Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών ΔΠΜΣ: «Παραγωγή και Διαχείριση Ενέργειας» Διαχείριση Ενέργειας στη Βιομηχανία Δρ. Γιώργος Αναστασόπουλος, Χάρης Δούκας, Επίκουρος Καθηγητής ΕΜΠ, Ιωάννης Ψαρράς, Καθηγητής ΕΜΠ Εργαστήριο Συστημάτων Αποφάσεων & Διοίκησης Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών Γρ. 2.2.9. 2 ος Όροφος Σχολής Ηλεκτρολόγων Τηλέφωνο: 210 772083 E mail: h_doukas@epu.ntua.gr Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Η/Υ Μάθημα: Χρήσεις και Εξοικονόμηση Ενέργειας στη Βιομηχανία
Ευρωπαϊκό νομοθετικό πλαίσιο [1] Οδηγία 2012/27/ΕΚ (Energy Efficiency Directive) 1,5% μείωση της τελικής κατανάλωσης ετησίως Υπεύθυνοι είναι οι διανομείς ενέργειας, στο σύνολό τους Διάρκεια εξοικονόμησης 2014 2020 Στόχος συνολική εξοικονόμηση 10,5 % στην 7ετία
Ευρωπαϊκό νομοθετικό πλαίσιο [2] Οδηγία 2012/27/ΕΚ (Energy Efficiency Directive) Στο Άρθρο 8 αναφέρονται αναλυτικά οι ενεργειακοί έλεγχοι: Πραγματοποιούνται από εσωτερικούς εμπειρογνώμονες ή από ενεργειακούς ελεγκτές. Τα κράτη μέλη καταρτίζουν προγράμματα που θα ενθαρρύνουν τις μικρές και μεσαίες επιχειρήσεις να υποβάλλονται σε ενεργειακούς ελέγχους. Μέχρι το Δεκέμβριο του 2015 θα πρέπει όλες οι επιχειρήσεις να έχουν υποβληθεί σε ενεργειακό έλεγχο. Υποχρεωτικός έλεγχος ανά 4ετία από τον πρώτο έλεγχο σε κάθε επιχείρηση. Από τον έλεγχο αυτό εξαιρούνται επιχειρήσεις που έχουν πιστοποιημένο σύστημα ενεργειακής περιβαλλοντικής διαχείρισης (ISO 50001).
Ελληνικό νομοθετικό πλαίσιο [1] Η ενσωμάτωση της οδηγίας 2012/27/ΕΚ έγινε στο Ελληνικό δίκαιο το 2014. Όσον αφορά τα δημόσια κτήρια: Πρέπει να βελτιώνουν την ενεργειακή τους κατανάλωση σε ποσοστό 3% κάθε χρόνο με ευθύνη του δημοσίου αν είναι μεγαλύτερα από 500 τ.μ. Ορίζεται για κάθε κτήριο ενεργειακός υπεύθυνος (τουλάχιστον ένας) για την καταγραφή των καταναλώσεων σε ετήσια βάση, την τήρηση αρχείου και την σύνταξη ενεργειακής έκθεσης, καθώς και τον έλεγχο της ορθής λειτουργίας. (ΚΥΑ 14826/ΦΕΚ 1122/2008) Καθορίζεται ο τρόπος διεξαγωγής ενεργειακών επιθεωρήσεων από το τεύχος ΦΕΚ 1526/1999
Ελληνικό νομοθετικό πλαίσιο [2] Για την ενεργειακή επιθεώρηση στο βιομηχανικό τομέα καθορίζονται τρία επίπεδα ανάλυσης: Συνοπτική ενεργειακή επιθεώρηση Ήδη υπάρχοντα στοιχεία, μικρή χρονική διάρκεια, δε χρειάζεται καταγραφικό εξοπλισμό Εκτενής ενεργειακή επιθεώρηση Μετρήσεις εξοπλισμού με φορητά μέσα, καταγραφή ροών ενέργειας, ιεράρχηση προτεινόμενων επεμβάσεων, κοστολόγηση Λεπτομερής ενεργειακή μελέτη Γίνεται στην περίπτωση που πρέπει η ενεργειακή επιθεώρηση να γίνει σε επίπεδο εξοπλισμού με λεπτομερείς μετρήσεις.
