energetická účinnost

Rozměr: px
Začít zobrazení ze stránky:

Download "energetická účinnost"

Transkript

1 EVROPSKÁ KOMISE GENERÁLNÍ ŘEDITELSTVÍ SVS SPOLEČNÉ VÝZKUMNÉ CENTRUM Institut pro studium perspektivních technologií Oddělení konkurenceschopnosti a udržitelnosti Evropský úřad IPPC Integrovaná prevence a omezování znečištění Referenční dokument o nejlepších dostupných technikách v oblasti energetická účinnost červen 2008 Ztráty při tranformaci/přeměně Ztráty při konečné spotřebě Primární energie Proces přeměny Sekundární energie Konečná energie Konečná spotřeba Užitečná energie Procesní teplo Přímé teplo Hybná síla Osvětlení Ostatní Pro Ministerstvo průmyslu a obchodu přeložil Ing. Petr Honskus a kolektiv, Praha, červen 2008 Edificio EXPO, c/ Inca Garcilaso s/n, E Sevilla - Španělsko telefon: přímá linka (+34-95) , ústředna Fax: Internet:

2 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... Velká spalovací zařízení Rafinérie ropy a plynu Výrobu železa a oceli Průmysl zpracování železných kovů Průmysl neželezných kovů Kovárny a slévárny Povrchové zpracování kovů a plastů Výrobu cementu a vápna Výrobu skla Výrobu keramiky Velkobjemový průmysl organické chemie Výrobu jemných organických chemických látek Výrobu polymerů Výrobu chlóru a alkálií Velkobjemový průmysl anorganické chemie - amoniak, kyseliny a hnojiva Velkobjemový průmysl organické chemie pevné a ostatní látky Výrobu zvláštních anorganických chemických látek Společné čištění odpadních vod a odpadního plynu/systémy managementu v chemickém sektoru Zpracování odpadů Spalování odpadů Management hlušiny a odpadního kamene z těžebních činností Průmysl papíru a celulózy Textilní průmysl Činění kůží a usní Jatky a živočišné vedlejší produkty Potravinářský, nápojový a mlékárenský průmysl Intenzívní chov drůbeže a prasat Povrchové zpracování pomocí organických rozpouštědel Průmyslové chladící systémy Emise ze skladování Energetickou účinnost Kód LCP REF I&S FMP NFM SF STM CLM GLS CER LVOC OFC POL CAK LVIC-AAF LVIC-S SIC CWW WT WI MTWR PP TXT TAN SA FDM IRPP STS ICS EFS ENE Referenční dokument pro... Obecné principy monitoringu Ekonomiku a mezisložkové vlivy Elektronické verze návrhů dokumentů i jejich finálních verzí jsou k dispozici na MON ECM ii červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

3 Souhrn SOUHRN Tento referenční dokument o nejlepších dostupných technikách v energetické účinnosti (BREF ENE) je výsledkem výměny informací, která proběhla dle Čl. 16, odst. 2 Směrnice č. 96/61/ES (Směrnice o IPPC). Tento Souhrn popisuje hlavní poznatky a poskytuje přehled nejdůležitějších závěrů v oblasti BAT. Je třeba jej číst spolu s Předmluvou, která vysvětluje cíle tohoto dokumentu, tj. jak by se měl používat a jaké jsou právní podmínky. Je možné jej číst a chápat jako samostatný dokument, ale protože se jedná o Souhrn, nelze v něm postihnout všechny složitosti celého tohoto dokumentu BREF. Cílem Souhrnu tudíž není nahrazení celého tohoto dokumentu jakožto nástroje při rozhodování o nejlepších dostupných technikách. Energetická účinnost (ENE) Energie je prioritní oblastí zájmu Evropské unie, a to ze tří vzájemně souvisejících důvodů: Klimatické změny: spalování fosilních paliv za účelem uvolnění energie je hlavním antropogenním zdrojem skleníkových plynů Pokračující rozsáhlé využívání nenahraditelných fosilních paliv a potřeba dosáhnout udržitelnosti Zabezpečení dodávek: více než 50 % dodávek paliv a energie v EU tvoří dovoz a očekává se, že v příštích 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 iii

4 Souhrn konkrétní techniky energetické účinnosti popsány podrobněji, a lze je uplatnit i v ostatních sektorech. Konkrétně: BREF LCP popisuje energetickou účinnost týkající se spalování a zdůrazňuje, že tyto techniky lze aplikovat na spalovací zařízení s kapacitou nižší než 50 MW BREF CV popisuje průmyslové chladící systémy. Tento dokument: nezahrnuje informace, které jsou specifické pro procesy a činnosti v sektorech, kterými se zabývají ostatní dokumenty BREF neodvozuje BAT specifické pro jednotlivé sektory. V Příloze 13 je však pro informaci uveden přehled nejlepších dostupných technik specifických pro jednotlivé sektory a popsaných v jiných dokumentech BREF. Tento dokument byl připraven na základě požadavku na realizaci ustanovení o energetické účinnosti, která jsou uvedena ve Směrnici o IPPC. Za svou nejvyšší prioritu považuje energetické využívání energie a tudíž nediskutuje o obnovitelných nebo udržitelných zdrojích energie, které jsou probrány jinde. Je však důležité poznamenat, že využívání udržitelných zdrojů energie a/nebo odpadního či nadbytečného tepla může být více udržitelné než využívání primárních paliv, dokonce i když je energetická účinnost při využití těchto zdrojů či tepla nižší. Struktura a obsah tohoto dokumentu Energetická účinnost (ENE) je při povolování IPPC horizontální problematikou a jak již bylo uvedeno v úvodu, struktura tohoto dokumentu není úplně standardní. Zejména kvůli široké rozmanitosti probíraných průmyslových odvětví a činností zde není žádná kapitola zabývající se spotřebami a emisemi. Pro některé techniky jsou zde uvedeny některé ukázkové hodnoty možných energetických úspor, o kterých lze v souvislosti s BAT uvažovat a řada příkladů je také v přílohách, které uživateli pomohou stanovit nejúčinnější techniky pro dosažení energetické účinnosti v konkrétní situaci. Kapitola 1 poskytuje určité základní informace o spotřebě energie v průmyslu a o energetické účinnosti v souvislosti s IPPC. Zahrnuje také neodborný úvod do hlavních otázek, jako jsou např.: ekonomie a mezisložkové vlivy, terminologie používaná v energetické účinnosti (např. energie, teplo, práce, síla) a důležité zákony termodynamiky. Konkrétně první zákon termodynamiky říká, že energii nelze ani vyrobit, ani zničit (lze ji jen přeměnit z jedné formy v druhou). To znamená, že energii lze brát v úvahu v rámci určitého zařízení nebo procesu, což umožňuje výpočet účinnosti. Druhý zákon termodynamiky říká, že žádná přeměna energie nemůže vést ke 100% využitelné práce a že vždy dochází k určitým ztrátám ve formě tepla nebo energie a tudíž žádný proces nebo stroj nemůže být účinný na 100 %. V kapitole jsou pak popsány ukazatele (indikátory) energetické účinnosti, význam a problémy definování energetické účinnosti a hranic systémů a jednotek, kterých se konkrétní energetická účinnost má týkat. Kapitola také vyjadřuje potřebu optimalizovat energetickou účinnost na úrovni systémů a závodů, nikoli na úrovni jednotlivých komponent. Kapitola 2 se zabývá technikami dosažení energetické účinnosti, jež lze aplikovat na úrovni závodu. Začíná popisem systémů managementu energetické účinnosti (ENEMS) a poté rozebírá techniky, které vedou k naplnění takovéhoto systému. Jedná se o: význam plánování a investic do integrovaného způsobu kontinuální minimalizace vlivů závodu na životní prostředí, zvažování závodu a jeho systémů jako celku, využívání energeticky účinného designu a výběr energeticky účinných procesních technologií pro nové a modernizované závody, zvyšování energetické účinnosti pomocí vyšší integrace procesu a pravidelná aktualizace ENEMS. Ostatními technikami, které podporují ENEMS, jsou udržování odbornosti zaměstnanců, komunikace o otázkách energetické účinnosti, účinné řízení procesů a údržba, monitoring a měření spotřeby energie, energetické audity, analytické nástroje, jako je např. PINCH, analýzy iv červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

5 Souhrn exergie a entalpie a termoekonomie, a monitoring a benchmarking úrovně energetické účinnosti pro závody nebo procesy. Kapitola 3 pojednává o technikách energetické účinnosti pro systémy, procesy a zařízení, jež využívají energii, např. spalování, pára, získávání tepla, kogenerace, dodávky elektrické energie, subsystémy poháněné elektromotory, čerpací systémy, vytápění, klimatizace a ventilace, osvětlení a sušení a separace. Nejlepší dostupné techniky Kapitola o BAT (kapitola 4) popisuje techniky, které jsou považovány za BAT na evropské úrovni, a to na základě informací obsažených v kapitolách 2 a 3. Z tohoto horizontálního dokumentu nelze odvozovat žádné hodnoty energetických úspor nebo energetické účinnosti. BAT týkající se energetické účinnosti a specifické pro konkrétní procesy, včetně související spotřeby energie, jsou popsány v příslušných sektorových (vertikálních) dokumentech BREF. BAT pro konkrétní závod je tudíž kombinací konkrétní BAT z příslušného sektorového dokumentu BREF, konkrétních BAT pro navazující činnosti, které lze najít v ostatních vertikálních BREFech (např. BREF LCP pro spalování a páru) a obecně použitelné nejlepší dostupné techniky popsané v tomto dokumentu. Účelem Směrnice o IPPC je dosáhnout integrované prevence a omezování znečištění a tím následně i vysoké úrovně ochrany životního prostředí jako celku, včetně energetické účinnosti a uvážlivého managementu přírodních zdrojů. Tato Směrnice stanoví povolovací systém pro specifikovaná průmyslová zařízení, který požaduje, aby jak provozovatelé, tak i regulační orgány zaujali integrovaný komplexní pohled na potenciál daného závodu v oblasti spotřeby a znečišťování. Základním cílem takového integrovaného přístupu musí být zlepšování designu, projektu a stavby, managementu a řízení průmyslových procesů a tím zajištění vysoké úrovně ochrany životního prostředí jako celku. Jádrem tohoto přístupu je obecný princip uvedený v Článku 3, tj. že provozovatelé by měli přijmout veškerá vhodná preventivní opatření proti znečištění, zejména prostřednictvím aplikace nejlepších dostupných technik, které jim umožní zlepšit svůj environmentální výkon, a to včetně energetické účinnosti. Příloha IV Směrnice o IPPC navíc obsahuje seznam aspektů, které je třeba vzít v úvahu, obecně nebo v konkrétních případech, při určování nejlepších dostupných technik, kdy se do posouzení zahrnují pravděpodobné náklady a přínosy určitého opatření a také zásady předběžné opatrnosti a prevence. Tyto aspekty zahrnují i informace publikované Komisí dle Čl. 16 odst. 2 v dokumentech BREF. Po kompetentních orgánech, které jsou odpovědné za vydávání povolení, se požaduje, aby při určování podmínek každého povolení zohlednily obecné zásady uvedené v Článku 3. Tyto podmínky musí zahrnovat limitní emisní hodnoty, v případě potřeby doplněné nebo nahrazené ekvivalentními parametry nebo technickými opatřeními. Podle Článku 9, odst. 4 Směrnice: (aniž by bylo dotčeno plnění standardů environmentální kvality), hodnoty emisních limitů, ekvivalentní parametry a technická opatření vycházejí z nejlepších dostupných technik, aniž by se předepisovalo použití jakékoli techniky nebo konkrétní technologie, ale berou se v úvahu technické charakteristiky příslušného zařízení, jeho geografické umístění a místní environmentální podmínky. Za všech okolní však povolení musí zahrnovat ustanovení o minimalizaci dálkového nebo přeshraničního znečištění a musí zajišťovat vysokou úroveň ochrany životního prostředí jako celku. Členské státy mají dle Článku 11 Směrnice povinnost zajistit, aby kompetentní orgány sledovaly vývoj v oblasti nejlepších dostupných technik nebo o něm byly informovány. Informace uvedené v tomto dokumentu je třeba používat jako vstup do procesu určování BAT pro energetickou účinnost v konkrétních případech. Při určování BAT a podmínek konkrétního PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 v

6 Souhrn povolení, které z BAT vycházejí, by se vždy měl brát v úvahu celkový cíl, tj. dosažení vysoké úrovně ochrany životního prostředí jako celku, včetně energetické účinnosti. Kapitola o BAT (kap. 4) uvádí techniky, které jsou považovány za kompatibilní s BAT v obecném smyslu. Účelem je poskytnout obecné poznatky o technikách energetické účinnosti, které lze považovat za vhodný referenční bod, který pomůže při určování podmínek povolení, jež má vycházet z BAT, anebo pro zavedení obecných závazných pravidel dle Článku 9 odst. 8. Mělo by se však zdůraznit, že tento dokument nenavrhuje hodnoty energetické účinnosti pro povolení. Předpokládá se, že nová zařízení lze projektovat tak, aby dosahovala zde prezentovaných obecných úrovní BAT nebo dokonce lepších výsledků. Rovněž se má za to, že stávající závody by se mohly úrovním BAT přiblížit, nebo je dokonce překonat, a to za předpokladu technické a ekonomické aplikovatelnosti těchto technik v každém konkrétním případě. U stávajících zařízení je rovněž třeba zohlednit ekonomickou a technickou životaschopnost jejich případné modernizace. Techniky uvedené v Kapitole 4 nebudou nutně vhodné pro všechny závody. Na druhé straně povinnost zajistit vysokou úroveň ochrany životního prostředí včetně minimalizace dálkového a přeshraničního znečištění znamená, že podmínky povolení nelze stanovit výhradně na základě místních okolností. Je tedy nanejvýš důležité, aby povolovací orgány braly informace obsažené v tomto dokumentu plně v úvahu. Je důležité mít význam energetické účinnosti na paměti. Nicméně dokonce i jediný cíl, kterým je zajištění vysoké úrovně ochrany životního prostředí jako celku, bude často představovat kompromisní posuzování a porovnávání různých druhů vlivů na životní prostředí a tato posuzování budou často ovlivňovat místní okolnosti. V důsledku toho: možná nebude vždy možné maximalizovat energetické účinnosti všech činností a/nebo systémů v závodě zároveň možná nebude vždy možné maximalizovat celkovou energetickou účinnost a zároveň i minimalizovat ostatní spotřeby a emise (např. nemusí být možné snížit emise do ovzduší bez použití energie) energetická účinnost jednoho nebo více systémů se někdy musí deoptimalizovat, aby se dosáhlo celkové maximální účinnosti daného závodu. Je nutné udržovat rovnováhu mezi maximalizací energetické účinnosti a ostatními faktory, jako je kvalita produktů, stabilita procesu atd. Využití udržitelných energetických zdrojů a/nebo odpadního či nadbytečného tepla může být udržitelnější než používání primárních paliv, dokonce i když by energetická účinnost využití takových zdrojů nebo tepla byla nižší. Techniky energetické účinnosti jsou tedy navrženy jako optimalizace energetické účinnosti. Horizontální přístup k energetické účinnosti ve všech sektorech IPPC vychází z předpokladu, že energie se používá ve všech závodech a že běžné systémy a zařízení se vyskytují v mnoha sektorech IPPC. Obecně použitelné možnosti zvyšování energetické účinnosti lze tudíž určovat nezávisle na konkrétní činnosti. Na tomto základě lze odvodit BAT, které zahrnují nejefektivnější opatření k dosažení vysoké úrovně energetické účinnosti jako celku. Protože je tento dokument BREF horizontální, je třeba BAT stanovit šířeji než u horizontálních BREFů a vzít v úvahu interakci mezi procesy, jednotkami a systémy v rámci dané lokality. Nejlepší dostupné techniky energetické účinnosti specifické pro konkrétní procesy a na ně navazující úrovně spotřeby energie jsou uvedeny v příslušných vertikálních sektorových dokumentech BREF. Protože první série BREFů již byla dokončena, jsou tyto techniky shrnuty v Příloze 13. vi červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

7 Souhrn Ani tato kapitola o BAT (kap. 4), ani kapitoly 2 a 3 neuvádějí vyčerpávající seznam technik, o kterých lze uvažovat. Mohou existovat nebo se vyvíjet i další techniky, které mohou být v rámci IPPC a BAT stejně vhodné. Implementace BAT v nových nebo podstatně modernizovaných závodech nebo procesech obvykle nebývá problém. Ve většině případů má ekonomický smysl energetickou účinnost optimalizovat. V rámci stávajícího závodu není implementace BAT zpravidla jednoduchá, a to vzhledem k existující infrastruktuře a místním okolnostem je třeba vzít v úvahu ekonomickou a technickou životaschopnost modernizace těchto závodů. V kapitolách 2 a 3 je probrána aplikovatelnost technik a ta je pak pro každou BAT shrnuta v kapitole 4. Tento dokument však obecně nerozlišuje mezi novými a stávajícími závody. Takové rozlišení by nepovzbudilo provozovatele průmyslových závodů k tomu, aby zaváděli BAT. S opatřeními v oblasti energetické účinnosti je obecně spojena určitá návratnost a vzhledem k velkému významu energetické účinnosti je k dispozici mnoho nástrojů pro implementaci energetické politiky, včetně finančních pobídek. O některých z nich se hovoří v přílohách. Některé techniky jsou velmi žádoucí a také se často realizují, ale je možné, že budou vyžadovat dostupnost a spolupráci třetí strany (např. kogenerace), o čemž Směrnice o IPPC neuvažuje. Je třeba poznamenat, že spolupráce a dohoda se třetími stranami nemusí být vždy nutně pod kontrolou provozovatele a tudíž možná nebude spadat do rámce povolení IPPC. Obecné BAT pro dosažení energetické účinnosti na úrovni závodu Klíčovým prvkem pro dosažení energetické účinnosti na úrovni závodu je přístup managementu. Ostatní BAT aplikované na úrovni jednotlivých provozů podporují management energetické účinnosti a poskytují větší podrobnosti o technikách potřebných k jejímu dosažení. Tyto techniky lze aplikovat ve všech závodech. Rozsah (např. míra podrobností, frekvence optimalizací, systémy, které je třeba zvažovat) a použité techniky budou záviset na velikosti a složitosti závodu a na požadavcích na energie v jednotlivých složkových systémech. Management energetické účinnosti BAT má implementovat a naplňovat Systém managementu energetické účinnosti (ENEMS), který dle místních okolností zahrnuje tyto prvky: závazek nejvyššího managementu definice politiky energetické účinnosti pro daný závod formulovaná nejvyšším managementem plánování a stanovování cílů a cílových stavů implementace a provoz postupů a procedur, zejména: struktury a odpovědnosti personálu; oblasti školení, povědomí a kompetence; komunikace; zapojení zaměstnanců; vedení dokumentace; účinného řízení procesů; programů údržby; připravenosti a reakce na havarijní situace; zajištění plnění legislativy a dohod (pokud existují) v oblasti energetické účinnosti benchmarking kontrola a nápravná opatření, se zvláštním zřetelem na: monitoring a měření; nápravná a preventivní opatření; vedení záznamů; nezávislé interní audity (tam, kde je to proveditelné) s cílem zjistit, zda ENEMS splňuje své plánované cíle a je řádně implementován a udržován pravidelné revize ENEMS z hlediska toho, zda je i nadále vhodný, adekvátní a efektivní (provede nejvyšší management) již při projektování nové jednotky zvažovat vliv vyřazení daného zařízení z provozu na životní prostředí vývoj energeticky účinných technologií a sledování vývoje technik energetické účinnosti. PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 vii

8 Souhrn ENEMS může také zahrnovat následující kroky: přípravu a publikování (s externí validací nebo bez ní) pravidelného prohlášení o energetické účinnosti, které umožní každoroční srovnání s cíli a cílovými stavy externí přezkoumání a validace systému managementu a postupu auditu implementace a naplňování národně nebo mezinárodně akceptovaného dobrovolného systému managementu pro energetickou účinnost. Kontinuální zlepšování v environmentální oblasti BAT má neustále minimalizovat vliv závodu na životní prostředí pomocí plánování činnosti a investic na integrovaném základě a v krátkodobém, střednědobém a dlouhodobém horizontu, přičemž je třeba brát v úvahu náklady a výnosy i mezisložkové vlivy. Lze aplikovat ve všech závodech. Kontinuálně znamená, že se činnosti nebo akce (tj. plánování) v čase opakují, tj. všechna plánovací a investiční rozhodnutí by měla brát v úvahu celkovou dlouhodobou snahu u snížení vlivu provozu na životní prostředí. Zlepšení mohou být jednorázová a nikoli lineární a je třeba zohlednit i mezisložkové vlivy, jako je třeba vyšší spotřeba energie na snižování emisí do ovzduší. Vlivy na životní prostředí nelze nikdy snížit na nulu a v čase se jednou dospěje do bodu, kdy další akce již nepřinesou téměř žádné úspory a přínosy. Během delšího období se však mohou změnit technologie i náklady a tím i životaschopnost. Zjišťování aspektů energetické účinnosti závodu a příležitostí k úsporám energie BAT má pomocí auditu zjišťovat ty aspekty závodu, které mají vliv na energetickou účinnost. Je důležité, aby byl audit v souladu se systémovým přístupem. Lze aplikovat ve všech závodech, před plánováním modernizací nebo přestaveb. Audit může být interní nebo externí. Při provádění auditu má BAT zajistit, že audit zjistí tyto aspekty: druh a množství energie používané v závodě a jeho komponentních složkách a procesech zařízení používající energii, druh a množství používané energie možnosti minimalizace používané energie, např.: řízení nebo zkrácení provozní doby, např. vypínání v době, kdy se zařízení nepoužívá zajištění optimální izolace optimalizace služeb, navazujících systémů a procesů (viz BAT pro systémy používající energii) možnosti využití alternativních zdrojů nebo využití energie, která je účinnější, zejména energie navíc z ostatních procesů a/nebo systémů možnosti zvýšení kvality tepla. BAT má využívat vhodné nástroje nebo metodiku pro určování a kvantifikaci energetické optimalizace, např.: Energetické modely, databáze a bilance Techniku, jako je např. technologie PINCH, analýza exergie nebo entalpie nebo tzv. termo-ekonomie Odhady a výpočty. Volba vhodných nástrojů závisí na sektoru a složitosti provozu a je popsána v příslušných kapitolách. BAT má zjišťovat příležitosti k optimalizaci získávání energie v rámci závodu, mezi systémy v závodě a/nebo s třetí stranou (stranami). Tato BAT závisí na existenci vhodného využití pro nadbytečné teplo, jeho druhu a množství, které lze získávat. viii červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

