Εξοικονόμηση Ενέργειας Για Βιομηχανίες-Επιχειρήσεις
Η μείωση του λειτουργικού κόστους είναι κεφαλαιώδους σημασίας για την κερδοφορία μιας επιχείρησης. Σε πολλές κατηγορίες επιχειρήσεων όπως:
· Βιομηχανίες-Βιοτεχνίες
· Ξενοδοχεία
· Κτήρια γραφείων
· Αποθήκες - Κτήρια Logistics
το ενεργειακό κόστος αποτελεί σημαντικό κομμάτι του λειτουργικού κόστους. Επειδή τα τελευταία χρόνια αυξάνεται συνεχώς, καθίσταται επιτακτική η μείωσή του μέσω εξοικονόμησης ενέργειας.
Η ECOMEC δραστηριοποιείται στον χώρο της ποιότητας ισχύος διαθέτοντας την τεχνογνωσία και τον εξοπλισμό για την μελέτη και υλοποίηση σχετικών έργων.
Κατόπιν ενημερώσεως από αρμόδιο μηχανικό της επιχείρησης και ηλεκτρικών μετρήσεων, που θα διενεργηθούν στην εγκατάσταση, θα διαπιστωθούν οι δυνατότητες βελτίωσης του συντελεστή ισχύος και κατ΄ επέκταση της μείωσης του κόστους λειτουργίας.
Η εργασία αποσκοπεί στην μείωση του κόστους λειτουργίας και συντήρησης της επιχείρησης, μέσω της σημαντικής μειώσεως της απορροφουμένης αέργου ισχύος. Η μείωση αυτή (αντιστάθμιση-compensation) μπορεί να επιτευχθεί με την εγκατάσταση χωρητικών φορτίων (πυκνωτές).
Ανάλογα το αντικείμενο κάθε επιχείρησης και τις εγκαταστάσεις που διαθέτει, μπορούν να εφαρμοστούν ορισμένες από τις παρακάτω μεθόδους, για την μείωση του ενεργειακού κόστους:
· Βελτίωση του συντελεστή ισχύος της ηλεκτρικής εγκατάστασης
· Βελτιστοποίηση απόδοσης διεργασιών μέσω αυτοματισμών
· Βελτιστοποίηση λειτουργίας μονάδων κλιματισμού και θέρμανσης
· Εξοικονόμηση σε αεροσυμπιεστές και ψυγεία
· Εξοικονόμηση/εκμετάλλευση θερμότητας από παραγωγικές διεργασίες
Η μείωση του κόστους συντήρησης προέρχεται από την μείωση της φόρτισης του εξοπλισμού που μεσοπρόθεσμα συνεισφέρει σε μείωση βλαβών και επιβράδυνση της γήρανσης των μονώσεών του.
Έχει αποδειχθεί ότι, στις περισσότερες περιπτώσεις η απόσβεση της επένδυσης επιτυγχάνεται μετά από περίοδο 2-3 ετών, υπολογίζοντας μόνο το οικονομικό όφελος από την μείωση της απορροφούμενης ενέργειας.
Προκειμένου να εφαρμοστεί, ένα ολοκληρωμένο και αποτελεσματικό πρόγραμμα εξοικονόμησης ενέργειας σε μία επιχείρηση, πρέπει είναι να γίνουν τα εξής:
Καταγραφή του υπάρχοντος ενεργειακού προφίλ των εγκαταστάσεων της επιχείρησης και ιδιαίτερα των:
· Κινητήριων συστημάτων
· Ηλεκτροφωτισμού
· Μονάδων κλιματισμού/θέρμανσης
· Παραγωγής/χρήσης ατμού/πεπιεσμένου αέρα
Για τον σκοπό αυτό πρέπει να γίνουν μία σειρά μερήσεων καθώς και σχετικές μελέτες.
Από αυτές θα επιλεχθούν, με αυστηρά τεχνοοικονομικά κριτήρια, οι πιο αξιόπιστες, εύκολες στον έλεγχο και συντήρηση και με ικανοποιητικό χρόνο απόσβεσης λύσεις για την εξοικονόμηση.
