblasti čerpacích systémů jsou uvedeny v kap. 3.8.7.) 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
Kapitola 3
244 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 p řenos 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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 245 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
3.8.7 Dosažené environmentální p řínosy, mezisložkové vlivy,
použitelnost a další otázky spojené s technikami en ergetické účinnosti v čerpacích systémech
Dosažené environmentální přínosy Některé studie ukázaly, že 30 – 50 % energie spotřebované v čerpacích systémech by se dalo ušetřit prostřednictvím změnách v zařízení a řídícím systému. Mezisložkové vlivy 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.
Obrázek 3-39: Běžné náklady za dobu životnosti pro středně velké průmyslové čerpadlo [200, TWG] Hybná síla pro zavedení Energetické a finanční úspory Příklady Optimalizační metody jsou široce používány. Reference [170, EC, 2003, 199, TWG, 200, TWG]
Ostatní náklady
Počáteční náklady
Náklady na energii
Náklady na údržbu
Kapitola 3
246 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
3.9 Systémy vytáp ění, 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. Dosažené environmentální přínosy Nebyla dodána data. Mezisložkové vlivy Nebyla dodána data. 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
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 247 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 Nebyla dodána data. Hybná síla pro zavedení Nebyla dodána data. Příklady Nebyla dodána data. Reference [278, ADEME], [234, PROMOT, , 260, TWG, 2008]
Kapitola 3
248 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.)
Obrázek 3-40: Ventilační systém
Specifická ventilace Zachycuje zne čištění
a horko z jejich zdroj ů
Průběžná ventilace procesu Ventilace integrovaná do procesu umož ňuje odtah
znečištění, chlazení stroj ů a cirkulaci chladného či
horkého vzduchu
Obecná ventilace Ventiluje celý pracovní
prostor a homogenizuje
podmínky vnit řního ovzduší a okolí
Ventilátor Výpus ť
Dopravní systém
Odtah
Vstup
Pr
Odtah obecné ventilace
Úprava vstupního vzduchu
Pracovní pozice
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 249 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
3.9.2.1 Optimalizace designu nového nebo rozší řeného ventila čního 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). Dosažené environmentální přínosy 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. Mezisložkové vlivy Nebyly hlášeny žádné mezisložkové vlivy.
Kapitola 3
250 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 průměr vzduchového potrubí musí být dostatečně velký (10% zvýšení průměru může vést k úsporám spotřebovávané elektřiny až o 72 %)
o kruhové vzduchové potrubí, které poskytuje nižší ztráty tlaku, je lepší než potrubí obdélníkového tvaru se stejným obvodem
o vyvarujte se dlouhých průběhů a překážek (ohyby, užší části, atd.) o prověřte vzduchotěsnost systému – především u spojů o 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 výrobou (množství, typ produktu, zapnutý/vypnutý stroj, atd.) o konkrétní dobou (rok, měsíc, den, atd.) o 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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 251 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Existuje mnoho technik pro řízení proudění vzduchu v souladu s poptávkou, avšak tyto techniky nejsou stejně energeticky efektivní:
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
o 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 tepelná účinnost o ztráta tlaku o 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 recyklační účinnost o ztráta tlaku o 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. Hybná síla pro zavedení • zdravotní a bezpečnostní podmínky na pracovišti • úspora nákladů • kvalita produktů Příklady Široké použití Reference [202, IFTS, 1999] 3.9.2.2 Zlepšení stávajícího ventila čního systému v rámci instalace Popis Je potřebné uvědomit si, že zlepšení účinnosti ventilačního systému vede někdy rovněž ke zlepšení v:
Kapitola 3
252 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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 Dosažené environmentální přínosy Po optimalizaci všech parametrů ventilačního systému lze v průměru dosáhnout až 30% úspory nákladů na energii, která je vynakládána na jeho provoz. Mezisložkové vlivy 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 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
o vyměňte ucpané filtry o opravte netěsnosti vzduchového systému o pokud je vzduch ošetřován, zkontrolujte nastavení a ubezpečte se, že vyhovuje
stávajícím potřebám.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 253 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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. Hybná síla pro zavedení • zdravotní a bezpečnostní podmínky na pracovišti • úspora nákladů • kvalita produktů Příklady Široké použití Reference [202, IFTS, 1999]
Kapitola 3
254 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Dosažené environmentální přínosy Chladiče jsou normálně poháněny elektromotory, někdy mají endotermní pohony, takže dochází k menší spotřebě primárních energetických zdrojů. Mezisložkové vlivy 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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 255 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Hybná síla pro zavedení • Jednoduchost instalace • Úspory energie a peněz. 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 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.
o Plánovat činnosti tak, aby se optimalizovalo využití přírodního světla o Zohlednění obsahu spektra potřebného pro všechny činnosti vyžadující umělé
osvětlení
Kapitola 3
256 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
o Volba takového příslušenství a svítidel, které odrážejí BAT v oblasti uchování energie.
Druhy elektrického osvětlení zahrnují:
• 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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 257 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
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.
Kapitola 3
258 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Dosažené environmentální přínosy Úspora energie. Mezisložkové vlivy 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 Jak vypo čítat úspory Náklady 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.
Technické výpočty, při nichž se využívá promptních nebo krátkodobých měření, počítačových simulací a/nebo historických údajů
Závisí na počtu bodů měření. Představuje přibližně 1– 5 % stavebních nákladů projektu
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.
Technické výpočty, při nichž se využívá naměřených údajů
Závisí na počtu a typu měřených systémů a na lhůtě analýzy/měření. Zpravidla představuje 3 – 10 % stavebních nákladů projektu
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.
Analýza údajů měření užitku (či údajů dílčích měření) s využitím řady postupů od prostého porovnávání až po mnohavariantní (hodinovou nebo měsíční) regresní analýzu
Závisí na počtu a složitosti parametrů v analýze. Zpravidla představuje 1 – 10 % stavebních nákladů projektu
Alternativa D: Úspory jsou stanoveny prostřednictvím simulace jednotlivých součástí zařízení a/nebo celého zařízení
Závisí na počtu a složitosti hodnocených systémů. Zpravidla představuje 3 – 10 % stavebních nákladů
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 259 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
prostřednictvím údajů hodinového či měsíčního vyúčtování a/nebo údajů měření konečného využití
projektu
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. Hybná síla pro zavedení • 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 zahuš ťování 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.
Kapitola 3
260 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 kombin ací 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. Dosažené environmentální přínosy Minimalizace spotřeby energie. Značné množství energie lze ušetřit tam, kde je možné použít dva nebo více separačních stupňů nebo předběžné zpracování (viz příklady). Mezisložkové vlivy Nejsou uváděny
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 261 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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:
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
Kapitola 3
262 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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.
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.
0.0
0.
1
1
10
100
0.1n
1n
10n
0.1µ
1µ
10µ
100µ
1m
10m Velikost separ ovaných
částic
Spo
třeb
a en
ergi
e (
kWh/
m³)
Srovnání spot řeby energie pro procesy separace/koncentrace
Vypařování, destilace (bez pomocných proces ů)
(s pomocnými procesy:
Centrifugální separace
Plynná permeatace
Třídění Prosévání Odkalování
Centrifugální
filtrace
Filtrace
kapalin
Centrifugální
odkalování
Sušení
Electrofiltrace plyn ů
Filtrace plyn ů
Cyklony
Flotace
Pervaporace
Reverzní
osmoza
Nano- filtrace
Ultra- filtrace Mikro
filtrace
vakuum MVC,…)
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 263 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Ekonomie Nebyla dodána data. Hybná síla pro zavedení • 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 1-3 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 %. Dosažené environmentální přínosy Nebyla dodána data. Mezisložkové vlivy Nebyla dodána data. Provozní údaje Nebyla dodána data. Použitelnost Nebyla dodána data. Ekonomie Nebyla dodána data. Hybná síla pro zavedení Nebyla dodána data. Příklady Nebyla dodána data.
Kapitola 3
264 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Reference [202, IFTS, 1999] 3.11.3 Tepelné techniky sušení 3.11.3.1 Výpočet požadavk ů na energii a ú činnosti 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 Rovnice 3.11 Kde: • Qth užitečný výstup v kWh/h • mG, mW proudění sušiny a poměr vody v materiálu v kg/s • ∆T interval ohřívací teploty v K • mD množství odpařené vody na jednotku času v kg/s • cG, cW kapacita měrného tepla sušiny a podíl vody v materiálu v kJ/(kg K) • ∆HV odpařovací teplota vody za příslušné teploty odpařování (asi 2300 kJ/kg při
100 oC). 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) • ∆Tpd rozdíl mezi teplotou čerstvého vzduchu a odpadního vzduchu v Kelvinech. 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
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 265 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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] Dosažené environmentální přínosy Nebyla dodána data. Mezisložkové vlivy Nebyla dodána data. 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 Nebyla dodána data. Ekonomie Nebyla dodána data. Hybná síla pro zavedení Nebyla dodána data. Příklady Nebyla dodána data. Reference [26, Neisecke, 2003, 203, ADEME, 2000]
Kon
vekč
ní
kom
orov
é su
šič
e
Mik
rovl
nné
kom
orov
é su
šič
e
Krá
tkov
lnné
ra
diač
ní
sušič
e
Stř
edněvl
nné
radi
ač
ní s
ušič
e
Dlo
uhov
lnné
ra
diač
ní s
ušič
e
Kon
vekč
ní
kont
inuá
lní
sušič
e
Mě
rná
spotře
ba e
nerg
ie
(kW
h/kg
)
Kon
vekč
ní
kom
orov
é su
šič
e
Kapitola 3
266 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Dosažené environmentální přínosy Přímé zahřívání, zejména u horkého vzduchu zahřívaného přímým spalováním, zabraňuje mnohým ztrátám tepla, ke kterým dochází v nepřímých systémech, kotlích, parním potrubí apod. Mezisložkové vlivy 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 Nebyla dodána data. Hybná síla pro zavedení 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:
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 267 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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.
Dosažené environmentální přínosy Nebyla dodána data. Mezisložkové vlivy 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 Nebyla dodána data. Hybná síla pro zavedení 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
Kapitola 3
268 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
s produktem); například při sušení rozprašováním, v proudových ložích, tryskacích ložích, bubnových sušičkách apod. Dosažené environmentální přínosy 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. Mezisložkové vlivy 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. Hybná síla pro zavedení 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 proces ů 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.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 269 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Dosažené environmentální přínosy Minimalizace použité energie. Mezisložkové vlivy 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. Hybná síla pro zavedení 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 odpa řováním 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). Mezisložkové vlivy 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 Měrné spotřeby 1,2,3 Kg páry / twe (kWh) kWh elektřiny / twe 1 stupeň 1200 (960) 10 2 stupně 650 (520) 5 1 stupeň s termokompresí 450-550 (400) 5 3 stupně 350-450 (320) 5
Kapitola 3
270 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Hybná síla pro zavedení • 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. Dosažené environmentální přínosy Úspory energie. Mezisložkové vlivy Nebyly zjištěny. Provozní údaje Tam, kde mohou být horké povrchy v kontaktu s pracovníky, se doporučuje max. teplota 50 oC.
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 271 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Hybná síla pro zavedení 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. Dosažené environmentální přínosy 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. Mezisložkové vlivy 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.
Kapitola 3
272 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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: • Pro sušení masivních (monolitických) výrobků (dřeva nebo v zemědělství) nebo plochých
výrobků
Kapitola 3
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 273 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• Pro sušení chemických a farmaceutických výrobků (ve vakuu). Ekonomie Investice jsou obecně vyšší (+20 – 30 %) než v případě konvenčních technik. Hybná síla pro zavedení 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 proces ů 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. Dosažené environmentální přínosy Nebyla dodána data. Mezisložkové vlivy Nebyla dodána data. Provozní údaje Nebyla dodána data. Použitelnost Nebyla dodána data. Ekonomie Nebyla dodána data. Hybná síla pro zavedení Nebyla dodána data. Příklady
Kapitola 3
274 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Nebyla dodána data. Reference [207, ADEME, 2000]
Kapitola 4
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 275 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. 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. Předmluva, část 6 „Jak tomuto dokumentu porozumět a jak ho používat“
Kapitola 4
276 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 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. 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. 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. 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: • 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
31 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.
Kapitola 4
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 277 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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.
Kapitola 4
278 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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
Kapitola 4
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 279 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Kapitola 4
280 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Obrázek 4-1: Vztahy mezi BAT v oblasti energetické účinnosti
Jsou otázky managementu energetické účinnosti zahrnuty do
EMS nebo jemu obdobných systémů řízení?
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
4.2.1 ENE na úrovni za řízení
4.2.2 – 4.2.6 ENE na úrovni za řízení
BAT 1(c): Plánování cíl ů a cílový ch stav ů 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
BAT 3: audit ENE BAT 7: systémový přístup
Údaje a techniky z sektorových BREF ů pro související činnosti, nap ř. LCP pro spalování a páru Spalovny odpadů pro spalování odpadů Nakládání s odpady pro úpravu odpadů na paliva
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
Energetické a s využitím energie související BAT
z vertikálních BREF
Kapitola 4
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 281 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
4.2 Nejlepší dostupné techniky pro dosažení energet ické 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 ú činnosti 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) struktuře a odpovědnosti 2) školení, povědomí a kompetentnosti (viz BAT 13) 3) komunikaci 4) zapojení zaměstnanců 5) dokumentaci 6) účinnému řízení procesů (viz BAT 14) 7) programům údržby (viz BAT 15) 8) připravenosti na mimořádné a nouzové situace a reakci na ně 9) 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) monitoringu a měření (viz BAT 16) 2) nápravným a preventivním opatřením 3) vedení záznamů 4) 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
Kapitola 5
282 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
(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 energetické účinnosti. 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 cíl ů a cílových stav ů 4.2.2.1 Kontinuální zlepšování v environmentální ob lasti 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).
Kapitola 4
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 283 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 Zjiš ťování aspekt ů energetické ú činnosti v závod ě 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) 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)
2) zajištění optimální izolace, viz např. kap. 3.1.7, 3.2.11 a 3.11.3.7 3) 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).
Kapitola 5
284 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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) Energetické modely, databáze a bilance (viz kap. 2.15) 2) 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) 3) 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 p řístup 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)
Kapitola 4
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 285 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 cíl ů a ukazatel ů v oblasti energetické ú činnosti 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).
Kapitola 5
286 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 Energeticky ú činný design (EED) 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“.
Kapitola 4
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 287 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 proces ů 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 podn ětů a pobídek pro iniciativy v oblasti
energetické ú činnosti 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.
Kapitola 5
288 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 jednotlivé složkové procesy a systémy.
4.2.7 Účinné řízení proces ů 14. BAT má zajistit zavedení účinného řízení procesů, a to např. pomocí těchto technik:
1) mít zavedené systémy, které zajistí, aby všechny postupy byly známy, chápány a dodržovány (viz kap. 2.1 (d) (vi) a 2.5)
2) zajistit, aby klíčové parametry výkonu byly identifikovány, optimalizovány na energetickou účinnost a monitorovány (viz kap. 2.8 a 2.10)
3) 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:
Kapitola 4
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 289 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Použitelnost: všechny závody. Rozsah (např. míra podrobností) a charakter aplikace této 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 m ěření 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.
Použitelnost: všechny závody. Rozsah (např. míra podrobností) a charakter aplikace této techniky budou záviset na druhu, velikosti a složitosti závodu a na požadavcích na energii pro jednotlivé složkové procesy a systémy.
Kapitola 5
290 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
4.3 Nejlepší dostupné techniky pro dosažení energet ické účinnosti v systémech, procesech, za řízeních 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
Techniky pro sektory a navazující činnosti, u nichž není spalování popsáno ve
vertikálním BREFu Techniky v dok. BREF LCP podle druhu paliva
Podle kapitol v BREF LCP – červenec 2006 Techniky v dok. BREF ENE,
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 291 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
7.1.2 Sušení - palivo 5.1.2,
5.4.2 5.4.4
Zplyňování biomasy
5.4.2 7.1.2
Lisování kůry 5.4.2 5.4.4
Expanzní turbína k získávání energie stlačeného plynu
7.1.1, 7.1.2, 7.4.1 7.5.1
Kogenerace 4.5.5, 6.1.8
5.3.3 5.5.4
4.5.5 6.1.8
7.1.6, 7.5.2
Kogenerace (3.4)
Moderní počítačem řízené podmínky spalování pro snížení emisí a pro výkon kotle
4.2.1, 4.2.1.9, 4.4.3 4.5.4
5.5.3 6.2.1, 6.2.1.1 6.4.2 6.5.3.1
7.4.2 7.5.2
Využití tepla obsaženého ve spalinách u městského vytápění
4.4.3
Nízký nadbytečný vzduch
4.4.3 4.4.6
5.4.7 6.4.2 6.4.5
7.4.3 Snížení hmotnostního toku spalin snížením nadbytečného vzduchu (3.1.3)
Snížení teplot odpadních plynů
4.4.3 6.4.2 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
Kapitola 5
292 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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
4.4.3 6.4.2
Akumulace tepla 6.4.2 7.4.2 Vypouštění chladící věže
4.4.3 6.4.2
Různé techniky pro chladící systém (viz BREF CV)
4.4.3 6.4.2
Předehřátí palivového plynu odpadním teplem
7.4.2 Snížení teploty spalin (3.1.1) • Předehřátí paliva
výměnou tepla se spalinami (3.1.1). Procesy mohou vyžadovat předehřátí vzduchu, když je třeba vysoká teplota plamene (sklo, cement atd.)
Předehřátí vzduchu pro spalování
7.4.2 Snížení teploty spalin (3.1.1) • Instalace předehřívače
vzduchu 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.)
Rekuperační a regenerační hořáky
3.1.2
Regulace a kontrola hořáku
3.1.4
Volba paliva Pozor! Použití jiného než fosilního paliva může být udržitelnější, dokonce i když je energetická účinnost nižší
Oxy-hoření (oxy-palivo)
3.1.6
Snížení ztrát tepla izolací
3.1.7
Snížení ztrát prostřednictvím dveří pece
3.1.8
Spalování na fluidním loži
4.1.4.2 5.2.3
tabulka 4-1 Techniky spalovacího systému určené ke zvyšování energetické účinnosti
Kapitola 4
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 293 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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
Škrtící zařízení a využití protitlaké turbíny (použití protitlaké turbíny místo redukčních ventilů
Poskytuje účinnější metodu 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 pro závody s více než jedním kotlem)
Optimalizace úspor energií 3.2.4
Instalace izolačních tlumičů u spalin (platí pro závody s více než jedním kotlem)
Optimalizace úspor energií 3.2.4
VÝROBA Předehřívání napájecí vody pomocí:
• Odpadního tepla např. z procesu • Ekonomizérů prostřednictvím 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
Získává se dostupné teplo ze spalin a přesouvá se zpět do systému tím, že předehřívá napájecí vodu.
3.2.5 3.1.1
Prevence a odstraňování usazenin vodního kamene na povrchu, kde dochází k přenosu tepla. Čištění povrchů pro přenos tepla v kotli.
Posílení účinného přenosu tepla z plynů ze spalování do páry
3.2.6
Lepší čištění vody, které minimalizuje odluhy kotle. Instalace automatického řízení celkových rozpuštěných látek
Snižuje celkové množství rozpuštěných látek v kotelní vodě, což umožňuje méně odluhů a tím i méně energetických ztrát
3.2.7
Získávání energie z Připojení nebo obnova žáruvzdornosti kotle
Snižuje ztráty tepla z kotle a obnovuje jeho účinnost
3.1.7 2.9
Optimalizace ventilu odvzdušňovacího zařízení Minimalizuje ztráty páry 3.2.8 Minimalizace ztrát z krátkých cyklů kotle Optimalizace energetických
úspor 3.2.9
Kapitola 5
294 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Provádění údržby kotle 2.9 DISTRIBUCE Optimalizace systému distribuce páry (zejména se týká níže popsané problematiky)
2.9 3.2.10
Izolace páry od nepoužívaných linií Minimalizace ztrát páry a snížení ztrát energie z potrubí a povrchů zařízení
3.2.10
Izolace parního potrubí a potrubí pro návrat kondenzátu (Zajištění dobré izolace potrubí, ventilů, armatur a nádob)
Snížení ztrát energie z potrubí a povrchů zařízení
3.2.11 3.2.11.1
Realizace programu řízení a oprav oddělovačů páry Snižuje průchod ostré páry do systému kondenzátu a posiluje účinný provoz zařízení pro přenos tepla u koncového uživatele, minimalizuje ztráty páry
3.2.12
ZÍSKÁVANÍ KONDENZÁTU Sběr a návrat kondenzátu do kotle k opětovnému použití (Optimalizace získávání kondenzátu)
Získává se tepelná energie v kondenzátu a snižuje se množství vody přidávané do sytému, uspoří se energie a čištění pomocí chemických látek
3.2.13
Opětovné využití mžikové páry (Využití vysokotlakého kondenzátu k výrobě nízkotlaké páry)
Využití energie dostupné ve vracejícím se kondenzátu
3.2.14
Získávání energie z odluhu kotle Přesouvá energii dostupnou v odluhu zpět do systému a tím snižuje ztráty energie
3.2.15
Techniky v dokumentu BREF LCP červen 2006 podle druhu paliva a kapitoly
Uhlí a lignit
Biomasa a rašelina Kapalná paliva Plynná paliva
Expanzní turbína k získání energie stlačených plynů
7.4.1 7.5.1
Výměna lopatek v turbíně 4.4.3 5.4.4 6.4.2 Použití moderních materiálů k dosažení vysokých parametrů páry
4.4.3 6.4.2 7.4.2
Parametry superkritické páry 4.4.3 4.5.5
6.4.2 7.1.4
Dvojité přehřátí 4.4.3 4.5.5
6.4.2 6.5.3.1
7.1.4 7.4.2 7.5.2
Regenerační napájecí voda 4.2.3 4.4.3
5.4.4 6.4.2 7.4.2
Využití tepla spalin k městskému vytápění
4.4.3
Akumulace tepla 6.4.2 7.4.2 Moderní počítačové řízení plynové turbíny a následných kotlů
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: • Výměníky tepla • Tepelná čerpadla.