Η σημασία της εξοικονόμησης [1] Η εξοικονόμηση σε επίπεδο τελικού καταναλωτή είναι εξαιρετικά σημαντική, καθώς σε πρωτογενές επίπεδο η εξοικονόμηση πολλαπλασιάζεται. Ακαθάριστη εγχώρια κατανάλωση ενέργειας Ενέργεια προς τελική κατανάλωση Τελική κατανάλωση ενέργειας Τελική κατανάλωση ενέργειας Οικιακός τομέας
Η σημασία της εξοικονόμησης [2] Κατά τη διάρκεια οποιασδήποτε διαδικασίας βιομηχανικής παραγωγής υπάρχουν απώλειες από μετατροπές ενέργειας, διανομή ενέργειας κλπ. Διάχυτες απώλειες μετατροπής Τελική ενέργεια Μετατροπή ενέργειας Ενέργεια τελικής χρήσης Τελική χρήση Απώλειες διανομής Ωφέλιμη ενέργεια Απώλειες χρήσης Συγκεντρωμένες απώλειες μετατροπής Τυπική αλυσίδα μετατροπών ενέργειας σε βιομηχανικό συγκρότημα
Energy Performance Indicators [1] Στο επίπεδο της βιομηχανίας αξιοποιούνται δείκτες ενεργειακής αποδοτικότητας. Κάθε βιομηχανία θέτει ένα έτος βάσης για τη μέτρηση των εξοικονομήσεων. (Baselining) Η σύγκριση με άλλες βιομηχανίες του ίδιου κλάδου γίνεται με κλαδικούς μέσους όρους (Benchmarking) Η αξιολόγηση των βιομηχανιών μπορεί να γίνει με μία από τις παραπάνω μεθόδους, ή συνδυασμό των δύο.
Energy Performance Indicators [2] Οι δείκτες ενεργειακής αποδοτικότητας μπορεί να περιλαμβάνουν: Κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας ανά μονάδα παραγόμενου προϊόντος Κατανάλωση καυσίμου ανά μονάδα παραγόμενου προϊόντος Κατανάλωση ενέργειας ανά κλάδο της παραγωγής Συσκευασία, Παραγωγή, Φόρτωση, Επεξεργασία πρώτων υλών κλπ. Η γενική μορφή ενός Δείκτη Ενεργειακής Αποδοτικότητας είναι:
Energy Performance Indicators [3] Στην Αμερική έχουν καθιερωθεί πρότυπα αξιολόγησης ανά κλάδο, σύμφωνα με το EnergyStar. Υπάρχουν διαθέσιμες τυποποιημένες φόρμες για διάφορους κλάδους Από τις φόρμες αυτές προκύπτουν στοιχεία τόσο με βάση το Baselining για κάθε επιχείρηση, όσο και με Benchmarking με άλλες επιχειρήσεις. Στην Ευρώπη δεν υπάρχει πρότυπο σύστημα στο οποίο να συγκεντρώνονται Benchmarks, και επομένως η αξιολόγηση των βιομηχανιών γίνεται με βάση τις ίδιες (Baselining).
Monitoring & Targeting Η διαδικασία του Monitoring μπορεί να διαιρεθεί σε 5 σκέλη: Μέτρηση της κατανάλωσης ενέργειας Μέτρηση του «προϊόντος» Σχέση κατανάλωσης ενέργειας και εξαγόμενου προϊόντος Αναφορά της ενεργειακής απόδοσης Ανάληψη ενεργειών Το Targeting ακολουθεί το monitoring και είναι η επισταμένη εξέταση και παρακολούθηση της τρέχουσας κατανάλωσης ενέργειας και η προσπάθεια βελτίωσης με στοιχειώσεις αλλαγές. Κατά τη διαδικασία του Targeting μπορεί να γίνει επαναπροσδιορισμός των στόχων της βιομηχανίας.