Θα συνταχθεί τεχνοοικονομική μελέτη με προδιαγραφές του απαιτούμενου εξοπλισμού και των εργασιών εγκατάστασής του.
Η Ecomec μπορεί να προμηθεύσει και να εγκαταστήσει τον απαιτούμενο εξοπλισμό καθώς και να αναλάβει την συντήρηση του.
Στις επόμενες παραγράφους, παρατίθεται η βασική θεωρία της αντισταθμίσεως της αέργου ισχύος, θα αναλυθεί η λύση που προτείνεται, και θα δοθεί μία συνοπτική τεχνική περιγραφή του εξοπλισμού αντισταθμίσεως.
Σημειώνεται ότι εξοικονόμηση ενέργειας μπορεί να επιτευχθεί και με άλλους τρόπους, ανάλογα την περίπτωση, όπως: αναδιάταξη φορτίων, εγκατάσταση αυτοματισμών, εγκατάσταση ρυθμιστών στροφών. Οι μέθοδοι αυτές δεν αποτελούν αντικείμενο της παρούσης ενημερώσεως.
B. Βασικές αρχές εξοικονόμησης ενέργειας σε συστήματα κίνησης
Β.1 Συστήματα κίνησης σταθερών στροφών
Ως γνωστόν τα ωμικά ηλεκτρικά φορτία (αντιστάτες, λαμπτήρες πυρακτώσεως) απορροφούν από το δίκτυο μόνο ενεργό ισχύ (Ρ) για την παραγωγή έργου. Σε αυτά τα φορτία η ένταση του ρεύματος (Ι) που απορροφούν από το δίκτυο δεν έχει διαφορά φάσης από την τάση (V) του δικτύου.
Αντιθέτως, η πλειοψηφία των γραμμικών ηλεκτρικών φορτίων μίας εγκατάστασης χρειάζονται, εκτός από ενεργό ισχύ για να παράγουν έργο, και άεργο ισχύ (Q) για την δημιουργία και διατήρηση του μαγνητικού πεδίου που απαιτείται για την λειτουργία τους. Τα φορτία αυτά καλούνται επαγωγικά.
Στα επαγωγικά φορτία η ένταση του ρεύματος που διαρρέει το κύκλωμα επιπορεύεται της τάσεως κατά μια γωνία φ η οποία καλείται διαφορά φάσεως.
Παράδειγμα τέτοιων φορτίων είναι οι ασύγχρονοι κινητήρες που χρησιμοποιούνται στις παραγωγικές διαδικασίες βιομηχανιών και βιοτεχνιών, οι ανελκυστήρες και κυλιόμενες κλίμακες, τα ηλεκτρικά αντλητικά συστήματα, ανεμογεννήτριες ορισμένων τεχνολογιών, κάποια από τα ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς, τα κλιματιστικά μηχανήματα, και οι οικιακές συσκευές (ψυγεία, πλυντήρια κτλ)
Ο βαθμός κατανάλωσης αέργου ισχύος από τα φορτία αυτά εκφράζεται με το μέγεθος Συντελεστής Ισχύος (cosφ), το οποίο αντιστοιχεί στο λόγο της κατανάλωσης ενεργού ισχύος προς φαινομένη ισχύ του φορτίου.
Όπως φαίνεται στο σχ. 2 η φαινόμενη ισχύς (S) είναι το γεωμετρικό άθροισμα της ενεργού και της αέργου ισχύος του φορτίου.
Αντίθετα από τα επαγωγικά, τα χωρητικά φορτία (πυκνωτές) παράγουν άεργο ισχύ. Έτσι όταν αυτά βρίσκονται σε κυκλώματα μαζί με επαγωγικά φορτία προσφέρουν ένα μέρος της αέργου ισχύος (αντισταθμίζουν) που αυτά θα απορροφούσαν από το δίκτυο. Έτσι μειώνεται η απορρόφηση αέργου ισχύος από το δίκτυο και κατ΄ επέκταση προκαλείται και μείωση της συνολικής απορροφούμενης ισχύος ( σχ. 3).