Kapitola 4
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 295 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Kapitola 5
296 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 Použitelnost Instalace kondenzátorů v okruzích střídavého proudu ke zvýšení velikosti jalového výkonu.
Všechny případy. Nízké náklady dlouhé trvání, ale vyžaduje zkušenou aplikaci.
Minimalizace prostojů nebo málo zatížených motorů
Všechny případy.
Prevence provozování zařízení nad úrovní jeho jmenovitého napětí
Všechny případy.
Při výměně motorů použít energeticky účinné motory (viz kap. 3.6)
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 Kapitola v tomto
dokumentu Zajištění správné velikosti kabelů podle poptávky po elektřině
Když se zařízení nepoužívá, např. při odstávce nebo při přemísťování
3.5.3
Udržovat online transformátor(y) v provozu při zatížení nad 40 – 50 % jmenovitého výkonu
• 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%
3.5.4
Použití vysoce účinných transformátorů s nízkými ztrátami
V době výměny nebo tam, kde je přínos v podobě úspory nákladů za celou dobu životnosti
3.5.4
Umístit zařízení s velkými požadavky na proud co nejblíže zdroji (např. transformátor)
Při umísťování nebo přemísťování. 3.5.4
tabulka 4-4 Techniky zvyšování účinnosti v zásobování elektřinou
4.3.6 Subsystémy pohán ěné elektromotory 33
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).
Kapitola 4
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 297 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 Kapitola v tomto dokumentu 1
INSTALACE SYSTÉMU NEBO MODERNIZACE Použití energeticky účinných motorů Úspora nákladů za celou dobu životnosti 3.6.1 Správné dimenzování motoru Úspora nákladů za celou dobu životnosti 3.6.2 Instalace pohonu s proměnlivou rychlostí
Použití pohonů s proměnlivou rychlostí může být 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.
3.6.3
Instalace vysoce účinného přenosu/redukce
Úspora nákladů za celou dobu životnosti 3.6.4
Použití: • přímých spojů • synchronních řemenů nebo
ozubené klínové řemeny namísto běžných
• kol s šikmým ozubením namísto šnekových
Všechny případy 3.6.4
Opravy energeticky účinných motorů nebo nahrazení tímto motorem
V době opravy 3.6.5
Převinutí: vyhnout se převinutí a nahradit energeticky účinným motorem nebo takový motor opravit anebo k převinutí využít certifikovanou firmu
V době opravy 3.6.6
Řízení kvality elektrické energie Úspora nákladů za celou dobu životnosti 3.5 PROVOZ A ÚDRŽBA SYSTÉMU Mazání, nastavování, vylaďování Všechny případy 2.9 (1) mezisložkové vlivy, použitelnost a ekonomie jsou popsány v kap. 3.6.7
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:
Kapitola 5
298 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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 stla čeného 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 Kapitola v tomto dokumentu
DESIGN, INSTALCE NEBO MODERNIZACE SYSTÉMU Celkový design systému, včetně vícetlakových systémů
Nový systém nebo podstatná modernizace 3.7.1
Modernizace kompresoru Nový systém nebo podstatná modernizace 3.7.1 Kvalitnější chlazení, sušení a filtrování
Toto nezahrnuje častější výměnu filtru (viz níže)
3.7.1
Snížení ztrát tlaku třením (např. zvětšením průměru potrubí)
Nový systém nebo podstatná modernizace 3.7.1
Zlepšení pohonů (vysoce účinné motory)
Nákladově nejúčinnější u malých systémů (méně než 10 kW)
3.6.4, 3.7.2, 3.7.3
Zlepšení pohonů (řízení rychlosti)
Použitelné na systémy s proměnlivou zátěží. U provozů s více stroji by se měl pouze jeden stroj vybavit pohonem s proměnlivou rychlostí.
3.7.2
Využití moderních systémů řízení
3.7.4
Získávání odpadního tepla k využití v jiných funkcích
Pozn.: zisk je z hlediska energie, nikoli spotřeby elektřiny, protože elektřina je konvertována na užitečné teplo
3.7.5
Skladování stlačeného vzduchu blízko vysoce kolísavého použití
Všechny případy 3.7.10
Využití externího chladícího vzduchu
Tam, kde je přístup 3.7.8
PROVOZ A ÚDRŽBA SYSTÉMU Optimalizace pracovního tlaku Všechny případy 3.7.9 Optimalizace určitých zařízení koncových uživatelů
Všechny případy 3.7.1
Snížení úniků vzduchu Všechny případy. Největší potenciální přínos. 3.7.6 Častější výměna filtru Revidovat ve všech případech 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).
Kapitola 4
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 299 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 Použitelnost Kap. v tomto
dokumentu
Doplňující informace
DESIGN Při volbě čerpadla se vyhnout předimenzování a nahradit předimenzovaná čerpadla
Pro nová čerpadla: všechny případy Pro stávající čerpadla: úspora nákladů za celou dobu životnosti
3.8.1 3.8.2
Největší zdroj plýtvání energií na čerpání
Harmonizovat správnou volbu čerpadla a správný motor pro daný výkon
Pro nová čerpadla: všechny případy Pro stávající čerpadla: úspora nákladů za celou dobu životnosti
3.8.2 3.8.6
Design potrubního systému (viz distribuční systém níže)
3.8.3
ŘÍZENÍ A ÚDRŽBA Systém řízení a regulace Všechny případy 3.8.5 Odstavení zbytečných čerpadel
Všechny případy 3.8.5
Použití pohonů s proměnlivou rychlostí
úspora nákladů za celou dobu životnosti. Nelze aplikovat u konstantních toků
3.8.5 Viz BAT 24, v kap. 4.3.6
Použití násobných čerpadel Pokud je čerpaný tok menší než polovina maximální jednotlivé kapacity
3.8.5
Pravidelná údržba. Pokud se neplánovaná údržba stane nadměrnou, zkontrolovat:
• Kavitaci • Opotřebení • Špatný typ čerpadla
Všechny případy. Oprava nebo nahrazení.
3.8.4
DISTRIBUČNÍ SYSTÉM Minimalizovat počet ventilů a ohybů, aby odpovídal plynulému provozu a údržbě
Všechny případy při designu a instalaci (včetně změn)
3.8.3
Předcházet přílišnému počtu ohybů (obzvláště napjatých ohybů)
Všechny případy při designu a instalaci (včetně změn)
3.8.3
Zajistit, aby průměr potrubí nebyl příliš malý (správný průměr potrubí)
Všechny případy při designu a instalaci (včetně změn)
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 (by-passů) 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 vytáp ění, 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)
Kapitola 5
300 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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.
Opatření na úspory energie Použitelnost Kapitola v tomto dokumentu
DESIGN A ŘÍZENÍ Celkový design systému. Identifikovat a separátně vybavit oblasti pro: • Celkovou ventilaci • Specifickou ventilaci • Ventilaci procesu
Nový systém nebo podstatná modernizace. U modernizace vzít v úvahu úspory za celou dobu životnosti
3.9.1 3.9.2.1
Optimalizovat počet, tvar a velikost vstupů
Nový systém nebo modernizace 3.9.2.1
Použití ventilátorů: • S vysokou účinností • Projektovaných pro provoz
v optimálním režimu
Nákladově účinné ve všech případech 3.9.2.1 3.9.2.2
Management průtoku vzduchu, včetně ventilace s duálním prouděním
Nový systém nebo podstatná modernizace 3.9.2.1
Design systému vzduchu: • Vedení (potrubí) má dostatečnou
velikost • Cirkulace • Eliminují se dlouhá vedení a
překážky typu ohybů a úzkých úseků
Nový systém nebo podstatná modernizace 3.9.2.1
Optimalizace elektromotorů, včetně úvah o instalaci pohonu s proměnlivou rychlostí
Všechny případy. Nákladově účinná modernizace
3.9.2.1 3.9.2.2 viz též kap. 3.6, 3.6.3 a 3.6.7 a BAT 24
Kapitola 4
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 301 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Opatření na úspory energie Použitelnost Kapitola v tomto dokumentu
Použití automatických systémů řízení Integrace s centralizovanými systémy technického managementu
Nový systém nebo podstatná modernizace. Nákladová účinnost a snadná modernizace ve všech případech
3.9.2.1 3.9.2.2
Integrace vzduchových filtrů do systému proudění vzduchu a získávání tepla ze spalin (výměníky tepla)
Nový systém nebo podstatná modernizace. U modernizace vzít v úvahu úspory za celou dobu životnosti. Je také třeba uvažovat o tepelné účinnosti, ztrátě tlaku a potřebě pravidelného čištění
3.9.2.1 3.9.2.2
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
Zvážit ve všech případech a realizovat podle nákladové účinnosti
3.9.1
Zlepšit účinnost chladících systémů pomocí bezplatného chlazení
Lze aplikovat ve specifických případech 3.9.3
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
Zvážit ve všech případech a realizovat podle nákladové účinnosti
3.9.1
ÚDRŽBA Zastavit nebo omezit ventilaci, kde je to možné
Všechny případy 3.9.2.2
Zajistit vzduchotěsnost systému, zkontrolovat spoje
Všechny případy 3.9.2.2
Zkontrolovat vyrovnanost systému Všechny případy 3.9.2.2 Optimalizovat průtok vzduchu Všechny případy 3.9.2.2 Optimalizace filtrace vzduchu: • Účinnost recyklace • Ztráty tlaku • Pravidelné čištění/výměna filtrů • Pravidelné čištění systému
Všechny případy 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):
Kapitola 5
302 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Technika Použitelnost ANALÝZA POŽADAVK Ů NA OSVĚTLENÍ A DESIGN Zjistit požadavky na osvětlení, jak z hlediska intenzity, tak i spektra požadovaného pro zamýšlený úkol
Všechny případy
Plánovat prostory a činnosti tak, aby se optimalizovalo využití přirozeného světla
Tam, kde toho lze dosáhnout v normálním provozu 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 požadavků pro zamýšlené využití
Nákladově účinné po celou dobu životnosti
PROVOZ, ŘÍZENÍ A ÚDRŽBA Využití systémů managementu osvětlení, včetně senzorů přítomnosti osob, časových spínačů apod.
Všechny případy
Proškolit zaměstnance o nejúčinnějším využívání osvětlovacích zařízení
Všechny případy
tabulka 4-9 Osvětlení – techniky zvyšování energetické účinnosti
4.3.11 Sušení, separa ční procesy a zahuš ťování 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 Použitelnost Doplňující informace Kapitola
v tomto dokumentu
DESIGN Volba optimální separační technologie nebo kombinace (níže uvedených) technik splňujících požadavky procesu
Všechny případy 3.11.1
PROVOZ Využití přebytečného tepla z jiných procesů
Závisí na dostupnosti přebytečného tepla v zařízení (nebo od třetí strany)
Sušení je dobrý způsob využití přebytečného tepla
3.11.1
Využití kombinace technik Zvažovat ve všech případech
Může znamenat přínosy ve výrobě, např. lepší kvalitu produktů, vyšší výkon
3.11.1
Mechanické procesy, např. filtrace, membránová filtrace
Závisí na procesu. Pro dosažení vysoké suchosti při nejnižší spotřebě energie je dobré zvažovat kombinaci s jinými technikami.
Spotřeba energie může být o několik řádů nižší, ale nedosáhne se vysoké suchosti
3.11.2
Kapitola 4
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 303 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Technika Použitelnost Doplňující informace Kapitola v tomto
Široké použití, ale účinnost lze zlepšit zvážením dalších možností z této tabulky
Variantou s nejnižší energetickou účinností mohou být konvekční (přímé) tepelné sušičky
3.11.3 3.11.3.1 3.11.3.2 3.11.3.3 3.11.3.6
Přímé sušení Viz tepelné a sálavé techniky a přehřátá pára
Variantou s nejnižší energetickou účinností mohou být konvekční (přímé) tepelné sušičky
3.11.3.2
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
Z tohoto procesu lze získávat teplo
3.11.3.4
Získávání tepla (včetně MVR a tepelných čerpadel)
Zvažovat u téměř všech kontinuálních konvekčních sušiček s horkým vzduchem
3.11.1 3.11.3.5 3.11.3.6
Optimalizace izolace systému sušení
Zvažovat u všech systémů. Lze modernizovat.
3.11.3.7
Sálavé procesy, např. • IČ záření (IR) • Vysokofrekvenční
záření (HF) • Mikrovlnné
záření (MW)
Lze snadno modernizovat Kompaktní Snižuje potřebu odtahu vzduchu IČ omezeno rozměry substrátu Vysoké náklady, je třeba posoudit nákladovou účinnost po celou dobu životnosti
Účinnější vyhřívání Může zvýšit produkci ve spojení s konvekcí nebo vedením
3.11.4
ŘÍZENÍ Automatizace procesů tepelného sušení
Všechny případy Lze dosáhnout úspor 5 – 10 % ve srovnání s použitím tradičního empirického řízení
3.11.5
tabulka 4-10 Systémy sušení, zahušťování a separace: opatření na zvyšování energetické účinnosti
Kapitola 5
304 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
5 VZNIKAJÍCÍ TECHNIKY ENERGETICKÉ Ú ČINNOSTI
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).
Kapitola 5
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 305 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Dosažené environmentální přínosy 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.
Kapitola 5
306 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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: • Úsporám energie 9 – 40% • Snížení emisí oxidů dusíku o 6 – 80 %.
Kapitola 5
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 307 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Mezisložkové vlivy Nebyla dodána data. 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.
Kapitola 5
308 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Hybná síla pro zavedení 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 stla čeného 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. Dosažené environmentální přínosy 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. Mezisložkové vlivy 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.
Kapitola 5
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 309 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Ekonomie Tři možné scénáře ekonomicky životaschopné realizace jsou:
• Centrální zařízení (300 MW, nejlepší komerční perspektiva) • Decentralizované zařízení (50 MW) • Vzdálený ostrov (30 MW).
Hybná síla pro zavedení 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]
Kapitola 6
310 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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
Kapitola 6
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 311 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 Mezery a p řekrývání ve znalostech a doporu čeních pro budoucí sb ěr informací a výzkum
6.4.1 Mezery a p řekrývání 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
Kapitola 6
312 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. • 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.
Kapitola 6
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 313 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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
Kapitola 6
314 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Reference
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 315 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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
Reference
316 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Practice Guide 112. Best Practice Programme. SAVE".
56 Best practice programme (1996). "Monitoring and targeting in small and medium-sized
PT/EIPPCB/ENE_Finální návrh verze z března 2008 323 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
GLOSÁŘ
Pojem Anglický ekvivalent
Význam
Symboly
µm micrometre mikrometr (1 µm = 10-6 m) ~ around; more or
less přibližně, více či méně
°C degree Celsius stupeň Celsia 0 ambient conditions okolní podmínky ∆T temperature
difference (increase)
změna teploty (nárůst)
ε exergetic efficiency
exergetická účinnost
σ entropy production J/K
produkce entropie J/K
A
AC alternating current střídavý proud AEA Austrian Energy
Agency Rakouská energetická agentura
aka also known as známé též jako API American
Petroleum Institute Americký ropný institut
ASTM American Society for Testing and Materials
Americká společnost pro testování a materiály
atm atmosphere atomsféra (1 atm = 101325 N/m2) av average průměr/průměrně
B
bar bar bar (1,013 bar = 1 atm) bara bar absolute absolutní bar barg 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
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.
BAT best available techniques
nejlepší dostupné techniky
BOOS burner out of service
hořák mimo provoz
Bq Becquerel Becquerel (s-1) – aktivita radionuklidu BREF BAT reference
document referenční dokument o BAT
Glosář
324 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Pojem Anglický ekvivalent
Význam
BTEX benzene, toluene, ethyl benzene, xylene
benzen, toluen, etyl benzen, xylen
C
C velocity rychlost m/s C specific heat of an
incompressible substance
měrné tepelo nestlačitelné látky J/(kgK)
C4 stream a mixture of molecules all having four carbon atoms. Usually • butadiene (C4H6) • butene-1, butene-2 and isobutylene (C4H8) • N-butanes and isobutene (C4H10)
směs molekul, z nichž všechny mají čtyři atomy uhlíku, obvykle • butadien (C4H6) • buten-1, buten-2 a isobutylen (C4H8) • N-butany a isobuten (C4H10)
CC combined cycle kombinovaný cyklus CCGT combined cycle
gas turbine kombinovaný cyklus plynové turbíny
CCP coal combustion products
produkty spalování uhlí
CEM continuous emission monitoring
kontinuální monitoring/měření emisí
CEMS continuous emission monitoring system
systém kontinuálního monitoring/měření emisí
CEN European Committee for Standardisation
Evropský výbor pro standardizaci
CENELEC European Committee for Electrotechnical Standardisation
Evropský výbor pro elektrotechnikou standardizaci
CFB circulating fluidised bed
cirkulační fluidní lože
CFBC circulating fluidised bed combustion
spalování v cirkulačním fluidním loži
Glosář
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 325 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Pojem Anglický ekvivalent
Význam
CFC 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
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
CHP combined heat and power (cogeneration)
kombinovaná výroba tepla a elektrické energie (kogenerace)
CIP clean-in-place system
čištění zařízení bez jeho demontáže, obvykle prováděné rozprašovačem [www.cleaningvalidation.com/Glossary.htm]
cm centimetre centimetr CHSK - 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
chemická spotřeba kyslíku, množství dichromanu draselného, vyjádřeného jako množství kyslíku, potřebného k chemické oxidaci látek obsažených v odpadní vodě (při zhruba 150 °C)
COP coefficient of performance
koeficient výkonnosti/účinnosti
COPHP coefficient of performance of heat pump cycle
koeficient výkonnosti oběhu tepelného čerpadla
COPR coefficient of performance of refrigeration cycle
koeficient výkonnosti oběhu chlazení
cp specific heat at constant pressure
měrná teplo za konstantního tlaku J/(kgK)
Glosář
326 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Pojem Anglický ekvivalent
Význam
neustálé zlepšování
– continual improvement - it is a process of improving year by year the results of energy management, increasing efficiency and avoiding unnecessary consumptions
proces zlepšování výsledků energetického managementu rok po roku, zvyšování účinnosti a zabránění nadbytečných spotřeb
mezisložkové vlivy
- 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)
výpočet environmentálních dopadů z emisí do vody/ovzduší/půdy, spotřeby energie, spotřeby surovin, z hluku a čerpání vody (tj. vše požadované Směrnicí IPPC)
cv specific heat at constant volume
měrné teplo za konstantního objemu J/(kgK)
cv control volume 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]
D
d day den DC direct current stejnosměrný proud DCS distributed control
system distribuovaný řídící systém
DDCC direct digital combustion control
přímé digitální řízení spalování
CZT - DH - district heating
centralizované zásobování teplem
DK Denmark Dánské království (Dánsko)
E
e exergy per unit mass
exergie na jednotku hmoty J/kg
Glosář
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 327 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Pojem Anglický ekvivalent
Význam
EA energy audit energetický audit EAM energy audit model model energetického auditu EDTA ethylenediamine
EFF 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
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
EGR exhaust gas recirculation
recirkulace odpadního plynu/spalin
EIF energy intensity factor
faktor/ukazatel energetické intenzity
EII energy intensity index
index energetické intenzity
EIPPCB European IPPC Bureau
Evropský úřad IPPC
ELV emission limit value
mezní hodnota emisí [hodnota emisního limitu]
EMAS European Community Eco-Management and Audit Scheme
Systém Evropského společenství pro řízení podniků a auditu z hlediska ochrany životního prostředí (EMAS) [znění podle Nařízení ES č. 761/2001]
Glosář
328 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Pojem Anglický ekvivalent
Význam
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
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]
mezní hodnoty emisí
the mass, expressed in terms of certain specific parameters, concentration and/or level of an emission, which may not be exceeded during one or more periods of time
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]
EMS environment management system or energy management system
systém environmentálního managementu nebo systém energetického managementu
energetický audit
- energy audit - the process of identification of the energy consumptions, the conservation potentials and appropriate efficiency practices
proces, při němž jsou identifikovány spotřeby energie, potenciály k úsporám a vhodné postupy zvýšení účinnosti
systém energetického managementu
- energy management – the part of overall management system, which is dedicated to the continual energy performance improvement
součást obecného systému managementu, která je zaměřena na neustálé zlepšování energetické výkonnosti
Glosář
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 329 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Pojem Anglický ekvivalent
Význam
energetická výkonnost
- energy performance - the amount of energy consumed in relation with obtained results. The lower the specific energy consumption, the higher the energy performance
množství spotřebované energie vztažené k obdrženým výstupům. Čím nižší je měrná (specifická) spotřeba energie, tím vyšší je energetická výkonnost
EO energy output výstup energie EOP end-of-pipe koncová technologie omezování znečišťování EPER European pollutant
emission register Evropský registr emisí znečišťujících látek
ESCO energy service company
podnik energetických služeb
ET total energy celková energie J EU-15 15 Member States
of the European Union
15 členských států Evropské unie
EU-25 25 Member States of the European Union
25 členských států Evropské unie
F
f saturated liquid nasycená kapalina FBC fludised bed
combustion spalování ve fluidním loži
FBCB fludised bed combustion boiler
kotel/topeniště pro spalování ve fluidním loži
fg difference in property for saturated vapour and saturated liquid
rozdíl ve vlastnostech nasycených par a nasycené kapaliny
FI Finland Finská republika (Finsko)
G
g acceleration of gravity
gravitační zrychlení m/s2
g gram g saturated gas nasycený plyn G giga 109 GJ gigajoule
Glosář
330 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Pojem Anglický ekvivalent
Význam
zelený certifikát
- 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
tržně konformní nástroj zvyšování využití obnovitelných zdrojů energie. Zelený certifikát představuje environmentální hodnotu výroby obnovitelné energie. Certifikáty lze obchodovat odděleně od vyrobené energie.