9 Souhrn Systémový přístup k energetickému managementu BAT má optimalizovat energetickou účinnost tím, že se zaujme systémový přístup k energetickému managementu v závodě. Systémy, které je třeba vzít v úvahu při optimalizaci jako celku, jsou např.. Procesní jednotky (viz sektorové dokumenty BREF) Systémy vytápění (pára, horká voda) Chlazení a vakuum (viz BREF CV) Systémy poháněné motory (stlačený vzduch, čerpání) Osvětlení Sušení. Vytýčení a revidování cílů a ukazatelů v oblasti energetické účinnosti BAT má zavést ukazatele energetické účinnosti a to prostřednictvím: stanovení vhodných ukazatelů energetické účinnosti pro závod a v případě potřeby i pro jednotlivé procesy, systémy a/nebo jednotky a měření jejich změn v čase nebo po zavedení opatření v oblasti energetické účinnosti stanovení a zaznamenání vhodných hranic ve spojení s každým ukazatelem zjištění a zaznamenání faktorů, které mohou způsobovat kolísání energetické účinnosti příslušného procesu, systémů a/nebo jednotek Finální energie se obvykle používají k monitoringu probíhajících situací. V některých případech se pro každý proces může použít více než jeden ukazatel finální energie (např. jak pára, tak i elektřina). Když se rozhoduje o použití (nebo změně) vektorů energie a médií či služeb, může být ukazatelem sekundární energie. Lze však použít i další ukazatele, jako je primární energie nebo uhlíková bilance, aby bylo možné vzít v úvahu účinnost produkce vektoru energie a jeho mezisložkových vlivů, v závislosti na místních okolnostech. Benchmarking BAT má představovat provádění systematických a pravidelných srovnání se sektorovými, národními nebo regionálními mezníky (benchmarks) tam, kde jsou k dispozici příslušné údaje. Období mezi jednotlivými benchmarkingy je pro každý sektor specifické a většinou je to několik let, protože data týkající se benchmarkingu se v krátkém časovém období podstatně nebo rapidně změní jen zřídka. Energeticky účinný design (EED) BAT má optimalizovat energetickou účinnost při projektování nového závodu, jednotky nebo systému anebo při podstatné modernizaci, přičemž se bere v úvahu toto: energeticky účinný design (EED) by měl být iniciován již v raných fázích koncepčního návrhu či ve fázi základního návrhu, dokonce i když plánované investice možná nejsou v té době ještě úplně definovány, a měl by se rozhodně vzít v úvahu i při vyhodnocování výběrového řízení rozvoj a/nebo selekce energeticky účinných technologií možná bude třeba provést dodatečný sběr dat (jako součást projektu anebo zvlášť), aby se doplnila existující data nebo se vyplnily mezery v potřebných znalostech práci na EED by měl provádět odborník na energetiku počáteční zmapování spotřeby energie by se také mělo zabývat tím, které strany v projektových organizacích ovlivňují budoucí spotřebu energie a optimalizovat EED budoucího zařízení spolu s nimi. Např. zaměstnanci stávajícího závodu, kteří mohou být odpovědní za specifikování provozních parametrů. Tam, kde nejsou k dispozici odborné znalosti v rámci firmy (např. v odvětvích méně náročných na spotřebu energie), měl by se vyhledat externí odborník na energetiku. PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 ix

10 Souhrn Vyšší integrace procesu BAT má usilovat o optimalizaci využití energie mezi více než jedním procesem nebo systémem v rámci závodu nebo ve vztahu ke třetí straně. Dlouhodobé udržení podnětů a pobídek pro iniciativy v oblasti energetické účinnosti BAT má udržovat podněty a pobídky programu energetické účinnosti, a to pomocí široké škály technik, např.: zavedením konkrétního systému energetického managementu zohledněním množství používané energie na základě skutečných (naměřených) hodnot, čímž přechází břímě odpovědnosti za energetickou účinnost na uživatele, resp. plátce účtů vytvořením center finančního zisku z energetické účinnosti prostřednictvím benchmarkingu pomocí nového pohledu na stávající systémy managementu využitím technik patřících do managementu změn. První tři techniky se aplikují podle dat v příslušných sekcích. Poslední tři techniky by se měly aplikovat s dostatečným odstupem, aby bylo možné posoudit pokrok energetického programu, tj. několik let. Péče o zachování odbornosti BAT má pečovat o zachování odbornosti v energetické účinnosti a v systémech, kde se používá energie, a to např. pomocí těchto technik: nábor zkušených pracovníků a/nebo proškolení pracovníků stávajících. Školení mohou vést interní zaměstnanci, externisté, anebo lze provést formální kursy, případně samostudium pravidelné zařazování pracovníků na akce, při nichž provádějí konkrétní šetření nebo šetření za pevně stanovených podmínek (ve svém původním závodě nebo v jiném) sdílení společných firemních zdrojů mezi stanovišti/závody využití konzultantů s vhodnými zkušenostmi k šetření za pevně stanovených podmínek outsourcing specializovaných systémů a/nebo funkcí. Účinné řízení procesů BAT má zajistit, aby účinné řízení procesů bylo realizováno např. pomocí těchto technik: mít k dispozici systémy, které zajistí, aby postupy a procedury byly známé, chápané a dodržovaly se zajistit, aby klíčové parametry výkonu byly identifikovány, optimalizovány na energetickou účinnost a monitorovány zdokumentování a zaznamenání těchto parametrů. Údržba BAT má v závodech provádět údržbu s cílem optimalizovat energetickou účinnost prostřednictvím aplikace všech těchto technik: jasně stanovit odpovědnost za plánování a výkon údržby zavedení strukturovaného programu údržby vycházejícího z technických popisů zařízení, norem atd. i z jakýchkoli případných selhání těchto zařízení a jejich důsledků. Některé činnosti údržby je lepší naplánovat na období odstávky zařízení. podpora programu údržby prostřednictvím vhodných záznamových systémů a diagnostického testování při rutinní údržbě, haváriích a/nebo nestandardních situacích zjišťovat možné ztráty energetické účinnosti nebo možnosti jejího zvýšení zjišťování úniků, rozbitého zařízení, opotřebovaných ložisek atd., které ovlivňují nebo kontrolují používání energie a napravení situace při nejbližší možné příležitosti. x červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

11 Souhrn Promptní provádění oprav je třeba vyrovnávat se zachováním kvality produktů a stability procesů, i s otázkami bezpečnosti a ochrany zdraví. Monitoring a měření BAT má zavést a uchovávat zdokumentované postupy pravidelného monitoringu a měření nejdůležitějších charakteristik operací a činností, které mohou mít výrazný dopad na energetickou účinnost. Některé vhodné techniky jsou popsány v tomto dokumentu. Nejlepší dostupné techniky pro dosažení energetické účinnosti v systémech používajících energii, procesech nebo činnostech Výše uvedené obecné BAT hovoří o tom, jak je důležité pohlížet na závod jako na celek a posuzovat potřeby a účely různých systémů, s nimi spojených energií a interakcí. Zahrnují mj.: analýzu a benchmarking systému a jeho výkonu plánování akcí investic do optimalizace energetické účinnosti, přičemž se berou v úvahu nákladová účinnost a mezisložkové vlivy u nových systémů optimalizace energetické účinnosti při projektování závodu, jednotky nebo systému a při výběru procesů u stávajících systémů optimalizace energetické účinnosti systému prostřednictvím jeho provozování a managementu, včetně pravidelného monitoringu a údržby. Následující BAT tedy předpokládají, že tyto obecné BAT se aplikují i na níže uvedené systémy v rámci jejich optimalizace. BAT v oblasti energetické účinnosti pro běžné navazující činnosti, systémy a procesy v závodech IPPC lze shrnout následovně: BAT má optimalizovat: spalování parní systémy pomocí relevantních technik, jako jsou např.: techniky specifické pro jednotlivé sektory a popsané ve vertikálních dokumentech BREF techniky popsané v BREF LCP a v tomto dokumentu (ENE). BAT má optimalizovat následující, např. pomocí technik popsaných v tomto dokumentu: systémy stlačeného vzduchu čerpací systémy systémy vytápění, větrání a klimatizace (HVAC) osvětlení procesy sušení, zahuštění a separace. U těchto procesů se jedná také o BAT, při kterých se hledají možnosti využití mechanické separace ve spojení s tepelnými procesy. Další BAT pro systémy, procesy nebo činnosti jsou: Získávání tepla BAT má zachovávat účinnost výměníků tepla, a to pomocí: pravidelného monitoringu účinnosti prevence nebo odstraňování znečištění. Techniky chlazení a s nimi spojené BAT jsou popsány v dokumentu BREF CV, kde primární nejlepší technikou je hledání využití nadbytečného tepla spíše než jeho prostého odvádění při chlazení. Tam, kde je požadováno chlazení, by se mělo uvažovat o výhodách volného chlazení (využití okolního vzduchu). Kogenerace BAT má hledat možnosti kogenerace uvnitř a/nebo vně závodu (s třetí stranou). PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 xi

12 Souhrn V mnoha případech tuto spolupráci usnadňují orgány na místní, regionální nebo celostátní úrovni, nebo jsou tyto orgány samy třetí stranou. Zásobování elektrickou energií BAT má zvyšovat účiník dle požadavků místního distributora elektrické energie, a to např. pomocí technik popsaných v tomto dokumentu. BAT má kontrolovat zásobování elektrickou energií z hlediska harmonických kmitočtů a aplikovat v případě potřeby filtry. BAT má optimalizovat účinnost zásobování elektrickou energií pomocí technik popsaných v tomto dokumentu, v souladu s použitelností. Subsystémy poháněné elektromotory Nahrazení energeticky účinnými motory (EEM energy efficient motors) a pohonem s proměnnými otáčkami (VSD - variable speed drive) je při zlepšování energetické účinnosti jedno z nejsnadnějších opatření. Mělo by se to však provádět v kontextu celého systému, do kterého je motor začleněn, jinak je zde riziko: ztráty potenciálních přínosů optimalizace využití a velikosti systémů a následné optimalizace požadavků na motorový pohon ztráty energie, jestliže se VDS aplikuje ve špatném kontextu. BAT má optimalizovat elektromotory v následujícím pořadí: 1. optimalizovat celý systém, jehož je motor součástí (např. chladící systém) 2. poté optimalizovat motor/motory v systému podle nově stanovených požadavků na zatížení, aplikací jedné nebo více popsaných technik v souladu s použitelností 3. když byly optimalizovány systémy využívající energii, pak optimalizovat zbývající (neoptimalizované) motory podle popsaných technik a kritérií, např.: i) dát přednost zbývajícím motorům, které jsou v provozu po více než 2000 hodin ročně, a nahradit je elektricky účinnými motory (EEM) ii) mělo by se uvažovat o tom, že elektromotory pohánějící proměnlivé zatížení, které pracují na méně než 50% své kapacity po více než 20% svého provozního času a jsou v provozu po více než 2000 hodin ročně, by se vybavily pohonem s proměnnými otáčkami (VSD). Míra konsensu Úplného konsensu bylo dosaženo ohledně formátu, zvažovaných technika zejména závěrů jakožto horizontálních BAT. Výzkum a technický vývoj EK prostřednictvím svých RTD programů zahajuje a podporuje sérii projektů, které se zabývají čistými technologiemi, novými technologiemi čištění odpadních vod a recyklace a strategiemi v oblasti managementu. Tyto projekty by mohly potenciálně představovat užitečný příspěvek budoucím revizím dokumentů BREF. Čtenáři jsou proto vyzváni, aby EIPPCB informovali o veškerých výsledcích výzkumů, které jsou relevantní k rozsahu tohoto dokumentu (viz též Předmluva k tomuto dokumentu). xii červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

13 Předmluva PŘEDMLUVA 1. Statut tohoto dokumentu Pokud není uvedeno jinak, pak odkaz na Směrnici v tomto dokumentu znamená Směrnici Rady č. 96/61/ES o integrované prevenci a omezování znečištění, ve znění Směrnice 2003/87/ES. Protože se tato Směrnice vztahuje bez výjimek na ustanovení Společenství o zdraví bezpečnosti na pracovišti, platí totéž i pro tento dokument. Tento dokument je pracovním návrhem Evropského úřadu pro IPPC. Není oficiální publikací Evropských společenství a nevyjadřuje nutně postoj Evropské komise. 2. Zmocnění pro práci na dokumentu Pro tento dokument existuje také konkrétní zmocnění vyplývající z požadavku, který byl formulován ve Sdělení Komise o implementaci Evropského programu pro změnu klimatu (European Climate Change Programme - ECCP) (COM(2001)580 final) v souvislosti s energetickou účinností v průmyslových zařízeních. Tento Program požádal, aby byla prosazována efektivní implementace ustanovení Směrnice o IPPC a aby byl připraven zvláštní horizontální BREF (referenční dokument BAT), který by řešil obecně použitelné techniky energetické účinnosti. 3. Relevantní právní závazky Směrnice o IPPC a definice BAT Abychom čtenáři pomohli porozumět právnímu kontextu, ve kterém byl tento dokument navržen, jsou v této Předmluvě popsána některá nejrelevantnější ustanovení Směrnice o IPPC, včetně definice termínu nejlepší dostupná technika (BAT). Tento popis je nevyhnutelně neúplný a je uveden pouze pro informaci. Nemá žádnou právní hodnotu a žádným způsobem neupravuje ani neovlivňuje skutečná ustanovení uvedené Směrnice. Účelem Směrnice je dosáhnout integrované prevence a omezování znečištění, které vzniká při činnostech uvedených v Příloze I, a tím následně i vysoké úrovně ochrany životního prostředí jako celku, včetně energetické účinnosti a uvážlivého managementu přírodních zdrojů. Právní základ Směrnice se týká ochrany životního prostředí. Její implementace by měla brát v úvahu i ostatní cíle Společenství, jako je konkurenceschopnost průmyslu Společenství a oddělení růstu od spotřeby energie, jež přispívá k udržitelnému rozvoji. Kapitola Rozsah pak uvádí další informace o právním základu energetické účinnosti ve Směrnici. Řečeno konkrétně, Směrnice stanoví systém povolování pro určité kategorie průmyslových zařízení, který vyžaduje, aby jako provozovatelé, tak i regulátoři zaujaly integrovaný, celkový přístup k potenciálu daného zařízení z hlediska spotřeby a znečišťování. Hlavním cílem takového integrovaného přístupu musí být zlepšování designu, konstrukce, managementu a řízení průmyslových procesů, které zajistí vysokou úroveň ochrany životního prostředí jako celku. Jádrem tohoto přístupu je obecný princip uvedený v Článku 3, tj. že provozovatelé by měli přijmout veškerá vhodná preventivní opatření proti znečištění, zejména prostřednictvím aplikace nejlepších dostupných technik, které jim umožní zlepšit svůj environmentální výkon, a to včetně energetické účinnosti. Termín nejlepší dostupná techniky je definován v Čl. 2 odst. 11 Směrnice jako nejúčinnější a nejmodernější stupeň vývoje činností a metody jich provozu, které představují praktickou vhodnost konkrétních technik k tomu, aby tvořily v principu základ limitních emisních hodnot stanovených za účelem prevence, a tam, kde to není možné, obecně za účelem snížení emisí a vlivů na životní prostředí jako celek. Článek 2 odst. 11 dále objasňuje tuto definici následovně: techniky termín zahrnuje jak použitou technologii tak i způsob, jakým je zařízení projektováno, postaveno, udržováno, provozováno a vyřazeno z provozu; PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 xiii

14 Souhrn dostupné dostupné techniky jsou ty, které byly vyvinuty v měřítku, jež umožňuje jejich realizaci v příslušném průmyslovém sektoru za ekonomicky a technicky schůdných podmínek. Berou se v úvahu jejich náklady a výhody, ať už jsou tyto techniky používány nebo produkovány v dotčeném členském státě či nikoli, pokud jsou pro provozovatele v zásadě akceptovatelné. nejlepší znamená nejúčinnější při dosahování vysoké celkové úrovně ochrany životního prostředí jako celku. Příloha IV Směrnice navíc obsahuje seznam aspektů, které je třeba vzít v úvahu, obecně nebo v konkrétních případech, při určování nejlepších dostupných technik, kdy se do posouzení zahrnují pravděpodobné náklady a přínosy určitého opatření a také zásady předběžné opatrnosti a prevence. Tyto aspekty zahrnují i informace publikované komisí dle Čl. 16 odst. 2. 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. xiv červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

15 Předmluva 5. Zdroje informací Tento dokument představuje souhrn informací shromážděných z mnoha zdrojů, především pak od odborných pracovních skupin, které byly založeny, aby Komisi pomohly v její práci, a které byly také prostřednictvím Služeb Evropské komise verifikovány. Práce všech přispěvatelů a expertních skupin si velmi vážíme. 6. Jak tomuto dokumentu porozumět a jak ho používat 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 xv

16 Souhrn na základě místních okolností. Je tedy nanejvýš důležité, aby povolovací orgány braly informace obsažené v tomto dokumentu plně v úvahu. Protože se nejlepší dostupné techniky v čase mění, bude tento dokument revidován a podle potřeby aktualizován. Veškeré připomínky a návrhy by se měly adresovat Evropskému úřadu IPPC, Institutu pro studium perspektivních technologií a to na následující adresu: Edificio Expo, c/inca Garcilaso, s/n, E Sevilla, Spain Telefon: Fax: Internet: xvi červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

17 Referenční dokument o nejlepších dostupných technikách v oblasti Energetická účinnost SOUHRN... III PŘEDMLUVA...XIII ROZSAH... XXVII 1 ÚVOD A DEFINICE Úvod Energie v sektoru průmyslu v EU Dopady využívání energie Příspěvek energetické účinnosti ke snižování vlivů globálního oteplování a ke zlepšení udržitelnosti Energetická účinnost a Směrnice o IPPC Energetická účinnost v integrované prevenci a omezování znečištění Otázky ekonomie a mezisložkových vlivů Energie a zákony termodynamiky Energie, teplo, síla a práce Zákony termodynamiky První zákon termodynamiky: konverze (přeměna) energie Druhý zákon termodynamiky: entropie se zvyšuje Bilance exergie: kombinace prvního a druhého zákona Diagramy vlastností (parametrů) Další informace Zjišťování ireverzibilit Definice a ukazatele (indikátory) energetické účinnosti a zvyšování energetické účinnosti Energetická účinnost a její měření ve Směrnici o IPPC Účinné a neúčinné využívání energie Ukazatele (indikátory) energetické účinnosti Úvod do využití ukazatelů (indikátorů) Význam systémů a jejich hranic Ostatní použité termíny Primární energie a sekundární energie Výhřevnosti paliva a účinnost Management na straně poptávky a na straně nabídky Ukazatele energetické účinnosti v průmyslu Úvod: definování ukazatelů a dalších parametrů Energetická účinnost ve výrobních jednotkách Příklad 1. Jednoduchý případ Příklad 2. Typický případ Energetická účinnost provozovny (závodu) Otázky, které je třeba zvažovat při definování ukazatelů energetické účinnosti Definování hranic systému Závěry týkající se systémů a hranic systémů Ostatní důležité otázky, které je třeba zvažovat na úrovni závodu Zaznamenávání používaných postupů v oblasti podávání zpráv Interní produkce a využívání energie Získávání energie z odpadů a prostřednictvím fakulí (bezpečnostních hořáků) Koeficient zatížení (snižování SEC s rostoucí produkcí) Změny ve výrobních technikách a vývoj produktů Integrace energetického hospodářství Neúčinné využívání energie přispívající k udržitelnosti a/nebo celkové účinnosti stanoviště Vytápění a chlazení prostor Regionální faktory Citelné teplo Další příklady PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 xvii