Ένα σωστά αντισταθμισμένο φορτίο παρουσιάζει cosφ κοντά στη μονάδα (π.χ. 0,95 – 0,99) ενώ ένα φορτίο χωρίς αντιστάθμιση παρουσιάζει χαμηλότερες τιμές (για τυπικούς επαγωγικούς κινητήρες 0.8-0.85).
Πρέπει να αναφερθεί ότι μιλώντας για ονομαστικό συντελεστή ισχύος ενός κινητήρα αυτός ορίζεται για την τάση και ένταση της θεμελιώθους συχνότητας των 50Hz και σε 100% φόρτισή του.
Εάν ο κινητήρας κινεί φορτίο μικρότερο από το ονομαστικό του τότε ο συντελεστής ισχύος του μειώνεται.
Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο πρέπει να αποφεύγεται η, για λόγους σιγουριάς, υπερδιαστασιολόγηση ενός κινητήρα.
Ένας υποδιαστασιολογημένος κινητήρας δεν θα μπορεί να κινήσει το φορτίο σε περιπτώσεις χαμηλής τάσεως τροφοδοσίας ή σε περίπτωση απαίτησης πρόσθετης ροπής. Επιπλέον θα υπερφορτίζεται και θα έχει αυξημένο κόστος λειτουργίας και συντήρησης.
Αντίθετα ένας υπερδιαστασιολογημένος κινητήρας δεν θα έχει δυσκολία να κινήσει το φορτίο του σε όλες τις περιπτώσεις, αλλά θα έχει μειωμένο συντελεστή ισχύος.
Όσον αφορά την διαστασιολόγηση των χωρητικών μονάδων, σε καμία περίπτωση, το άεργο ρεύμα που παρέχει ο πυκνωτής στο φορτίο δεν πρέπει να ξεπεράσει το 90% του ρεύματος εν κενώ του κινητήρα. Σε αντίθετη περίπτωση ο κινητήρας θα υποστεί υπεραντιστάθμιση (overcompensation). Το φαινόμενο της υπεραντιστάθμισης είναι ανεπιθύμητο διότι σε περίπτωση διακοπής της παροχής ο κινητήρας θα εμφανίσει αρνητική ολίσθηση και κατ΄ επέκταση θα λειτουργήσει σαν γεννήτρια (υπερδιέγερση) ανυψώνοντας την τάση της εγκατάστασης προκαλώντας βλάβες στον εξοπλισμό.
Επίσης η επιστροφή της αέργου ενέργειας στο δίκτυο, που θα προκληθεί από την υπεραντιστάθμιση, απαγορεύεται από την ΔΕΗ γιατί προκαλεί ανύψωση της τάσεως στο δίκτυο μεταφοράς.
Συνοψίζοντας η απορρόφηση αέργου ισχύος από ένα κινητήριο σύστημα, οδηγεί σε αυξημένη κατανάλωση ενέργειας, σε αυξημένες θερμικές απώλειες, σε μείωση του συντελεστή λειτουργίας του συστήματος και τέλος σε υπερθέρμανση και καταπόνηση του εξοπλισμού.
Β.2 Συστήματα κίνησης μεταβλητών στροφών
Στις εφαρμογές εναλλασσομένου ρεύματος όπου απαιτείται ρύθμιση στροφών χρησιμοποιούνται επαγωγικοί κινητήρες βραχυκυκλωμένου δρομέα οδηγούμενοι από μετατροπείς συχνότητας (frequency converters, κοινώς inverters).
Όπως όλα τα ηλεκτρονικά ισχύος, οι F.C. εκτός από την τάση της βασικής συχνότητας 50Hz του δικτύου εγχύουν στο δίκτυο ημιτονοειδείς τάσεις με συχνότητα πολλαπλάσια της θεμελιώθους οι οποίες καλούνται αρμονικές.
Στην περίπτωση αυτή καταργείται η έννοια του τριγώνου ισχύος και εισάγεται η έννοια του τετράεδρου ισχύος διότι τώρα εκτός της ενεργού (Ρ), φαινομένης (S) και αέργου (Q) ισχύος προστίθεται και η ισχύς των αρμονικών (D) όπως φαίνεται παρακάτω:
Κατά την διαστασιολόγηση των πυκνωτών πρέπει να εξεταστεί:
Εάν προσεγγίζεται η συχνότητα συντονισμού της εγκατάστασης:
Όπου SK΄΄ είναι η ισχύς βραχυκυκλώσεως στο σημείο εγκατάστασης και QC η ισχύς των, προς εγκατάσταση, πυκνωτών.