GT gas turbine plynová turbína GTCC gas turbine
combined cycle
GW gigawatt GWh gigawatthodina GWhe gigawatthodina elektrické energie GWP global warming
potential potenciál globálního oteplování
H
H enthalpy entalpie J h specific enthalpy měrná entalpie J/kg h hodina harmonická složka
- harmonics - a sine-shaped component of a periodic wave or quantity having a frequency that is an integral multiple of a fundamental frequency. It is a disturbance in clean power
sinusová složka periodické vlny nebo množství, která má frekvenci, jež je celočíselným násobkem základní frekvence. Harmonická složky je rušením [clean power]
TTO - HFO – heavy fuel oil
těžký topný olej
HiTAC High Temperature Air Combustion Technology
Vysokoteplotní spalovací technologie
HMI human machine interface
rozhraní člověk – stroj
HP high pressure vysoký tlak HPS high pressure
steam vysokotlaká pára
HRSG heat recovery steam generator
parní generátor s rekuperací tepla
I
Glosář
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 331 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Pojem Anglický ekvivalent
Význam
IE Ireland Irsko EIA International
Energy Agency Mezinárodní energetická agentura
IEF Information Exchange Forum
Forum výměny informací (neformální konzultační/poradní orgán pro provádění Směrnice IPPC)
IGCC integrated gasification combined cycle
kombinovaný cyklus s integrovaným zplyňováním
installation 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
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]
IPPC integrated pollution prevention and control
integrovaná prevence a omezování znečišťování
IRR internal rate of return
vnitřní výnosové procento/vnitřní míra výnosu
OSI International Standardisation Organisation
Mezinárodní organizace pro standardizaci
ISO 14001 ISO Environmental Management Standard
Standard ISO pro environmentální management
J
J joule JRC Joint Research
Centre Společné výzkumné středisko
K
K kelvin (0 °C = 273,15 K) kcal kilokalorie (1 kcal = 4,19 kJ) kg kilogram kJ kilojoule (1 kJ = 0,24 kcal) KN kinetic energy kinetická energie J kPa kiloPascal
Glosář
332 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
LPS low pressure steam nízkotlaká pára LVOC large volume
organic chemicals (BREF)
BREF pro velkoobjemovou chemii
M
m hmotnost m metr M mega 106 m/min metry za minutu m2 metr čtvereční m3 metr krychlový MBPC model-based
predictive control řízení na bázi modelových předpovědí
mg miligram (1 mg = 10-3 g) MIMO multi-input, multi-
ouput vícenásobné vstupy a výstupy
MJ megajoule (1 MJ = 1000 kJ = 106 joule) mm milimetr (1 mm = 10-3 m)
Glosář
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 333 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Pojem Anglický ekvivalent
Význam
monitoring 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
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
MP medium pressure střední tlak MPS medium pressure
steam střednětlaká pára
Mt megatuna (1Mt = 106 t) MWe [(energy)] megawatt elektrického výkonu MWth [(energy)] megawatt tepelného výkonu
N
N nozzle vstřikovací tryska n.a. not applicable OR
not available nelze uplatnit NEBO není dostupné
n.d. no data neexistence dat/údajů ng nanogram (1 ng = 10-9 g) Nm3 normální metr krychlový (101325 kPa, 273,15 K) NMHC non-methan
hydrocarbons nemetanové uhlovodíky
NMVOC non-methan volatile organic compounds
nemetanové prchavé organické sloučeniny
η thermal efficiency tepelná účinnost
O
OECD Organisation for Economic Co-operation and Development
Organizace pro hospodářskou spolupráci a rozvoj
OFA overfire air spalovací vzduch [??přebytek vzduchu (při spalování)]
Glosář
334 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Pojem Anglický ekvivalent
Význam
provozovatel - 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
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]
°R degree rankine 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]
Ottův cyklus - Otto cycle- four stroke engine
čtyřdobý motor
P
P peta 1015 P, p pressure tlak Pa pascal PCB polychlorované benzeny PCDD polychlorované dibenzo-dioxiny PCDF polychlorované dibenzo-furany PDCA plan-do-check-act
cycle cyklus plánování, realizace, kontroly a nápravného jednání [Demingovo schéma plánování, zavádění a provozu, měření a vyhodnocování, přezkoumání a zlepšování]
PFBC pressurised fluidised bed combustion
tlakové spalování ve fluidním loži
PI process-integrated integrované do procesu PID proportional
integral derivative control
řízení odvozené podle poměrů k celku
PLC programmable logic controls
logické programovatelné řízení
znečišťující látka
- pollutant - individual substance or group of substances which can harm or affect the environment
jakýkoliv chemický prvek a jeho sloučeniny, které mohou poškodit nebo ovlivnit životní prostředí
ppb parts per billion částí v bilionu ppm parts per million
(by weight) částí v milionu (v hmotnostním vyjádření)
Glosář
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 335 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Pojem Anglický ekvivalent
Význam
ppmvd parts per million by volume for volume for dry gases
částí v milionu v objemovém vyjádření suchých plynů
PT potential energy potenciální energie
Q
Q teplo J Q˙ heat rate tepelný výkon [spotřeba tepla]
R
R gas constant plynová konstanta J/(gK) R&D research and
development výzkum a vývoj
Ru universal gas constant
univerzální plynová konstanta J/(molK)
S
S entropy entropie J/K s specific entropy měrná entropie J/(kgK) s sekunda SAVE program
EC energy efficiency programme
program Evropských společenství pro energetickou účinnost
SCADA supervisory control and data acquisition
dohledová kontrola a sběr dat/údajů
SE Sweden Švédské království (Švédsko) MSP - SME – small and
medium sized enterprise
malé a střední podniky
měrná spotřeba
- specific consumption - consumption related to a reference basis, such as production capacity, or actual production (e.g. mass per tonne or per unit produced)
spotřeba vztažená k referenčnímu základu, jako je výrobní kapacita, nebo skutečná výroba (např. hmotnost/množství na tunu nebo na vyrobenou jednotku)
SPOT steam plant optimization tool
nástroj pro optimalizaci parní elektrárny
T
t time čas t metric tonne tuna (1000 kg nebo 106 g) T temperature teplota T tera 1012 t/r t/yr tun za rok
Glosář
336 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Pojem Anglický ekvivalent
Význam
TEE abbreviation for white certificate in Italy, see white certificate
zkratka pro italské bílé certifikáty, viz bílý certifikát
TWG technical working group
technická pracovní skupina
top management
the person or group of people of the highest authority the direct the company or part of it
osoba nebo skupina osob majících nejvyšší autoritu/pravomoci pro řízení podniku nebo jeho části
U
U internal energy vnitřní energie u internal energy per
unit of mass vnitřní energie na jednotku hmotnosti J/kg
UHC unburned hydrocarbons
nespálené uhlovodíky
V
V volume objem v specific volume měrný objem, převrácená hodnota hustoty m3/kg V volt VAM vinyl acetát
monomer monomer vinyl acetátu
VOCs volatile organic compounds
prchavé organické sloučeniny
vol-% percentage by volume (also % v/v)
procento objemu (také % v/v)
W W work práce J
Glosář
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 337 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Pojem Anglický ekvivalent
Význam
bílý certifikát - 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 so-called “white” certificates.
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“
WI waste incineration spalování odpadu wt-% percentage by
weight (also % w/w)
procento hmotnosti (také % w/w)
W-t-E waste to energy odpad na energii X x molar fraction,
quality molární zlomek, kvalita
Y r - y – year rok Z Z compressibility
factor součinitel stlačitelnosti
z elevation, position m
výška, pozice m
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 338 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 Obecné principy 7.1.1.1 Charakteristika systém ů a proces ů (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 limit ů chování systémů a procesů.
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 339 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
7.1.1.2 Formy uchování a p řenosu 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.
Přílohy
340 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 uzav řeném 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 otev řených 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.
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 341 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 ú činnost 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:
Přílohy
342 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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 uzav řeném 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.
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 343 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
7.1.2.3 Bilance entropie v otev řeném 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:
Přílohy
344 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 ú činnost 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 Diagramy vlastností, tabulky, databanky a po čítačové programy 7.1.3.1 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 (P-V), 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,
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 345 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 simula ční 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 Zjiš ťování neú činností Tato problematika je popsána v kap. 1.2.2.6.
Přílohy
346 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
7.1.4 Nomenklatura
Symbol Význam Jednotka C Rychlost m/s E Exergie J
.
E Rychlost exergie J/s
e Exergie na jednotku hmoty J/kg ET Celková energie J g Gravitační zrychlení m/s2 H Entalpie J h Měrná entalpie J/kg I Ireverzibilita J .
I Rychlost ireverzibility J/s
KN Kinetická energie J m Hmotnost Kg
.
m Tok hmoty Kg/s
P, p tlak Pa PT Potenciální energie J Q Teplo J
.
Q Rychlost (míra) tepla J/s
S Entropie J/K s Měrná entropie J/(kgK) t Čas s T Teplota K U Vnitřní energie, energie J u Vnitřní energie na jednotku
hmoty J/kg
V objem m3 v Měrný objem m3/kg W práce J
.
W Rychlost práce J
z Zvýšení, pozice m Řecká písmena η Tepelná účinnost - ε Exergetická účinnost - σ Produkce entropie J/K
.
σ Rychlost produkce entropie J/(kgK)
Indexy 0 Podmínky okolí av Průměr dané vlastnosti C Kompresor cv Řízený objem
7.1.4.1 Literatura • Anderson, E. E. Thermodynamics. International Thomson Publishing. 1994. • Avallone, E. A. Mark’s Standard Handbook for Mechanical Engineers. 9th Edition.
McGraw Hill.1978
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 347 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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
Přílohy
348 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
7.2 Případové studie termodynamické ireverzibility 7.2.1 Případ 1. Regula ční a škrtící za řízení 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.
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 349 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 – T0s 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:
Přílohy
350 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
7.2.2 Případ 2. Tepelné vým ěníky 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.
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 351 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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:
hkjkgkJQ /107,482/9,438)95,309185,3530(11100000 6×==−×= T-s a h-s diagramy jsou na Obrázku 7.6:
Přílohy
352 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Obrázek 7-6: T-s a h-s diagram příkladu přehřívacího procesu páry Měrný tok exergie je vypočten podle:
sThe 0−= Rovnice 1.37
kde T0 = 273 K a potenciální a kinetická energie jsou zanedbatelné. Tudíž:
kgkJe /61,129558,627395,30911 =×−= a
kgkJe /52,156221,727385,35302 =×−= 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:
∑−=
−+
= ii xxRP
PRn
P
PRn
nnlnlnln
1 22
11
21
σ (J/K)
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 353 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Nechť Pi = xiPi a ∑
=i
ix n
nx ztráta exergie je spočtena dle vztahu:
∑−== ii xxRTTI ln00σ (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:
[ ]
−−=−−+−=
)1(ln)1ln()1(ln 00 x
xRT
dx
dIaxxxxRTI
Vybrané hodnoty této derivace uvádí tabulka 8.1:
x I/RT0 (1/RT0)dI/dx 0,10 0,325 2,20 0,01 0,056 4,96
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 ∑− ii xx ln , které je dosahováno
pro ekvimolární směsi, je uvedena v tabulce 8.2:
Přílohy
354 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
N - Σxilnx i N - Σxilnx i 2 0,693 5 1,609 3 1,099 7 1,946 4 1,386 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 dx
dI a nikoli se střední hodnotou složení.
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
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 355 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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:
kgkJeakgkJekgkJe /55,1634/67,666,/52,1664 321 ===
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
Přílohy
356 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 357 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
7.3 Příklad použití energetické ú činnosti 7.3.1 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)
Přílohy
358 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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.
7.3.2 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:
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.
Vstup Výstup
Elektrická energie ����
Pára ����
Chladící voda ����
Recyklovaná pára ����
Kondenzát ����
Navrácení chladící vody ?
Pomocné látky ����
Inhibitor ����
Lehké frakce ?
Těžké frakce ?
Čistý plyn ?
Odpadní plyn ?
Tepelné ztráty (izolace) ?
VAM ����
Voda ����
CO2 ?
VAM zařízení
Etylen ����
Kyselina octová ?
Kyslík ����
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 359 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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:
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.
Plosky (materiál, jenž bude válcován)
Zkapaln ěný ropný plyn
Elektrická energie Chladící voda Vzduch
Pec
Pec
Pec
Válcovací za řízení
Kotel
Kompresor
Chladící lože
Stovky čerpadel a ventilátor ů na různých místech
Odpadní plyny
Vzduch Šrot (zmetkové produkty)
Ztráty tepla Válcované produkty
Chladící voda
Přílohy
360 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Měrná spot řeba energie ve válcovn ě
kWh/
t
t/týden
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 361 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 systém ů 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.
Měrná spot řeba energie ve válcovn ě
kWh/
t
t/týden
Zlepšení energetické
účinnosti jako výsledek
programu úspor energie
Snížení spot řeby energie jako
výsledek zvýšené produkce
Přílohy
362 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 363 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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):
Přílohy
364 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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 ú činného 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
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.
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 365 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Reakční proces Katalytický (1971-)
Enzymatický (1985-)
Reakční teplota 343°K 273 - 288°K Výstup z jednoho cyklu reakcí
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 Enzymatický (původní proces)
Enzymatický (nový proces)
Pára 1,6 2,8 0,3 Elektrická energie
0,3 0,5 0,1
Suroviny 3,1 3,1 3,1
tabulka 7-5 Srovnání spotřeby energie v MJ/kg akrylamidu [164, OECD, 2001] Katalytický Enzymatický (původní
proces) Enzymatický (nový proces)
Pára 1,25 2,0 0,2 Elektrická energie
0,25 0,25 0,1
Suroviny 2,3 2,3 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
Přílohy
366 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
(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 Tradiční tisk EB tisk Zemní plyn 4,67 x 104 - Elektrická energie
USD 649 162 (2006, v cenách zemního plynu a elektrické energie)
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]
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.
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 367 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 Monitoring a m ěření 7.7.1 Kvantitativní m ěření 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.
Přílohy
368 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
7.7.2 Optimalizace a řízení využívající modelování využití za řízení 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]
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 369 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
tabulka 7-8 Jednoduchý elektrický model „n.“ ve sloupci „A“ znamená počet stejných zařízení (jak z technického, tak provozního hlediska), které jsou v oddělení instalovány. „Spotřebovaná energie“ v sloupci „F“ je určena vynásobením počtu spotřebičů × jmenovitý výkon × hodiny provozu × ukazatel využití výkonu a dělením jmenovitou účinností:
A x B x D x E F=
C 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.
Přílohy
370 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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):
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 371 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
A B C D E F G
PROCES ZAŘÍZENÍ n. Jmenovitý
výkon kWth
Jmenovitá účinnost
Počet provozních
hodin za rok
Ukazatel využití výkonu
Spotřeba energie
Nm3 CH4 %
Velké pece 4 800 0,85 7 700 0,8 2 417 000 Fáze 1 (např. spalování) Malé pece 5 600 0,85 7 000 0,8 226 600
Celkem fáze 1
6 200 4 683 000 76,5
Fáze 2 (např. výroba tepla)
Horkovodní kotel
2 2 500 0,92 1 000 0,5 283 200
Parní kotel 2 1 000 0,92 7 000 0,5 793 200
Horkovodní kotel
2 1 000 0,92 1 600 0,5 181 200
Celkem fáze 2
9 000 1257600 20,5
Rozprašovací sušárna
1 400 0,7 200 1 11 900 ...
Generátor horkého vzduchu
1 400 0,85 1 600 0,5 39 200
Malá topná tělesa
37 30 0,8 1 600 0,5 115 700
Fáze 3 (např. obslužné procesy)
Velká topná tělesa
2 60 0,8 1 600 0,5 12 500 3,0
Celkem fáze 3
2 030 179 300
CELKEM 3 250 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:
A x B x D x E x 3600 F=
C x 34 500
Kde • 3600 převodní koeficient z kWh na kJ • 34 500 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.
Přílohy
372 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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: • druh potřebného tepelného nosiče • hodiny/roky spotřeby tepla • ukazatel využití výkonu, při němž je spotřebovávána tepelná energie • jmenovitý tepelný výkon.
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 373 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Údaje lze upořádat např. podle tabulky 7.10.
A B C D E F G
ODDĚLENÍ ZAŘÍZENÍ n. Tepelný nosič
Tepelný výkon kWth
Počet provozních
hodin za rok
Ukazatel využití výkonu
Spotřeba energie
Nm3 CH4 %
Oddělení 1 Zařízení 1 2 Pára 500 1 000 1 104 200 Zařízení 2 1 Pára 125 500 0,8 5 200
Zařízení 3 5 Horká voda
75 5 000 0,8 156 400
Celkem oddělení 1
265 800 21,8
Oddělení 2 Zařízení 1 1 Pára 75 2 500 0,5 9 800
Zařízení 2
20 Horký
vzduch 0,9 3 000 1 62 500
Zařízení 3 5 Pára 50 2 500 0,8 52 100
Zařízení 4 10 Horká voda
5 1 500 0,8 6 300
Zařízení 5 3 Pára 25 3 000 0,9 21 100 Celkem oddělení 2
151 800 125
Oddělení # Spotřebič . ... ... ... ... ... ... CELKEM 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:
A x C x D x E x 3600 F=
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.
Přílohy
374 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
7.8 Ostatní nástroje používané k auditu a na podpor u dalších technik používaných na úrovni provozovny
7.8.1 Provád ění 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). • 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
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 375 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
7.8.2 Protokol o m ěření 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]
Přílohy
376 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
7.9 Benchmarking 7.9.1 Rafinérie minerálních olej ů 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:
Celková skutečná spotřeba energie v rafinerii EII = 100 × Σ (výkon jednotky × energetický standard jednotky) + zjevné teplo +
nakoupená energie V rovnici: • 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
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 377 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 st řední 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
Přílohy
378 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 sklá řství Ve sklářském průmyslu bylo objeveno několik postupů k identifikaci energeticky nejefektivnějších postupů tavení skla: • 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.
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 379 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 r ůzné 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
Přílohy
380 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 Příklady ke Kapitole 3 7.10.1 Příklady výpo čtů - 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:
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 381 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• 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:
Přílohy
382 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 = množství soli ze systému (25 000 + B) × 222 = 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:
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 383 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
5001 l/hod × 5500 hod × 888,2 kJ/kg × 5 EURO/GJ = 14894 EURO/rok 0,82 × 1 000 000 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
Přílohy
384 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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: 1120 ft × 285 MMBtu/rok na 100 stop = 3192 MMBtu/rok 2- palcová trubka: 175 ft × 480 MMBtu/rok na 100 stop = 840 MMBtu/rok 3- palcová trubka: 175 ft × 415 MMBtu/rok na 100 stop = 1037 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 6-palcový (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: • L t,y je množství páry, které ze separátoru páry t unikne v období y (t) • FTt,y součinitel provozu separátoru páry t v období y • FSt,y součinitel zatížení separátoru páry t v období y • CVt,y koeficient průtoku separátoru páry t v období y • ht,y počet hodin provozu separátoru páry t v období y • Pin,t vstupní tlak na separátoru páry t (atm) • Pout,t výstupní tlak na separátoru páry t (atm). Součinitel provozu FTt,y je určen podle hodnot Tabulky 7.11:
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 385 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 Součinitel zatížení Standardní aplikace 0,9 Odkapávací a vektorové sběrače 1,4 Průtok páry (bez kondenzátu) 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 (1 USD= 1,1347 EURO, směnný kurz k 1. lednu 2002)
Přílohy
386 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
3.2.12 Opětovné využití emisní páry Příklad: Ventilační potrubí má následující parametry: Rychlost emisí páry: 300 ft/min Průměr ventilačního potrubí: 4 palců Hodin provozu: 8000 hod/rok Účinnost kotle: 82 % Cena paliva: 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*
* 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 (1 USD= 1,1347 EURO, směnný kurz k 1. lednu 2002) ** 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.