18 2 TECHNIKY, KTERÉ JE TŘEBA ZVAŽOVAT PRO DOSAŽENÍ ENERGETICKÉ ÚČINNOSTI NA ÚROVNI ZÁVODU Systémy managementu energetické účinnosti (ENEMS) Plánování a stanovování cílů a cílových stavů Pokračující zlepšování v oblasti životního prostředí a mezisložkových vlivů Systémový přístup k energetickému managementu Energeticky účinný design (EED) Výběr technologie pro konkrétní proces Vyšší integrace procesu Dlouhodobé udržení podnětů a pobídek pro iniciativy v oblasti energetické účinnosti Péče o zachování odbornosti lidské zdroje Komunikace Sankeyův diagram Účinné řízení procesu Systémy řízení procesů Systémy managementu (řízení, zajištění) kvality Údržba Monitoring a měření Techniky nepřímého měření Odhady a výpočty Měření a moderní měřící systémy Měření toku v potrubích s nízkým poklesem tlaku Energetické audity a energetická diagnostika Metodika PINCH Analýza exergie a entalpie Termo-ekonomie Energetické modely Energetické modely, databáze a bilance Optimalizace a management médií a služeb na základě modelů Benchmarking Ostatní nástroje TECHNIKY, KTERÉ JE TŘEBA ZVAŽOVAT PRO DOSAŽENÍ ENERGETICKÉ ÚČINNOSTI V SYSTÉMECH, PROCESECH NEBO ČINNOSTECH, KTERÉ VYUŽÍVAJÍ ENERGII Spalování Snížení teploty spalin Instalace zařízení na předehřívání vzduchu nebo vody Rekuperační a regenerační hořáky Snížení hmotnostního toku spalin prostřednictvím snížení přebytečného vzduchu Regulace a řízení hořáků Volba paliva Oxy-hoření (oxypalivo) Snížení ztrát tepla pomocí izolace Snížení ztrát prostřednictvím dveří pece Parní systémy Obecné vlastnosti páry Přehled opatření na zlepšení výkonu parního systému Škrtící zařízení a využití protitlakých turbín Provozní a řídící techniky Předehřívání napájecí vody (včetně použití ekonomizérů) Prevence a odstraňování nánosů kotelního kamene na povrchu, kde dochází k přenosu tepla Minimalizace odluhu kotle Optimalizace ventilu odvzdušňovacího zařízení Minimalizace ztrát způsobených krátkým cyklem kotle Optimalizace parních distribučních systémů Izolace parního potrubí a potrubí pro vracení kondenzátu Instalace odstranitelných izolačních tvarovek nebo ventilů a armatur Realizace programu účinné údržby oddělovače páry Sběr a vracení kondenzátu do kotle k opětovnému použití Opětovné využití mžikové páry Získávání energie z odluhů kotle xviii červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

19 3.3 Získávání tepla a chlazení Výměníky tepla Monitoring a údržba výměníků tepla Tepelná čerpadla (včetně mechanické rekomprese par (MVR) Mrazící a chladící systémy Kogenerace Různé druhy kogenerace Trigenerace Lokální chlazení Zásobování elektrickou energií Kompenzace účiníku Harmonické kmitočty Optimalizace dodávek Energeticky účinný management transformátorů Subsystémy poháněné elektromotory Energeticky účinné motory (EEM) Správné rozměry motoru Pohony s proměnnými otáčkami (VSD - variable speed drive) Ztráty v převodu Opravy motorů Převinutí Dosažené environmentální přínosy, mezisložkové vlivy, použitelnost a další otázky spojené s energetickou účinností elektromotorů Systémy stlačeného vzduchu (CAS compressed air systems) Design systému Pohony s měnitelnými otáčkami Vysoce účinné motory Systémy hlavního řízení CAS Získávání tepla Snižování úniků ze systému stlačeného vzduchu Údržba filtrů Přívod studeného vzduchu do kompresorů Optimalizace hladiny tlaku Skladování stlačeného vzduchu v blízkosti nejvíce kolísavého použití Čerpací systémy Přehled a hodnocení čerpacích systémů Výběr čerpadla Potrubní systém Údržba Řízení a regulace potrubního systému Motor a přenos síly (prostupnost) Dosažené environmentální přínosy, mezisložkové vlivy, použitelnost a další otázky spojené s technikami energetické účinnosti v čerpacích systémech Systémy vytápění, ventilace a klimatizace (HVAC) Vytápění a chlazení prostor Ventilace Optimalizace designu nového nebo rozšířeného ventilačního systému Zlepšení stávajícího ventilačního systému v rámci instalace Chlazení zdarma Osvětlení Procesy sušení, separace a zahušťování Výběr optimální technologie separace nebo jejich kombinací Mechanické procesy Tepelné techniky sušení Výpočet požadavků na energii a účinnosti Přímé zahřívání Nepřímé zahřívání Přehřátá pára Získávání tepla z procesů sušení Mechanická rekomprese par nebo tepelné čerpadlo s odpařováním Optimalizace izolace v procesu sušení Sálavé energie Počítačové řízení procesu/automatizace procesů termálního sušení PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 xix

20 4 NEJLEPŠÍ DOSTUPNÉ TECHNIKY Úvod Nejlepší dostupné techniky pro dosažení energetické účinnosti na úrovni podniku (závodu) Management energetické účinnosti Plánování a stanovování cílů a cílových stavů Kontinuální zlepšování v environmentální oblasti Zjišťování aspektů energetické účinnosti v závodě a příležitostí k úsporám energie Systémový přístup k energetickému managementu Vytýčení a revidování cílů a ukazatelů v oblasti energetické účinnosti Benchmarking Energeticky účinný design (EED) Vyšší integrace procesů Dlouhodobé udržení podnětů a pobídek pro iniciativy v oblasti energetické účinnosti Péče o zachování odbornosti Účinné řízení procesů Údržba Monitoring a měření Nejlepší dostupné techniky pro dosažení energetické účinnosti v systémech, procesech, zařízeních nebo činnostech používajících energii Spalování Parní systémy Získávání tepla Kogenerace Zásobování elektrickou energií Subsystémy poháněné elektromotory Systémy stlačeného vzduchu (CAS) Čerpací systémy Systémy vytápění, ventilace a klimatizace (HVAC) Osvětlení Sušení, separační procesy a zahušťování VZNIKAJÍCÍ TECHNIKY ENERGETICKÉ ÚČINNOSTI Bezplamenné spalování (bezplamenná oxidace) Uchování energie stlačeného vzduchu ZÁVĚREČNÉ POZNÁMKY Načasování a postup práce Zdroje informací Míra konsensu Mezery a překrývání ve znalostech a doporučeních pro budoucí sběr informací a výzkum Mezery a překrývání v datech Téma výzkumu a další práce Revize tohoto dokumentu GLOSÁŘ PŘÍLOHY Energie a zákony termodynamiky Obecné principy Charakteristika systémů a procesů Formy uchování a přenosu energie První a druhý zákon termodynamiky Bilance energie. První zákon termodynamiky Druhý zákon termodynamiky: entropie Bilance entropie v otevřeném systému Analýza exergie Diagramy vlastností, tabulky, databanky a počítačové programy Diagramy vlastností Tabulky vlastností, databanky a simulační programy Zjišťování neúčinností Nomenklatura Literatura Případové studie termodynamické ireverzibility xx červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

21 7.2.1 Případ 1. Regulační a škrtící zařízení Případ 2. Tepelné výměníky Případ 3. Technologické procesy míchání Příklad použití energetické účinnosti Krakování ethylenu Výroba VAM Válcování plechu za horka Příklady zavedení systémů energetického managementu Příklad energeticky účinného hlavního procesu Příklad udržování podnětů iniciativ energetické účinnosti: provozní dokonalost Monitoring a měření Kvantitativní měření Optimalizace a řízení využívající modelování využití zařízení Energetické modely, databáze a bilance Ostatní nástroje používané k auditu a na podporu dalších technik používaných na úrovni provozovny Provádění auditu a nástroje energetického managementu Protokol o měření a verifikaci Benchmarking Rafinérie minerálních olejů Rakouská Energetická Agentura (AEA - Austrian Energy Agency) Systém pro malé a střední podniky (MSP) - Norsko Úmluvy o benchmarkingu, Holandsko Benchmarking ve sklářství Alokace energie/emisí CO2 mezi různé produkty ve složitém procesu s následnými kroky Příklady ke Kapitole Příklady výpočtů - pára Rekuperace odpadního tepla Kogenerace Trigenerace Management poptávky Společnost poskytující energetické služby (ESCO) Webové stránky Evropské komise a národní akční plány členských zemí v oblasti energetické účinnosti (NEEAP) Systém obchodování s emisemi (ETS) v EU Optimalizace dopravních systémů Energetický audit pro dopravní řetězce Energetický management v silniční dopravě Lepší balení a optimalizace využití dopravy Souhrn technik energetické účinnosti z ostatních BREFů Výroba cementu a vápna (BREF CL) Průmysl výroby železa a oceli (BREF IS) Průmysl výroby neželezných kovů (BREF NFM) Papírenský průmysl (BREF PP) Průmysl chloralkalické chemie (BREF CAK) Zpracování železných kovů (BREF FMP) Průmysl výroby skla Průmyslové chladící soustavy (BREF CV) Evropský energetický mix Korekce účiníku PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 xxi

22 Seznam obrázků Obrázek 1-1: Použití vertikálních sektorových BREFů s horizontálními BREFy... xxxiii Obrázek 1-1 Procentuální podíly zpracovatelských průmyslových sektorů na poptávce po primární energii v EU...1 Obrázek 1-2: Zvyšování atmosférických koncentrací GHG od roku 1750 a různé scénáře vývoje ekvivalentu CO 2 v ppm...2 Obrázek 1-3: Spotřeba energie v chemickém průmyslu v letech 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 Obrázek 2-11: Dva horké proudy Obrázek 2-12: Horká složená křivka Obrázek 2-13: Složené křivky zobrazující cíle PINCH a energie Obrázek 2-14: Schématické znázornění systémů nad a pod bodem PINCH Obrázek 2-15: Přechod tepla přes bod PINCH od spotřebitele tepla ke zdroji tepla Obrázek 2-16: Úspory energie zjištěné metodikou PINCH Obrázek 2-17: Účiník zařízení v závislosti na koeficientu zatížení Obrázek 3-1: Energetická bilance spalovacího zařízení Obrázek 3-2: Schéma spalovacího systému s předehřívačem vzduchu Obrázek 3-3: Princip fungování regeneračních hořáků Obrázek 3-4: Různé oblasti spalování Obrázek 3-5: Běžný systém výroby a distribuce páry Obrázek 3-6: Moderní řídící systém s optimalizací využití kotle Obrázek 3-7: Předehřívání napájecí vody Obrázek 3-8: Schéma kompresního tepelného čerpadla Obrázek 3-9: Schéma absorpčního tepleného čerpadla Obrázek 3-10: Jednoduché zařízení MVR Obrázek 3-11: Hodnoty koeficientu výkonu ve vztahu k teplotnímu nárůstu pro zařízení běžné MVR..180 Obrázek 3-12 Protitlakové zařízení Obrázek 3-13: Kondenzační elektrárna s extrakcí Obrázek 3-14: Plynová turbína se spalinovým kotlem Obrázek 3-15: Elektrárna s kombinovaným cyklem Obrázek 3-16 Interní spalování pístový motor Obrázek 3-17: Srovnání mezi účinností kondenzační elektrárny a zařízení KVET Obrázek 3-18: Trigenerace v porovnání se samostatnou výrobou energie pro velké letiště Obrázek 3-19: Trigenerace umožňuje optimalizaci provozu během celého roku Obrázek 3-20: Lokální chlazení v zimě chladící technologií zdarma Obrázek 3-21: Lokální chlazení v létě pomocí absorpční technologie xxii červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

23 Obrázek 3-22: Jalový a zdánlivý výkon Obrázek 3-23: Schéma transformátoru Obrázek 3-24: Vztah mezi ztrátami v železe, v mědi, v účinnosti a ve faktoru zatížení Obrázek 3-25: Konvenční a energeticky účinný čerpací systém Obrázek 3-26: Motor kompresoru s jmenovitým výkonem 24 MW Obrázek 3-27: Energetická účinnost tří AC indukčních motorů Obrázek 3-28: Účinnost vs. zatížení u elektromotorů Obrázek 3-29: Náklady na nový motor v porovnání s převinutím Obrázek 3-30: Náklady na elektromotor v průběhu životnosti Obrázek 3-31: Běžné složky CAS Obrázek 3-32: Druhy kompresorů Obrázek 3-33: Různé profily poptávky Obrázek 3-34: Různé druhy řízení kompresoru Obrázek 3-35: Maximální efektivní průtok vs. vztlaková výška, síla a výkonnost Obrázek 3-36: Užitečný výkon čerpadla vs. vztlaková výška Obrázek 3-37: Vztlaková výška čerpadla vs. průtoková rychlost Obrázek 3-38: Ukázka spotřeby energie u dvou regulačních systémů pro hydrodynamické čerpadlo Obrázek 3-39: Běžné náklady za dobu životnosti pro středně velké průmyslové čerpadlo Obrázek 3-40: Ventilační systém Obrázek 3-41: Spotřeba energie u některých separačních procesů Obrázek 3-42: Šířky pásma pro měrnou spotřebu sekundární energie různých typů sušáren při odpařování vody Obrázek 4-1: Vztahy mezi BAT v oblasti energetické účinnosti Obrázek 5-1: Princip fungování regeneračních hořáků Obrázek 5-2: Výsledky čistého tepelného výkonu testovacích kotlů u běžných kotlů a u kotlů HiTAC 306 Obrázek 5-3: Podmínky bezplamenného spalování Obrázek 7-1: Diagram teploty a entropie Obrázek 7-2: Proces regulace páry Obrázek 7-3: T-s a h-s diagramy příkladu procesu regulace páry Obrázek 7-4: Protiproudý tepelný výměník Obrázek 7-5: Přehřívací proces toku páry Obrázek 7-6: T-s a h-s diagram příkladu přehřívacího procesu páry Obrázek 7-7: Zlomek I i /RT 0 vzhledem k molárnímu zlomku jedné složky směsi Obrázek 7-8: Míchací komora dvou toků Obrázek 7-9: T-s diagram příkladu procesu míchání Obrázek 7-10: Vstupy a výstupy ze zařízení na výrobu monomeru vinyl acetátu (VAM) Obrázek 7-11: Tokový diagram válcovny plechu Obrázek 7-12: Měrná spotřeba energie ve válcovně plechu Obrázek 7-13: Měrná spotřeba energie ve válcovně plechu Obrázek 7-14: Schéma procesu bauxitové rafinérie Eurallumina Obrázek 7-15: Doby trvání provozních cyklů ohřívačů Obrázek 7-16: Systém rekuperace tepla napojený na systém centralizovaného zásobování teplem Obrázek 7-17: Vysvětlení jalového a zdánlivého výkonu PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 xxiii

24 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 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 tabulka 2-7 Podnikatelské impulsy k využívání systému optimalizace médií a služeb tabulka 3-1 Rozdělení informací o systémech a technikách popisovaných v kapitolách 2 a 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 tabulka 3-4 Možné úspory spojené s předehříváním vzduchu pro spalování tabulka 3-5 Využití páry v některých průmyslových odvětvích tabulka 3-6 Běžné techniky energetické účinnosti pro průmyslové parní systémy. Upraveno a sestaveno podle [123, US_DOE] tabulka 3-7 Údaje pro zemní plyn, 15 % přebytečný vzduch a konečná teplota komína 250 o F tabulka 3-8 Rozdíly v přenosu tepla tabulka 3-9 Obsah energie v odluhu tabulka 3-10 Ztráty tepla na 100 stop neizolovaného parního potrubí tabulka 3-11 Přibližné úspory energie spojené s instalací odstranitelných izolačních tvarovek na ventily tabulka 3-12 Míra úniků z unikajícího oddělovače páry tabulka 3-13 Různé provozní fáze oddělovačů páry [29, Maes, 2005] tabulka 3-14 Provozní faktory pro ztráty páry v oddělovačích páry [29, Maes, 2005] tabulka 3-15 Faktor zatížení pro ztráty páry tabulka 3-16 Procenta z celkové energie přítomné v kondenzátu při atmosférickém tlaku a v mžikové páře tabulka 3-17 Energie získaná ze ztrát spojených s odluhem tabulka 3-18 Příklady požadavků na proces a BAT tabulka 3-19 Příklady charakteristik pro různé lokality a BAT tabulka 3-20 Seznam kogeneračních technologií a standardních poměrů elektřiny ku teplu tabulka 3-21 Odhadovaná spotřeba elektrické energie ve 25 zemích EU-25 v roce tabulka 3-22 Míra úspory energie subsystému pohonu tabulka 3-23 Opatření na úsporu energie u CAS tabulka 3-24 Běžné složky CAS tabulka 3-25 Příklad úspor nákladů tabulka 3-26 Úspory získané přívodem studeného venkovního vzduchu do kompresoru tabulka 3-27 Charakteristiky a účinnost různých druhů světla tabulka 3-28 Úspory u osvětlovacích systémů tabulka 3-29 Druhy odpařováků a měrné spotřeby tabulka 4-1 Techniky spalovacího systému určené ke zvyšování energetické účinnosti tabulka 4-2 Pára techniky zlepšování energetické účinnosti tabulka 4-3 Techniky korekce účiníku směřující je zvýšení energetické účinnosti tabulka 4-4 Techniky zvyšování účinnosti v zásobování elektřinou tabulka 4-5 Elektromotory techniky ke zvýšení energetické účinnosti tabulka 4-6 Systémy stlačeného vzduchu: opatření v energetické účinnosti tabulka 4-7 Čerpací systémy opatření v energetické účinnosti tabulka 4-8 Vytápění, klimatizace a ventilace techniky zvyšování energetické účinnosti tabulka 4-9 Osvětlení techniky zvyšování energetické účinnosti tabulka 4-10 Systémy sušení, zahušťování a separace: opatření na zvyšování energetické účinnosti tabulka 7-1 Vybrané hodnoty derivací tabulka 7-2 Maximální hodnoty pro směsi tabulka 7-3 Celosvětová kapacita výroby akrylamidu 105 t/rok tabulka 7-4 Porovnání procesů výroby akrylamidu tabulka 7-5 Srovnání spotřeby energie v MJ/kg akrylamidu tabulka 7-6 Srovnání emisí CO 2 v kg CO2/kg akrylamidu tabulka 7-7 Úspory energie, systém EB barviv xxiv červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

25 tabulka 7-8 Jednoduchý elektrický model tabulka 7-9 Údaje tepelného energetického modelu (strana výroby) tabulka 7-10 Údaje tepelného modelu (strana spotřeby) tabulka 7-11 Hodnoty součinitele provozu pro úniky páry ze separátoru par tabulka 7-12 Součinitele zatížení pro úniky páry tabulka 7-13 Technické údaje o trigenerační jednotce na letišti Barajas tabulka 7-14 Výhody a nevýhody pronájmu CAS zařízení tabulka 7-15 vvýhody a nevýhody pořízení CAS od ESCO tabulka 7-16 Výhody a nevýhody energetického hospodářství zajištěného podnikem ESCO PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 xxv

26

27 Rozsah ROZSAH Záměrem tohoto dokumentu i ostatních Referenčních dokumentů této série (viz seznam na zadní straně titulní stránky), je řešení otázek energetické účinnosti dle Směrnice o IPPC. Energetická účinnost není striktně omezena pouze na některý průmyslový sektor uvedený v Příloze 1 Směrnice, ale jedná se o horizontální problematiku, kterou je nutné vzít v potaz ve všech případech (jak je popsáno níže). Ve Směrnici jsou přímé a nepřímé odkazy na energii a energetickou účinnost, a to v následujících bodech a článcích (v pořadí, v jakém se objevují ve Směrnici): (bod 1 Úvodu) vzhledem k tomu, že cíle a principy politiky životního prostředí Společenství, které byly vytyčeny v článku 130r Smlouvy, spočívají zejména v prevenci, snižování a pokud možno úplném vyloučení znečištění, přičemž prioritu mají zásahy prováděné přímo u zdroje znečištění, a v zajištění šetrného hospodaření s přírodními zdroji, v souladu s principem "znečišťovatel platí" a s principem prevence znečištění; (obecně platí, že většina energie je v Evropě získávána z neobnovitelných přírodních zdrojů) (bod 2 Úvodu) vzhledem k tomu, že Pátý akční program pro životní prostředí v usnesení ze dne 1. února 1993 o programu činnosti Společenství ve vztahu k životnímu prostředí a udržitelnému rozvoji (4), uděluje prioritu integrovanému omezování znečištění jako významné součásti přechodu k udržitelnější rovnováze mezi lidskou činností a socio-ekonomickým rozvojem na straně jedné a zdroji a regenerační kapacitou přírody na straně druhé; Článek 2 (odst. 2): "znečištění" znamená lidskou činností přímo či nepřímo způsobené vniknutí látek, vibrací, tepla nebo hluku do ovzduší, vody nebo půdy, které může být škodlivé lidskému zdraví nebo nepříznivě ovlivnit kvalitu životního prostředí (vibrace, teplo a hluk jsou projevy energie) Článek 3: Členské státy přijmou nezbytná opatření k tomu, aby příslušné orgány zajistily provoz zařízení takovým způsobem, že: (d) energie je využívána účinně. Článek 6.1: Členské státy přijmou nezbytná opatření zajišťující, aby žádost o povolení podaná u příslušného orgánu obsahovala popis: o surovin a pomocných materiálů, dalších látek a energie, která je v zařízení používána anebo jím produkována Článek 9.1: Členské státy zajistí, že v povolení budou uvedena všechna opatření nutná ke splnění požadavků pro udělení povolení podle Článků 3 a 10 (což zahrnuje energetickou účinnost, viz bod (b) výše) Příloha IV (bod 9): Jednou z otázek, které je třeba brát v úvahu při určování BAT obecně nebo konkrétně je spotřeba a druh surovin (včetně vody) používaných v technologickém procesu a jejich energetická účinnost. Směrnice o IPPC byla novelizována Směrnicí Rady č. 2003/87/ES ze dne 13. října 2003 o vytvoření systému pro obchodování s povolenkami na emise skleníkových plynů ve Společenství (Směrnice ETS): Článek 9 (odst. 3): Členské státy se mohou rozhodnout, že pro činnosti uvedené v příloze I směrnice 2003/87/ES nestanoví požadavky týkající se energetické účinnosti s ohledem na spalovací jednotky nebo jiné jednotky emitující oxid uhličitý v místě, kde se zařízení nachází. PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 xxvii