Εάν υπάρχουν αρμονικές τάσης και έντασης στο τοπικό δίκτυο με πλάτος >2% του πλάτους της 1ης αρμονικής (όπως ορίζεται στο πρότυπο ΕΝ61000-2-2)
Εάν ισχύουν τα παραπάνω επιβάλλεται η τοποθέτηση φίλτρων (πηνίων) καταστολής αρμονικών στους πυκνωτές διότι λόγω του φαινομένου του συντονισμού θα ενισχυθεί το πλάτος των αρμονικών τάσεως. Συνέπεια αυτού είναι η καταπόνηση του εξοπλισμού και η δυσλειτουργία των ηλεκτρονόμων προστασίας του εξοπλισμού από αρμονικές υπερεντάσεις.
Στα περισσότερα βιομηχανικά συστήματα η διόρθωση του συντελεστή ισχύος με πυκνωτές στα επίπεδα του 0.9-0.95 οδηγεί την συχνότητα παράλληλου συντονισμού του συστήματος στην περιοχή μεταξύ 5ης και 7ης αρμονικής (250-350Hz) όπου εγχύονται αυτές οι αρμονικές από τις εξαπαλμικές γέφυρες των frequency converters.
Β.3 Τύποι αντιστάθμισης
Μεμονωμένη αντιστάθμιση
Χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις μεμονωμένων ή μεγάλων φορτίων όπου το καθένα συνδέεται με πυκνωτή σταθερής χωρητικότητας.
Ομαδική αντιστάθμιση
Σ΄ αυτήν την περίπτωση, μία ομάδα φορτίων με κοινή παροχή αντισταθμίζεται από μία σταθερή χωρητικότητα. Χρησιμοποιείται όταν τα συνδεδεμένα φορτία έχουν κοινό κύκλο λειτουργίας (κινητήρες του ίδιου μηχανήματος, φωτισμός φθορισμού μεγάλων χώρων)
Κεντρική αντιστάθμιση
Εφαρμόζεται σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις όπου υπάρχουν διάφορα σενάρια λειτουργίας και ως εκ τούτου και μεταβλητή απαίτηση αέργου ισχύος. Σ΄ αυτήν την περίπτωση εγκαθίστανται αυτόματες συστοιχίες πυκνωτών στην είσοδο της εγκατάστασης. Μέσω ηλεκτρονικού ελεγκτή παρακολουθείται το cosφ στην είσοδο της εγκατάστασης και γίνεται αντίστοιχη σύνδεση ή αποσύνδεση πυκνωτών στην εγκατάσταση.
Γ. Θέματα ασφαλείας
Προσοχή: στους πυκνωτές οφείλεται ένα μεγάλο ποσοστό των ατυχημάτων ηλεκτροπληξίας που συμβαίνουν κάθε χρόνο στις βιομηχανικές εγκαταστάσεις.
Κατά την ζεύξη ενός πυκνωτή Χ.Τ. δημιουργούνται υπερεντάσεις μεγάλου πλάτους και υψηλής συχνότητας (έως και 15kHz) κατά την μεταβατική περίοδο των 1-2ms.
Μετά την απόζευξή του ένας πυκνωτής διατηρεί στα άκρα του επικίνδυνη τάση (>50V) για αρκετό διάστημα (έως 1min) αναλόγως με το μέγεθος των στοιχείων εκφόρτισης. Σφάλμα στα στοιχεία εκφόρτισης θα διατηρήσει για πολύ περισσότερο επικίνδυνη τάση στα άκρα του.
Λόγω των ανωτέρω η εγκατάσταση, συντήρηση και επισκευή εξοπλισμού αντιστάθμισης, απαιτεί αυστηρή τήρηση των κανόνων ασφαλούς εργασίας και πρέπει να γίνεται αποκλειστικώς από αδειούχο, έμπειρο και εκπαιδευμένο προσωπικό.