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 387 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 = 1171,9 Btu/lb pro doplňující vodu o teplotě 70 ºF = 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 (1 USD= 1,1347 EURO, směnný kurz k 1. lednu 2002) 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 (1 USD= 1,1347 EURO, směnný kurz k 1. lednu 2002) 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.
Přílohy
388 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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.
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.
Eurallumina Schéma procesu
Rozklad bauxitu
Zásobníky Bauxit
Drcení
Pára
Ohřívače
Výluh
Čeření Kontaminovaný výluh + zbytky
Vypařování Filtrace a odkalení
Zbytky
oxid hlinitý
Kalcinace Promývání Úprava t říděním Proces srážení
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 389 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Obrázek 7-15: Doby trvání provozních cyklů ohřívačů [48, Teodosi, 2005] Mezisložkové vlivy 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.
Dny provozu
Souč
inite
l pře
nosu
tepl
a (k
cal/m
2 h°C
)
Přílohy
390 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Hybná síla pro zavedení 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.
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
Spaliny z kotle na stromovou k ůru
165 °C
Chladi č plynu
Zásobník horké vody 75 %
Tepelný vým ěník
Kondenzátor
Zásobník teplé vody 40 %
Horká voda z provozovny výroby
lepenky Voda pro
zásobování teplem, přívod
Kondenzát
Voda pro zásobování
teplem, vývod
Pára
85 %
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 391 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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. Mezisložkové vlivy 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). Hybná síla pro zavedení 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]
Přílohy
392 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
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 LFO mohou dosáhnout díky místním environmentálním omezením maximálně 200 hodin ročně. Trigenerační zařízení vyrábí čistý elektrický výstup 33 MW a je napojena na letištní interní síť a veřejnou rozvodnou síť. Zařízení vyrábí elektrickou energii nepřetržitě. Také je vyráběno
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 393 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
teplo v zimě a chlad v létě pro nové terminály. Tabulka 7.13 uvádí technické údaje CHP jednotky.
Technické parametry Údaje Jednotky
Výkon na svorkách generátoru 33,0 MWe
Poměr tepla při spalování plynu 8497/42,4 % kJ/kWhe
Hrubý tepelný výkon 24,6 MWth
Celkový tepelný výkon 30,9 MWth
Obvod rekuperace tepla Voda 120/80 °C
Celková účinnost CHP jednotky 74 %
Kapacita absorpčního chladiče 18,0 MWc
Celková kapacita chladiče 37,4 MWc
Obvod chlazené vody 6,5/13.5 °C
Běžné palivo Plyn
Záložní palivo Lehký topný olej
HT záložní chlazení Radiátory
LT a chlazení chladičů Chladící věž
tabulka 7-13 Technické údaje o trigenerační jednotce na letišti Barajas V budově elektrárny je instalováno šest jednostupňových absorpčních chladičů. Chlazená voda je vedena ke spotřebičům, které jsou v novém terminálu, odděleným potrubním systémem. Absorpční chladiče s bromidem lithným (LiBr) jsou zásobovány tepelnou energií při 120 °C z obvodu rekuperace tepla a ochlazovány jsou chladícími věžemi. CHP jednotka v madridském letišti Barajas je vybavena jedním záložním/špičkovým olejovým kotlem a záložními/špičkovými elektrickými kompresory. Zařízení bude prodávat přebytečnou elektrickou energii do sítě a nepřetržitě bude připojena k národní rozvodné soustavě. Elektrický rozvodný systém má vysoké zálohy s cílem pokrytí všech případných selhání zařízení a neustálého zásobování letiště. Pokud budou přerušeny dodávky plynu, motory budou nadále schopny zajistit plnou zátěž spalováním oleje. Reference [64, Linde, 2005]
7.11 Management poptávky Popis Obvykle se jedná o řízení poptávky po elektřině. Je důležité rozlišovat mezi prvky snižujícími náklady a opatřeními na úsporu energie. Ve většině států EU (i mnoha jiných zemích) existuje u elektřiny složitá cenová struktura, která závisí na maximálním odebíraném množství, době, kdy je energie čerpána ze sítě, a dalších faktorech, jako je možnost přistoupit na maximální dodávané množství. Maximální odběr v určitém zařízení může znamenat, že část využívaných elektrických jednotek bude zatížena vyšší sazbou a/nebo u ní bude uplatněno smluvní penále. Kontrola těchto aspektů je nezbytná a přesun nebo zmírnění energetických špiček přinese úsporu nákladů. Nemusí se tím však snížit celkové množství energetických jednotek a stejně tak nedojde ke zvýšení energetické účinnosti jako takové. Energetickým špičkám na poptávkové straně se lze vyhnout nebo je kontrolovat například:
Přílohy
394 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• u zařízení s vysokou spotřebou energie, jako jsou velké motory, změnit u nízkého zatížení zapojení do hvězdy na zapojení do trojúhelníku pomocí automatických převodníků trojúhelník-hvězda, soft startérů atd.
• využití kontrolních systémů k rovnoměrnému rozběhu zařízení, např. na začátku směny (viz oddíl 2.7.5)
• změna doby chodu procesů, které vyvolávají energetické špičky. Dosažené environmentální přínosy Mezisložkové vlivy Nemusí být dosaženo úspory energie. Provozní údaje Mezi příklady vysoké okamžité poptávky patří: • rozběh zařízení s významnou spotřebou energie, např. velkých motorů • začátek směny, kdy se rozbíhá několik systémů, např. čerpadla, ohřev • procesy s vysokou energetickou náročností, jako je tepelné zpracování, zvláště pokud
se nevyužívají trvale. Vysoká okamžitá poptávka může rovněž způsobovat energetické ztráty, neboť deformuje rovnoměrný průběh cyklů střídavého proudu, a s tím spojenou ztrátu užitečné energie. Viz kap. 3.5.2. Použitelnost Lze zvážit ve všech zařízeních. Ovládání může být ruční (např. změnou denní doby, kdy určitý proces probíhá), jednoduché automatické (např. časové spínače) nebo navázané na důmyslnější systémy řízení energie a/nebo procesů (viz oddíl 2.15.2). Ekonomie Zbytečná spotřeba energie a energetické špičky mohou znamenat vyšší náklady. Hybná síla pro zavedení Úspora nákladů. Příklady Hojně se využívá. Reference http://members.rediff/seetech/Motors.htm [183, Bovankovich, 2007] http://www.mrotoday.com/mro/archives/exclusives/EnergyManagement.htm
7.12 Společnost poskytující energetické služby (ESCO) Popis Při debatách o energetické politice se často věnuje pozornost nevyužitému potenciálu úspor energie. Neschopnost zužitkovat tento potenciál nelze přisoudit ani tak ekonomickým faktorům, jako spíše strukturálním nedostatkům a nedostatku informovanosti na straně odběratelů energie. Nasmlouvání energetického výkonu (EPC) přes poskytovatele energetických služeb nebo společnosti poskytující energetické služby (ESCO nebo ESCo) může při prosazování energetických úspor pomoci.
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 395 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
ESCo rozpozná a vyhodnotí příležitosti k úspoře energie a poté doporučí balík zlepšení, který se bude platit prostřednictvím úspor. ESCo zaručí, že úspory se budou rovnat nebo převýší roční platby za veškeré projektové náklady – jde o střednědobý až dlouhodobý kontrakt, např. 7 až 10 let. Pokud se úspory nerealizují, zaplatí ESCo rozdíl. Význam energetických služeb podtrhuje Směrnice EU o energetické účinnosti u cílového uživatele a energetických službách z 5. dubna 2006 (2006/32/EC), která energetické služby definuje takto: „Energetická služba je fyzický přínos, prospěšnost nebo statek odvozený z kombinace energie a energeticky účinné technologie a/nebo aktivity, která může zahrnovat provoz, údržbu a kontrolu nezbytnou k zajištění služby. Ta je zajišťována na smluvním základě a je prokázáno, že za normálních okolností vede k ověřitelnému a měřitelnému nebo odhadnutelnému zlepšení energetické účinnosti a/nebo úsporám primární energie.“ Poskytovatel energetických služeb může v závislosti na způsobu využití dodávat například tyto druhy energie: • tepelnou energii (vytápění budov, pára, užitkové teplo, užitková voda, horká voda) • chlazení (chladicí voda, zásobování chladem) • elektřinu (světlo a energie z kogeneračních elektráren nebo fotovoltaických zařízení) • vzduch (stlačený vzduch, ventilace, klimatizace). Dosažené environmentální přínosy Úspory energie. Úspory, které mají být dosaženy, budou předmětem EPC. Mezisložkové vlivy Žádné nejsou uváděny. Provozní údaje ESCO může plnit následující úkoly (v chronologickém pořadí): • Rozpoznání potenciálu k úspoře energie • Studie proveditelnosti • Stanovení cílů a podpis dohody o úspoře energie • Příprava projektu k zavedení • Řízení výstavby a zprovoznění dokončené práce • Hodnocení skutečně dosažených ekologických a ekonomických parametrů. Použitelnost Již deset až dvacet let široce využíváno v USA. V EU využíváno stále častěji. Ekonomie Základní smluvní klauzule smlouvy o energetickém výkonu (EPC) uzavřené mezi firmou a ESCO se skládá ze závazku ESCO dosáhnout pro firmu jak předem definovaného snížení ekologické zátěže, tak i nasmlouvaných ekonomických parametrů projektu. Tyto požadované parametry lze dohodnout na individuální bázi a často zahrnují následující položky: • garantovanou úroveň roční úspory energetických nákladů ve srovnání se současným
stavem • garantovanou návratnost investic v důsledku budoucích úspor energetických nákladů
a dalších finančních efektů (včetně prodeje přebytečných emisních povolenek, příjmu z prodeje „bílých certifikátů“, úspor nákladů na služby a údržbu atd.)
• garantovanou úroveň snížení emisí • garantovanou úroveň snížení spotřeby primárních paliv
Přílohy
396 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• další garantované parametry dohodnuté mezi ESCO a firmou. Hybná síla pro zavedení Úspěšným nasmlouváním energetického výkonu (EPC) mezi firmou a ESCo lze naplnit následující hybné síly: • Zajištění nezbytných dovedností pro reakci na následující hybné síly (viz kap. 2.3) • Metoda a správný výkon energetického auditu • Navrhovaný koncept změn obsahující více alternativ a studii proveditelnosti • Volba optimálního řešení s přihlédnutím k očekávanému budoucímu rozvoji podniku • Volba nejlepších technologií a procesů s úsporou energie • Zajištění nezbytných prostředků pro zavedení energeticky účinných technologií • Volba dodavatelů konkrétních komponent • Správnost procedur použitých při zavádění energeticky účinných technologií • Dosažení plánovaného energetického výkonu a ekonomické účinnosti. Příklady Viz příloha 11. Reference [279, Czech_Republic, 2006, 280, UBA_DE, 2006] http://www.esprojects.net/en/energyefficiency/financing/esco http://re.jrc.ec.europa.eu/energyefficiency/ESCO/index.htm Příklad 1: Výměna vadného kompresoru v systému chlazení vzduchu Podnik A využívá na sušení nedokončených výrobků stlačený vzduch. Plné kapacity výroby však není možné dosáhnout, neboť kompresor je porouchaný. Podnik A musí vyrábět nižší objem produkce. Bylo rozhodnuto, že tato situace bude napravena instalací nového kompresoru s výkonem odpovídajícím kapacitě výrobní linky. Kompresor bude pořízen formou pronájmu od dodavatele. Po té, co bude vlastní kompresor podniku A opraven, pronajatý kompresor bude vrácen zpět jeho dodavateli. V tabulce 7.14 jsou shrnuty výhody a nevýhody pronájmu zařízení z pohledu spotřebitele energie.
Faktor Výhody Nevýhody Kapitálové výdaje v krátkém období
nízké v dlouhém období
vysoké Úroveň zkušenosti požadované po zaměstnancích podniku
relativně vysoká
Úroveň odborných znalostí požadovaných po zaměstnancích podniku
relativně vysoká
Výdaje na údržbu a opravy relativně vysoké Závislost na externích dodavatelích
střední
Výdaje na koordinaci a komunikaci
střední
Bezpečnost dodávek energie relativně vysoká Rozsah záruky kvality relativně široká
zákazníci předpokládají její zajištění
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 397 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Přehled o nákladech relativně dobrý Délka kontraktu krátká Pobídky k úsporám energie relativně nízké
tabulka 7-14 Výhody a nevýhody pronájmu CAS zařízení 3.3.3.2 Správa technického vybavení Jestliže je od poskytovatele energetických služeb (ESCO - energy service company/provider) dodána služba správy technického vybavení, znamená to, že poskytovatel přejímá odpovědnost za provoz, údržbu a optimalizaci provozních nákladů určitého zařízení. Správa technického vybavení obecně zlepšuje účinnost spravovaného zařízení. Důvodem pro to je obvykle realizace menších investic do měřících a řídících technologií. Zařízení zůstává ve vlastnictví zákazníka, dochází k jediné změně, a tou je externí nájem (outsourcing) technických služeb. Poskytovatel energetických služeb buď zpoplatňuje jednotlivé služby nebo je odměňován paušální sazbou. Zákazník může náklady na energii snížit také sdílením energetických úspor vygenerovaných poskytovatelem služeb, a tak vytvořit pobídky k hospodárnému a účinnému využívání energie. Správa technického vybavení je nejčastěji využívána tehdy, kdy se zákazník požaduje bezproblémový a spolehlivý průběh provozu a nemá dostatečný počet odborných pracovníků pro zajištění tohoto požadavku. V tabulce 7.15 jsou shrnuty výhody a nevýhody správy technického vybavení z pohledu spotřebitele energie:
Faktor Výhody Nevýhody Kapitálové výdaje vysoké Úroveň zkušenosti požadované po zaměstnancích podniku
nízké
Úroveň odborných znalostí požadovaných po zaměstnancích podniku
nízké
Výdaje na údržbu a opravy nízké Závislost na externích dodavatelích vysoké Výdaje na koordinaci a komunikaci střední Bezpečnost dodávek energie relativně vysoká Rozsah záruky kvality relativně široká zákazníci
předpokládají její zajištění
Přehled o nákladech (týká se pouze kapitálových výdajů, nikoli nákladů provozních a za energii)
vysoké
Délka kontraktu krátká Pobídky k úsporám energie relativně nízké
tabulka 7-15 vVýhody a nevýhody pořízení CAS od ESCO Příklad 2: Financování kogenerační jednotky Podnik C (tiskárna) se rozhodl, že zvýší výrobní kapacity. Rozšíření kapacit je ovšem podmíněno instalací nové kogenerační jednotky. Podnik C tedy předložil požadavky a poskytovatel energetických služeb (jenž je současně výrobcem kogeneračních jednotek) na základě 15ti leté smlouvy získal financování investice a zahájil plánování a výstavbu kotelny. Financování je zajištěno smluvními poplatky, které podnik C platí poskytovateli energetických služeb (výrobci zařízení).
Přílohy
398 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
3.3.3.4 Služby dodávky energie konečnému spotřebiteli (též označované jako uzavření smlouvy o instalaci) V tomto případě poskytovatel energetických služeb plánuje, financuje, staví a provozuje energetické instalace na základě smlouvy, jejíž doba platnosti je mezi 5 – 20 roky. Během této doby zůstává technické vybavení ve vlastnictví poskytovatele energetických služeb. Zákazník vstupuje do smlouvy s poskytovatelem jako odběratel energie s definovanou kvalitou a cenou. V takové smlouvě nemůže zákazník nijak ovlivnit financování , provoz ani údržbu technického vybavení. Náklady nesené poskytovatelem energetických služeb jsou zahrnuté v celkové ceně, která sestává ze základní složky ceny (měsíční či obdobná platba) a proměnné ceny závisející na výši spotřeby, např. částka v EURO za m3 horké vody. Takové uspořádání vytváří zákazníkovi pobídky k hospodárnému využití nakoupených energetických služeb. Pokud zákazník využívá také rozvodnou síť vlastněnou poskytovatelem energetických služeb, je toto využití zahrnuto do smluvního vztahu a jsou definována odběrná místa. V takovém případě poskytovatel energetických služeb přejímá přímou zodpovědnost za zajištění vytápění a může tak snížit spotřebu energie konečným uživatele, neboť se může pokusit nalézt nejefektivnější způsoby dodávky energie. Tento model energetických služeb je vhodný pro nově postavené budovy, jejichž zásobování energií musí být outsourcováno, nebo pro budovy, jejichž energetické hospodářství musí podstoupit úplnou modernizaci a výměnu starých zařízení (8). Příkladem je dodávka tepla z modernizovaného systému kotlů. Přibližně v 90% všech typů poskytování energetických služeb se jedná o dodávku energie ke konečné spotřebě. V tabulce 7.16 jsou shrnuty výhody a nevýhody dodávky energie ke konečné spotřebě z pohledu spotřebitele energie.
Faktor Výhody Nevýhody Kapitálové výdaje nízké Úroveň zkušenosti požadované po zaměstnancích podniku
nízké
Úroveň odborných znalostí požadovaných po zaměstnancích podniku
nízké
Výdaje na údržbu a opravy nízké Závislost na externích dodavatelích vysoká Výdaje na koordinaci a komunikaci střední Bezpečnost dodávek energie vysoká Rozsah záruky kvality široký Přehled o nákladech relativně vysoká Délka kontraktu dlouhá Pobídky k úsporám energie velké
tabulka 7-16 Výhody a nevýhody energetického hospodářství zajištěného podnikem ESCO
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 399 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
7.13 Webové stránky Evropské komise a národní ak ční plány členských zemí v oblasti energetické ú činnosti (NEEAP)
Evropská komise má webové stránky věnované energetické účinnost: http://ec.europa.eu/energy/demand/legislation/end_use_en.htm Protože každý seznam politik, akcí, nástrojů a opatření na podporu těchto politik rychle zastarává, jsou tyto stránky užitečným zdrojem s odkazy na následující problematiku: Legislativa:
• Účinnost u koncového uživatele a energetické služby • Energetická účinnost v budovách • Eco-design produktů používajících energii • Energetické značení domácích spotřebičů • Program energetických hvězdiček • Kogenerace (se zprávami členských států) • Diskuse
Národní akční plány v oblasti energetické účinnosti (NEEAP) Z tabulky je možný přístup do PDF souborů všech plánů energetické účinnosti a/nebo souvisejících sdělení pro členské státy, v jazycích těchto států a/nebo v angličtině (v některých případech je k dispozici jen souhrn v angličtině). V březnu 2008 scházel jen příspěvek Švédska. Příklady akcí členských států jsou: • Daňové odpočty na investice do úspor energie • Ekologické granty na techniky energetické účinnosti • Podpora demonstračních projektů v energetice • Studie proveditelnosti • Energetické diagnózy • Kogenerační certifikáty (modré certifikáty) • Regulace v energetickém plánování, kde každé environmentální povolení požaduje
doprovodný energetický plán nebo studii • Dohoda o benchmarkingu, kde podniky přijmou formální závazek (externě verifikovaný),
že budou mít dobrý výkon (např. že budou mezi nejlepšími 10% firem z hlediska energetické účinnosti)
• Dohoda o auditu, kde se firmy zavážou provést kompletní energetický audit a realizovat všechna ekonomicky proveditelná opatření
• Certifikáty energetických úspor (bílé certifikáty), viz EuroWhiteCert níže • Dohody o úsporách energie Iniciativy / projekty V současné době je popsán projekt EuroWhiteCert, s odkazy na nejnovější informace. Události Je k dispozici přístup na nejnovější události, jsou zde např. tiskové zprávy. Odkazy Podobně jako ostatní výše popsané odkazy, jsou zde i odkazy na stránky projektu EU EMEEES (Evaluation and Monitoring for the EU Directive on Energy End-Use Efficiency and Energy Services) – Hodnocení a monitoring pro Směrnici EU o energetické účinnosti u koncového uživatele a o energetických službách).