28 Rozsah Energetická účinnost je v rámci Evropské unie prioritní otázkou a tento dokument o energetické účinnosti má vazby na ostatní politiku komise a její právní nástroje. Nejvýznamnějšími příklady jsou: Nástroje politiky: Berlínská deklarace z března 2007 Akční plán v oblasti energetické účinnosti z října 2007 COM(2006) 545 final Zelená kniha o energetické účinnosti COM(2005)265 final ze dne 22. června 2005 Sdělení Komise o implementaci Evropského programu změn klimatu (COM(2001)580 final) ECCP v souvislosti s energetickou účinností v průmyslových zařízeních (konkrétní mandát pro tento dokument, viz Předmluva) Zelená kniha K evropské strategii v oblasti zabezpečení dodávek energií (COM(2000)769 final) ze dne 29. listopadu 2000 Právní nástroje: Směrnice Rady č. 2004/8/ES ze dne 11. února 2004 o podpoře kombinované výroby elektrické energie a tepla založené na poptávce po užitečném teple na vnitřním energetickém trhu, kterou se mění Směrnice 92/42/EHS Směrnice Rady č. 2006/32/ES ze dne 5. dubna 2006 o energetické účinnosti u konečného uživatele a o energetických službách, kterou se nahrazuje Směrnice Rady č. 93/76/EHS Rámcová směrnice o stanovení rámce pro určení požadavků na ekodesign energetických spotřebičů (2005/32/ES) Ostatní nástroje implementace politiky: Soubor nástrojů energetické účinnosti (Energy Efficiency Toolkit) vytvořený pro malé a střední podniky v rámci Nařízení o EMAS Studie a projekty pod záštitou Inteligentní energie Evropa a SAVE, jež se zabývají energetickou účinností v budovách a průmyslu. Akční plán politiky udržitelného průmyslu. Tento dokument se rovněž prolíná s dokumenty BREF pro konkrétní průmyslové sektory ( vertikální BREFy ), zejména pak s dokumentem BREF pro velká spalovací zařízení (LCP), kde je energetická účinnost nejvýznamnějším faktorem. Prolíná se také s dokumenty BREF pro průmyslové chladící systémy a běžné čištění odpadních vod a odpadních plynů ( horizontální BREFy, které se vztahují k více než jednomu sektoru). Energetická účinnost v tomto dokumentu Politická prohlášení uvádějí energetickou politiku (včetně úspor) a ochranu klimatu (konkrétně snižování vlivu spalin) mezi nejvyššími prioritami Evropské unie. Směrnice o IPPC byla novelizována, aby brala v úvahu Směrnici o systému obchodování s emisemi (ETS) 1 (včetně dodatků pro Aarhuskou úmluvu). Účinné využívání energií však i poté zůstává jedním z jejích hlavních principů. U činností uvedených v Příloze I Směrnice 2003/87/ES se členské státy mohou rozhodnout, že nebudou vznášet požadavky na energetickou účinnost v souvislosti se spalovacími jednotkami nebo jinými jednotkami, které přímo emitují oxid uhličitý. Tato flexibilita se nevztahuje na jednotky, které přímo nevypouštějí oxid uhličitý v rámci téhož zařízení. 1 Směrnice Rady č. 2003/87/ES ze dne 13. října 2003 o vytvoření systému pro obchodování s povolenkami na emise skleníkových plynů ve Společenství a o novelizaci Směrnice Rady 96/61/ES, viz Příloha 7.14 xxviii červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

29 Rozsah Tento dokument tudíž obsahuje vodítka pro energetickou účinnost ve všech zařízeních IPPC (a jejich komponentových jednotkách). Vodítka v tomto dokumentu mohou být užitečná i pro provozovatele a odvětví, která nepatří do rámce IPPC. Směrnice o IPPC se zabývá činnostmi definovanými v její Příloze I a činnostmi přímo technicky spojenými s těmito uvedenými činnostmi. Nezabývá se produkty. Energetická účinnost v tomto kontextu tak vylučuje jakékoli úvahy o energetické účinnosti produktů, včetně případů, kdy zvýšené využívání energie v daném zařízení může přispět k energeticky účinnějšímu produktu. (Např. tam, kde se energie navíc použije k výrobě pevnější oceli, která může umožnit, že při konstrukci aut se použije méně oceli a to povede k úsporám paliv.). Jsou probírány i některé dobré praktiky, které může provozovatel uplatnit ale které jsou mimo sféru povolování v rámci IPPC, např. doprava (viz Příloha 5). Jedním z hlavních cílů politiky udržitelnosti je účinné využívání energie a oddělení (decoupling) využívání energie od růstu. Směrnice o IPPC považuje energii za zdroj a požaduje, aby byla využívána účinně, aniž by přitom specifikovala zdroj této energie. Tento dokument tudíž uvažuje o energetické účinnosti z hlediska všech zdrojů energie a jejich využití v rámci daného zařízení při výrobě produktů nebo poskytování služeb. Nezabývá se využitím druhotných paliv nebo obnovitelných zdrojů energie jako prostředků zlepšení energetické účinnosti. Nahrazení fosilních paliv jinými možnostmi je významnou problematikou, která se však řeší jinde a která představuje přínosy, jakými je např. a čistý pokles emisí CO 2 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). PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 xxix

30 Rozsah Otázky energetické účinnosti, kterými se zabývá tento dokument Kapitola Otázky 1 Úvod a definice 1.1 Úvod do energetické účinnosti v EU a tomto dokumentu Ekonomie a mezisložkové otázky (které jsou podrobněji popsány v dokumentu BREF o ekonomii a mezisložkových vlivech) 1.2 Termíny používané v oblasti energetické účinnosti, např. energie, práce, elektrická energie a úvod do zákonů termodynamiky 1.3 Indikátory (ukazatele) energetické účinnosti a jejich použití Význam definování jednotek, systémů a hranic Ostatní související termíny, např. primární a sekundární energie, výhřevnosti, atd. 1.4 Využití indikátorů energetické účinnosti v průmyslu od nejvyšší po nejnižší úroveň, přístup vycházející z celé lokality a související problémy Energetická účinnost v přístupu zdola nahoru a související problémy Význam systémového přístupu ke zlepšování energetické účinnosti Významné otázky spojené s definováním energetické účinnosti Techniky, které je třeba zvažovat při dosahování energetické účinnosti na úrovni závodu Význam zaujetí strategického pohledu na celou lokalitu, vytýčení cílů a plánování akcí před investováním (dalších) zdrojů do energetických úspor 2.1 Management energetické účinnosti prostřednictvím specifických nebo stávajících systémů managementu 2.2 Plánování a stanovování cílů prostřednictvím: neustálého zlepšování životního prostředí uvažování o závodě jako celku a jako o jednotlivých komponentních systémech 2.3 Uvažování o energetické účinnosti ve fázi projektování nových nebo modernizaci stávajících zařízení výběr technologií s energeticky účinným procesem 2.4 Zvyšování procesní integrace mezi procesy, systémy a zařízeními za účelem zvýšení účinného využívání energie a surovin. 2.5 Udržení intenzity iniciativ směřujících k energetické účinnosti v dlouhodobé perspektivě. 2.6 Zachování dostatečné odbornosti na všech úrovních, aby bylo možné vytvořit energeticky účinné systémy. Jsou nutné odborné znalosti nejenom managementu energetiky, ale i procesů a systémů. 2.7 Komunikace o iniciativách a výsledcích v oblasti energetické účinnosti, včetně: využití Sankeyových diagramů. 2.8 Efektivní řízení procesů: zajistit, aby procesy probíhaly co nejúčinněji, pro větší energetickou účinnost minimalizovat produkty mimo specifikaci atd., pomocí: systémů řízení procesů systémů managementu kvality (statisticky) 2.9 Význam plánované údržby a okamžitá pozornost věnovaná neplánovaným opravám, které plýtvají energií, jako jsou úniky páry a stlačeného vzduchu Monitoring a měření jsou velmi důležité otázky, včetně: kvalitativních technik kvantitativních měření pomocí přímého odečtu a moderních měřících systémů aplikace měřidel průtoku nové generace využívání modelů energie, databází a bilancí optimalizace funkčnosti pomocí moderního měření a softwarového řízení 2.11 Energetický audit je základní technikou při zjišťování oblastí s využíváním energie, možností úspor a při kontrole výsledků přijatých opatření. xxx červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

31 Rozsah 2.12 Technologie PINCH je užitečným nástrojem tam, kde na jednom místě existují toky vyhřívání i chlazení a kde je možné integrovat výměnu energie Analýzy exergie a entalpie jsou užitečnými nástroji při posuzování možností energetických úspor a také možností využití nadbytečné energie Termoekonomie kombinuje termodynamickou a ekonomickou analýzu s cílem porozumět tomu, kde lze dosáhnout úspor energie a materiálů Modely energie zahrnují: využití modelů, databází a bilancí využití sofistikovaného modelování k optimalizaci managementu médií a služeb, včetně energie 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 xxxi

32 Rozsah Tento dokument naopak: Nezahrnuje informace specifické pro sektory pokryté ostatními BREFy. Např.: - Dokumenty BREF LVIC-S a BREF LVIC-AAF se zabývají energetickou účinností velkoobjemových procesů v průmyslu anorganické chemie - BREF STM popisuje energetickou účinnost galvanických roztoků Neodvozuje nejlepší dostupné techniky (BAT) specifické pro určitý sektor. V Příloze 13 je však pro informaci uveden přehled sektorově specifických BAT z ostatních BREFů. Tento dokument poskytuje obecná vodítka a může tudíž obsahovat informace užitečné pro ostatní odvětví, kterých se Směrnice o IPPC netýká. Jak tento dokument používat ve spojení s vertikálními sektorovými dokumenty BREF Je třeba vzít v potaz následující kroky, aby se zajistilo, že informace o (nejlepších dostupných) technikách v oblastech pokrytých jak vertikálními, tak i horizontálními BREFy (viz obr. 1) budou co nejlépe využity. Příklady jsou uvedeny ve vztahu k energetické účinnosti (ENE): Krok 1: konzultujte informace z relevantních vertikálních sektorových dokumentů BREF Zjistěte vhodné techniky a BAT ve vertikálním sektorovém dokumentu BREF, např. pro energetickou účinnost. Pokud existuje dostatek dat, použijte při přípravě povolení tuto BAT a podpůrná data. Krok 2: zjistěte, konzultujte a přidejte informace z ostatních relevantních vertikálních sektorových dokumentů BREF pro navazující činnosti na pracovním místě Ostatní dokumenty BREF mohou obsahovat techniky k posouzení a BAT týkající se činností v rámci závodu, o kterých vertikální sektorový BREF nepojednává. Konkrétně pro energetickou účinnost např. BREF LCP poskytuje informace a BAT o spalování a výrobě a využití páry. Ostatní vertikální dokumenty BREF mohou také zahrnovat konkrétní odborné informace o technikách, které lze aplikovat za hranicemi sektoru, ke kterému se vztahují, a pomoci tak implementaci BAT. Krok 3: zjistěte, konzultujte a přidejte informace z ostatních relevantních horizontálních sektorových dokumentů BREF Abyste si zajistili odborná všeobecně použitelná data, jejichž použití pomůže realizaci BAT v konkrétním vertikálním sektoru, konzultujte také horizontální dokumenty BREF 2. Závod by mohl zahrnovat systémy nebo činnosti, o kterých vertikální BREF nepojednává. Například BREF ENE obsahuje BAT a techniky k úvaze pro: Management energie, např. systémy managementu, audit, školení, monitoring, řízení a údržba 2 Tzv. horizontální BREFy jsou: energetická účinnost (ENE), chlazení (CV), společné čištění odpadních vod a odpadního plynu/systémy managementu v chemickém sektoru (CWW), ekonomie a mezisložkové vlivy (ECM), monitoring (MON) a emise ze skladování (ESB). xxxii červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

33 Rozsah Hlavní systémy používající energii v mnoha závodech (pára, získávání tepla, kogenerace, zásobování elektrickou energií, subsystémy poháněné elektromotory, systémy stlačeného vzduchu (CAS), čerpací systémy, HVAC, osvětlení a sušení a separace). Data. Kombinace: Údajů z určité vertikální odvětví Údajů horizontálního BREF Údaje z ostatních vertikálních BREF Výstup. Např. povolení, uplatnění, návrh, projekt, dokumentace procesu 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 Krok 2 Další relevantní vertikální BREFy Specifické odborné informace o technikách a BAT pro ostatní činnosti, např. viz LCP (velká spalovací zařízení) 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 Postup kroků Uživatel BREF Např. osoba vydávající povolení, zpracovatel žádosti o vydání povolení, konstruktér procesu Obrázek 1-1: Použití vertikálních sektorových BREFů s horizontálními BREFy PT/EIPPCB/ENE Finální červen 2008 xxxiii

34

35 Kapitola 1 1 ÚVOD A DEFINICE [3, FEAD and Industry, 2005] [97, Kreith, 1997] [TWG [127, TWG,, 145, EC, 2000] 1.1 Úvod Energie v sektoru průmyslu v EU Chceme společně vést na cestě energetické politiky a ochrany klimatu a přispívat k odvrácení globální hrozby klimatických změn. Berlínská deklarace (25. března 2007). V roce 2004 činila energie využitá v sektoru průmyslu evropské pětadvacítky 319 Mtoe (milionů tun ropného ekvivalentu nebo PJ) neboli 28 % konečného ročního množství energie využité v EU a 30 % poptávky po primární energii % 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 Podle Evropského registru emisí znečišťujících látek (EPER) se hlavní IPPC znečišťovatelé podílejí na veškerých evropských emisích CO 2 ze 40 %, na veškerých emisích SO x z asi 70 % a na všech emisích NO x 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 , kde je uveden popis primárních, sekundárních a konečných (finálních) energií PT/EIPPCB/ENE Finální červen

36 Kapitola 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 (CO 2 ), methan (CH 4 ) a ozón (O 3 ) a mj. i oxid dusičitý (NO 2 ). 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 CO 2 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 CO 2 a CH 4 při zemědělských činnostech a dochází také k emisím člověkem vytvořených GHG ze specifických procesů. Současné koncentrace CO 2 a CH 4 nebyly překročeny v posledních letech a současné koncentrace N 2 O 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 CO 2 viz obr. 1.2 [252, EEA, 2005]. Scénář z roku 2006 uvádí, že do roku 2050 budou emise CO 2 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 CO 2 v ppm [252, EEA, 2005] Dopady rostoucí koncentrace GHG a následného globálního oteplování jsou dnes v široké míře uznávány (různé zprávy IPPC apod.) [262, UK_Treasury]. Ačkoli jsou podrobné informace pro EU stále ještě omezené, očekává se, že budoucí změny klimatu budou mít široký dopad i 2 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

37 Kapitola 1 ekonomické vlivy. Celkové čisté ekonomické dopady jsou stále ještě do značné míry nejisté, ale existuje určitý silný distribuční vzorec, který hovoří o nepříznivějších dopadech ve Středomoří a jihovýchodní Evropě. [252, EEA, 2005]. Závislost na fosilních palivech a zabezpečení dodávek V roce 2001 zůstávala energetická struktura EU do značné míry závislá na fosilních palivech (79% hrubé spotřeby), a to včetně značného podílu dovážené ropy a plynu. EU dováží více než polovinu svých dodávek energie a očekává se, že tohoto číslo se v příštích letech zvýší až na 70%. [145, EC, 2000] Příspěvek energetické účinnosti ke snižování vlivů globálního oteplování a ke zlepšení udržitelnosti Podle četných studií z roku 2000 [145, EC, 2000] by EU mohla ušetřit minimálně 20 % své současné spotřeby energie, a to z hlediska nákladů efektivním způsobem. Toto množství odpovídá 60 miliardám EUR ročně nebo současné společné spotřebě Německa a Finska [Zelená kniha Evropské komise o energetické účinnosti (COM(2005) final z června 2005)]. Tato Kniha také zdůrazňuje, že úspory energie jsou bezpochyby tím nejrychlejším, nejúčinnějším a z hlediska nákladů nejefektivnějším způsobem snížení emisí skleníkových plynů i zlepšení kvality ovzduší. Energetická účinnost je také významným faktorem managementu přírodních zdrojů (v tomto případě zdrojů energie) a udržitelného rozvoje a hraje významnou roli při snižování evropské závislosti na těchto zdrojích. Iniciativa směřující k takovéto účinnosti, přestože vyžaduje značné investice, by podstatným způsobem přispěla k naplnění lisabonských cílů, mj. tím, že by vytvořila až milion nových pracovních míst a zvýšila by konkurenceschopnost [145, EC, 2000, 152, EC, 2003]. V reakci na tuto situaci vytvořila EU Akční plán v oblasti energetické účinnosti, jehož cílem je úspora až 20% energie v rámci celé Unie (asi 39 Mtoe milionů tun ropného ekvivalentu) a 27% energie ve výrobních průmyslových odvětvích do roku Tím by se do roku 2020 snížily přímé náklady v EU o 100 miliard EUR ročně a ušetřilo by se asi 780 milionů tun CO 2 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 se však měrná spotřeba energie v chemickém průmyslu snížila o 55 %. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

38 Kapitola 2 Obrázek 1-3: Spotřeba energie v chemickém průmyslu v letech Potřeba vytrvat ve snaze o zlepšování energetické účinnosti je však životně důležitá. Odhady ukazují, emise CO 2 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 CO 2 do roku 2050 bude podílet ze % (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 CO 2 naopak zvýšit o více než 20 % ve srovnání s ostatními scénáři [259, IEA, 2006] Energetická účinnost a Směrnice o IPPC Právní základ energetické účinnosti i tohoto dokumentu je plně popsán v Předmluvě a kapitole o Rozsahu. Povolovací orgán i provozovatel by si měli být vědomi, co využití energetické účinnosti znamená, jak jí lze dosáhnout, měřit nebo posuzovat a tím pádem i jak může být brána v úvahu v příslušném povolení. Průmyslové činnosti, na které se vztahuje IPPC, jsou uvedeny v Příloze 1 Směrnice o IPPC. Příklady výrobních procesů, jednotek a lokalit IPPC jsou: Plynová elektrárna, do které vstupuje jako surovina plyn a produktem jejího výrobního procesu je elektřina. Použitou energií je energie obsažená v plynu. Spolu s elektřinou vzniká také druhotná tepelná energie, která zpravidla ztratí ochlazováním. Pokud by bylo 4 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

39 Kapitola 1 možné ji využít (např. v rámci místního systému vytápění), pak se měrná energetická účinnost zvýší. Rafinérie, do které vstupuje ropa a transformuje se na benzín, naftu, topný olej a řadu dalších produktů. Část uhlovodíků zpracovávaných v rafinérii se spaluje interně za účelem získání nezbytné energie pro proces konverze. Zpravidla je však nutné dodat určité množství elektrické energie, pokud není v rafinérii instalováno kogenerační zařízení v takovém případě by se rafinérie naopak stávala sama dodavatelem elektrické energie. Do parní krakovací jednotky vstupují kapalné a plynné suroviny z rafinérie, které jednotka konvertuje na ethylen a propylen a řadu vedlejších produktů. Část spotřebované energie se vyrábí interně v rámci procesu a do celkového množství se doplňuje externí dodávkou páry, elektřiny a paliva. Vstup do válcovny v ocelárnách sestává z přibližně 20 cm silných ocelových plátů, které je třeba vyválcovat do cívky s tloušťkou několika milimetrů. Válcovna se skládá z pecí, válcovací stolice, chladících zařízení a podpůrných systémů. Spalovna odpadu (v severní Evropě) přijímá tun odpadu, který zbývá po recyklaci materiálů a biologické regeneraci odpadů od půl milionu lidí. Spalovna může vyrobit MWh elektřiny ročně, z toho MWh ročně sama využije v interní spotřebě a MWh pak dodává do elektrické sítě. Toto množství pokryje spotřebu elektrické energie pro 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 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