Ενεργειακό ισοζύγιο εργοστασίου [1] Σε ένα εργοστάσιο που περιλαμβάνει τρείς γραμμές παραγωγής, αποθήκη και γραφεία έγινε καταγραφή των καταναλώσεων για ένα μήνα. Η κατανομή της ενέργειας ανά τμήμα του εργοστασίου ήταν: Ποσοστιαία κατανομή καταναλώσεων ανά τμήμα του εργοστασίου 95000,00 kwh 90000,00 kwh 85000,00 kwh 80000,00 kwh 75000,00 kwh Κατανάλωση ανά τμήμα του εργοστασίου Offices 22% Production A 16% 70000,00 kwh 65000,00 kwh 60000,00 kwh 55000,00 kwh 50000,00 kwh Production A Production B Production C Warehouse Offices Warehouse 19% Production B 22% Production C 21%
Ενεργειακό ισοζύγιο εργοστασίου [2] Η κατανομή των καταναλώσεων κατά τη διάρκεια μίας εβδομάδας είναι: Εβδομαδιαία κατανομή καταναλώσεων 70 Production A [kwh] Production B [kwh] Production C [kwh] Warehouse [kwh] Offices [kwh] 60 50 40 Σαββατοκύριακο 30 20 10 0 2010/12/01 00:00:00 2010/12/01 03:15:00 2010/12/01 06:30:00 2010/12/01 09:45:00 2010/12/01 13:00:00 2010/12/01 16:15:00 2010/12/01 19:30:00 2010/12/01 22:45:00 2010/12/02 02:00:00 2010/12/02 05:15:00 2010/12/02 08:30:00 2010/12/02 11:45:00 2010/12/02 15:00:00 2010/12/02 18:15:00 2010/12/02 21:30:00 2010/12/03 00:45:00 2010/12/03 04:00:00 2010/12/03 07:15:00 2010/12/03 10:30:00 2010/12/03 13:45:00 2010/12/03 17:00:00 2010/12/03 20:15:00 2010/12/03 23:30:00 2010/12/04 02:45:00 2010/12/04 06:00:00 2010/12/04 09:15:00 2010/12/04 12:30:00 2010/12/04 15:45:00 2010/12/04 19:00:00 2010/12/04 22:15:00 2010/12/05 01:30:00 2010/12/05 04:45:00 2010/12/05 08:00:00 2010/12/05 11:15:00 2010/12/05 14:30:00 2010/12/05 17:45:00 2010/12/05 21:00:00 2010/12/06 00:15:00 2010/12/06 03:30:00 2010/12/06 06:45:00 2010/12/06 10:00:00 2010/12/06 13:15:00 2010/12/06 16:30:00 2010/12/06 19:45:00 2010/12/06 23:00:00 2010/12/07 02:15:00 2010/12/07 05:30:00 2010/12/07 08:45:00 2010/12/07 12:00:00 2010/12/07 15:15:00 2010/12/07 18:30:00 2010/12/07 21:45:00
Ενεργειακό ισοζύγιο εργοστασίου [3] Δείκτες ενεργειακής αποδοτικότητας: Γνωρίζουμε ότι: Η γραμμή παραγωγής Production A παράγει 10.000 τόνους ακατέργαστου σιδήρου/μήνα Η γραμμή παραγωγής Production Β παράγει 30.000 τετραγωνικά μέτρα λαμαρίνας/μήνα Η γραμμή παραγωγής Production C παράγει 50.000 μέτρα σιδηρόβεργας φ10/μήνα Τα γραφεία έχουν εμβαδό 600 τετραγωνικά μέτρα, και σε αυτά απασχολούνται 250 εργαζόμενοι. Μπορούμε, ενδεικτικά, να υπολογίσουμε τους παρακάτω δείκτες αποδοτικότητας: ΔΕΑ ΔΕΑ ΔΕΑ Μηνιαία κατανάλωση kwh Παραχθέντες τόνοι σιδήρου Μηνιαία κατανάλωση kwh τ. μ. λαμαρίνας Μηνιαία κατανάλωση kwh μέτρα σιδηρόβεργας ΔΕΑ. ΔΕΑ. Μηνιαία κατανάλωση kwh τ. μ. Γραφείων Μηνιαία κατανάλωση kwh εργαζόμενοι