Přílohy
400 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Odkaz „Co je nového“ uvádí různé evropské publikované dokumenty (zprávy, FAQ apod.), konzultace, schůzky. Mapa stránek zobrazuje: Zpracované politiky Legislativu Dobrovolné dohody, včetně: • Evropského motoristického programu (European Motor Challenge Programme) • Programu GreenLight • Programu Green Building (Zelená budova) Propagační aktivity, včetně: • Databází projektů • Publikací a brožur Podpůrné programy, včetně: • Rámcových programů výzkumu a vývoje technologií • Inteligentní energie – Evropa a předchozí podpůrné programy mimo oblast výzkumu a
vývoje technologií Mezinárodní vztahy Další informace lze získat u TREN [email protected]
7.14 Systém obchodování s emisemi (ETS) v EU V návaznosti na inovační mechanismy stanovené v rámci Kjótského protokolu (1992) k rámcové úmluvě OSN o klimatických změnách (UNFCCC) – společnou implementaci, vyvinula EU nejrozsáhlejší systém obchodování s emisemi CO2 na úrovni firem a stala se tak světovým lídrem na tomto nově vznikajícím trhu. Systém obchodování s emisemi v EU vychází z přesvědčení, že vytvoření určité ceny za uhlík prostřednictvím zavedením směnitelného trhu pro snížení emisí nabízí členským státům nákladově nejúčinnější způsob splnění jejich kjótských závazků a přesunout se do budoucna k ekonomice s nízkými emisemi uhlíku. Systém by měl Unii dovolit dosažení jejího kjótského cíle s ročními náklady mezi 2,9 a 3,7 miliardy EUR ročně. Je to méně než 0,1% HDP celé EU. Bez tohoto systému by se náklady mohly vyšplhat až na 6,8 miliardy EUR ročně. Systém byl zaveden pomocí závazné legislativy navržené Evropskou komisí a schválené všemi členskými státy EU a Evropským parlamentem. Vychází ze šesti základních principů: • Jedná se o tzv. systém „cap-and-trade“ („omez a obchoduj“) • Jeho počáteční zaměření je na CO2 z velkých průmyslových znečišťovatelů • Implementace proběhne ve fázích, s pravidelnými revizemi a možností dalšího rozšíření
na ostatní plyny a sektory • Alokační plány pro emisní povolenky se rozhodují v pravidelných intervalech • Zahrnuje mocný rámec pro splnění • Trh je v celé EU, ale využívá možnosti snižování emisí i ve zbytku světa prostřednictvím
CDM a JI a umožňuje spojení s kompatibilními systémy ve třetích zemích (např. v Rusku nebo rozvojových zemích).
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 401 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Systém je založen na společné obchodní komoditě uhlíkových povolenek: jedna povolenka představuje právo vypustit jednu tunu CO2. EK schvaluje členským státům národní plány pro tyto povolenky, které dávají každému závodu v systému právo na určitý počet povolenek. Rozhodnutí jsou zveřejněna. Znamená to tyto přínosy: • Vzhledem k povinnému monitoringu a podávání zpráv o emisích si firmy poprvé zavedou
rozpočty pro CO2 a systémy managementu uhlíku. • Protože CO2 bude mít určitou cenu, nasměrují firmy um svých odborníků na hledání
nákladově účinných způsobů snižování emisí, jak zlepšováním současných výrobních procesů tak i investicemi do nových technologií
• V důsledku vzniku uhlíkového trhu v EU se objevuje celá škála nových firem: „obchodníci s uhlíkem“, specialisté na finance a management související s uhlíkem, auditoři, verifikátoři. Na trh vstupují nové finanční produkty, jako jsou Uhlíkové fondy (Carbon Funds)
Co systém pokrývá I když má obchodování s emisemi potenciál zahrnout mnoho sektorů i všechny skleníkové plyny spadající do kjótského protokolu, bude rozsah evropského systému obchodování záměrně během své první fáze omezen, dokud se nezískají zkušenosti s tímto obchodováním. Během prvního období obchodování (2005 – 2007) pokrýval systém jenom emise oxidu uhličitého z velkých zdrojů (elektrárny, teplárny a některé vybrané energeticky náročné sektory – spalovny, rafinérie ropy, koksárny, výroba oceli a železa, cementárny, sklárny, vápenky, cihelny, keramičky, papírny). Hranice velikosti vycházela z výrobní kapacity nebo výkonu a určovala, které podniky z těchto sektorů budou do systému zařazeny. I přes tento omezený rozsah bude pokryto více než 12000 závodů ve 25 členských státech, které tvoří asi 45% celkových emisí CO2 z EU nebo asi 30% emisí všech skleníkových plynů z EU. Jaký bude obchodování s emisemi znamenat přínos pro firmy a pro životní prostředí? Teoretický příklad Firmy A a B obě emitují 100000 tun CO2 ročně. V jejich národních alokačních plánech jim jejich vlády dávají emisní povolenky vždy jen na 95000 tun a nechávají na nich, aby si našly samy způsob, jak vykryjí zbývajících 5000 povolenek. Firmy mají volbu mezi snížením svých emisí o 5000 tun, nakoupením 5000 povolenek na trhu nebo krokem, který bude mezi těmito dvěma možnostmi. Než se pro některou možnost rozhodnou, porovnají jejich náklady. Na trhu je ceny povolenky v tuto chvíli 10 EUR za tunu CO2. firma A si spočítá, že snížení emisí ji vyjde na 5 EUR na tunu, takže se rozhodne pro tuto možnost, protože je to levnější, než dokupovat nutné povolenky. Firma A se dokonce rozhodne snížit své emise ne jenom o 5000 tun, ale o 10000 tun, aby si zajistila, že nebude mít žádné potíže plnit své emisní limity i v příštích letech. Firma B je v jiné situaci. Náklady na snížení emisí jsou 15 EUR na tunu, tzn. jsou vyšší než cena na trhu, takže se tato firma místo snižování emisí rozhodne dokoupit povolenky. Firma A utratí 50000 EUR za snížení svých emisí o 10000 tun (náklady 5 EUR na tunu), ale pak získá 50000 EUR z prodeje 5000 povolenek, které již dále nepotřebuje (za tržní cenu 10 EUR za 1 povolenku). To znamená, že se jí v plné výši vrátily náklady na snížení emisí tím, že prodala povolenky, zatímco bez systému obchodování s povolenkami by bývala měla jen čisté náklady ve výši 25000 EUR (za předpokladu, že by snížila své emise jen o nezbytných 5000 tun).
Přílohy
402 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Firma B utratí 50000 EUR za nákup 5000 povolenek (1 za cenu 10 EUR). Kdyby neexistovala flexibilita v rámci systému obchodování, musela by tato firma snížit své emise o 5000 tun a zaplatila by za to 75000 EUR. Obchodování s emisemi tak přináší firmám v tomto příkladu celkovou úsporu nákladů ve výši 50000 EUR. Protože firma A se rozhodne snížit své emise (protože je to v tomto případě levnější varianta), povolenky nakoupené firmou B tak představují skutečné snížení emisí, dokonce i když firma B své vlastní emise nesnížila. Reference Obchodování s emisemi v EU: An Open Scheme Promoting Global Innovation to Combat Climate Change 2004, ISBN 92-894-8326-1 je k dispozici na: http://ec.europa.eu/environment/climat/pdf/emission_trading3_en.pdf
7.15 Optimalizace dopravních systém ů V závislosti na průmyslovém sektoru může být doprava podstatným spotřebitelem energie ve firmě. Tuto spotřebu lze snížit pomocí dobrého managementu dopravy, který je součástí celkového systému managementu ve firmě. Rovněž existují dopravní systémy v rámci podniku, např. potrubí, pneumatická přeprava práškových materiálů, dopravníky, vysokozdvižné vozíky apod. K této problematice však nebyla pro tento dokument dodána žádná data. Volba environmentálně nejúčinnějšího dopravního systému závisí na druhu produktu. Hojně se využívá silniční doprava, ale pro přepravu volně ložených materiálů se používá také železnice a lodní doprava, pro kapaliny a plyny pak potrubí. 7.15.1 Energetický audit pro dopravní řetězce Intenzifikace provozu dopravních řetězců firmě dovoluje zlepšovat logistiku své dopravy a snižovat náklady na dopravu, spotřebu energie a emise oxidu uhličitého. Energetický audit dopravních řetězců je nástroj ke zjišťování opatření na zvýšení účinnosti a hledání potenciálu pro úspory. Cílem energetického auditu v dopravě je: • Zlepšení nákladové účinnosti • Snížení spotřeby energie a emisí oxidu uhličitého Audit zahrnuje: • Všechny skutečné i potenciální dopravní prostředky • Logistiku, včetně:
o Balení, např. lze balení změnit a zvýšit tak využití dopravy tak, aby se více produktů přepravilo v jednom nákladu a snížil se pohyb vozidel
o Zatížení, náklad o Skladování a manipulaci o Velikost a tvar používaných vozidel
• Pracovníky v dopravě Přínosy auditu energetické účinnosti: • Snížení nákladů díky lepší účinnosti dopravy a uchování energie
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 403 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• Individualizace a rozfázování rozvojových oblastí • Realizace dobrých provozních postupů, které jsou známy v rámci dopravních řetězců. Příklady jsou uveden v následujících dvou kapitolách. [272, Finland, 2007] 7.15.2 Energetický management v silni ční doprav ě Popis techniky energetické účinnosti Při řízení energetické účinnosti dopravy, dlouhodobém zlepšování palivové výkonnosti, úspěšném sledování, cílení a měření zlepšení v důsledku jakékoliv iniciativy je nezbytné shromažďovat a analyzovat data. V programu řízení paliv jsou podstatné následující čtyři kroky: • zřízení systému sběru dat • zajištění, aby byla data sbírána přesně • třídění dat • analýza a interpretace dat. Při sběru dat se nabízejí tyto hlavní možnosti: • sbírat data ručně a zadávat je do tabulky či databáze • sbírat data z palivového čerpadla a elektronicky je přenášet do počítačové tabulky nebo
databáze • používat palivové karty a buďto využívat jejich systémy hlášení, nebo je elektronicky
přenášet do počítačové tabulky či databáze • sledovat množství paliva, které skutečně prochází motorem daného vozidla,
prostřednictvím palubního počítače. Mnoho moderních nákladních automobilů s elektronicky řízenými motory lze specifikovat pomocí volitelného palubního datového systému, který dokáže tyto informace shromažďovat
• namontovat oddělený průtokoměr paliva a napojit ho na vlastní palubní počítač, který bude spotřebu paliva zaznamenávat.
Spolu s příslušnými metodami stahování a počítačovým softwarem by měly poslední dvě možnosti ve výše uvedeném výčtu poskytovat spolehlivé kvalitativní údaje o výkonnosti jednotlivých vozidel a řidičů. Výhoda obou navíc spočívá v tom, že měří množství paliva, které skutečně proudí do motoru, nikoliv paliva odebíraného z cisterny. I tento přístup však má jistá omezení. Nekontroluje totiž celkové zásoby paliva, tzn. že nepřizpůsobuje dodávky množství odebraného paliva. Kromě toho je tento systém drahý, poněvadž měření paliva se provádí u každého vozidla zvlášť, místo aby jediný systém monitoroval celý vozový park. Proto se může ukázat jako nezbytné pokládat palubní zařízení spíše za doplněk k základnímu systému čerpání než za jeho náhradu. Je důležité uchovávat surová data (tzn. spotřebované množství paliva a ujetou vzdálenost), aby se předešlo chybám vznikajícím při zprůměrování údajů o spotřebě. Jinými slovy by se měly při výpočtu průměrné spotřeby paliva za určité období používat celkové hodnoty vzdálenosti a množství.
Přílohy
404 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Faktory ovlivňující spotřebu paliva • při stanovování palivové výkonnosti je očividně jedním z nejvýznamnějších faktorů
samotné vozidlo (značka/model, specifikace, stáří vozidla, stav vozidla, provozní údaje, používané vybavení a produkty, např. maziva, aerodynamika atd.)
• za nejvýznamnější prvek ovlivňující spotřebu paliva se považuje řidič. Otázky týkající se řidiče začínají už jeho náborem a výběrem a pokračují přes školení, motivaci a spoluzodpovědnost.
• palivovou výkonnost vozidla přirozeně ovlivňuje převážený náklad. Klíčovým faktorem je celková hmotnost a ta se během cesty vzhledem k doručování dodávek často mění.
• klíčová je také optimalizace velikosti, tvaru a zatížení kontejnerů s převáženým produktem (viz příloha 12).
• spotřebu paliva ovlivňuje rovněž počasí. To je třeba mít na paměti při porovnávání údajů získaných za odlišných meteorologických podmínek. Vítr, déšť, plískanice, sníh apod. mohou mít na výkonnost obrovský vliv.
• svou roli hraje také typ komunikace – úzké klikaté cesty budou mít za následek vyšší spotřebu paliva než rovné čtyřproudové silnice. Pomalé a klikaté trasy kopcovitým terénem sníží palivovou výkonnost i u těch nejlepších vozidel.
• zajišťování paliva. Dvěma hlavními vlastnostmi paliva jsou množství energie v něm obsažené, které silně závisí na hustotě paliva, a snadnost jeho spalování.
Sledování (monitoring) Při sledování se uplatňuje pět klíčových prvků: 1. Pravidelné měření spotřeby – to bude obecně zahrnovat vedení pravidelných (pokud možno týdenních) záznamů o spotřebě paliva u každého vozidla. 2. Vztažení spotřeby k výkonu – za normálních okolností je ujetá vzdálenost vozidla vztažena ke spotřebě paliva (např. km na litr), avšak tento údaj lze dále rozvést. Mezi další parametry patří například palivo na tunokilometr (tzn. množství paliva potřebné k přepravě jedné tuny nákladu na vzdálenost jednoho kilometru). 3. Identifikace současných standardů – analýza údajů o spotřebě paliva u podobných vozidel vykonávajících podobný typ práce za reprezentativní období. Zjištění přibližného standardu spotřeby paliva u každého vozidla. Ten by nepředstavoval „efektivní“ standard, ale spíše základnu nebo skutečný údaj. 4. Hlášení o výkonnosti zodpovědným osobám – údaje o spotřebě paliva by se měly pravidelně hlásit lidem, kteří mají na spotřebu paliva nějaký vliv. Za normálních okolností by se to týkalo řidičů, techniků a středního a vyššího managementu. 5. Podnikání kroků ke snížení spotřeby – Systematické udržování přehledu o spotřebě paliva často vede k nápadům na její snížení. Srovnávání palivové účinnosti různých vozidel pravděpodobně odhalí anomálie v jejich výkonnosti. Stanovení příčin těchto anomálií by mělo umožnit odlišení dobré praxe od špatné a umožnit kroky k eliminaci špatné výkonnosti. Zpřísnění provozní praxe a údržby vozidel tímto způsobem často vede k úsporám i bez zavádění konkrétních opatření na úsporu paliva. Při plánování a zavádění opatření na úsporu energie hraje klíčovou roli také historie informací o palivu. U každého vozidla se po celou dobu jeho životnosti uchovávají informace o palivu na úrovni surových dat, stejně jako služební záznamy.
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 405 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Hlášení Při řízení spotřeby paliva jsou užitečná následující standardní hlášení: • optimalizace zásob v cisternách • palivová výkonnost jednotlivých vozidel a řidičů • hlášení o výjimkách. Výkonnost vozidel pak lze rozdělit do skupin podle typu, například: • variabilní/fixní • hrubá hmotnost vozidla • výrobce/model • stáří • odvedená práce. Do skupin lze rozdělovat rovněž výkonnost řidičů, a to pomocí kategorií jako druh směny, typ práce a vyškolený/nevyškolený. Měření se obvykle provádějí v týdenních, měsíčních a ročních intervalech. Užitečná jsou srovnání s: • vytčenými cíli • předchozím(i) obdobím(i) za účelem analýzy trendů • stejným obdobím loňského roku • jinými vozovými parky, přičemž je třeba zohlednit regionální a provozní odlišnosti • podobnými vozidly • průměrnými hodnotami v sektoru, např. zprávami o silničních testech, zveřejněnými
nákladovými tabulkami. S těmito údaji pracují přinejmenším následující osoby: • vyšší management (stručný přehled, souhrny a hlášení o výjimkách) • manažer dopravy (iniciativy na úsporu paliva, zkoumání konkrétních situací
a zpracovávání jednotlivých výkonnostních posudků) • školitel řidičů (plánování výcvikového programu zaměřeného na spotřebu paliva
a navazování diskusí s řidiči, kteří sami musí začít sledovat vlastní výkon) • technici a zaměstnanci údržby (sledování a rozbor údajů o palivu). Existuje mnoho oblastí řízení paliv, které mohou podléhat klíčovým výkonnostním ukazatelům a cílům. Nejsnadnější jsou ty, kde je měření přímé a neovlivňuje je příliš mnoho vnějších faktorů. Mezi příklady patří ztráty z palivové cisterny, kde lze údaje měřit každý týden s požadavkem na prošetření a vyřešení veškerých ztrát převyšujících cílový údaj. Složitější opatření souvisejí se systémem sledování výkonnosti vozidla. Nejjednodušší metodou je vzít stávající výkonnost a požadovat zlepšení. Tato metoda však bere v úvahu pouze to, čeho bylo skutečně dosaženo, nikoliv čeho dosáhnout lze. Jsou-li trasy, zatížení apod. neměnné, je někdy možné stanovit standardní cíle podle trasy, kdy nejlepší řidič stanoví cíl pro všechny ostatní. Je ovšem zřejmé, že tato metoda nebude brát v úvahu sezónní a další vnější vlivy, a proto bude muset být interpretována velmi obezřetně. Důležitějším přístupem je využívat energetickou intenzitu jako ukazatel. U nákladní dopravy je tento parametr definován jako množství spotřebovaného paliva/(množství dopravených tun ujetá vzdálenost) a za normálních okolností se měří v litrech na tunokilometr.
Přílohy
406 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Dosažené environmentální přínosy Snížení spotřeby paliva má přímou souvislost s ekologickými dopady. Snížení spotřeby nepředstavuje pouze nižší náklady, ale i méně tun vytvořeného CO2. Mezisložkové vlivy Žádné neuvedeny. Provozní údaje Jízda s nízkou spotřebou paliva může zvýšit bezpečnost a šetří pohonné ústrojí, brzdy a pneumatiky vozidla. Snížení nákladů se tedy může projevit i v oblasti nehodovosti, údržby, oprav a prostojů. Někteří provozovatelé dokonce využívají zlepšení palivové účinnosti jako komerčního nástroje ke zdůraznění svého příspěvku životnímu prostředí. Součástí dobrého palivového programu je i důsledná komunikace mezi řidiči a managementem. Je-li správně vedena, může se uplatnit i potenciální druhotný efekt, který může vést k lepšímu porozumění a odstranění určitých bariér. Některé organizace využívají palivové účinnosti jako prostředku ke změně řidičské kultury. Použitelnost Tuto techniku řízení paliv lze použít v odvětvích s vozovým parkem pro silniční dopravu. Ekonomie Vzhledem k vývoji cen ropy v kombinaci se spotřební daní se palivo obecně stává rychle rostoucím provozním nákladem. To znamená, že jakákoliv nynější investice do kvalitního řízení paliv může v budoucnu přinést ještě vyšší dividendy. Dosažení úspory paliva vždy vyžaduje investice v podobě vynaloženého času, úsilí nebo peněz – a často všech tří faktorů. Finanční výdaje na věci, jako jsou zařízení pro sledování spotřeby paliva nebo lepší vozidla, lze snadno kvantifikovat, ale zapomínat by se nemělo ani na skryté náklady typu investic do managementu či úředního a provozního času, které se mohou stanovovat obtížněji. Hybná síla pro zavedení Úspory nákladů – ne všechna opatření na úsporu energie jsou stejně nákladově efektivní. Různá opatření budou lépe vyhovovat různým typům provozu. Je však důležité, aby každý, kdo si přeje snížit spotřebu paliv, postupoval systematicky a nezaváděl nová opatření nahodile. Je praktické, když je spotřeba energie související s dopravou součástí všeobecného systému/struktury řízení energie. 7.15.3 Lepší balení a optimalizace využití dopravy Příklad Podnik : VICO SA ve městě Vic-sur-Aisne (Francie) Ekonomická činnost: výroba bramborových lupínků a dalších výrobků z brambor Množství produkce: 32 000 tun za rok Obrat: 114,4 milionů EURO za rok VICO SA využívá k dopravě své produkce na 2500 prodejních míst po celé Francii okolo 9000 cest nákladních vozů ročně. Výrobky jsou zabaleny a uloženy na dopravní palety. Výška naložené palety činí 1,8 m. Běžné nákladní auto (vysoké 2,8 m) může najednou naložit 38 palet (v jedné vrstvě) a úroveň využití přepravního prostoru je omezena na 70 %. Po zpracování studie proveditelnosti byl změněn způsob balení výrobků. Paleta naložená produktem v novém
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 407 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
balení má nyní výšku 1,4 m a na nákladní vozy lze palety řadit ve dvou vrstvách. Počet cest nákladních vozů se snížil o 10 % a počet ujetých kilometrů o 20 %. Požadovaná investice: 76 224 EURO Doba návratnosti: 1,5 měsíce Zkušební provoz: 3 měsíce Počáteční spotřeba paliva: 686 030 l nafty za rok Spotřeba paliva po zavedené nového způsobu balení: 536 875 l nafty za rok Snížení spotřeby nafty o 22 %. Snížení nepřímých nákladů podniku (doprava je pro tento podnik činností zajišťovanou externě): 610 000 EURO za rok Reference ADEME příručka o správných postupech energetické účinnosti v průmyslu (ADEME guide on good energy practices in industry (ref 3745) [94, ADEME, 2005], [103, Best practice programme, 1996]
7.16 Souhrn technik energetické ú činnosti z ostatních BREF ů 7.16.1 Výroba cementu a vápna (BREF CL) Důležitost energetické účinnosti Odvětví výroby cementu a vápna je odvětví s vysokou energetickou náročností – náklady za energie představují 30 – 50 % výrobních nákladů (tj. bez započítání kapitálových nákladů). Hlavními environmentálními tématy výroby cementu a vápna jsou znečišťování ovzduší a spotřeba energie. Nejvýznamnější procesy/technologie z hlediska energetické účinnosti Proces výpalu cementářského slínku či proces pálení uhličitanu vápenatého jsou hlavními zdroji emisí a v těchto procesech dochází k nejvyšší spotřebě energie. Energie je ve cementářském průmyslu spotřebována ve formě paliva pro pece. K největší spotřebě elektrické energie dochází při mletí a ventilaci odpadních plynů, které dohromady spotřebují více než 80 % celkové spotřeby elektrické energie. V průměru představují náklady za energií – jak ve formě paliva, tak ve formě elektřiny – 50 % celkových výrobních nákladů na výrobu tuny cementu. Elektrická energie představuje z celkové spotřeby energie zhruba 20 %. Teoretická spotřeba energie v procesu pálení (chemické reakce) je mezi 1700 – 1800 MJ/t slínku. Skutečná spotřeba energie v různých typech pecí je mezi 3000 – 6000 MJ/t slínku. Spotřeba elektrické energie je mezi 90 – 130 kWh/t cementu (BREF 1, 23). Spotřeba tepla a elektrické energie pro kalcinaci vápence ve vápenických pecích je závislá na typu pece, na kvalitě použitého kamene a na stupni konverze uhličitanu vápenatého na oxid vápenatý. Měrná spotřeba tepla na kalcinaci vápence je 3200 MJ/t. Čistá spotřeba tepla na tunu páleného vápna se liší podle typu vápenické pece. Rotační pece obecně potřebují ve srovnání s šachtovými pecemi více tepla. Spotřeba tepla obvykle roste se zvýšením stupně vypalování.