40 Kapitola Energetická účinnost v integrované prevenci a omezování znečištění Techniky energetické účinnosti jsou dostupné z široké škály zdrojů a v mnoha jazycích. Tento dokument se zabývá nejdůležitějšími koncepty a technikami z hlediska integrované prevence a omezování znečištění pro celý podnik. Výměna informací ukázala, že sice lze aplikovat jednotlivé techniky a uspořit přitom energii, ale podstatného zlepšení energetické účinnosti je možné dosáhnout jen při strategickém zohlednění celé lokality podniku (pobočky, závodu) a jeho komponentních systémů. Např. výměna elektrických motorů v systému stlačeného vzduchu sice může uspořit asi 2 % energetického vstupu, ale kompletní revize celého systému by mohla uspořit až 37 % (viz kapitola 3.7). Zaměření na techniky na úrovni jednotlivých konstituentů (komponent) může být skutečně příliš normativní. V některých případech to může znamenat, že rozhodnutí, která představují větší environmentální přínos, se neuskuteční nebo opozdí, protože finanční a jiné zdroje se využijí k investicím, které nebyly optimalizovány z hlediska energetické účinnosti. Stejně tak mohou techniky energetické účinnosti na úrovni komponentu nebo systému v některých případech také zachovávat nebo dokonce zvyšovat mezisložkové vlivy (což je z environmentálního hlediska negativní). Příkladem by mohl být podnik používající organická rozpouštědla při povrchové úpravě (nátěry). Jednotlivé komponenty (např. motory) mohou být vyměněny za účinnější, dokonce i extrakce rozpouštědel a systém zpracování odpadních plynů lze optimalizovat na minimální spotřebu energie, ale největší přínos pro životní prostředí by byl ve výměně části nebo celého procesu za proces bez rozpouštědel nebo proces využívající jen malé množství rozpouštědel (tam, kde je to technicky možné). V tomto případě by nový proces mohl při sušení apod. spotřebovávat více energie než původní proces aplikace nátěrů, ale hlavní energetické úspory by spočívaly v tom, že již by nebylo nutné extrahovat žádná rozpouštědla ani zpracovávat odpadní plyny. Navíc by došlo ke snížení celkových emisí rozpouštědel z lokality podniku (viz kap 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 Otázky ekonomie a mezisložkových vlivů Energie je stejně jako ostatní cenné surovinové zdroje součástí podnikání a nepředstavuje jen režii a součást udržování chodu firmy. Energie má vliv na náklady a životní prostředí a je třeba s ní dobře hospodařit, aby se zvyšovala ziskovost a konkurenceschopnost podniku a zároveň se snižovala závažnost environmentálních dopadů. Evropská politika považuje energetickou účinnost za velmi významnou (např. v dokumentech, jako je Berlínská deklarace, v níž je to jediné environmentální téma [141, EU, 2007]). Při zvažování ekonomických a mezisložkových vlivů případné realizace BAT v určitém podniku by se měl brát v úvahu význam energetické účinnosti, i v souvislosti s Čl. 10, odst. 4, tj. povolení limitních hodnot emisí a ekvivalentních parametrů. Podle Evropské komise lze očekávat, že opatření integrovaná v rámci celého procesu budou mít na ziskovost podniků zpravidla pozitivní nebo víceméně neutrální vliv. 4 Je nevyhnutelné, že 4 COM(2003) 354 final uvádí: Tzv. koncová opatření ( na konci potrubí ) mají často krátkodobý negativní dopad na ziskovost. Energetická účinnost však nezná žádná koncová opatření. Nejbližší 6 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

41 Kapitola 1 náklady na některé BAT se nevrátí v plné výši zpět, ale jejich společenské přínosy převáží vynaložené náklady a bude dodržen princip znečišťovatel platí. Určení nejlepší dostupné techniky (BAT) spočívá v posouzení odhadnutých čistých nákladů na realizaci určité techniky ve vztahu k dosaženým environmentálním přínosům. Další ekonomický test se týká toho, zda lze tuto techniku v příslušném sektoru realizovat za ekonomicky přijatelných podmínek. Tento test finanční dostupnosti lze s úspěchem aplikovat pouze na evropské úrovni daného sektoru 5 [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) (ii) (iii) 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]. 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. 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 CO 2 plus 0,27 GBP/t - roční inflace). Toto číslo lze použít při porovnávání externalit nebo společenských nákladů ne mezisložkové vlivy. [262, UK_Treasury, 2006] _GESWP140.cfm (iv) jedna nedávná mezinárodní zpráva ukazuje, že hodnoty CO 2 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 CO 2, 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 CO 2 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 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

42 Kapitola 2 než 25 USD (20,68 EUR). To bylo méně než je hodnota za tunu CO 2 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 a ) 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 a také na: 8 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

43 Kapitola 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) 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

44 Kapitola 2 Všechny výše uvedené energie jsou potenciální energie, kde je energie nějakým způsobem uchována, např. v chemických vazbách stabilní látky, v radioaktivním materiálu atd. Gravitační potenciální energie je energie, která je uchována díky postavení předmětu vůči jiným předmětům, např. voda umístěná nad přehradou. Kinetická energie je energie pohybu těla nebo částic. Klasickým příkladem je kyvadlo, kde maximum potenciální energie je uchováno v kyvadle na vrcholu oblouku, maximum kinetické energie je pak v momentě, kdy je kyvadlo ve spodní části oblouku. Jak je zřejmé z tohoto základního příkladu, formy energie se různě proměňují. Většina fundamentálních interakcí v přírodě je spojena s některým druhem potenciální energie, i když některé energie nelze takto snadno klasifikovat např. světlo. Teplo, přenos tepla a práce Teplo (Q) lze definovat jako energii přenášenou z jedné hmoty do druhé díky rozdílu teplot mezi těmito hmotami. Odpovídá množství energie přenesené do uzavřeného systému během procesu jinak než prostřednictvím práce. K přenosu energie dochází pouze ve směru klesající teploty. Teplo se může přenášet třemi různými způsoby: Vedení (kondukce) je přenos energie od těch částic látky, které mají vyšší energii, do sousedních částic, které jí mají méně. Děje se tak prostřednictvím interakcí mezi částicemi. K vedení může docházet v tuhých látkách, kapalinách i plynech. Proudění (konvekce) je přenos energie mezi tuhým povrchem o určité teplotě a sousedním pohybujícím se plynem nebo kapalinou o jiné teplotě Tepelné záření (radiace) je emitováno látkou v důsledku změn v elektronických konfiguracích jejích atomů nebo molekul. Tato energie je přenášena elektromagnetickými vlnami a k šíření nevyžaduje žádné médium a k přenosu může docházet dokonce i ve vakuu. V termodynamice je práce (W) definována jako množství energie přenesené z jednoho systému do druhého. Mechanická práce (hnací síla) je množství energie přenesené silou. Práci lze také vyjádřit jako užitečný efekt, jaký je systém schopen vyprodukovat, jako např. vyzdvižení určité hmotnosti do určité výšky. Síla a energie V anglických textech (britských a amerických) se termíny energie (energy) a síla (power) často vzájemně zaměňují a používají se zmateně. Ve fyzice a inženýrství však mají pojmy energie a síla různé významy. Síla je energie na jednotku času (míra energie převedené na práci). Jednotka SI pro sílu a elektřinu je watt. Jeden watt je jeden joul za sekundu. Spojení tok síly nebo spotřeba určitého množství elektrické síly jsou obě nesprávná, protože správně by mělo být: tok energie a spotřeba určitého množství elektrické energie. Joule není pro praktická měření příliš velkou jednotkou, proto se při probírání výroby nebo spotřeby energie v případě určitého zařízení, systému nebo závodu (a tudíž i energetické účinnosti v průmyslu) používají spíše kilojouly (kj), megajouly (MJ) nebo gigajouly (GJ). Spotřeba a produkce elektrické energie se vyjadřuje ve wattech. Z praktického hlediska se opět jedná o příliš malou jednotku, takže své uplatnění mají častěji kilowatt (kw), megawatt (MW) a gigawatt (GW). 6 Zpravidla nemá smysl diskutovat o využití určitého zařízení na 100 wattů za hodinu, protože watt je již jednotkou vykonané práce či využité energie 1 joulu za sekundu. Jako vyjádření míry už watt nepotřebuje být provázen určením času (pokud se nehovoří o změně síly za nějakou dobu, podobně jako u zrychlení). Používá se jednotka watt-hodina (watt x hodina), která nepatří do soustavy SI. V průmyslu se tato jednotka většinou násobí a vzniká kilowatthodina (kwh), megawatthodina (MWh) a gigawatthodina (GWh). Tyto jednotky se často používají u 6 Pentium 4 CPU spotřebuje asi 82 W. Těžce fyzicky pracující člověk produkuje asi 500 W. běžná auta produkují od 40 do 200 kw mechanické síly. Moderní diesel-elektrická lokomotiva produkuje asi 3 MW mechanické síly. 10 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

45 Kapitola 1 společností dodávajících energii (dodavatelé elektřiny a zemního plynu) a stanoví se ceny za kilowatthodinu 7. 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 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 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 = W-sekund = 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

46 Kapitola 2 Hranice systému Systém Okolí systému Obrázek 1-4: Termodynamický systém První zákon termodynamiky: konverze (přeměna) energie Tento zákon říká, že energii nelze ani vytvořit ani zničit. Je možné jí pouze transformovat. To znamená, že celkový tok energie do definovaného systému se musí rovnat celkovému toku vycházejícímu ven ze systému. Termíny produkce energie nebo výroba energie (i když jsou technicky nesprávné) se bohužel používají velmi často a objevují se i v tomto dokumentu (protože termín transformace energie se v průmyslových aplikacích moc často nepoužívá a pro některé čtenáře by mohl znít neobvykle). Termín využití energie se používá často, protože neimplikuje ani vytváření ani ničení energie. Zpravidla se má za to, že tyto termíny znamenají transformaci jedné formy energie v jinou formu energie nebo práci. Pro uzavřený systém první zákon znamená, že změna energie systému se rovná čisté energii přenesené do systému prostřednictvím tepla a práce. To je: U = U 2 U 1 = Q W (V jednotkách SI, tj. v joulech) kde: U 1 = vnitřní energie před změnou U 2 = vnitřní energie po změně Q = teplo Q>0 když jej systém dostane W = práce W>0 když ji systém produkuje Teorie relativity spojuje energii a hmotu, takže jak energie tak i hmota jsou zachovány, a toky energie a hmoty směrem dovnitř definovaného systému a ven z tohoto systému musejí být v rovnováze. Protože hmota se mění v energii jen při jaderné fúzi a štěpných reakcích, je možné 12 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

47 Kapitola 1 vypočítat bilanci energie (a hmoty) pro reakce a procesy. Toto je základ energetických auditů a bilancí, viz kap Energetická účinnost podle prvního zákona (tepelná účinnost) je dána jako: Kde: η = účinnost W = práce Q = teplo η = W net, out Q in Lze to také popsat následovně: účinnost η = výstup energie vstup energie = práce (W) 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] Druhý zákon termodynamiky: entropie se zvyšuje Druhý zákon říká, že entropie (viz níže) termodynamicky izolovaného systému má tendenci se s časem zvyšovat. Entropie je 8 : 2 Q S 2 S1 = (v jednotkách SI = J/K) 1 T 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

48 Kapitola 2 Každému procesu nebo činnosti je vlastní tendence ke ztrátě (nebo rozptýlení) užitečné energie nebo práce (např. prostřednictvím tření). Teplo se pohybuje předvídatelnými způsoby, např. tokem z teplejšího předmětu do chladnějšího. Je nemožné přenášet teplo z chladného do horkého systému, aniž by se přitom určité množství energie přeměnilo na teplo. Práci lze plně přeměnit v teplo, ale ne naopak. Pro zařízení pracující v cyklu je nemožné získávat teplo z jediného zásobníku (izolovaného zdroje) a produkovat čisté množství práce: může získat pouze užitečnou práci z tepla, jestliže je toto teplo zároveň přenášeno z teplého do studeného zásobníku (není tedy možné získat něco ze systému za nic). To znamená, že stroj na bázi perpetum mobile nemůže existovat. V praktických podmínkách to znamená, že žádná transformace energie nemůže být účinná na 100 % (věnujte pozornost vysvětlení tzv. spodní výhřevnosti v kapitole ). 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 = H final H initial (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 ). Podíl exergie ku energii v určité látce lze považovat za měřítko energetické kvality. Formy energie, jako je např. kinetická energie, elektrická energie a Gibbsova volná energie (G), lze plně transformovat v práci a jejich exergie se tudíž rovná jejich energii. Naopak formy energie, jako je např. záření a tepelná energie, však nelze plně konvertovat v práci a mají tudíž nižší obsah exergie, než činí jejich obsah energie. Přesný podíl exergie v látce záleží na množství entropie ve vztahu k okolnímu prostředí, jak o tom hovoří druhý zákon termodynamiky. 9 Existují další závěry učiněné na základě tohoto zákona, jako např. ten, že vesmír se v čase stává stále více neuspořádaným. 14 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

49 Kapitola 1 Pro exergii potřebujeme, aby byly definovány parametry systému (T, P, chemické složení, entropie, entalpie) a lze ji vyjádřit podle toho, které parametry jsou vedeny jako konstantní. Např. v systému s danou koncentrací chemických látek při dané teplotě a tlaku se exergie rovná Gibbsově volné energii G: Exergie (B) = G = entalpie + entropie; G = H - S U chemických procesů je důležitější změna G při teplotě T: G = H - T S Pro praktickou ilustraci využitelné energie: 300 kg páry při 400 o C a tlaku 40 bar a 6 tun vody při 40 o C 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 o C 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 Bilance exergie: kombinace prvního a druhého zákona První a druhý zákon lze spojit do formy, která je užitečná mj. pro provádění analýz exergie, potenciálu práce a účinností dle druhého zákona. Tato forma umožňuje také další porozumění systémům, jejich provozu a optimalizaci, viz kapitola Bilance exergie pro otevřený systém Bilance množství (rychlosti) exergie při konstantním objemu je rovna: de T cv dvcv = 0 1 Q Wcv P + miei meee I dt j T 1 0 j dt i e míra změny exergie míra přenosu exergie míra zániku exergie kde: E cv = exergie při konstantním objemu T = teplota t = čas Termíny m i e i a m e s e = množství přenosu exergie dovnitř a vně systému, které doprovází tok hmoty m (mi až me) Q j = časová rychlost přestupu tepla v místě na rozhraní, kde okamžitá teplota je Tj I = rychlost destrukce exergie P = tlak V = objem W cv = práce při konstantním objemu Pro systém s ustáleným tokem je získaná bilance následující: T = 1 Q j W cv + mi ei meee I j T j i e Průmyslové aplikace: PT/EIPPCB/ENE Finální červen

50 Kapitola 2 Aplikace exergie na jednotkové operace v chemických průmyslových zařízeních byla částečně odpovědná za obrovský růst chemického průmyslu ve 20. století. V té době se většinou nazývala využitelnou prací. Jedním z cílů metod, které v inženýrství pracují s energií a energií, je výpočet bilancí mezi vstupy a výstupy v několika možných návrzích (projektech) ještě předtím, než je jednotka nebo proces vybudován. Po dokončení bilancí bude inženýr pravděpodobně chtít vybrat ten nejúčinnější proces. To však není jednoznačné (viz kap. 2.13): energetická účinnost neboli účinnost dle prvního zákona bude určovat nejúčinnější proces na základě ztrát co nejmenšího množství energie vzhledem ke vstupům energií exergetická účinnost neboli účinnost dle druhého zákona bude určovat nejúčinnější proces na základě ztrát a destrukce co nejmenšího množství využitelné práce vzhledem k danému vstupu využitelné práce. Vyšší exergetická účinnost představuje vybudování dražšího zařízení a je nutné stanovit bilanci mezi kapitálovými investicemi a provozní účinností Diagramy vlastností (parametrů) Jestliže jsou parametry systému (např. teplota T, tlak P, koncentrace atd.) měřeny a systém nevykazuje žádnou další tendenci ke změně těchto parametrů v čase, pak lze hovořit o tom, že tento systém dosáhl rovnovážného stavu. Podmínky systému v rovnováze lze reprodukovat v jiných (podobných) systémech a lze je definovat pomocí souboru parametrů, které jsou stavovými veličinami: tento princip je známý jako postulát stavu. To znamená, že stav systému jedné čisté látky lze zobrazit v diagramu se dvěma nezávislými parametry. Pět základních parametrů (vlastností) látky, které jsou obvykle v diagramech parametrů známy, je: tlak (P), teplota (T), měrný objem (V), měrná entalpie (H) a měrná entropie (S). Kvalita (X) se zobrazí, jestliže se jedná o směs dvou nebo více látek. Nejčastějšími diagramy parametrů jsou diagramy: tlak teplota (P-T), tlak měrný objem (P-V), teplota měrný objem (T-V), teplota entropie (T-S), entalpie entropie (H-S) a teplota entalpie (T-H), které se používají v metodice PINCH (viz kap. 2.12). Tyto diagramy jsou velmi užitečné při zobrazování procesů v grafech. První tři diagramy navíc pomáhají při vysvětlování vztahů mezi třemi fázemi hmoty. Fázový diagram tlak teplota Fázové diagramy zobrazují podmínky rovnováhy mezi fázemi, které jsou termodynamicky odlišné. Diagram p-t (Obr. 1.5) pro čistou látku zobrazuje plochy představující jednofázové oblasti (tuhá, kapalná a plynná fáze), kde je fáze látky fixována jak teplotou tak i tlakem. Čáry (nazývané fázová rozhraní) představují oblasti (nebo podmínky, v tomto případě T a P), kde dvě fáze existují v rovnováze. V těchto oblastech nejsou tlak a teplota nezávislé a pro fixování stavu látky je třeba jen jedné intenzivní vlastnosti (parametru) (T nebo P). Sublimační čára odděluje oblasti tuhé fáze a par, čára odpařování odděluje oblast kapalné fáze a par a čára tání nebo tuhnutí odděluje oblasti tuhé a kapalné fáze. Všechny tři čáry se setkávají v trojném bodě, kde všechny tři fáze koexistují zároveň v rovnováze. V tomto případě zde nejsou žádné nezávislé intenzivní vlastnosti: pro látku v jejím trojném stavu existuje jen jeden tlak a jedna teplota. Na konci čáry odpařování se nachází kritický bod. Při tlacích a teplotách nad tento kritický bod se říká, že látka je v superkritickém stavu, kde nelze jasně rozlišovat mezi kapalnou fází a parou. To znamená, že při extrémně vysokých teplotách a tlacích již není možné rozlišovat plynnou a kapalnou fázi. U vody je to při asi 647 K (374 o C) a MPa. Říká se, že látka nalevo od čáry odpařování je v tomto bodě ve stavu podchlazené nebo stlačené kapaliny, napravo od této čáry je pak tato látka ve stavu superohřáté páry. 16 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

51 Kapitola 1 Obrázek 1-5: Fázový diagram Tlak Teplota [153, Wikipedia] 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

52 Kapitola Zjišťování ireverzibilit V termodynamice je reverzibilní proces teoretický. V praxi jsou všechny reálné systémy nevratné (ireverzibilní). To znamená, že se nemohou vrátit do původního stavu spontánně, ale pouze po aplikaci energie (důsledek druhého zákona termodynamiky). Z podmínek mechanické, tepelné a chemické rovnováhy termodynamického systému zároveň vyplývají tři příčiny nerovnováhy nebo ireverzibilit (ty lze v praxi považovat za termodynamické neúčinnosti). Změny jsou způsobeny hnacími silami (např. teplota, tlak, koncentrace, atd., jak o tom hovoří druhý zákon termodynamiky). Čím menší jsou hnací síly, tím větší to znamená potřebnou velikost zařízení, např. povrch výměníku tepla se zvyšuje, když střední logaritmická teplotní diference (LMTD) klesá. Karnotův cyklus, který představuje nejvyšší účinnost, při které lze teplo přeměnit na sílu, vychází v zásadě z nulových hnacích sil a v praxi nelze účinností Karnotova cyklu v reálných operacích dosáhnout (další vysvětlení Karnotova cyklu je uvedeno v dokumentu BREF LCP [125, EIPPCB] nebo ve standardních učebnicích). Mechanické ireverzibility jsou způsobeny změnami tlaku a také se vždy objevují v procesech, které zahrnují tření. S mechanickými ireverzibilitami je vždy spojeno zvýšení entropie a pokles exergie. Čím větší je změna tlaku, tím větší se v systému vytvoří ireverzibilita. Tepelné ireverzibility se objevují tam, kde je v systému konečná změna teploty, jako např. u každého výměníku tepla. Teplo přechází z teplejšího tělesa na chladnější spontánně, a tím dochází ke ztrátě exergie. Opět platí, že čím větší je změna teploty, tím větší je ztráta exergie a tím je proces více ireverzibilní. Chemické ireverzibility jsou způsobeny chemickou nerovnováhou, ke které dochází ve směsích, roztocích a při chemických reakcích. Když se např. smíchá voda se solí, exergie systému se sníží. Tuto ztrátu exergie si lze představit jako minimální práci, která byla předtím třeba na vyčištění vody za účelem získání soli, např. destilací, iontovou výměnou nebo membránovou filtrací, sušením atd. Veškeré znečištění ovzduší a vody je spojeno s chemickými ireverzibilitami. Je velmi snadné kontaminovat (směšovat), ale na vyčištění je třeba mnoho exergie. Termodynamická analýza nevratných procesů ukazuje, že abychom dosáhli dobré účinnosti a ušetřili energii, je nutné řídit a minimalizovat veškeré mechanické, tepelné a chemické ireverzibility, k nimž v zařízení dochází. Příklady každé z těchto ireverzibilit jsou uvedeny v Příloze 1. Čím větší jsou ireverzibility, tím větší je prostor pro zlepšování účinnosti energetického systému. Příčiny špatného energetického designu vyplývají ze značných rozdílů konečného tlaku, teploty a/nebo chemického potenciálu a z oddělení dodávky a poptávky. Důležitou roli hraje v systémech energetické účinnosti také čas. Energetické systémy spontánně snižují svůj tlak, teplotu a chemický potenciál, aby dosáhly rovnováhy se svým okolím. Pro dosažení tohoto stavu existují dvě strategie. Jednou je okamžité spojení dárců energie s příjemci energie (viz např. kap. 3.3). Další možností je uchování energie uzavřením systému pevnými stěnami kvůli tlaku, adiabatickými stěnami kvůli teplotě a/nebo uchováním chemických systémů v metastabilním stavu. Jinými slovy uchování systémů v nádržích, které zachovají v čase jejich intenzivní vlastnosti na konstantní úrovni. Termodynamika také hraje svou roli při dosahování nejlepší dosažitelné energetické účinnosti a v praxi se aplikuje pomocí: Energeticky účinného designu, viz kap. 2.3 Analytických nástrojů, jako je PINCH, analýza exergie a entalpie, viz kap a 2.13 Termoekonomie, která kombinuje termodynamickou analýzu s ekonomikou, viz kap červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