Συνήθεις δράσεις εξοικονόμησης Οι παρεμβάσεις ποικίλουν ανά βιομηχανική μονάδα και μπορεί να είναι παρεμβάσεις: Στο κτηριακό κέλυφος (θερμομόνωση, σκίαση κλπ.) Στο φωτισμό (αλλαγή λαμπτήρων, φυσικός φωτισμός κλπ.) Στα ηλεκτρικά φορτία (αναβάθμιση συστημάτων, βελτίωση ΣΙ κλπ.) Στη θέρμανση Στην ψύξη Βελτίωση των συστημάτων ή αντικατάσταση τους Στον αερισμό Στο Ζεστό Νερό Χρήσης (μείωση σπατάλης νερού κλπ.) Στους αυτοματισμούς (Συστήματα διαχείρισης ενέργειας ΒΕΜS κλπ.) Εγκατάστασης ΑΠΕ (εισαγωγή ΑΠΕ στο ενεργειακό ισοζύγιο της επιχείρησης)
Παράδειγμα εξοικονόμησης σε βιομηχανία [1] Σε μία βιομηχανία κατεργασίας και παραγωγής προϊόντων σιδήρου, η οποία επιθυμούσε τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειάς της, έγινε καταγραφή των καταναλώσεων του έτους 2013 και του έτους 2014. Στα τέλη του 2013 έγιναν κάποιες παρεμβάσεις στην κατεύθυνση της εξοικονόμησης ενέργειας και τα αποτελέσματα των καταγραφών φαίνονται στον παρακάτω πίνακα.
Παράδειγμα εξοικονόμησης σε βιομηχανία [2] Έτος Βάσης Months 2013 2014 Energy Consumption (kwh) Units Produced (tn) Energy Consumption (kwh) Units Produced (tn) 1 120.000 120 94.000 100 2 150.000 160 101.023 120 3 145.678 140 107.987 130 4 123.657 130 110.987 140 5 211.098 209 98.065 130 6 125.097 120 196.083 210 7 311.097 340 197.659 220 8 234.678 230 188.098 209 9 309.872 308 176.000 206 10 147.890 140 120.987 145 11 198.432 190 145.098 176 12 245.000 240 165.093 189 Δράσεις εξοικονόμησης ενέργειας
Παράδειγμα δράσεων σε βιομηχανία [3] Από τις ετήσιες καταναλώσεις του 2013 μπορούμε να προσδιορίσουμε τη σχέση παραγωγής κατανάλωσης ενέργειας. 350.000 Σχέση παραγωγής και καταναλισκόμενης ενέργειας 300.000 250.000 200.000 150.000 y = 933,76x + 12470 R² = 0,98204 100.000 50.000 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Με βάση τη σχέση που προκύπτει με τη βοήθεια του Excel μπορούμε να υπολογίσουμε (προσεγγιστικά) τις καταναλώσεις που θα είχαμε το 2014, αν δεν είχε γίνει κάποια παρέμβαση στην παραγωγική διαδικασία.
Παράδειγμα δράσεων σε βιομηχανία [4] Προκύπτει ο παρακάτω πίνακας με τις καταναλώσεις με βάση το 2013 και τις πραγματικές το 2014 2014 Energy Consumption (kwh) Units Produced (tn) Energy Prediction based on 2013 ΔEnergyCons 94.000 100 105.846 11.846 101.023 120 124.521 23.498 107.987 130 133.859 25.872 110.987 140 143.196 32.209 98.065 130 133.859 35.794 196.083 210 208.560 12.477 197.659 220 217.897 20.238 188.098 209 207.626 19.528 176.000 206 204.825 28.825 120.987 145 147.865 26.878 145.098 176 176.812 31.714 165.093 189 188.951 23.858 Παρατηρούμε ότι οι δράσεις έχουν πράγματι επιτύχει εξοικονόμηση ενέργειας, η οποία ανέρχεται συνολικά σε 292.736 kwh, ή αλλιώς 14,68 % της συνολικής κατανάλωσης με βάση το 2013.
Παράδειγμα δράσεων σε βιομηχανία [5] Γραφική απεικόνιση της εξοικονομούμενης ενέργειας Έτος Βάσης Προβλεπόμενες καταναλώσεις 2014 Πραγματικές καταναλώσεις 2014