Přílohy
408 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Spotřeba elektrické energie je v nejnižším rozsahu 5 – 15 kWh/t vápna v pecích se smíšenou vsázkou a 20 – 40 kWh/t v pokročilých konstrukčních typech šachtových nebo rotačních pecí (BREF 1, 80). Techniky rekuperace s úspory energie v hlavních procesech V odvětví výroby cementu a vápna je k dispozici několik technik rekuperace a úspor energie v hlavních procesech, zejména v procesech pálení slínku a vápna. Tyto techniky byly zohledněny v průběhu stanovování BAT a budou popsány níže v textu. Energetické údaje a techniky úspor energie v ostatních procesech V cementářském průmyslu jsou dva procesy, které je nutno uvést, neboť představují významnou část spotřeby energie: hydratace vápna a mletí vápna. Při hydrataci vápna jsou energetické nároky provozu hydrátorů vzduchových třídičů a dopravníkových zařízení přibližně 5 až 30 kWh/t páleného vápna. Spotřeba energie při mletí vápna se mění od 4 až 10 kWh/t páleného vápna pro hrubší třídy po 10 až 40 kWh/t páleného vápna u jemnějších tříd. Množství potřebné energie také záleží na použitém zařízení (BREF 1, 81). Nejlepší dostupné techniky (BAT) V zásadě jsou k dispozici dva různé typy technik: techniky, které je nutno posoudit při stanovování BAT (techniky v současnosti nepovažované za BAT) a techniky, které jsou již považovány za BAT. Pro odvětví výroby cementu a vápna platí, že mezi těmito typy není takřka rozdíl. BAT techniky je také možné rozdělit na obecné techniky (primární opatření) a techniky specifické pro určitý technologický proces. Obecné BAT (cementářství) Následující opatření jsou považována za všeobecné BAT (primární opatření) (BREF 1, 48): Plynulý a stabilní proces pálení: • optimalizace řízení procesu, včetně počítačové automatické řídící systémy • použití moderních váhových systémů dávkování pevných paliv. Minimalizace spotřeby energie z paliv prostřednictvím: • předehříváním a předkalcinací na nejvyšší možnou míru s přihlédnutím ke stávající
konfiguraci pece • požitím moderních chladičů slínku umožňujících maximální rekuperaci tepla • rekuperaci tepla z odpadních plynů. Minimalizace spotřeby elektrické energie prostřednictvím: • systémů řízení energetických toků • mlecího zařízení a ostatních elektřinou poháněných zařízení s vysokou účinností.
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 409 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
BAT specifické pro vybrané procesy (cementářský průmysl) Za BAT výroby cementářského slínku pro nové závody a zásadní modernizace se považuje pec se suchým výrobním způsobem, s vícestupňovým výměníkem a předkalcinací. Příslušná hodnota tepelné bilance BAT je 3000 MJ/t slínku. Obecné BAT (vápenický průmysl) BAT pro výrobu vápna zahrnují následující obecná primární opatření (BREF 1, 94): Plynulý a stabilní proces pálení: • optimalizace řízení procesu. Minimalizace spotřeby energie prostřednictvím: • rekuperace tepla odpadních plynů a jeho využití k ohřevu vodu určené k hydrataci vápna. Minimalizace spotřeby elektrické energie prostřednictvím: • použitím mlýnů a ostatních elektřinou poháněných zařízení s vysokou účinností. BAT specifické pro vybraný proces (vápenický průmysl) Výměna či modifikace starých pecí za účelem snížení spotřeby energie v palivu. Takové modifikace mohou být od menších (instalace tepelných výměník) po větší projekty zaměřené na konfiguraci pece. Zvláštní aspekty pro opatření úspor a rekuperace energie Nejsou uvedeny žádné zvláštní aspekty opatření úspor a rekuperace energie. Doporučení do budoucnosti Bude užitečné prostudovat současné techniky omezování emisí, spotřebu a monitoring emisí a spotřeb ve vápenickém odvětví. 7.16.2 Průmysl výroby železa a oceli (BREF IS) Důležitost energetické účinnosti Výroba železa a oceli je energeticky náročným odvětvím. Kromě emisí do ovzduší a vzniku pevných odpadů a vedlejších výstupů výroby patří spotřeba energie mezi nejvýznamnější environmentální témata. Nejvýznamnější technologie/procesy z hlediska energetické náročnosti V BREFu o výrobě železa a oceli jsou představeny hlavní techniky výroby oceli, zejména v integrovaných hutních podnicích (ocelárnách) a v elektrických obloukových pecích. Hlavní výrobní kroky jsou kvůli složitosti integrovaných oceláren popsány odděleně (aglomerace, peletizace, koksovny, vysoké pece, kyslíkové konvertory a odlévání oceli). Všechny tyto výrobní kroky jsou považovány z hlediska energetické účinnosti za důležité.
Přílohy
410 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Proces, jenž spotřebuje nejvíce energie, je při výrobě železa a oceli vysoká pec. Vysoká pec, do níž je injektováno uhlí a rekuperován vysokotlaký kychtový plyn pro výrobu elektrické energie je celkový vstup energie 18,67 GJ/t surového železa (rozděleno na koks = 12,4, práškové uhlí = 1,63, horký vítr z ohřívačů 4,52 a elektrickou energii = 0,12 GJ/t surového železa) (BREF 2, 191). V aglomeračních jednotkách je rozsah spotřeby energie od 1125 – 1920 MJ/t aglomerátu (tepelné energie) při průměrné spotřebě 1480 MJ/t aglomerátu. Hlavním energetickým vstupem aglomeračního závodu je koks (zhruba 85 %), elektrická energie a zemní plyn představují zbývající část celkové spotřeby energie a dělí se o ni rovným dílem (BREF 2, 44). Spotřeba energie v peletizačních závodech závisí na typu zařízení. Pokud je peletizační linka součástí integrovaných oceláren, jsou dosažitelné následující spotřeby energie: koksárenský plyn (COG) 398,7 MJ/t, zemní plyn 209 MJ/t, koks 283 MJ/t. Samostatný peletizační závod spotřebuje energie méně: uhlí 213 – 269 MJ/t, ropa 38 – 171 MJ/t (BREF 2, 95). Spotřeba elektrické energie je v rozmezí 51 MJ/t až 128 MJ/t v závislosti na typu závodu.. V koksovnách lze dosáhnout spotřeby energie 3000 – 3900 MJ/t (vysokopecní plyn a koksárenský plyn) a 20 – 170 MJ/t (elektrická energie). Energetická bilance koksovny (bez využití koksárenského plynu) ukazuje, že při vstupu 43 GJ/t koksu dosahuje ztráta energie 3,33 GJ/t (<10 %) (BREF 2, 122, 127 – 128). K klasickém procesu kyslíkového konvertoru (BOF – basic oxygen furnace) je palivo spotřebováno na předehřátí a vysušení konvertorů po obnově vyzdívky a po opravách. Toto množství spotřebované tepelné energie je zhruba 0,051 GJ/t tekuté oceli. Spotřeba elektrické energie se odhaduje na 23 kWh/t tekuté oceli nebo 0,08 GJ/t tekuté oceli (BREF 2, 242). Výroba oceli s pomocí elektrické energie je obvykle prováděna v elektrické obloukové peci (EAF – electric arc furnace). V Evropské Unii představuje tento typ pecí hlavní typ s rostoucím významem (35,3 % celkové výroby oceli). Celková spotřeba energie dosahuje 2300 – 2700 MJ/t (BREF 2, 281). Techniky rekuperace s úspory energie v hlavních procesech Pro vysoké pece patří následující opatření integrovaná do procesu mezi techniky rekuperace a úspor energie (BREF 2, 194–198): • přímá injektáž redukčních činidel. Úspory energie mohou dosáhnout až 0,68 GJ/t
surového železa, či 3,6 % celkové spotřeby energie ve vysoké peci • rekuperace energie z vysokopecního plynu. Přibližně 5 GJ/t surového železa nebo 30 %
celkové spotřeby energie ve vysoké peci • rekuperace energie z tlaku kychtového plynu. Odhad úspor energie činí až 0,4 GJ/t
surového železa, což představuje 2 % celkové spotřeby energie ve vysoké peci • energetické úspory u ohřívačů větru. Je možné dosáhnout úspor zhruba 0,5 GJ/t surového
železa. V aglomeračních závodech lze následující techniky považovat za techniky rekuperace energie: • rekuperace tepla ze spékání a chlazení aglomerátu (BREF 2, 53–54) – množství
rekuperovaného tepla dosahuje až 30 % tepelného vstupu. Z aglomeračních závodů odcházejí dva druhy potenciálně znovu využitelné odpadní energie: citelné teplo z hlavního výduchu plynu aglomeračního zařízení a citelné teplo z chladícího vzduchu chladiče aglomerátu. Množství rekuperovaného tepla lze ovlivnit konstrukcí aglomeračního závodu a systému rekuperace:
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 411 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
o rekuperace odpadního tepla z chladiče aglomerátu s konvenčním a rovněž energeticky optimalizovaným aglomerováním (EOS)
o (rekuperovaná energie = 18 % celkového energetického příkonu spalinového kotle) [pozn. v originále nepřesná formulace – neodpovídá BREF ISP]
o rekuperace tepla z odpadního plynu a z chladiče aglomerátu se sekvenční recirkulací odpadního plynu
o (rekuperovaná energie = 23.1 % energetického příkonu) o ochlazování pásu a rekuperace odpadního tepla s částečnou recirkulací odpadního
plynu Pro peletizační závody lze následující techniky považovat za techniky rekuperace tepla (BREF 2, 99): • rekuperace citelného tepla z vytvrzovacího pásu. Přibližně 67,5 MJ/t pelet či 4 % celkové
spotřeby energie. Pro koksovny není uvedena žádná technika úspor energie. Pro proces kyslíkového konvertoru jsou následující techniky považovány za techniky rekuperace a úspor energie (BREF 2, 244-246): • rekuperace tepla z konvertorového plynu. Pokud je rekuperována energie obsažená
v konvertorovém plynu (rekuperace odpadního tepla a/nebo rekuperace konvertorového plynu), stává se z konvertoru čistý výrobce energie. V moderních závodech lze dosáhnout rekuperace až 0,7GJ/t surové oceli.
Při elektrické výrobě oceli a odlévání je k dispozici několik technik rekuperace a úspor energie (BREF 2, 295–301). Nejdůležitější jsou: • optimalizace procesu elektrické obloukové pece • předehřev šrotu. Energetické údaje a techniky úspor energie pro ostatní procesy Integrované ocelárny jsou složitá zařízení a samotný BREF výroba železa a oceli je odpovídajícím způsobem strukturován. Z tohoto důvodu jsou všechny relevantní procesy popsány v jednom celku a nejdůležitější (vysoké pece) je uveden v částech výše. Nejlepší dostupné techniky (BAT) V zásadě lze uvažovat o dvou rozdílných typech technik: techniky, které bude nutné posoudit při stanovení BAT (techniky, které dosud nejsou považovány za BAT), a techniky, které jsou považovány za BAT. V průmyslu výroby železa a oceli jsou tyto dva typy technik takřka shodné. Všechny techniky popsané výše lze vzít v úvahu při stanovování BAT. V další části je představen krátký souhrn technik BAT týkajících se energetického hospodářství. Zvláštní BAT pro vysoké pece • rekuperace vysokopecního plynu • přímý vstřik redukčních činidel • rekuperace energie z vysokotlakého kychtového plynu, pokud jsou splněny nutné
předpoklady • horké sušení (kde to dovoluje konstrukce).
Přílohy
412 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Zvláštní BAT pro aglomerace • rekuperace citelného tepla Zvláštní BAT pro peletizační závody • rekuperace citelného tepla Zvláštní BAT pro kyslíkové konvertory a odlévání • rekuperace konvertorového plynu a primární odprášení. Zvláštní BAT elektrickou výrobu oceli a odlévání • předehřev šrotu za účelem rekuperace citelného tepla z primárního plynu. Zvláštní aspekty pro opatření úspor a rekuperace energie Informace o technikách rekuperace a úspor energie jsou uvedené přehledně a správně. 7.16.3 Průmysl výroby neželezných kov ů (BREF NFM) Důležitost energetické účinnosti Ve výrobě neželezných kovů je spotřeba energie a její rekuperace významným faktorem. Spotřeba energie závisí na optimálním využití energetického obsahu sulfidických rud, na energetických požadavcích jednotlivých kroků výroby, na typu spotřebované energie, na způsobu jejích dodávek, a na využití účinných metod její rekuperace. V posledních 25 letech dochází k neustálému zlepšování environmentální výkonnosti a energetické účinnosti odvětví. Výsledky v recyklaci dosažené tímto odvětvím nemají v žádném jiném průmyslu obdoby. Nejvýznamnější technologie/procesy z hlediska energetické náročnosti Nejvýznamnější procesy a techniky v odvětví výroby neželezných kovů z hlediska energetické účinnosti jsou pyrometalurgické procesy. Tyto procesy jsou energeticky vysoce náročné a procesní plyny obsahují velké množství energie. Techniky rekuperace s úspory energie v hlavních procesech Pro pyrometalurgické procesy je k dispozici je řada technik úspor energie. Následuje několik příkladů: • vyrobená pára může být využita na výrobu elektrické energie a/nebo na potřeby vytápění • využití nadbytečného tepla na tavení sekundárních materiálů bez použití dodatečných
paliv • využití kyslíkem obohaceného vzduchu nebo samotné kyslíku v hořácích a následné
snížení spotřeby energie umožněním autogenního natavování či dokonalého spalování uhlíkových materiálů
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 413 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• oddělené sušení koncentrátů za nízkých teplot snižuje spotřebu energie • rekuperace tepla využitím horkých plynů z tavících provozů a jeho využití na předehřev
dávky před pecí. Množství rekuperovaného tepla představuje 4 – 6 % spotřeby paliva v peci.
• zachycování a spalování oxidu uhelnatého (vznikajícího v elektrických nebo vysokých pecích) jako paliva v některých dalších procesech, nebo jeho využití k výrobě páry či jiné energie
• recirkulace kontaminovaného odpadního plynu zpět na kyslíkové hořáky vede k významným úsporám energie
• využití tepla obsaženého v procesních plynech nebo páře a zvýšení teploty louhovacích roztoků.
Energetické údaje a techniky úspor energie pro ostatní procesy O spotřebě energie při výrobě různých neželezných kovů je k dispozici mnoho informací. Tyto kovy jsou na základní úrovni rozděleny do deseti skupiny a popsány odděleně. Následující informace podává přehled údajů. Měď: Spotřeba energie v elektrolytických procesech není významná. Požadavky
na energie (čisté) pro řadu výrobních procesů využívajících koncentrát mědi je v rozmezí 14 – 20 GJ/t měděné katody. Spotřeba energie ve fázi elektrické rafinace výroby mědi je udávána mezi 300 – 400 kWh/t mědi (BREF 3, 214).
Hliník: Hlavní náklady výroby primárního hliníku představuje elektrická energie
(zhruba 30 % výrobních nákladů). Běžný rozsah spotřeby energie je 8 – 13,5 GJ/t hliníku (BREF 3, 283–284).
Olovo a zinek: Spotřeba energie se v různých procesech výroby olova a zinku značně liší. Ve většině procesů je využívána elektrická energie (BREF 3, 359).
Feroslitiny: Odvětví výroby feroslitin je hlavním spotřebitelem energie. Zákony termodynamiky omezují možnosti snížit spotřebu energie v hutnických procesech. Ve většině případů je snížení celkové spotřeby energie možné pouze využitím účinného systému rekuperace energie (BREF 3, 528–532).
Nikl: Energie spotřebovaná při výrobě kamínku ze sulfidových rud je udávána v rozmezí 25 – 65 GJ/t niklu pro rudy obsahující 4 – 15 % Ni. Spotřeba energie v různých fázích rafinace je uváděna v rozmezí 17 – 20 GJ/t Ni (BREF 3, 631).
Výroba feroslitin je vysoce energeticky náročný proces, jelikož jsou vyžadovány vysoké teploty, které umožňují redukci kovových oxidů a tavení. V BREFu pro výrobu neželezných kovů je uvedeno několik opatření rekuperace energie a využití rekuperované energie (BREF 3, 546–548). Nejlepší dostupné techniky (BAT) V zásadě lze uvažovat o dvou rozdílných typech technik: techniky, které bude nutné posoudit při stanovení BAT (techniky, které dosud nejsou považovány za BAT), a techniky, které jsou považovány za BAT. Pro odvětví výroby neželezných kovů jsou závěry o BAT technikách rekuperace energie následující: • výroba páry a elektrické energie z tepla vyrobeného z odpadního tepla ze spalinových
kotlů • využití reakčního tepla k tavení či spékání koncentrátů či tavení šrotu v konvertoru • použití horkých procesních plynů k sušení vstupních materiálů • předehřívání vyzdívky pece energetickým obsahem pecních plynů či horkých plynů
z jiných zdrojů • použití rekuperačních hořáků či předehřívání spalovacího vzduchu
Přílohy
414 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• využití CO vznikajícího ve formě plynného paliva • ohřívání louhovacích kapalin horkými procesními plyny nebo roztoky • využití umělých hmot obsažených v některých surovinách jako paliva, za předpokladu, že
kvalitní plastické hmoty nelze opětovně využít a nedochází k emisím VOC a dioxinů • ve vyzdívkách pecí použít žáruvzdorné materiály o nízké hmotnosti, je-li to možné. Zvláštní aspekty pro opatření úspor a rekuperace energie Většina technik rekuperace energie a jejích úspor jsou specifické pro určité provozovny. Ne každou techniku lze kdekoliv použít. Zvláště techniky rekuperace tepla jsou závod od závodu rozdílné. Vliv na možnosti použití má řada faktorů, jako je potenciál využití tepla a energie v dané (nebo blízké) provozovně, rozsah činností, a schopnost plynů či jejich složek zašpinit nebo zanést tepelné výměníky. Doporučení do budoucnosti Doporučuje se vyvinout další úsilí na zajištění informací o zvláštních emisích a údajích o spotřebách. Zajištěny by měly být také informace o spotřebě energie. 7.16.4 Papírenský pr ůmysl (BREF PP) Důležitost energetické účinnosti Výroba vlákniny a papíru vyžaduje velké množství procesní vody a energie ve formě páry nebo elektrické energie. Hlavními environmentálními tématy spojenými s výrobou vlákniny a papíru jsou emise do vody, emise do ovzduší a spotřeba energie. Nejvýznamnější technologie/procesy z hlediska energetické náročnosti Ve výrobě vlákniny a papíru je použito několik různých procesů. V závislosti na typu závodu může být papírna integrována s výrobou vlákniny (celulózkou) v jedné provozovně nebo může vyrábět papír z vlákniny, kterou nakoupí jako surovinu od externí celulózky. BREF o výrobě vlákniny a papíru je rozdělen do pěti hlavních kapitol, v nichž jsou popsány různé procesy. Spotřeby energie jsou uvedeny pro každý proces odděleně. Z hlediska spotřeby energie jsou nejvýznamnějšími procesy vypařování a údržba papírenských strojů. Výroba sulfátové (kraft) buničiny Velká část tepelné energie je během tohoto procesu spotřebována na zahřívání rozličných kapalin a pro odpařování vody. Elektrická energie je spotřebována na dopravu materiálů (čerpání) a na provoz papírenského stroje. Výroba bělené sulfátové buničiny spotřebuje mezi 10 – 14 GJ/Adt tepelné energie (pára na výrobu elektrické energie není započítána). Spotřeba elektrické energie je 600 – 800 kWh/Adt, včetně sušení vlákniny. Spotřeba na energie na sušení vlákniny je zhruba 25 % spotřeby tepelné energie a 15 – 20 % spotřeby elektrické energie. Více než 50 % elektrické energie je spotřebováno na čerpání (BREF 4, 52 – 56). Výroba buničiny sulfitovým způsobem Kapitola o požadavcích na energie je v BREFu vyhrazena, nicméně nejsou uvedeny žádné údaje (BREF 4, 132). Mechanická a chemicko-mechanická výroba vlákniny Spotřeba energie závisí na typu výroby vlákniny. Potřeba energie při zpracování dřevoviny je 1100 – 2300 kWh/t vlákniny, zatímco na rafinaci mechanických vláknin je potřeba 1600 – 3000 kWh/t vlákniny. Tepelně-mechanické vlákniny spotřebují 1000 – 4300 kWh/t vlákniny (BREF 4, 182 – 185).