53 Kapitola Definice a ukazatele (indikátory) energetické účinnosti a zvyšování energetické účinnosti Energetická účinnost a její měření ve Směrnici o IPPC [4, Cefic, 2005, 92, Motiva Oy, 2005] [5, Hardell and Fors, 2005] Energetická účinnost je termín, který se často používá v kvalitativní rovině jako prostředek k popisu různých cílů, např. v politice na národní i mezinárodní úrovni, i k charakterizování podnikatelských aktivit, zejména pak v oblasti (jak je uvedeno již v Předmluvě) 10 : Snižování emisí uhlíku (ochrana klimatu) Posílení bezpečnosti dodávek energií (prostřednictvím udržitelné produkce) Snižování nákladů (zlepšení konkurenceschopnosti). Zpočátku se zdá, že energetické účinnosti lze snadno porozumět. Obvykle však není definováno, kde se vlastně využívá, takže energetická účinnost může znamenat různé věci v různém čase a na různých místech za různých okolností. Tato nejasnost byla popsána jako těžko pochopitelná a proměnlivá a vede k nevyrovnanosti a zmatku. Tam, kde je třeba prezentovat energetické úspory kvantitativně, je nedostatek adekvátních definic trapný, obzvláště, když se provádějí srovnání mezi hlavními průmyslovými sektory. Ve Směrnici o IPPC není žádná definice energetické účinnosti a tato kapitola probírá otázky, které jsou spojeny s její definicí v kontextu nějakého zařízení a povolení. [62, UK_House_of_Lords, 2005, 63, UK_House_of_Lords, 2005]. Protože se Směrnice o IPPC zabývá výrobními procesy v zařízeních, zaměřuje se tento dokument na fyzikální energetickou účinnost právě na úrovni zařízení a podniku. Ačkoli jsou životní cykly produktů nebo surovin při uvažování o zdrojích relevantní, tato Směrnice se jimi nezabývá (ty jsou řešeny v politice týkající se produktů, viz též Rozsah). Hovoří se zde také o ekonomické účinnosti tam, kde jsou k dispozici data a/nebo kde je to relevantní (jako např. u jednotlivých technik, viz kap ). 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 ). Tato problematika je však mimo zaměření tohoto dokumentu Účinné a neúčinné využívání energie [227, TWG] O energetické účinnosti (nebo naopak neúčinnosti) lze uvažovat dvěma způsoby, které lze charakterizovat takto 11 : 1. Výstup získaný (navrácený) za vstup energie. Vzhledem k zákonům termodynamiky nikdy nemůže dosáhnout 100 % - viz kap Základem neúčinností jsou termodynamické ireverzibility (viz kap ), 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 ' PT/EIPPCB/ENE Finální červen

54 Kapitola 2 mnohých takových technikách se hovoří dále v tomto dokumentu, jedná se např. o snížení ztrát sálavého tepla ze spalovacích procesů. 2. Opatrné (neboli účinné) využívání energie, tj. v optimálním množství. Neúčinnost (neboli neúčinné využívání) je výsledkem špatného vyrovnávání poptávky po energii její nabídkou, včetně špatného designu, provozování a údržby, udržování zařízení vchodu i době, kdy není třeba (např. osvětlení), provoz procesů při vyšší teplotě, než je nutné, nedostatek vhodného uchování energie apod Ukazatele (indikátory) energetické účinnosti [5, Hardell and Fors, 2005] Energetická účinnost je definována ve Směrnici 12 [148, EC, 2005] jako: poměr mezi výstupem výkonu, služeb, zboží nebo energie a vstupem energie. Toto je množství energie spotřebované na jednotku produktu/výstupu a označuje se jako měrná spotřeba energie (specific energy consumption - SEC). Tato definice se v průmyslu používá nejčastěji. (Pozn.: níže uvedená definice se běžně používá v petrochemickém a chemickém průmyslu, ale nazývá se faktor energetické intenzity (EIF) nebo indikátor energetické účinnosti (energy efficiency indicator EII), viz níže a v Příloze 7.9.1). Ve své nejjednodušší formě lze měrnou spotřebu energie (SEC) definovat jako: SEC = Využitá energie Vyrobené produkty Rovnice 1.1 = (energie importovaná energie exportovaná) produkty/vyrobené výstupy 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/m 2 (např. při nátěru cívek nebo výrobě automobilů), energie/zaměstnance, atd. Používá se také termín faktor energetické intenzity (EIF) (viz výše uvedená poznámka o jeho používání v petrochemickém a chemickém průmyslu). Ekonomové ho zpravidla chápou jako poměr použité energie ku finanční hodnotě, jako je obchodní obrat, přidaná hodnota, HDP atd. Např.: EIF = použitá energie [GJ/ EUR obratu] obrat zařízení (podniku) Rovnice 1.2 Protože však ceny výstupů v čase zpravidla stoupají, může EIF klesat, aniž by došlo k jakémukoli zvýšení fyzikální energetické účinnosti (pokud se ovšem nepočítají zpětně k určité referenční ceně). Při posuzování fyzikální energetické účinnosti zařízení je tudíž třeba se tomuto termínu vyhnout. Používá se také na makroekonomické úrovni (např. evropské nebo národní) a pak se vyjadřuje např. jako GJ na jednotku HDP, což lze pak využít k poměřování energetické účinnosti národních ekonomik (viz výše poznámka o tom, jak ekonomové používají tento termín). 12 Směrnice o produktech využívajících energii č. 2005/32/ES o stanovení rámce pro určení požadavků na ekodesign energetických spotřebičů 20 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

55 Kapitola 1 Je tudíž nutné si ujasnit používané jednotky, obzvláště při porovnávání průmyslů nebo sektorů. [158, Szabo, 2007] Je důležité věnovat pozornost rozdílu mezi primárními energiemi (např. fosilní paliva) a sekundárními energiemi (nebo finálními energiemi), např. elektřina, pára, viz kapitola 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 Jmenovatel v měrné spotřebě energie a index energetické účinnosti V nejjednodušším případě bude výrobní jednotka produkovat jeden hlavní produkt, který lze pak využít jako dělitele ve vzorci SEC. V mnoha případech je však situace složitější, je zde více produktů (např. rafinérie nebo velké chemické podniky) a jejich mix se mění v čase anebo zde není žádní zřejmý produkt, a výstupem je určitá služba, jako např. u zařízení na zpracování odpadů. V takových případech (jak o tom hovoří kapitola 1.4) lze použít další kritéria produkce, jako např. tam, kde: existuje několik stejně důležitých produktů nebo několik významných ko-produktů. Tam, kde je to vhodné, lze jako dělitele použít součet těchto produktů, jinak je třeba rozhodnout o rozumných procesních hranicích mezi bilancí energie a bilancí produktů SEC = použitá energie vyprodukované produkty = (importovaná energie exportovaná energie) vyprodukované produkty kde existuje několik produktových toků a počet surovinových toků (přísun materiálů) je nízký, může být jmenovatelem surovina. Příkladem jsou rafinérie minerálních olejů, kde je zpravidla 5 7 výstupních toků a jeden tok vstupní. Toto se doporučuje v případě, že je spotřeba energie dána hlavně množstvím suroviny a méně samotnými produkty (což může nastat tehdy, když je kvalita produktu závislá na vstupních materiálech). Použití suroviny jako jmenovatele neodráží ztrátu (nebo pokles) energetické účinnosti, když spotřeba surovin a energie zůstane stejná, ale sníží se množství produktů SEC = použitá energie vstup surovin = (importovaná energie exportovaná energie) 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: SEC = Xi*SEC refi i A, B, C Energie použitá ve výrobní jednotce za dané období produktů A, B, a C vyprodukovaných během období Kde: X i je podíl stupně i na celkovém produktu vyprodukovaném za dané období SEC ref,i je referenční faktor energetické účinnosti pro stupeň i (vypočítaný např. zprůměrováním ukazatele energetické účinnosti za referenční období, kdy se vyráběl pouze stupeň i). PT/EIPPCB/ENE Finální červen

56 Kapitola 2 není zde žádný zřejmý produkt, a výstupem je určitá služba, např. u zařízení na zpracování odpadů. V takovém případě je produkčním kritériem, které má vztah k použité energii, vstupní odpad. SEC = (energie importovaná pro podporu procesu spalování energie exportovaná) (tuny zpracovaného odpadu) Tam, kde je odpad převážně spalitelný (např. komunální odpad), bude tento indikátor negativní, protože část LHV (hodnoty spodní výhřevnosti) spalovaného odpadu se získává jako exportovaná energie, která bude větší než energie importovaná (pokud zde vůbec nějaká tato energie bude). ostatní případy, kdy je poměr energie ku koncovému produktu je příliš proměnný, než aby bylo možné jej použít. Příkladem jsou tiskařská zařízení, kde množství potištěného papíru na vstupu/výstupu nemá vždy vztah k použité energii. Je to proto, že množství tisku a sušení kolísá podle množství barvy nutné na pokrytí tiskem a podle použitých procesů. Viz dokument BREF STS. Definování zlepšení energetické účinnosti Směrnice 2005/32/ES o stanovení rámce pro určení požadavků na ekodesign energetických spotřebičů (EuP) [147, EC, 2006] definuje zlepšení energetické účinnosti jako zvýšení energetické účinnosti v koncovém využití v důsledku technologických a/nebo ekonomických změn a změn v chování. Druhy změn, které splňují tato kritéria, jsou popsány v kap. 1.5 a všeobecně použitelné techniky jsou popsány v kapitole 2 a 3. Zlepšení účinnosti lze tudíž vyjádřit jako [5, Hardell and Fors]: získání nezměněné výstupní hodnoty při snížené úrovni spotřeby energie nebo získání zvýšené výstupní hodnoty při nezměněné spotřebě energie nebo získání výstupní hodnoty, která v relativním pojetí překonává nárůst spotřeby energie. Hlavním účelem ukazatelů energetické účinnosti je, aby byly schopné monitorovat vývoj energetické účinnosti dané výrobní jednotky a dané množství výroby v určitém čase a vyjádřit vliv opatření a projektů na zlepšení energetické účinnosti na energetický výkon výrobního procesu nebo jednotky. SEC ukazuje, kolik energie se použije na daný výstup, avšak jediná hodnota má bez dalších referenčních dat jen omezené využití. Změnu v daném časovém období lze vyjádřit pomocí Indexu energetické účinnosti (EEI); tento index je užitečnější při monitoringu energetické účinnosti systému, procesu nebo zařízení. Je definován jako podíl referenční hodnoty SEC (SEC ref ) ku SEC příslušné jednotky nebo procesu. SEC ref může být buď referenční číslo, které je v průmyslovém sektoru, do něhož výrobní proces patří, obecně přijímáno, nebo to může být SEC výrobního procesu v daném referenčním roce: EEI = SEC ref SEC Rovnice 1.3 Index energetické účinnosti je bezrozměrné číslo. Pozn.: SEC je číslo, které s rostoucí energetickou účinností klesá, zatímco EEI je číslo, které se zvyšuje. Energetický management tudíž usiluje o co nejnižší možnou hodnotu SEC a co nejvyšší možnou hodnotu EEI. Zjištění skutečné energetické účinnosti v indikátoru může vyžadovat korekci faktorů energie. 22 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

57 Kapitola 1 Časový rámec Měl by být stanoven co nejvhodnější časový rámec (viz kap 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 a Úvod do využití ukazatelů (indikátorů) V průmyslu je nejčastěji používaným ukazatelem měrná spotřeba energie (SEC) na daný výstup (nebo vstup) a budeme ji často používat i v tomto dokumentu. Definice vypadá zdánlivě jednoduše. Zkušenosti s pokusy o kvantifikaci tohoto konceptu pro monitoring procesů však ukazují, že pro lepší definování a měření energetické účinnosti je třeba určitý rámec. Je zde několik komplikujících faktorů, např.: Různí provozovatelé a zaměstnanci nepočítají energii vždy stejným způsobem a nepoužívají stejné parametry Často je nutné pohlížet na energetickou účinnost výrobního procesu v rámci energetické účinnosti výrobního místa, které zahrnuje několik výrobních procesů Definice nedává informace o tom, zda je energie využívána nebo produkována efektivně. Aby měla energetická účinnost výpovědní hodnotu a byla užitečná, musí být porovnatelná, např. s jinou jednotkou nebo zařízením, za určité období, a musí existovat pravidla nebo konvence pro takováto srovnání. V případě porovnávání energetických účinností je obzvláště důležité definovat hranice systému, aby se zajistilo, že všichni uživatelé jsou bráni rovnocenně. Definice ve své nejjednodušší formě nepohlíží na to, jak účinně je energie produkována, ani na to, jak je využita odpadní energie mimo hranice systému. Tyto a další otázky by měly být objasněny tak, aby bylo možné hodnotit zlepšování energetické účinnosti. Tyto otázky jsou probrány v kap. 1.4 a 1.5. Pro IPPC se o energetické účinnosti uvažuje z perspektivy: na úrovni závodu, při povolování závodu, kde se může uvažovat o o energii celého závodu o energii jednotlivých výrobních procesů/jednotek a/nebo systémů na evropské úrovni, pro průmyslový sektor nebo činnost při stanovení hodnot energetické účinnosti spojených s BAT (benchmarky), např. v sektorovém dokumentu BREF. Měrná spotřeba energie a index energetické účinnosti (viz kap ) 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]. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

58 Kapitola 2 Při hodnocení energetické účinnosti nám může pomoci, když [Cefic, 325]: posoudíme místo procesu a rozhodneme, zda lze pro celé místo stanovit nějaký ukazatel měrné energie (specific energy indicator SEI) jestliže ukazatel měrné energie pro dané místo nelze stanovit, nebo pokud to pomůže při analýze energetické účinnosti, rozdělíme místo na výrobní nebo provozní jednotky definujeme ukazatele pro každý výrobní proces a pro dané místo nebo jeho část kvantifikujeme ukazatele měrné energie, zaznamenáme, jak byly definovány, a budeme je udržovat a sledovat veškeré změny v čase (např. v produktech, v zařízení) Význam systémů a jejich hranic Nejlepší energetická účinnost pro určité místo není vždy rovna součtu optimálních energetických účinností jednotlivých součástí a komponent tam, kde jsou všechny tyto komponenty optimalizovány zvlášť. Skutečně pokud by byl každý proces optimalizován nezávisle na ostatních procesech v daném závodě, je zde riziko, že v místě bude produkována např. nadbytečná pára, která se bude muset vypouštět. Vezme-li se v úvahu integrace jednotek, lze páru vybilancovat a příležitosti k využití zdrojů tepla z jednoho procesu k vytápění jiného procesu mohou vést k nižší celkové spotřebě energie v závodě. Můžeme tedy dosáhnout synergie, vezmeme-li v úvahu (v následujícím pořadí): 1. celkové místo/lokalitu/závod a to, v jakém jsou různé jednotky a/nebo systémy vzájemném vztahu (např. kompresory a vytápění). Může to také znamenat úvahy o určité deoptimalizaci energetické účinnosti pro jeden nebo více výrobních procesů nebo jednotek, aby se dosáhlo optimální energetické účinnosti celého provozu (místa, lokality). Je třeba posoudit účinné využívání procesů, jednotkových zařízení nebo navazujících činností, či dokonce i když jsou vhodné ve své současné formě. 2. následně optimalizaci různých jednotek a/nebo systémů (např. CAS, chladící systém, parní systém). 3. nakonec optimalizaci zbývajících složek a součástí (např. elektrických motorů, čerpadel, ventilů). Abychom porozuměli významu úvah o úloze systémů v energetické účinnosti, je velmi důležité porozumět tomu, jak definice systému a jeho hranice ovlivní dosažení energetické účinnosti. Hovoří o tom kapitola 1.5.1, která se věnuje hranicím systému, a kap 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 Ostatní použité termíny Ostatní použité termíny lze najít v Glosáři, v Příloze 7.1 nebo ve standardních textech Primární energie a sekundární energie Primární energie je energie obsažená v surových palivech (tj. přírodní zdroje před jakýmkoli zpracováním), včetně spalitelných odpadů a jakékoli jiné formy energie získané systémem jakožto vstup do tohoto systému. Tento koncept se využívá především v energetických statistikách během kompilace energetických bilancí. Primární energie jsou v procesech energetické konverze transformovány do pohodlnějších forem energie, jako je elektrická energie, pára nebo čistší paliva. V energetických statistikách se tyto následné formy energie nazývají sekundární energie. Finální (konečná) energie je 24 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

59 Kapitola 1 energie v takové formě, v jaké ji přijímají uživatelé, takže to může být jak primární, tak i sekundární energie (např. zemní plyn jako primární energie a elektřina jako sekundární energie použitá v závodě). Jejich vztah vysvětluje obr Ztráty při tranformaci/přeměně Ztráty při konečné spotřebě Primární energie Proces přeměny Sekundární energie Konečná energie Konečná spotřeba Užitečná energie Procesní teplo Přímé teplo Hybná síla Osvětlení Ostatní Obrázek 1-6: Definice primární, sekundární a finální energie [260, TWG, 2008] Využití primárních a sekundárních energií zobrazuje kap 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 , pak se může externí vektor jevit jako podstatně účinnější. Příklady vektorů energie, kterou je možné dodávat z vnějšku jednotky nebo zařízení, jsou: Elektřina: účinnost kolísá podle paliva a technologie, viz [125, EIPPCB]. U konvenčních parních elektráren účinnost výroby elektřiny z primárních paliv kolísá mezi 36 % a 46 %. U technologií kombinovaného cyklu je účinnost 55 % - 58 %. U kogenerace (kombinované výroby tepla a elektřiny - KVET, viz kap. 3.4) může celková účinnost pro elektřinu a teplo dosahovat až 85 % nebo více. Účinnost jaderné elektřiny a obnovitelných zdrojů se počítá jinak. Pára: energetickou hodnotu páry lze definovat takto: Energetická hodnota páry = (h s -h w ) η b kde: h s h w ŋ b Entalpie páry Entalpie vody přiváděné do kotle (po odvzdušnění) Tepelná účinnost kotle Toto posouzení je však příliš omezeno. Správně by se při definování energetické hodnoty páry měly zahrnout i tyto energetické vstupy: parní systém, např. teplo přidané do vody přicházející do kotle, aby dosáhla teploty odvzdušňovacího zařízení PT/EIPPCB/ENE Finální červen

60 Kapitola 2 pára použitá v odvzdušňovacím zařízení k odstranění kyslíku z vody přiváděné do kotle pomocné systémy, např.: energie nutná pro čerpání vody přicházející do kotle na provozní tlak kotle energie spotřebovaná ventilátorem, který zajišťuje nucený tah pro kotel. Existují i další faktory, které by se měly vzít v potaz, jako jsou komodity atd. Způsob definování toho, jak je definována primární energie páry, by měl být jasně popsán v postupu výpočtu ukazatelů energetické účinnosti a v benchmarcích energie. Je důležité, aby každý používal stejný základ výpočtu primární energie páry, viz kap , 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 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 [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 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/ES 13 povinnost poskytovatelů elektřiny zveřejňovat svůj palivový mix. Přesné prezentace poskytnutých dat jsou podle uvážení členských států EU: Poznámka Evropské komise k implementaci je k dispozici na: en.pdf Směrnice o podpoře kogenerace [146, EC, 2004] a pokyny s ní spojené vysvětlují referenční hodnoty pro produkci páry a elektřiny, včetně korekčních faktorů, které závisejí na geografické lokalitě. Směrnice také vysvětluje metodiku stanovování účinnosti kogeneračního procesu. 13 Směrnice 2003/54/ES ze dne 26. června 2003 týkající se společných pravidel pro vnitřní trh s elektřinou a rušící Směrnici 96/92/ES 26 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

61 Kapitola 1 Existují různé další zdroje dat, jako jsou např. národní palivové mixy: 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 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 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 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] Výhřevnosti paliva a účinnost PT/EIPPCB/ENE Finální červen