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 415 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Zpracování sběrového papíru Papírenské a lepenkářské mlecí zařízení spotřebují významné množství páry na ohřev vody a velké množství elektrické energie na pohon strojů, na čerpání, výrobu vakua, ventilaci na čištění odpadní vody. V papírenských mlýnech je spotřeba energie hlavním prvkem provozních nákladů. Například v Holandsku je měrná spotřeba elektrické energie na zpracování sběrového papíru 322 kWh/t (nezohledněn rozdíl ve měrné spotřebě elektrické energie mezi RCF zpracováním s a bez odbarvování) (BREF 4, 241 – 245). Výroba papíru a související procesy Papírenský průmysl lze obecně popsat jako energeticky náročný. V procesu výroby papíru představuje energie třetí nejvyšší nákladovou položku, přibližně náklady na energii činí 8 % obratu odvětví. Celková potřeba energie (spotřeba) ve formě tepla (pára) a elektrické energie je pro neintegrovanou papírnu uváděna následující: • procesní teplo: 8 GJ/t (okolo 2 222 kWh/t) • elektrická energie: 674 kWh/t V BREFu Výroba papíru a vlákniny lze nalézt podrobnější informace o spotřebách energie v každém výrobník kroku. Techniky rekuperace a úspor energie v hlavních procesech Techniky rekuperace energie a jejích úspor pro hlavní procesy jsou uvedeny níže a lze je považovat za BAT. Energetické údaje a techniky úspor energie pro ostatní procesy Většina technik úspor energie je popsána níže a může být považována za BAT. K následujícím procesům jsou uvedeny další informace: Výroba sulfátové (kraft) buničiny Během procesu obnovy chemických látek lze rekuperovat velké množství energie a použít ji na výrobu páry či elektrické energie. Mechanická a chemicko-mechanická výroba vlákniny V závislosti na konkrétním procesu rozvlákňování je možné dosáhnout rekuperace 20 – 30 % energie jak v páře, tak v horké vodě. Pro tepelně- mechanické vlákniny může rekuperovatelná energie předtavovat až 40 – 45 (BREF 4, 183). Nejlepší dostupné techniky (BAT) V zásadě lze uvažovat o dvou rozdílných typech technik: techniky, které bude nutné posoudit při stanovení BAT (techniky, které dosud nejsou považovány za BAT), a techniky, které jsou považovány za BAT. BAT techniky jsou dále rozděleny do dvou typů: obecné BAT, které se týkají společných aspektů a opatření a zvláštní BAT pro určité procesy zohledňující specifika procesů. Obecná BAT Následující opatření lze považovat za obecné techniky (primární opatření) pro všechny procesy v odvětví (BREF 4, 100): • výcvik, školení a motivace zaměstnanců a manipulantů • optimalizace řízení procesu • dostatečná údržba technických jednotek
Přílohy
416 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• systém environmentálního managementu, jenž mimo jiné optimalizuje management, zvyšuje povědomí, stanovuje cíle a opatření, pracovní postupy.
Zvláštní BAT pro procesy sulfátových celulózek a papíren Opatření pro rekuperaci tepla a pro nízkou spotřebu tepla (BREF 4, 110–111): • vysoký obsah sušiny v kůře a černém louhu • vysoká účinnost parních kotlů, např. nízké teploty kouřových plynů • účinná sekundární topná soustava, např. voda horká okolo 85 °C • dobře uzavřený vodní systém • poměrné dobře uzavřená bělírna • vysoká koncentrace buničiny (technika se střední – MC – konzistencí buničiny) • předsušení vápna • využití sekundárního tepla k vytápění budov • dobré řízení procesu. Opatření pro nízkou spotřebu elektrické energie: • co možno nejvyšší konzistence buničiny při třídění a čištění • regulace otáček použitých velkých motorů • účinné vakuové vývěvy • správné dimenzování potrubí, čerpadel a ventilátorů. Opatření pro vysokou výrobu elektrické energie: • vysoký tlak v kotli • výstupní tlak páry v protitlaké turbíně tak nízký, jak je technicky proveditelné • kondenzační turbína pro výrobu energie z přebytečné páry • vysoká účinnost turbíny • předehřívání vzduchu a paliv dávkovaných do kotlů. Zvláštní BAT pro procesy mechanické celulózky a papírny • zavedení systému monitoringu spotřeby energie a výkonnosti • modernizace zařízení • minimalizace ztrát ze zmetků zavedením účinného zpracování zmetků a jejich rafinace • využití účinného systému rekuperace tepla • použití kogenerační výroby tepla a elektrické energie, pokud to poměr elektrické energie
k energii tepelné umožňuje. Zvláštní BAT pro procesy zpracování sběrového papíru • zavedení systému monitoringu spotřeb a výkonnosti energie • modernizace zařízení • použití anaerobního čištění odpadní vody. Zvláštní BAT pro procesy papíren • zavedení systému monitoringu spotřeby a výkonu energie • využitím technologií lisů s rozšířenou styčnou linkou účinnější odvodňování papírových
sítí
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 417 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• využití technologií energetické účinnosti, jako jsou vysokokonzistenční rozvlákňování, nejlepší postup rafinace, dvousítová tvorba listu, optimalizované vakuové systémy, systémy pohonu s regulací rychlosti, elektrické motory s vysokou účinností, dobře dimenzované elektromotory, vracení kondenzátu, zvýšení sušiny klížidla, nebo systémy rekuperace tepla z odpadního vzduchu
• snížení přímé spotřeby páry obezřetnou integrací procesu za pomocí pinch analýzy. Hodnoty spojené s aplikací BAT Spotřeba tepelné a elektrické energie v sulfidových výrobách papíru a vlákniny je následující (BREF 4, 110–111): • neintegrovaná celulózka na bělenou sulfátovou buničinu: 10–14 GJ/Adt procesního tepla
a 0,6–0,8 MWh/Adt elektrické energie • integrovaný závod na výrobu bělené sulfátové buničiny a nenatíraného bezdřevého
papíru: 14–20 GJ/Adt procesního tepla a 1,2–1,5 MWh/Adt elektrické energie • integrovaný závod na výrobu neběleného kraftlineru: 14–17,5 GJ/Adt procesního tepla
and 1–1,3 MWh/Adt elektrické energie. Spotřeba energie při aplikaci BAT v sulfitových celulózkách a papírnách je následující: • neintegrovaná celulózka na bělenou sulfátovou buničinu: 16–18 GJ/Adt procesního tepla
a 0,7–0,8 MWh/Adt elektrické energie • integrovaný závod na výrobu sulfitové buničiny a natíraného bezdřevého papíru: 17–23
GJ/Adt procesního tepla a 1,5–1,75 MWh/Adt elektrické energie • integrovaný závod na výrobu bělené sulfitové buničiny a natíraného bezdřevého papíru:
18–24 GJ/Adt procesního tepla a 1,2–1,5 MWh/Adt elektrické energie. Mechanická papírna a celulózka na úrovni energetické účinnosti dosahuje následujících spotřeb tepla a elektrické energie (BREF 4, 214–215): • neintegrovaná CTMP (chemitermomechanická papírna): 2–3 MWh/Adt elektrické
energie • integrovaná papírna na výrobu novinového papíru: 0–3 GJ/Adt procesního tepla a 2–3
MWh/Adt elektrické energie • integrovaný závod, výroba LWC papíru: 3–12 GJ/Adt procesního tepla a 1,7–2,6
MWh/Adt elektrické energie • integrovaný závod, výroba SC papíru: 1–6 GJ/Adt procesního tepla a 1,9–2,6 MWh/Adt
elektrické energie. V energeticky efektivních papírnách zpracujících sběrový papír jsou spotřeby tepla a elektrické energie následující (BREF 4, 302–303): • integrovaný závod, papír na bázi RCF: 6–6,5 GJ/Adt procesního tepla a MWh/Adt
elektrické energie • integrovaný závod, tissue, DIP, se zesvětlováním: 7–12 GJ/Adt procesního tepla a 1.2–
1.4 MWh/Adt elektrické energie • integrovaný závod, novinový papír na bázi RCF, se zesvětlováním: 4–6.5 GJ/Adt
procesního tepla a 1–1.5 MWh/Adt elektrické energie. Spotřeba tepla a elektrické energie v neintegrované papírně je následující (BREF 4, 411–412): • neintegrovaná papírna: 7–7,5 GJ/Adt procesního tepla a 0.6–0.7 MWh/Adt elektrické
energie
Přílohy
418 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• neintegrovaná papírna, natíraný bezdřevý papír: 7–8 GJ/Adt procesního tepla a 0.7–0.9 MWh/Adt elektrické energie
• neintegrovaná papírna, tissue: 5.5–7.5 GJ/Adt procesního tepla a 0.6–1.1 MWh/Adt elektrické energie.
Zvláštní aspekty pro opatření úspor a rekuperace energie Některé techniky rekuperace a úspor energie jsou výlučné pro určité závody. Zda lze použit určitou techniku je závislé na umístění provozovny. Doporučení do budoucna O průmyslu výroby buničiny a papíru je dostupných málo informací o energeticky účinných technologiích a praktických zkušenostech s jejich zavedením. Pokud jsou uvedeny údaje o tocích energie a energetické bilance, často nejsou dostatečně vyjádřené předpoklady a podmínky při jejich zjišťování. Před zahájením příští revize je nutné vyhodnotit a odvodit více údajů o měrné spotřebě energie pro jednotlivé výroby.
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 419 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
7.16.5 Průmysl chloralkalické chemie (BREF CAK) Důležitost energetické účinnosti Chloralkalický proces spotřebuje velké množství energie a je jedním z největších spotřebitelů energie. Nejvýznamnější technologie/procesy z hlediska energetické náročnosti Chloralkalický proces je v Evropské unii využíván především v amalgámové technologii výroby chloru. Hlavním environmentálním problémem několika provozoven je kontaminace půdy a vodních mas rtutí z minulých aktivit. Výroba chloru s pomocí rtuti byla po mnoho let velkým zdrojem znečištění životního prostředí, neboť rtuť během procesu uniká do ovzduší a vody, a objevuje se ve výrobcích a odpadech. Amalgámová technologie spotřebuje 3560 ACkWh(t Cl2 (kilowatthodiny střídavého proudu na tunu chloru), s předpokladem 50 % hydroxidu sodného a před zkapalněním chloru. Provoz chloralkalického závodu je závislý na dostupnosti velkého množství jednosměrného proudu (DC), jenž je obvykle odebírán z vysokonapěťového zdroje střídavého proudu (AC) (BREF 5, 36–37). Techniky rekuperace s úspory energie v hlavních procesech O technikách rekuperace a úspor energie pro amalgamovou technologii je dostupných velice málo. Více je informací je uvedeno v části o BAT. Energetické údaje a techniky úspor energie pro ostatní procesy V chloralkalickém odvětví jsou další dvě technologie, jež mají menší význam ve srovnání s amalgámovou technologií. Na druhou stranu jsou zajímavější z hlediska potenciálních úspor energie. Jsou to technologie diafragmová a membránová. Celková upravená spotřeba energie diafragmovou technologií je téměř shodná se spotřebou amalgámové technologie: 3 580 ACkWh/t Cl2. Membránová technologie spotřebuje 2 970 ACkWh/t Cl2 (BREF 5, 36–37). Nejlepší dostupné techniky (BAT) V zásadě lze uvažovat o dvou rozdílných typech technik: techniky, které bude nutné posoudit při stanovení BAT (techniky, které dosud nejsou považovány za BAT), a techniky, které jsou považovány za BAT. Nejlepší dostupná technika pro výrobu chloralkali je membránová technologie. Celková spotřeba energie spojená s aplikací BAT při výrobě plynného chloru a 50 % hydroxidu sodného je méně než 3 000 ACkWh/t chloru, kde zkapalnění chloru není započítáno, a méně než 3 200 ACkWh/t chloru, je-li zkapalnění započteno. Nejlepší dostupnou technikou pro provozovny s amalgámovou technologií je přestavba na membránovou technologii. Nejlepší dostupnou technikou pro provozovny s diafragmovou technologie je přestavba na membránovou technologii nebo použití diafragmy bez asbestu.. Zvláštní aspekty pro opatření úspor a rekuperace energie Při použití amalgámové a diafragmové technologie je k dispozici velice málo technik rekuperace a úspor energie. BAT je přechod na membránové technologie. Technologie výroby chloralkali je specifická pro každou provozovnu, neboť je nutné řešit jednotlivé obtíže se skladováním a dopravou chloru. Výroba proto obvykle probíhá v blízkosti
Přílohy
420 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
odběratelů chloru. Více než 85 % chloru vyrobeného v Evropské Unii je spotřebováno v chemických procesech probíhajících na stejném nebo přilehlém místě. BREF o chloralkalické chemii obsahuje dále informace o národní a mezinárodní legislativní úpravě v rámci Evropské Unii. Důraz je kladen na emise do ovzduší a do vody, zatímco aspekty úspor energie jsou uváděny pouze nahodile (BREF 5, Annex D, 136–137). 7.16.6 Zpracování železných kov ů (BREF FMP) Důležitost energetické účinnosti BREF o zpracování železných kovů je rozdělen do tří hlavních částí (tváření za tepla a za studena, kontinuální pokovování, vsázková galvanizace), v kterých jsou popsány rozdílné procesy, a do zvláštní části, v které jsou popsány techniky průřezově použitelné v různých dílčích odvětvích. Spotřeba energie je spolu s emisemi do ovzduší (především NOx, SO2 a prach) hlavním environmentálním tématem prvních dvou částí BREFu. Ve třetí části nehraje spotřeba energie významnou roli, což je pravděpodobně důvodem, proč v ní nejsou takřka žádné informace. Čtvrtá část obsahuje detailní technické popisy a informace o technikách, jež je možné použít v různých dílčích odvětvích. Většina informací je zaměřena na omezování emisí, přičemž energetické aspekty jsou popsány neadekvátně. Nejvýznamnější technologie/procesy z hlediska energetické náročnosti Část A: tváření za tepla a za studena V technologii tváření za tepla a za studena je využíváno několik technik a procesů, z nichž nejdůležitějším z hlediska energetické účinnosti je předehřívání a tepelné zpracování v pecích. Spotřeba energie v pecích závisí na několika parametrech, jako je mimo jiné konstrukce pece, propustnost a střídání směn, projektovaná délka rekuperační zóny v peci, konstrukce hořáku. Spotřeba energie v těchto pecích je mezi 0,7 GJ/t a 6,5 GJ/t, s typickými hodnotami mezi 1 - 3 GJ/t (BREF 6, 63-65). Část B: kontinuální pokovování Stejně jako v Části A jsou nejdůležitějšími procesy pece na předehřev a tepelnou úpravu. Část C: Vsázková galvanizace Není uveden žádný zvláštní proces. Techniky rekuperace s úspory energie v hlavních procesech Takřka každá technika úspor energie týkající se předehřevu a tepelného zpracování v pecích je považována za BAT (viz část “Zvláštní BAT”). Energetické údaje a techniky úspor energie pro ostatní procesy Další procesy a techniky zahrnující spotřebu energie jsou z části A:: válcovny za tepla 72–140 kWh/t (deformační energie) moření slitin 0,015–0,3 GJ/t (elektrická energie) válcovny za studena 0,2–0,3 GJ/t (elektrická energie) žíhání slitin 0,06–0,12 GJ/t (elektrická energie) popouštění pásu 0,02–0,15 GJ/t (elektrická energie) dokončování (řezání, kontrola, balení) 0,02–0,04 GJ/t (elektrická energie) a mnoho dalších, pro něž nejsou dostupné údaje o spotřebě energie.
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 421 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
V BREFu zpracování železných kovů je omezené množství informací o technikách úspor energie (BREF 6, 81–87). V části B je zmíněno několik dalších procesů, nicméně je o nich uvedeno malé množství informací týkajících se spotřeby energie (BREF 6, 276, 281–282): spotřeba celé linky povrchových úprav 800–1 300 MJ/t (zemní plyn) 44–140 MJ/t (elektrická energie) 20–44 MJ/t (horká voda) hliníkování plechu 67 kWh/t (elektrická energie) 273 kWh/t (zemní plyn) pokovování plechu slitinou olova a cínu 2,43 kWh/t (elektrická energie) 1 490 MJ/t (zemní plyn) Údaje o spotřebě energie z části C (BREF 6, 345–346, 350): odmašťování 0–44.6 kWh/t moření 0–25 kWh/t žárové pokovování ponorem 180–1 000 kWh/t a mnoho dalších, pro něž nejsou dostupné údaje o spotřebě energie. Pro proces žárového pokovování ponorem je uveden krátký popis dostupných úspor energie (BREF 6, 377–378, 384). Uzavřená galvanizační nádrž � úspory energie získané zmenšením úniků tepla z povrchu galvanizační nádrže. Rekuperace tepla z kotlů na galvanizaci � snížení spotřeby paliva. Pokles spotřeby energie je v rozmezí 15–45 kWh/t černé oceli. Nejlepší dostupné techniky (BAT) V zásadě lze uvažovat o dvou rozdílných typech technik: techniky, které bude nutné posoudit při stanovení BAT (techniky, které dosud nejsou považovány za BAT), a techniky, které jsou považovány za BAT. Pro odvětví zpracování železných kovů jsou tyto techniky takřka shodné. Dále jsou BAT techniky rozděleny na obecné BAT (primární opatření) a zvláštní BAT specifické pro určité procesy. Obecné BAT Následující opatření lze považovat za obecnou techniku (primární opatření) pro tváření za tepla a za studena: • obecná opatření, např. konstrukce pece, provoz a údržba. Zvláštní BAT specifická pro jednotlivé procesy K části A, tváření za tepla a za studena: předehřev a tepelné zpracování v pecích • rekuperace tepla z odpadního tepla na předehřev vsázky • rekuperace tepla z odpadního plynu regeneračními nebo rekuperačními hořákovými
systémy • rekuperace tepla z odpadního plynu ve spalinovém kotli nebo výparným kluzným
chlazením (tam, kde je potřeba pára) à úspory energie 25–50 % • omezování teploty vzduchu na předehřev.
Přílohy
422 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Odstraňování povlaků • označování materiálu za účelem snížení spotřeby vody a energie. Pro ostatní procesy nejsou uvedeny žádné BAT techniky týkající se hospodaření s energií. Většina technik úspor energie je zmíněna výše. Zvláštní aspekty pro opatření úspor a rekuperace energie Některé techniky (též BAT techniky) úspor energie vedou ke zvýšení emisí NOx. Snížení emisí SO2, CO2 a CO musí být posouzeno vzhledem k potenciálnímu nárůstu emisí NOx. Doporučení do budoucnosti Během revize BREF o zpracování železných kovů by měly být zajištěny informace o emisích, úrovních spotřeby a ekonomii zavedení. Obzvláště pro velkou řadu technik zařazených mezi potenciální techniky BAT je v současnosti o těchto tématech citelný nedostatek informací. Zvláštní pozornost je třeba věnovat emisím Nox jak z pecí aplikujících předehřev vzduchem a pecí, které tento předehřev nevyužívají. Pomocí těchto údajů bude možné nejen podrobné vyhodnocení účinnosti redukčních opatření, ale i porovnání výhod a nevýhod konfliktu mezi úsporami energie a emisemi NOx. 7.16.7 Průmysl výroby skla Důležitost energetické účinnosti Výroba skla je činností energeticky značně náročnou a volba zdroje energie, tepelné techniky a technik rekuperace tepla jsou klíčové úlohy projektu pece. Hlavními environmentálními tématy jsou emise do ovzduší a spotřeba energie. Nejvýznamnější technologie/procesy z hlediska energetické náročnosti Ústředním procesem ve výrobě skla je tavení. Environmentální výkonnost a energetická účinnost této výroby jsou dále ovlivněny volbou zdroje energie, tepelnými technikami a technikami rekuperace tepla. Hlavními zdroji energie pro výrobu skla jsou zemní plyn, topný olej a elektrická energie. Energie potřebná pro tavení sklad představuje více než 75 % celkové spotřeby energie ve výrobě skla. Teoretické požadavky na energii pro tři hlavní typy skla (sodnovápenaté, boritokřemičité a křišťálové sklo) se u procesu tavení pohybují od 2,25 GJ/t po 2,68 GJ/t. Skutečné spotřeby energie v různých dílčích odvětvích se výrazně odlišují a jsou mezi hodnotami zhruba 3,5 GJ/t a více než 40 GJ/t. Množství potřebné energie velmi závisí na konstrukci pece a rozsahu a postupu činností. Většina skla je vyrobena ve velkých pecích a spotřeba energie na tavení je obecně nižší než 8 GJ/t (BREF 6, 72–75). Za rok 1997 byla celková spotřeba energie sklářským průmyslem 265 GJ/t. Techniky rekuperace s úspory energie v hlavních procesech Hlavní techniky tavení jsou: • regenerativní pece • rekuperační pece • kyslíkopalivové pece • elektrické pece • kombinované tavení spalováním fosilních paliv a využitím elektrické energie • diskontinuální dávkové tavení.
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 423 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
V regenerativních pecích je používán systém rekuperace tepla. Kyslíkopalivové tavení umožňuje dosáhnout úspor energie tím, že není nutné na teplotu plamene ohřívat vzdušný dusík. Energetické údaje a techniky úspor energie pro ostatní procesy Sklářský průmysl lze rozdělit do osmi dílčích odvětví podle finálního výrobku. Těmito produkty jsou obalové sklo, ploché sklo, skleněné textilní vlákno, domácenské (užitkové) sklo, speciální (technické) sklo, minerální vlna, keramické vlákno a frity. V každém z těchto dílčích odvětví tavení dominuje. Je ovšem nutno zmínit několik dalších procesů. • tvarování (2–5 %) • žíhání (okolo 3 %) • předehřívání (okolo 6 %) • úprava (okolo 11 %) • vytápění provozovny • obecné služby Hodnoty vyjadřují rozsah podílů na celkové spotřebě energie. Nejlepší dostupné techniky (BAT) Pro sklářský průmysl jsou uvedeny pouze techniky uvažované pro stanovení BAT. Těmito technikami jsou • technika tavení a konstrukce pece (okolo 15 %) • řízení spalování a volba paliva n.a. • spotřeba střepů (2,5–3 %) • spalinové kotle n.a. • předehřev střepů/dávky (10–20 %) Hodnoty vyjadřují rozsah energetických úspor. Zvláštní aspekty pro opatření úspor a rekuperace energie Nejsou uvedeny žádné zvláštní aspekty pro opatření úspor a rekuperace energie. Doporučení do budoucnosti Bude užitečné, pokud bude v rámci revizních prací provedeno podrobnější vyhodnocení technik zlepšení energetické účinnosti zohledňující nejnovější dostupné informace. 7.16.8 Průmyslové chladící soustavy (BREF CV) Důležitost energetické účinnosti Chlazení je podstatným prvkem mnoha průmyslových procesů a mělo by být považováno jako důležitý prvek obecného systému energetického managementu. Cílem systému zahrnujícího chlazení je pak znovuvyužití odpadního tepla z jednoho procesu v jiné části stejného procesu nebo v jiném procesu provozovaném na zařízení za účelem minimalizace vypouštění odpadního tepla do životního prostředí.
Přílohy
424 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Nejvýznamnější technologie/procesy z hlediska energetické náročnosti V průmyslovém odvětví je smysluplnější hovořit o soustavách (systémech) chlazení, než o chladících procesech. Obvykle je nutné chladit výrobní proces. Zmíněno je osm systémů chlazení, přičemž každý z typů soustav je charakterizován chladícím médiem, principem chlazení, minimálním řešením, minimální dosažitelnou konečnou teplotou média chlazeného procesu, a kapacitou chlazeného procesu. Každý z průmyslových systémů chlazení má odlišné environmentální aspekty. Pokud je pozornost zaměřena na spotřebu energie, nejvýznamnějším je uzavřený systém suchého chlazení. Většina energie je spotřebována na pohon ventilátorů. Energetické nároky průmyslových systémů chlazení lze rozdělit na přímé a nepřímé spotřeby. Přímá spotřeba je předtavována spotřebou energie na provoz chladícího systému. Největšími spotřebiči energie jsou čerpadla a ventilátory. Jako nepřímá spotřeba energie je vykazována spotřeba energie výrobního (chlazeného) procesu vyjadřující spotřebu energie chladícím procesem. Celková (přímá a nepřímá) spotřeba energie uzavřeného oběhu v chladící věži dosahuje více než 34 kWe/MWth (BREF 8, 67–70). Techniky úspor energie a rekuperace energie z hlavních procesů Techniky úspor energie a rekuperace energie uvedené v tomto dokumentu neobsahují informace o nejdůležitějších systémech chlazení (uzavřený oběh suchého chlazení), nýbrž poskytují spíše přehled všech systémů chlazení (BREF 8, pracovní souhrn, V). V zásadě je možné snížit přímé i nepřímé spotřeby energie. Následující opatření jsou dostupná pro snižování nepřímé spotřeby energie: • volba takové konfigurace chlazení, která dosahuje nejnižší měrné nepřímé spotřeby
energie (obecně pro všechny typy systémů) • vypracovat projekt krátkých vzdáleností; a • snížit odpor k tepelné výměně vhodnou údržbou systému chlazení. Následující opatření jsou dostupná pro snížení přímé spotřeby energie v systému chlazení:: • použití čerpadel a ventilátorů s vysokou účinností • snížení odporu a poklesů tlaku v procesu vhodným projektem chladícího systému,
instalací nízkoodporových omezovačů unášení média a výplně věží • vhodné mechanické a chemické čištění povrchů s cílem zachovat nízký odpor vůči
průtoku média chladícím procesem. Energetické údaje a techniky úspor energie pro ostatní procesy Všechna opatření snížení spotřeby energie byla uvedena výše. Nejlepší dostupné techniky (BAT) V zásadě jsou BAT rozděleny na obecné BAT a BAT specifické pro určité procesy. Obecné BAT Následující techniky jsou považovány za BAT ve fázi projektu (návrhu) systému chlazení:: • snížení odporu průtoku vodu nebo vzduchu • použití zařízení s vysokou energetickou účinností, nízkou spotřebou energie • snížení počtu zařízení s vysokou spotřebou energie
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 425 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
• v celém systému chlazení vodou a v mokrých chladících věžích použít optimální čištění chladící vody a tak udržovat povrchy čisté a omezovat korozi, zanášení a usazování.
BAT specifické pro určité procesy Volba mokrého nebo hybridního (suchého a mokrého) chlazení odpovídajícího parametrům chlazeného procesu musí zohlednit nejvyšší souhrnnou energetickou účinnost. Předávání velkého množství nízkoúrovňového tepla (teploty 10 – 25 °C) vykazuje vysoké hodnoty energetické účinnosti a je BAT při instalaci otevřené průtokové soustavy chlazení. Pokud je zvažována situace projektu zařízení, lze takto ospravedlnit volbu typu chladící soustavy v případě provozovny umístěné v blízkosti spolehlivého zásobování velkými množstvím vody a v blízkosti povrchového vodního tělesa majícího kapacitu absorbovat velké množství vypouštěné chladící vody (provozovny umístěné na pobřeží moře či jezera). Jsou-li chlazeny nebezpečné látky, které představují vysoké riziko pro životní prostředí, je za BAT považováno použití soustavy nepřímého chlazení s využitím sekundárních chladících oběhů (BREF 8, 125 – 126). Specifické aspekty opatření úspor energie a rekuperace energie BREF připouští, že výsledné stanovení a řešení BAT bude závislé na konfiguraci řešení provozovny. Souhrn energetických aspektů v ostatních BREFech Všechny analyzované BREFy obsahují značné množství informací a údajů týkajících se energetického hospodářství provozování. Takřka ve všech odvětvích jsou poskytnuty specifické údaje o spotřebě energie pro dané odvětví. Pokud je pozornost zaměřena na techniky úspor energie a její rekuperace, lze konstatovat, že informací je méně. Obecně je citelná potřeba více informací o všech energetických aspektech provozu zařízení v těchto odvětvích (opatření a dosažitelné hodnoty spotřeby, úspor, rekuperace). Techniky BAT jsou obecně rozděleny na všeobecné a příslušející určitému technologickému procesu. V několika případech je BAT příslušející určitému technologickému procesu charakteristickému pro dané průmyslové odvětví popsána (slovně a tabulkově) odděleně. Účelem kapitoly o BAT je tudíž poskytnout obecné ukazatele týkající se úrovní emisí znečišťujících látek a spotřeb energie, jež by bylo možné považovat za vhodný referenční (vztažný) bod při stanovování podmínek integrovaného povolení vycházejících z parametrů BAT, či pro ustavení obecně závazných pravidel vydávání povolení. Jinými slovy, závazné podmínky ochrany životního prostředí by měly vycházet z BAT, a BREFy (jež nejsou závazné) by měly být zohledněny jako jeden z důležitých zdrojů informací o BAT. V další tabulce je uveden popis energetických aspektů zjištěných analýzou vybraných BREFů (souhrnná tabulka je uvedena v části 5.14)
Přílohy
426 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Souhrnný přehled aspektů energetické účinnosti v ostatních BREFech
Cement a vápno
březen 2000
Železo a ocel březen 2000
Neželezné kovy květen 2000
Papírenství červenec 2000
Chloralkalická chemie říjen 2000
Železné kovy říjen 2000
Sklo říjen 2000
Systémy chlazení
listopad 2000 Význam energetické účinnosti ve srovnání s ostatními environmentálními tématy
energeticky vysoce náročné odvětví emise do ovzduší
energeticky vysoce náročné odvětví emise do ovzduší
důležitý aspekt emise do ovzduší
vysoký význam emise do vody
důležitý aspekt emise do ovzduší/vody
důležitý aspekt emise do ovzduší
energeticky vysoce náročné odvětví emise do ovzduší
vysoký
Která z technologií/procesů je energeticky nejvýznamnější či má nejvyšší energetickou náročnost? Jsou dostupné energetické údaje?
slinování, pálení vápna ano, pouze pro spotřebu
vysoké pece ano (dobrý popis)
procesy pyrometalurgie
závisí na provozovně odpařování/papírenské stroje ano, údaje jsou dostupné
rtuťové (amalgam) technologie ano, pouze pro spotřebu
ohřívání a pece ano (dobrý popis)
drcení ano (dobrý popis)
uzavřený suchý oběh chlazení suchého vzduchu chlazení vzduchu ano, pouze pro spotřebu
Jsou uvedeny techniky úspor/rekuperace energie použitelné pro tento technologický proces?
ne podrobně, částečně považované za BAT
ano, mnoho, částečně považované za BAT
ano, spotřeba a rekuperace
spotřeba a rekuperace, techniky jsou obecně považované za BAT
ano, ve smyslu volby technologického procesu
Výběrově Řada procesů již částečně posouzena
ano, mnoho ano, zřídka
Jsou dostupné energetické údaje pro další technologické procesy (včetně technik)?
ano, obecně pro spotřebu
ano ano – spotřeba + rekuperace
ano, dostupná data pro spotřebu
ano, údaje o spotřebě
ano (dobré) ano, většinou pro spotřebu
ano, spotřeba
Je uvedena obecná BAT? ano (primární opatření)
ano ano ano ano (primární opatření)
ano ano (fáze návrhu procesu)
ano (fáze návrhu procesu)
BAT pro specifické technologické procesy?
ano, omezené ano, BAT pro všechny
ano ano ano, omezené ano nejsou uvedené jako BAT (k posouzení při stanovování BAT)
ano
Energetické údaje v kapitole o BAT
ano, pouze pro spotřebu (omezené)
ano, tabulka pro každou BAT
ano ano, takřka u každé BAT
ano, omezené ano, údaje pro spotřebu, úspory, rekuperaci
nezabývá se EE, pouze úrovně emisí
ano, částečně
Jsou opatření ne není zmíněno ano ano (malý počet, např. ano, není zmíněno není zmíněno ano, obtížně
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 427 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Cement a vápno
březen 2000
Železo a ocel březen 2000
Neželezné kovy květen 2000
Papírenství červenec 2000
Chloralkalická chemie říjen 2000
Železné kovy říjen 2000
Sklo říjen 2000
Systémy chlazení
listopad 2000 úspor/rekuperace energie specifická podle provozovny?
CHP) o komplikacích při skladování a dopravě
kvantifikovatelné
Jsou uvedena doporučení pro budoucí revize BREFu?
přehled současných technik je užitečný
n.a získat více informací o spotřebě
získat více informací o posouzení technik energetické účinnosti
n.a. poskytnout více informací o úrovni emisí a spotřeby
bylo by užitečné uvést více informací o technikách EE
n.a.
Zvláštní poznámky náklady na energii = 30–50 % celkových výrobních nákladů hodnota tepelné bilance získané použitím BAT je 3 000 MJ/t slínku
Existuje mnoho různých konfigurací provozoven, každá z nich využívá odlišné procesy a techniky
V části o BAT poskytnuto omezené množství informací o EE, obecně je v pořádku.
Pro každý jednotlivý proces je poskytnuto mnoho informací o EE. Řada technik rekuperace energie není dosud považována za BAT:
Informace o technologických přeměnách a o legislativě některých zemí EU Využití BAT představuje: <3 200 kWh/t chlóru, vysoká spotřeba energie
Rovnováha mezi EE a znečišťováním ovzduší (pro určité techniky) Velmi podrobný popis BAT
BAT jsou zaměřeny zejména na emise Procesy drcení spotřebuje okolo 75% veškeré spotřebované energie
BAT jsou popsány, ovšem pouze několik z nich číselnými údaji Konečné BAT řešení bude jedinečné pro každou provozovnu. Je představen výpočetní model úspor energie
Přílohy
428 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
7.17 Evropský energetický mix Elektrická energie
K výrobě 1 GJ elektrické energie jsou průměrná spotřeba paliv a průměrné emise za celou Evropu následující:
Elektrická energie GJ 1
Primární energetické zdroje
GJ 2.57
Ropa kg 9.01 Zemní plyn m3 6.92 Evropský mix Černé uhlí kg 15.7 Ropa 9,6 % Hnědé uhlí kg 34.6 Zemní plyn 9,5 %
Černé uhlí 18,3 % SO2 kg 0.10 Hnědé uhlí 10,5 % CO2 kg 117 Jaderná energie 36,0 % NO2 kg 0.16
Ropa kg 9.22E+01 7.88E+01 4.19E-01 Zemní plyn m3 7.14E+01 5.33E+01 3.74E-01 Černé uhlí kg 8.48E+01 8.19E+01 3.03E+00 Hnědé uhlí kg 3.19E+02 3.12E+02
SO2 kg 6.44E-02 2.43E-01 3.24E-03 2.88E-03 5.05E-02 1.48E-01 3.73E-03 2.22E-01 3.22E-02 CO2 kg 1.26E+01 2.47E+02 1.46E+01 1.32E+02 1.06E+01 2.17E+02 7.84E+00 3.16E+02 6.27E+00 NO2 kg 3.46E-02 3.68E-01 7.79E-02 1.51E-01 4.11E-02 1.10E-01 6.30E-03 6.14E-01 1.43E-02
Průměrné emisní faktory pro výrobu elektrické energie jsou převzaty z databáze ECOINVENT 1994. Data z revize WDF a data z IEA pro EU-25 pro rok 2004.
Přílohy
PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 429 pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
Pára K výrobě páry o energii 1 GJ je průměrná spotřeba paliva a průměrná emise za Evropu
následující: Pára GJ 1
Primární energetické zdroje GJ 1.32 Ropa kg 12.96 Zemní plyn m3 10.46 Černé uhlí kg 14.22 Evropský mix
(odhadovaný mix) SO2 kg 0.54 Ropa 40,0 % CO2 kg 97.20 Zemní
plyn 30,0 %
NO2 kg 0.18 Černé uhlí 30,0 %
Topný olej
Teplo z topných
olejů
Zemní plyn Teplo ze zemního
plynu
Černé uhlí
Teplo z černého
uhlí Tepelná energie GJ 1,00E+00 1,00E+00 1,00E+00
Primární energetické zdroje GJ 1,29E+00 1,41E+00 1,28E+00 Ropa kg 3,24E+01 2,75E+01 Zemní plyn m3 3,49E+01 2,81E+01 Černé uhlí kg 4,74E+01 4,14E+01
SO2 kg 4,01E-02 9,95E-01 1,61E-02 5,75E-04 4,76E-02 3,70E-01 CO2 kg 6,51E+00 9,22E+01 7,16E+00 6,48E+01 5,82E+00 1,15E+02 NO2 kg 1,77E-02 1,78E-01 3,47E-02 4,47E-02 3,77E-02 2,17E-01
ECOINVENT Topný
olej Teplo
z topných olejů
Zemní plyn Teplo ze zemního
plynu
Černé uhlí
Teplo z černého
uhlí Tepelná energie GJ 1,00E+00 1,00E+00 1,00E+00
Primární energetické zdroje GJ 1,22E+00 1,43E+00 1,36E+00 Ropa kg 3,06E+01 2,60E+01 Zemní plyn m3 3,53E+01 3,00E+01 Černé uhlí kg 5,21E+01 4,17E+01
SO2 kg 1,59E-02 1,41E+00 3,06E-02 6,47E-04 6,98E-02 6,29E-01 CO2 kg 4,24E-01 9,16E+01 7,29E+00 6,47E+01 6,36E+00 1,16E+02 NO2 kg 8,24E-04 1,88E-01 3,18E-02 2,35E-02 5,50E-02 2,50E-01
GEMIS Topný
olej Teplo
z topných olejů
Zemní plyn Teplo ze zemního
plynu
Černé uhlí
Teplo z černého
uhlí Tepelná energie GJ 1,00E+00 1,00E+00 1,00E+00
Primární energetické zdroje GJ 1,35E+00 1,39E+00 1,20E+00 Ropa kg 3,42E+01 2,89E+01 Zemní plyn m3 3,44E+01 2,63E+01 Černé uhlí kg 4,27E+01 4,12E+01
SO2 kg 6,44E-02 5,78E-01 1,52E-03 5,03E-04 2,54E-02 1,11E-01 CO2 kg 1,26E+01 9,27E+01 7,02E+00 6,49E+01 5,28E+00 1,13E+02 NO2 kg 3,46E-02 1,69E-01 3,76E-02 6,59E-02 2,05E-02 1,83E-01
Průměrné emisní faktory výroby páry jsou převzaté z průměrných hodnot uvedený v databázích ECOINVENT a GEMIS.
Přílohy
430 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální pro MPO přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008
7.18 Korekce ú činíku
Obrázek 7-17: Vysvětlení jalového a zdánlivého výkonu [123, US_DOE] Abychom mohli vysvětlit účiník, přestavme si koně táhnoucího podél trati železniční vůz. Jelikož je plocha podél trati nerovná, musí kůň vůz táhnout po straně tratě. Kůň vůz táhne pod určitým úhlem mezi směrem pohybu a směrem tahu. Výkon potřebný k pohybu vozu po trati je tzv. pracovní (skutečný) výkon. Úsilí koně představuje celkový (zdánlivý) výkon. Protože je vůz táhnutý pod určitým úhlem, ne všechno úsilí vynaložené koněm je vynaložené na pohyb vozu. Vůz se nemůže pohybovat do stran. Tah koně do strany představuje promrhané úsilí koně, čili nepracovní (jalový) výkon. Úhel tažné síly koně souvisí s účiníkem, jenž je definován jako poměr mezi skutečným (pracovním) výkonem a výkonem domnělým (celkovým). Pokud bychom koně vedli blíž k ose trati, úhel tažné síly se zmenší a skutečný výkon se přiblíží velikosti domnělého výkonu. Poměr mezi skutečným a domnělým výkonem (účiník) se proto přibližuje 1. Pokud se účiník blíží 1, jalový (nepracovní) výkon se blíží 0. Reference: US DOE: Motor challenge programme, Fact sheet: Reducing Power Factor Cost http://www1.eere.energy.gov/industry/bestpractices/pdfs/mc60405.pdf