62 Kapitola 2 V Evropě se obsah využitelné energie v palivu vypočítává zpravidla pomocí hodnoty spodní výhřevnosti (lower heating (combustion) value LCV) nebo čisté výhřevnosti (net calorific value NCV) tohoto paliva, tj. jedná se o teplo získané spálením paliva (oxidací) a měřené tak, že vyprodukovaná vodní pára zůstává v plynném stavu a nekondenzuje na kapalnou vodu. Je to kvůli reálným podmínkám v kotli, kde se vodní pára neochladí pod svůj rosný bod a latentní teplo není pro vytvoření páry k dispozici. Ve Spojených státech i jinde se používá hodnota spalného tepla ( horní výhřevnosti ) (higher heating value HHV, higher calorific value (HCV) nebo gross calorific value (GCV)), která zahrnuje latentní teplo pro kondenzaci vodní páry. Při použití HCV tak nelze překročit termodynamické maximum 100 %. HCV dry je HCV pro palivo neobsahující žádnou vodu ani vodní páru a HCV wet 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 LCV wet ku HCV wet může kolísat mezi 0,968 a 0,767. je třeba brát v potaz, že poměr HCV/LCV kolísá podle zdroje, času apod. 28 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

63 Kapitola 1 Palivo Obsah vlhkosti [ % w.b.] Obsah vodíku [kg H /kg paliva ] HCV dry [MJ/kg] HCV wet [MJ/kg] LCV dry [MJ/kg ] LCV wet [MJ/kg] Poměr LCV wet / HCV wet [-] Bituminózní uhlí Zemní plyn (Uregnoj, Rusko) Zemní plyn (Kansas, USA) Těžký topný olej Lehký topný olej Borová kůra nesušená Borová kůra sušená Zemní plyn 1: CH 4 (97.1vol- %), C 2 H 6 (0.8 %), C 3 H 8 (0.2 %), C 4 H 10 (0.1 %), N 2 (0.9 %), CO 2 (0.1 %) Zemní plyn 2: CH 4 (84.1vol- %), C 2 H 6 (6.7 %), C 3 H 8 (0.3 %), C 4 H 10 (0.0 %), N 2 (8.3 %), CO 2 (0.7 %) tabulka 1-1 Indikativní Hodnoty horní výhřevnosti a spalného tepla pro různá paliva [153, Wikipedia] Management na straně poptávky a na straně nabídky Strana nabídky (dodávky) se týká dodávek energie, jejího přenosu a distribuce. Strategie a management dodávek energie mimo zařízení stojí mimo rámec Směrnice o IPPC (ačkoli činnost výroby energie je zde pokryta, jak je popsáno v Příloze 1 (1.1) Směrnice). Je třeba mít na paměti, že v zařízeních, kde se vyrábí elektřina nebo teplo v samostatné jednotce nebo v navazujícím procesu, může být dodávka této energie do další jednotky nebo procesu v rámci téhož zařízení také považována za stranu dodávky/nabídky. Management na straně poptávky znamená management poptávky podniku (výrobní lokality) po energii. O této otázce pojednává velké množství literatury týkající se technik energetické účinnosti. Je však důležité poznamenat, že má dvě složky: náklady na energii na jednotku a počet použitých jednotek energie. Je rovněž důležité zjistit rozdíl mezi zlepšováním energetické účinnosti z ekonomického hlediska a z hlediska fyzické energie (tato problematika.je podrobněji vysvětlena v Příloze 7.11). PT/EIPPCB/ENE Finální červen

64 Kapitola Ukazatele energetické účinnosti v průmyslu Úvod: definování ukazatelů a dalších parametrů Hlavním cílem ukazatelů je pomoci při vlastní analýze a monitoringu a také při porovnávání energetické účinnosti jednotek, činností nebo zařízení. Ačkoli rovnice 1.1 a 1.5 vypadají jednoduše, existují i další související otázky, které musí být definovány a rozhodnuty ještě předtím, než se ukazatele použijí, obzvláště při porovnávání jednoho výrobního procesu s jiným. Definují se např. hranice procesu, hranice systému, vektory energie a způsob porovnávání různých paliv a jejich zdrojů a také toho, zda se jedná o interní nebo externí zdroje. Jakmile jsou tyto faktory definovány pro konkrétní závod, podnik nebo pro benchmark v rámci jedné lokality, je nutné se jich držet. Tato kapitola popisuje, jak se definuje energetická účinnost a ukazatele pro individuální průmyslové výrobní procesy, jednotky a lokality (stanoviště). Vysvětluje, jaké jsou relevantní otázky a jak je zvažovat tak, aby bylo možné měřit a hodnotit změny v energetické účinnosti. Jsou problémy se zajištěním toho, aby data z jednotlivých jednotek nebo stanovišť byla skutečně kompatibilní, a pokud ano, zda je možné vyvodit ohledně ekonomiky stanoviště závěry, které se dotýkají důvěrného charakteru a konkurence. Tyto otázky a použití těchto ukazatelů jsou rozebrány v kap. 2.16, Benchmarking. Kapitola 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/m 2 (např. při nátěrech nebo výrobě automobilů), energie/zaměstnance atd Energetická účinnost ve výrobních jednotkách Následující dva příklady ilustrují koncepty SEC a EEI a zdůrazňují klíčové otázky interpretace Příklad 1. Jednoduchý případ Obr. 1.7 ukazuje příklad jednoduché výrobní jednotky 14. Pro jednoduchost je proces zobrazen bez exportů energie a pouze s jedním přívodem surovin a jedním produktem. Tento výrobní proces využívá páru, elektřinu a palivo. 14 Obrázky jsou pouze ilustrativní a přesnost není jejich účelem. Pro páru není uveden tlak, ale lze předpokládat, že je stejný v obou částech příkladu. Analýza exergie by byla užitečnější, ale vymyká se tomuto jednoduchému příkladu. 30 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

65 Kapitola 1 Surovina F Výrobní jednotka Hlavní produkt P Pára E s,in Elektrická energie E e,in Import paliva E f,in Obrázek 1-7: Vektory energie v jednoduché výrobní jednotce SEC pro tento proces je dán rovnicí: SEC = E s,in + E e,in + E f,in P Rovnice 1.4 Kde: E s,in = energie dodaná do procesu prostřednictvím páry za účelem výroby určitého množství produktu P E e,in = energie dodaná do procesu prostřednictvím elektřiny za účelem výroby určitého množství produktu P E f,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 ). např. na výrobu 1 MWh elektřiny je nutné vynaložit více energie než na výrobu 1 MWh páry, protože elektřina se vyrábí většinou s účinností %, zatímco pára s účinností %. 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 následující 15 : spodní výhřevnost paliva = 50 GJ/t účinnost výroby elektřiny = 40 % pára se vyrábí z vody při 25 o C a rozdíl mezi entalpií páry a entalpií vody při 25 o C = 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

66 Kapitola 2 E f,in = 0.01 tuny paliva x 50 GJ/tunu = 0.50 GJ E e,in = 10 kwh x GJ/kWh x 100/40 = 0,09 GJ (kde 1 kwh = 0,0036 GJ) E s,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, ,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 ) Příklad 2. Typický případ Obr. 1.8 zobrazuje komplikovanější případ, kdy dochází jak k exportu energie, tak i k interní recyklaci paliva nebo energie. Tento případ ilustruje principy, které lze po vhodných úpravách aplikovat v mnoha průmyslových odvětvích. 32 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

67 Kapitola 1 Pára E s,out Elektri cká energie E e,in Další E o,out Výrobní jednotka Hlavní produkty P 1 Další produkty P 2 Surovina F 1 Surovina F n Odpad/ztráty W (spalování, fléra, odpadní toky do životního prostředí) Recyklované palivo P f Pára E s,in Elektri cká energie E e,in Další E o,in Import paliva E f,in Recyklované palivo E f,rec Obrázek 1-8: Vektory energie ve výrobní jednotce SEC = (E s,in + E e,in + (E f,in + E f,rec) + E o,in ) (E s,out + E e,out + E o,out ) P 1 Tento generický vzorec lze aplikovat na každý výrobní proces, jednotku nebo zařízení, ale jeho různé komponenty je nutné přizpůsobit právě každému konkrétnímu výrobnímu procesu, jednotce nebo stanovišti. Jednotkou tohoto ukazatele je (jednotka energie)/jednotku hmoty, zpravidla GJ/t produktu nebo MWh/t produktu. Mohly by však existovat násobné produkty nebo jeden hlavní produkt a významné vedlejší produkty. Některé faktory, které je třeba vzít v úvahu při aplikaci rovnice 1.5, jsou popsány v následujících šesti bodech (některé lze aplikovat i na rovnici 1.4): 1. Toky vstupů/produktů (F 1-n, P 1 ) Na obr. 1.8 je zobrazen tok hmoty surovin a produktů v horizontálním směru. Vstupy F 1 F n (F 1-n ) představují různé suroviny používané k výrobě hlavních produktů P 1 a vedlejších produktů. Tyto vedlejší produkty se dělí na dvě frakce: frakce, která se recykluje jako palivo (P f ) a zbývající vedlejší produkty (P 2 ). 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) (E in ) 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: E s = pára a/nebo horká voda E e = elektřina do procesu PT/EIPPCB/ENE Finální červen

68 Kapitola 2 E f = palivo (plyn, kapalina, tuhé palivo). Rozlišuje se externě zakoupené palivo E f a palivo, které se interně recykluje v procesu E f,rec. Pozn.: pokud se palivo vyrábí jako produkt pro použití mimo závod, bude se o něm uvažovat jako o P 1 nebo P 2 (nikoli jako o E f,out ), viz bod 5 níže E o = 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 (E s ) (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 E s tím, že se sečtou jejich exergie [127, TWG]. Viz informace o páře v kap 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 (P f ) Recyklovány. Relevance tohoto odpadního toku bude probrána podrobněji v kap 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 (E 0, P f ) Na obr. 1.8 není palivo zobrazeno jako vektor exportované energie. Důvodem je to, že toto palivo (P 1 nebo P 2 nebo by se mohlo považovat za E f ) 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 (H 2 ) (vedlejší produkt vedle vyrobeného chlóru a NaOH) 34 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

69 Kapitola 1 jako vektor energie nezávisle na tom, zda se tento vodík následně využívá jako chemická látka nebo jako palivo (vzplanutý vodík se nezapočítává). Je tudíž důležité stanovit pravidla definování energetické účinnosti specifická pro daný průmyslový sektor, včetně vstupů a vstupních materiálů, produktů, nosičů importované energie a nosičů exportované energie. Viz též kap 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

70 Kapitola Energetická účinnost provozovny (závodu) Složité výrobní závody (stanoviště) provozují více než jeden výrobní proces nebo jednotku. Při definování energetické účinnosti celého závodu je nutné jej rozdělit na jednotlivé menší jednotky, které obsahují procesní jednotky a jednotky médií. Vektory energie zasahující do výrobního závodu lze schématicky znázornit tak jako např. na obr Exportovaná energie Jednotka Jednotka Suroviny vstup Produkty výstup Jednotka Jednotka Importovaná energie Obrázek 1-9: Vstupy a výstupy ze závodu Výrobní závod pravděpodobně vyrábí různé druhy produktů, z nichž každý má svůj vlastní faktor energetické intenzity. Není tudíž vždy jednoduché definovat pro závod či stanoviště smysluplný ukazatel energetické účinnosti. Tento ukazatel (indikátor) může být vyjádřen jako: EEI = Kde: P 1, i EIF ref, i i= jednotka Energie použitá závodem za příslušné období P i,j = součet produktů z jednotek SEC ref j = referenční SEC pro produkty, j Toto je stejný vzorec, jaký je uveden v kap , bod 0. jediným rozdílem je to, že v kap se vzorec týkal různých produktů vyrobených na jedné produktové lince, zatímco zde (kap ) se týká různých produktů vyrobených na různých produktových linkách. Média a služby Když se výrobní závod rozděluje na výrobní jednotky (viz kap ), 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 Sekci médií a služeb samu o sobě lze rozdělit do několika sekcí: např. součást týkající se skladování a plochu pro nakládku a vykládku, součást týkající se horkých médií (např. páry a horké vody) a součást týkající se studených médií (chladící voda, dusík, stlačený vzduch). Kap. 1.5 se zabývá výpočtem vektorů energie ze služeb a médií, i v souvislosti s primární a sekundární energií. 36 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

71 Kapitola 1 Následující rovnice by se měla vyzkoušet vždy: Energie použitá stanovištěm (závodem) = Σ SEC i 1 P i + energie použitá sekcí médií a služeb kde: Kde: i=jednotky SECi = součet hodnot SEC pro i jednotek i units i=jednotky Různé agregace jednotek na různých stanovištích (závodech) Příkladem je v tomto případě zařízení na hydrogenaci (hydrotreatment) benzínu v parním krakování. Benzín je ko-produkt zařízení na parní krakování (tudíž se v Obr. 1.8 počítá spíše v P 2 než v P 1 ). 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

72 Kapitola Otázky, které je třeba zvažovat při definování ukazatelů energetické účinnosti Kapitola 1.3 se zabývá tím, jak definovat energetickou účinnost, a zdůraznila i důležité související otázky, jako je např. primární a sekundární energie. Tato kapitola také uvedla koncept energetické účinnosti pro média a služby a/nebo systémy. Kapitoly a 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 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 se zabývá dalšími důležitými otázkami, o kterých může provozovatel uvažovat a které by se měly brát v úvahu v definic energetické účinnosti a ukazatelů 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 (viz též Příloha 7.1.1): Energetická účinnost η = Vstup energie Výstup energie = práce W 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: Zlepšení = Změna v použité energii Původně použitá energie Příklad: Systém 1: Elektrický motor Starý elektromotor Jedna společnost provedla průzkum existujících motorových pohonů. Byl zjištěn starý motor se vstupní elektrickou energií 100 kw. Účinnost motoru byla 90 % a výstupní mechanická energie tak byla 90 kw (viz obr. 1.10). 38 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

73 Kapitola 1 Starý elektromotor Elektrický příkon 100 kw Elektrický výkon 90 kw Hranice systému Příkon (100 kw) Výkon (90 kw) Účinnost (90 %) Obrázek 1-10: Hranice systému starý elektrický motor Nový elektrický motor Pro zlepšení účinnosti byl tento motor nahrazen vysoce účinným motorem. Efekt této změny je zobrazen na obr Elektrická energie potřebná k vyvinutí stejné výstupní energie, tedy 90 kw, je nyní vzhledem k vyšší účinnosti nového motoru 96 kw. Zlepšení energetické účinnosti je tak 4 kw, nebo: Energetické zlepšení = 4/100 = 4 % Nový elektromotor Elektrický příkon 96 kw Elektrický výkon 90 kw (93,7 %) Hranice systému Příkon (96 kw) Výkon (90 kw) Zlepšení účinnosti (4 kw) Obrázek 1-11: Hranice systému nový elektrický motor Příklad: Systém 2: Elektrický motor a čerpadlo Jak ukazuje obr. 1.10, k provozu čerpadla, které přivádí chladící vodu do chladícího systému, se používá elektrický motor. Kombinace motoru a čerpadla se zde považuje za jeden subsystém. Nový elektrický motor a staré čerpadlo Výstupní hodnotou tohoto subsystému je hydraulická síla ve formě toku a tlaku chladící vody. Vzhledem k nízké účinnosti čerpadla je výstupní hodnota omezena na 45 kw. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

74 Kapitola 2 Nový elektromotor Elektrický příkon 96 kw Hydraulický výkon (45 kw) (50 %) (93,7 %) Hranice systému Chladící voda Příkon (96 kw) Výkon (45 kw) Účinnost (47 %) Obrázek 1-12: Hranice systému nový elektrický motor + staré čerpadlo Nový elektrický motor a nové čerpadlo Staré čerpadlo je nahrazeno novým, čímž se zvýší účinnost čerpadla z 50 na 80 %. Výsledek této výměny je zobrazen na obr Nový elektromotor Elektrický příkon 96 kw Hydraulický výkon (67 kw) (80 %) (93,7 %) Hranice systému Chladící voda Příkon (96 kw) Výkon (45 kw) Účinnost (47 %) Obrázek 1-13: Hranice systému nový elektrický motor a nové čerpadlo Účinnost nového subsystému je mnohem vyšší než u subsystému předchozího. Hydraulická síla se zvýšila ze 45 na 67 kw. Zvýšení energetické účinnosti lze zobrazit jako (viz kap ): EEF = Účinnost 75 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. 40 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

75 Kapitola 1 Komplexní studie chladícího systému možná ukázala, že hydraulická síla 45 kw byla dostatečná, a v tomto případě lze výkon na hřídeli odhadnout na 45/0,8 = 56 kw. Elektrická energie potřebná k pohonu motoru by pak činila asi 56/0,937 = 60 kw. Nový elektromotor a nové čerpadlo s regulačním ventilem konstantního výkonu Elektrický příkon (60 kw) Hydraulický výkon (45 kw) (80 %) (93,7 %) Hranice systému Příkon (60 kw) Výkon (45 kw) Účinnost (75 %) Obrázek 1-14: Nový elektrický motor a nové čerpadlo s konstantním výstupem V tomto případě byl vstup energie o 40 kw nižší než předtím, viz obr 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 byly hranice systému rozšířeny a subsystém nyní zahrnuje nový motor, nové čerpadlo a starý výměník tepla pro chladící proces. Procesní chladící energie je kwth (th = thermal). PT/EIPPCB/ENE Finální červen

76 Kapitola 2 Nový elektromotor, nové čerpadlo a starý tepelný výměník Regulační ventil Elektrický příkon (90 kw) (80 %) Teplo z procesů ( kw th) Hranice systému Chladící voda kw th Příkon (90 kw) Hodnota výkonu 1: Chlazení procesu kw th Hodnota výkonu 2: Hydraulický výkon 67 kw ) Obrázek 1-15: Nový elektrický motor, nové čerpadlo a starý výměník tepla Výstupní hodnoty jsou odstranění procesního tepla a hydraulická síla spojená se zvýšeným tokem a tlakem vody. Nicméně z hlediska definování tohoto systému (viz kap a 1.4.1) je poskytovanou službou chlazení. Systém je navržen tak, aby zajišťoval chlazení procesu nebo procesů v hodnotě 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 ): SEC = Použitá energie Vyprodukované produkty = (importovaná energie exportovaná energie) produkty/vyprodukované výstupy SEC = Energie použitá v chladícím systému poskytnutá služba = kw 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 , 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): 42 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

77 Kapitola 1 Nový elektromotor, nové čerpadlo a dva tepelné výměníky Regulační ventil Elektrický příkon (90 kw) (80 %) Teplo z procesů (8 000 kw th) kw th Příkon (90 kw) Hranice systému Chladící voda Hydraulický výkon: 67 kw Nevyužité teplo kw th Hodnota výkonu 1: Chlazení procesu kw th Rekuperované teplo, nahrazuje topný olej při vytápění prostor: (4 000 kw th) Hodnota výkonu 2: Rekuperované teplo kw th ) Hodnota výkonu 2: Hydraulický výkon 67 kw ) Obrázek 1-16: Nový elektrický motor, nové čerpadlo a dva výměníky tepla Výpočet týkající se výhradně vstupů a výstupů do, resp. z chladícího systému ukazuje: Energie použitá v chladícím systému poskytnuté služby = kw 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 Závěry týkající se systémů a hranic systémů Je důležité uvažovat o závodě z hlediska jeho komponentních jednotek/systémů. Maximální návratnosti investic lze dosáhnout tehdy, když bude bráno v úvahu celé stanoviště (závod) a jeho vzájemně propojené jednotky nebo systémy (např. viz obecné BAT 13 a 14 v dokumentu BREF STS a BAT 81 pro nátěry automobilů). Jinak (jak ukazují výše popsané Systémy 1 a 2) se může stát, že změna jednotlivých komponent povede k investicím do nesprávně dimenzovaného vybavení a k promarnění úspor spojených s nejefektivnější účinností. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

78 Kapitola 2 Mělo by se provést určité šetření, jehož cílem je zjistit potřeby daného stávajícího systému a subsystémů a také to, zda by nešlo požadovaných služeb (např. chlazení, ohřívání) dosáhnout modifikovaným nebo nějakým úplně jiným způsobem zlepšení energetické účinnosti. Jednotky/systémy musejí být: Definovány z hlediska hranic a interakcí na příslušné úrovni Zkoumány z hlediska poskytování konkrétních, potřebných služeb nebo produktů Posuzovány z hlediska současných nebo plánovaných potřeb výše zmíněných služeb nebo produktů (tj. nikoli z hlediska minulosti). Maximální energetická účinnost pro zařízení může znamenat, že energetická účinnost jednoho nebo více systémů může být deoptimalizována, aby se dosáhlo celkové maximální účinnosti (toto platí v matematické rovině, protože účinnosti dosažené jinde nebo jiné změny mohou znamenat změnu faktorů ve výpočtech platných pro konkrétní individuální systém. Nemusí to vést k celkově vyššímu množství používané energie). Viz Příloha Ostatní důležité otázky, které je třeba zvažovat na úrovni závodu Zaznamenávání používaných postupů v oblasti podávání zpráv Na úrovni závodu by se měla přijmout a dodržovat jednotná praxe (či soubor zvyklostí) v oblasti podávání zpráv. Hranice pro výpočty energetické účinnosti a jakékoli změny v hranicích a provozní praxi by měly být identifikovány v interní a externí databázi historie. Pomůže to zachovat interpretaci a srovnatelnost mezi jednotlivými roky 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 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 Získávání energie z odpadů a prostřednictvím fakulí (bezpečnostních hořáků) Při všech procesech vzniká určité množství tuhých, kapalných nebo plynných odpadů. Tyto odpady mívají energetickou hodnotu, kterou lze interně nebo externě získat nebo regenerovat. Tuhé a kapalné odpady lze exportovat do externí spalovny, odpadní plyny lze spalovat ve fakuli. Viz kap Odpady Příklad: určitý odpad se dříve exportoval do externí spalovny. Firma nyní hledá způsob, jak tento odpad interně využít, např. jako palivo pro své kotle nebo pece, a potřebuje zjistit, zda se tím zlepší energetická účinnost výrobní jednotky/stanoviště, s tím, že: 44 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

79 Kapitola 1 interní využití tohoto odpadu snižuje potřebu externích paliv, ale celková spotřeba energie stále zůstává stejná na druhou stranu externí spalovna může mít zařízení, kde se výhřevnost tohoto odpadu využije na výrobu páry. V takovém případě nemusí přesun odpadního toku směrem do interního využití jako paliva (na rozdíl od jeho zaslání do spalovny) přinést celkové zlepšení energetické účinnosti, když se na věc podíváme z pohledu celku, tj. producent + firma provozující spalovnu. Pozn.: Přechod od externího spalování k internímu využití bývá motivován obchodními podmínkami a nikoli energetickou účinností. Závěry k tomuto tématu jsou uvedeny níže v Celkovém shrnutí. Fakule (bezpečnostní hořáky) Fakule jsou především bezpečnostní zařízení a se používají k bezpečnému odvodu odpadních plynů ze zařízení, jako jsou rafinérie minerálních olejů, chemičky nebo skládky. Jejich využití jako cesty pro odvod odpadních plynů je však obvykle jen sekundární funkcí 16. 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 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 (E f,in ). Tam, kde se energie získává v externí spalovně, je případ analogický výpočtu primární energie (viz kap ) 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

80 Kapitola 2 Každé průmyslové odvětví by mělo také jasně definovat, jakým způsobem se bude zabývat odpady, aby to umožnilo spravedlivé porovnání mezi konkurenčními výrobními procesy. Na úrovni zařízení by se měla přijmout a dodržovat jednotná praxe v oblasti podávání zpráv. Změny by se měly promítnout do externích a interních databází záznamů tak, aby se zachovala srovnatelnost mezi jednotlivými roky Koeficient zatížení (snižování SEC s rostoucí produkcí) Snižování měrné spotřeby energie s rostoucí mírou produkce je celkem normální a je způsobeno dvěma faktory: Výrobní zařízení bude v provozu po delší časové období, jestliže je míra produkce vysoká. To znamená, že období prostojů budou kratší. Některé druhy zařízení jsou v provozu kontinuálně, dokonce i v době, kdy k produkci nedochází. Doba prostojů se zkrátí s tím, jak se bude zkracovat právě doba bez produkce. Existuje určitá základní spotřeba energie, která nezávisí na využití výrobní kapacity. Tato spotřeba souvisí s najetím výrobního zařízení a udržováním jeho teploty (bez jakékoli produkce, viz citelné teplo, kap ), osvětlením, používáním ventilátorů, kancelářských strojů apod. vytápění prostor také nezávisí na míře produkce, ale spíše na venkovní teplotě, jak ukazuje obr 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 Změny ve výrobních technikách a vývoj produktů Lze realizovat změny ve výrobních technikách, např. v důsledku technického rozvoje nebo kvůli novým komponentům nebo technickým systémům, které jsou k dispozici na trhu. Bude pravděpodobně třeba nahradit zastaralé technické systémy a s tím může vzniknout potřeba zavedení nových řídících systémů pro zlepšení účinnosti výroby. Zavádění takových změn ve výrobních technikách může také vést ke zlepšením v oblasti energetické účinnosti. Změny ve výrobních technikách, které přinášejí účinnější využívání energií, jsou považovány za opatření na zlepšení energetické účinnosti. Viz kap. 2.3 a 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 To vedlo k nárůstu spotřeby energie v rafinériích. 46 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

81 Kapitola 1 V průmyslu celulózy a papíru vedla zlepšení vláken používaných v procesu ke snížení spotřeby energie. Později se zlepšila také kvalita finálního produktu, což vyžadovalo zvýšené mletí. Po těchto dvou krocích technického rozvoje bylo konečným výsledkem zvýšení celkového množství použité energie. Ocelářský průmysl může zlepšit pevnost vyráběných ocelových produktů. Nové procesy však zvyšují spotřebu energie. Zákazníci mohou zmenšit tloušťku oceli ve svých produktech o několik desítek procent. Díky snížené hmotnosti produktů, např. automobilů, může docházet k energetickým úsporám. Tyto úspory jsou součástí posuzování životního cyklu (LCA) produktů a nefiguruje ve výpočtech energetické účinnosti pro zařízení (podobně jako Směrnice o IPPC nezahrnuje LCA produktů). Změny v uspořádání produkce Změny v uspořádání produkce mohou znamenat, že např. neziskové výrobní linky budou vyřazeny z provozu, systémy podpory budou změněny, podobné linie podnikání budou sloučeny. Změny v uspořádání výroby se mohou provádět také s cílem dosáhnout lepší 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 ( ). 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 Integrace energetického hospodářství 1. Interní výroba energie Interní výroba energie (elektřiny nebo páry), aniž by se přitom zvyšovalo množství použité primární energie, je uznána jako způsob zlepšování energetické účinnosti. Lze ji optimalizovat výměnou energie se sousedními jednotkami nebo zařízeními (nebo neprůmyslovými uživateli); viz kap. 2.4, 2.12, 2.13 a 3.3. Je třeba definovat hranice systému a vyřešit případné nejasnosti. O stanovení hranic pojednávají kap. 1.4 a 1.5 a o výpočtu primární energie pak kap PT/EIPPCB/ENE Finální červen

82 Kapitola 2 2. Využití kyslíku ve spalovacím zařízení Ve spalovacím zařízení se může používat kyslík ke zvýšení účinnosti spalování a snížení vstupů paliva. Má také kladný vliv na energetickou účinnost tím, že snižuje tok vzdušné masy ve spalinách a omezuje emise NO x. 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 ), kap 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 Neúčinné využívání energie přispívající k udržitelnosti a/nebo celkové účinnosti stanoviště Jak již bylo uvedeno v kap. 1.4 a 1.5, u těchto složitých stanovišť (jako jsou např. stanoviště popsaná v kap 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 ) 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 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

83 Kapitola 1 I když obnovitelné/udržitelné zdroje energie a/nebo paliva nespadají do rozsahu tohoto dokumentu (viz Rozsah) mohou snížit celkové emise oxidu uhličitého do atmosféry. Lze to započítat pomocí bilance uhlíku, viz kap a Přílohu Vytápění a chlazení prostor Vytápění a chlazení prostor je způsobem použití energie, který do značné míry závisí na venkovní teplotě, jak ukazuje obr 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 posune dolů. Požadavky na vytápění a chlazení tudíž nezávisejí na produkčním výkonu a tvoří součást koeficientu zatížení (viz kap ) Regionální faktory Vytápění a chlazení (kap ) 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 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 Např. požadavek PT/EIPPCB/ENE Finální červen

84 Kapitola 2 na ohřátí veškerých vstupů do rafinérského zařízení z okolní teploty na 104,4 o C se nazývá citelné teplo Další příklady Příloha 7.3 uvádí následující příklady procesů - Příklad 1: krakovací zařízení ethylenu - Příklad 2: výroba VAM (monomer vinyl acetátu) - Příklad 3: válcovny oceli Tyto procesy ilustrují tuto problematiku - rozmanitá a složitá stanoviště - složité toky energií - násobné produkty s výhřevností - účinnost elektrické energie kolísá s produkcí - specifické celosektorové hodnoty EEI (ukazatel energetické účinnosti) pro rafinérie, tzv. Solomon Energy Benchmark, viz Příloha červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

85 Kapitola 2 2 TECHNIKY, KTERÉ JE TŘEBA ZVAŽOVAT PRO DOSAŽENÍ ENERGETICKÉ ÚČINNOSTI NA ÚROVNI ZÁVODU [9, Bolder, 2003, 89, European Commission, 2004, 91, CEFIC, 2005, 92, Motiva Oy, 2005, 96, Honskus, 2006, 108, Intelligent Energy - Europe, 2005, 127, TWG] Pro kapitoly 2 a 3 byl použit hierarchický přístup: Kapitola 2 popisuje techniky, které je třeba zvažovat na úrovni celého závodu s potenciálem dosažení optimální energetické účinnosti Kapitola 3 uvádí techniky, které je třeba zvažovat na úrovni pod závodem: primárně na úrovni systémů používajících energii (např. stlačený vzduch, pára) nebo činností (např. spalování), a následně na nižší úrovni pro některé komponentní součásti nebo zařízení používající energii (např. motory). Do těchto dvou kapitol jsou zařazeny systémy managementu, do procesu integrované techniky a konkrétní technická opatření, ale při hledání optimálních výsledků se tyto tři oblasti úplně překrývají. Všechny tyto tři druhy opatření dokládá mnoho příkladů integrovaného přístupu. Díky tomu je oddělení jednotlivých technik kvůli jejich popisu poněkud složité. Ani tato kapitola ani kapitola 3 neuvádějí vyčerpávající seznam technik a nástrojů mohou existovat nebo se vyvíjet i další techniky, které mohou být v rámci IPPC a BAT stejně vhodné. Techniky z této kapitoly i kapitoly 3 mohou být využívány samostatně nebo v kombinacích a jsou podpořeny informacemi uvedenými v kapitole 1 aby se dosáhlo cílů IPPC. Tam, kde je to možné, používá se v této kapitole a v kapitole 3 k popisu každé techniky standardní struktura, jak ukazuje tabulka 2.1. Mějte na paměti, že tato struktura se používá i k popisu souvisejících systémů, jako jsou např. (na úrovni závodu) energetický management a (na nižší úrovni) stlačený vzduch, spalování atd. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

86 Kapitola 2 Druh zvažovaných informací Druh zařazených informací Popis Stručné popisy technik energetické účinnosti prezentovaných spolu s obrázky, schématy toků, atd., jež tyto techniky představují Dosažené environmentální Hlavní environmentální přínosy podpořené příslušnými údaji přínosy o měřených emisích a spotřebách. V tomto dokumentu se jedná konkrétně o zvyšování energetické účinnosti, ale včetně veškerých informací o snižování množství znečišťujících látek a spotřeby Mezisložkové vlivy Všechny vedlejší efekty a nevýhody způsobené realizací techniky a mající vliv na životní prostředí. Podrobnosti o environmentálních problémech techniky ve srovnání s ostatními. Provozní údaje Údaje o výkonech v souvislosti s energií a dalšími spotřebami (surovin a vody) a o emisích a odpadech. Všechny ostatní užitečné informace o tom, jak techniku provozovat, udržovat a řídit, včetně bezpečnostních aspektů, překážek v provozu, Použitelnost kvality výstupu apod. 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 Příklady Reference Důvody (jiné než IPPC) pro realizaci techniky (např. legislativa, dobrovolné závazky, ekonomické důvody) Odkazy na alespoň jednu situaci, kde je zaznamenáno použití techniky Zdroje informací a literatura obsahující větší podrobnosti o technice tabulka 2-1 Rozdělení informací pro systémy a techniky popsané v kapitolách 2 a 3 52 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

87 Kapitola Systémy managementu energetické účinnosti (ENEMS) Popis Všechny průmyslové společnosti mohou uspořit energii aplikací stejných principů a technik kvalitního managementu, které používají jinde ve svém podnikání u klíčových zdrojů, jako jsou finance, suroviny a pracovní síla, stejně dobře jako pro životní prostředí a ochranu zdraví a bezpečnost. Tyto manažerské postupy zahrnují plnou zodpovědnost manažerů za využívání energie. Management spotřeby energie a nákladů na energii eliminuje odpad a v čase pak přináší kumulativní úspory. Mějte na paměti, že některé techniky energetického managementu, které zajišťují finanční úspory, nepředstavují snižování množství použité energie (viz kap. 7.11). Nejlepšího environmentálního výkonu se zpravidla dosáhne zavedením nejlepší technologie a jejím provozováním co nejefektivnějším a nejúčinnějším způsobem. Právě o tom hovoří definice techniky uvedená ve Směrnici o IPPC jak použitá technologie, tak i způsob, jakým je závod vyprojektován, postaven, udržován, provozován a vyřazen z provozu. Nástrojem, který provozovatelé podniků IPPC mohou využít při systematickém a demonstrovatelném řešení těchto projektů, stavby, údržby, provozu a vyřazení z provozu, je systém environmentálního managementu (EMS). EMS zahrnuje organizační strukturu, odpovědnosti, praktiky, postupy, procesy a zdroje pro vytvoření, realizaci, údržbu, revizi a monitoring environmentální politiky. Systémy environmentálního managementu jsou nejefektivnější a nejúčinnější tam, kde tvoří nedílnou součást celkového managementu a provozu závodu. Management, jehož cílem je dosažení energetické účinnosti, také vyžaduje, aby byla energii věnována strukturovaná pozornost s cílem neustále snižovat spotřebu energie a zvyšovat účinnost výroby, médií a služeb a také udržet dosažené výsledky jak na úrovni stanoviště (závodu), tak na úrovni celé firmy. Znamená to vytvoření struktury a základu pro určování aktuální energetické účinnosti, definování možných zlepšení a zajištění neustálého zkvalitňování. Všechny standardy, programy a průvodci v oblasti efektivního environmentálního managementu a managementu energetické účinnosti obsahují problematiku kontinuálního zlepšování, což znamená, že energetický management je proces, nikoli projekt, který nakonec dospěje k nějakému konci. Existují různé návrhy a projekty procesů, ale většina systémů managementu vychází z přístupu PDCA (plan-do-check-act), tj. plán-provedení-kontrola-akce, který se hojně používá v jiných kontextech firemního managementu. Tento cyklus je reiterativním dynamickým modelem, kde dokončení jednoho cyklu přechází v začátek cyklu následujícího, viz obr PT/EIPPCB/ENE Finální červen

88 Kapitola 2 5. Revize managementu (zlepšení) Reportování managementu Reportování odchylek Revize cílů fert 1. Energetická politika (závazek) legislativa, LTA cíle, CO2 nebo energetická účinnost BAT, LCA, LCC 4. Kontrola a nápravné akce (monitorová) Kontrola odchylek + nápravná opatření Systém interního a externího auditu Benchmarking Přístup Plán Realizace Kontrola - Zlepšení 2. PLÁN Cíle a plán akcí (ECP) EM systém, standardy, návrh 3. Zavedení a provoz Organizace a odpovědnost Motivace, odměňování, školení Energetický monitoring a reportování Nákup energie, reportování LTA Obrázek 2-1: Kontinuální zlepšování systému managementu energetické účinnosti [92, Motiva Oy, 2005] Nejlepší výkony jsou spojovány se systémy energetického managementu, které vykazují následující (z Energy management matrix, [107, UK Good Practice Guide, 2004]): Energetická politika energetická politika, akční plány a pravidelné revize zahrnují závazky nejvyššího managementu jako součást environmentální strategie Organizování energetický management plně integrovaný do struktury managementu. Jasné delegování odpovědnosti za spotřebu energií Motivace formální a neformální komunikační kanály jsou pravidelně využívány jak energetikem, tak i dalšími zaměstnanci v oblasti energetiky na všech úrovních Informační systémy komplexní systém stanoví cíle, monitoruje spotřebu, zjišťuje závady, kvantifikuje úspory a umožňuje sledování plnění rozpočtu Marketing marketing hodnoty energetické účinnosti a výkonu v energetickém managementu, jak v rámci organizace, tak i mimo ni Investice pozitivní diskriminace ve prospěch zelených postupů s podrobným investičním oceněním všech nově postavených a modernizovaných projektů. Z těchto zdrojů může být vidět, že systém managementu energetické účinnosti (ENEMS) pro závod podléhající IPPC by měl obsahovat tyto komponenty: (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) (j) (k) závazek nejvyššího managementu definice politiky energetické účinnosti plánování a stanovování cílů a cílových stavů implementace a provoz postupů a procedur benchmarking kontrola a nápravná opatření revize managementu příprava pravidelných prohlášení o energetické účinnosti validace certifikačním orgánem nebo externí verifikační autoritou pro ENEMS již při projektování zvažovat vyřazení závodu z provozu na konci jeho životnosti vývoj technologií energetické účinnosti. 54 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

89 Kapitola 2 Tato problematika je podrobněji vysvětlena v následujícím textu. Podrobné informace o položkách (a) až (k) jsou uvedeny níže v referencích. Příklady jsou pak v Příloze 3. (a) závazek nejvyššího managementu Závazek nejvyššího managementu je nutnou podmínkou pro úspěšný management energetické účinnosti. Nejvyšší management by měl: 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

90 Kapitola 2 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 56 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

91 Kapitola 2 Podpora programu údržby prostřednictvím vhodných záznamových systémů a diagnostického testování Při rutinní údržbě, haváriích a/nebo nestandardních situacích zjišťovat možné ztráty energetické účinnosti nebo možnosti jejího zvýšení Jasné delegování odpovědnosti za plánování a výkon údržby (viii) Připravenost a reakce na havarijní situace Brát v úvahu možné energetické využití při získávání nebo přepracování surovin nebo produktů zasažených havárií (e) 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

92 Kapitola 2 mít k dispozici vhodné mechanismy, které zajistí, že se závěry auditu budou realizovat (v) Pravidelné hodnocení souladu s legislativou, dohodami apod. revize souladu s platnou legislativou v oblasti energetické účinnosti, s podmínkami environmentálních povolení vydaných pro daný závod i se všemi dohodami v této oblasti zdokumentování hodnocení (g) 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 při projektování zvažovat vyřazení daného závodu z provozu na konci jeho životnosti brát v úvahu environmentální vlivy vyřazení dané jednotky z provozu na konci její životnosti již ve fázi jejího projektování vede k tomu, že vyřazení z provozu je pak snadnější, levnější a čistší vyřazení z provozu představuje environmentální rizika související s kontaminací půdy a spodních vod a často vzniká také velké množství tuhého odpadu. Preventivní techniky jsou pro každý proces specifické, ale určité obecné úvahy při výběru technik energetické účinnosti mohou zahrnovat např.: i. nepoužívání podzemních konstrukcí ii. začlenění prvků, které usnadňují demontáž iii. volba povrchových úprav, které lze snadno dekontaminovat 58 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

93 Kapitola 2 iv. použití takové konfigurace zařízení, která minimalizuje množství zachycených chemikálií a usnadňuje odvodňování nebo mytí v. projektování flexibilních, soběstačných jednotek, které umožňují fázové uzavírání vi. používání biologicky rozložitelných a recyklovatelných materiálů tam, kde je to možné vii. nepoužívat nebezpečné látky tam, kde existují náhrady (např. výměníkové a izolační kapaliny). Tam, kde se nebezpečné materiály používají, je nutné vhodným způsobem řídit rizika spojená s užíváním, údržbou a vyřazením z provozu. (k) vývoj technologií energetické účinnosti: energetická účinnost by měla být vlastní každému projektování, které provozovatel provádí, protože techniky začleněné v nejranější fázi projektu jsou efektivnější a levnější (viz kap. 2.3). Vývoj energeticky účinných technologií je možné vzít v potaz např. prostřednictvím výzkumných a vývojových činností nebo studií. Určitou alternativou interních aktivit mohou být dohody, které umožní držet krok s vývojem a využít práci ostatních provozovatelů nebo výzkumných institucí aktivních v příslušném oboru. Dosažené environmentální přínosy Implementace a dodržování ENEMS zaměřuje pozornost provozovatele na výkon energetické účinnosti závodu. Zejména dodržování jasných provozních postupů v normálních i nestandardních situacích a související linie odpovědnosti by měly zajistit, aby podmínky povolení daného závodu a ostatní cíle v oblasti energetické účinnosti byly vždy plněny. Systémy managementu energetické účinnosti zpravidla zajišťují kontinuální zlepšování výkonu energetické účinnosti závodu. Čím horší se výchozí situace, tím výraznější lze očekávat krátkodobá zlepšení. Pokud má závod v energetické účinnosti již dobrý výkon, pak tento systém provozovateli pomůže udržet vysokou úroveň tohoto výkonu. 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

94 Kapitola 2 100%), kdy se spojí čísla za všechny závody nebo provozovny v rámci firmy (viz kap. 1.3 a příklady v Příloze 3). 2. Standardizovaný a nestandardizovaný EMS a/nebo ENEMS V Evropské unii se mnoho organizací dobrovolně rozhodlo zavést systémy energetického managementu. Tyto systémy mohou představovat: Připojení konkrétních požadavků na energetickou účinnost k již existujícímu systému managementu obvykle (ale nikoli výlučně) se jedná o EMS (systémy ENEMS popsané v dalším bodě jsou navrženy tak, aby byly v souladu s existujícím EMS). EMS může vycházet z EN ISO 14001:1996 nebo z EMAS, systému environmentálního managementu a auditů dle směrnice EU. EMAS zahrnuje požadavky na systém managementu dle EN ISO 14001, ale klade větší důraz na soulad s legislativou, environmentální profil organizace a zapojení zaměstnanců. Vyžaduje také externí verifikaci systému managementu a validaci veřejného environmentálního prohlášení. Vlastní prohlášení dle EN ISO 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 a ISO prokázané úspory energie v Dánsku 10 až 15 % - energetická účinnost se stává organizačním požadavkem nejvyššího managementu - po schválení je vydán certifikát - velké společnosti preferují certifikované nebo strukturované systémy managementu - certifikační proces je hodnotný, podnětný a podrobný - týká se všech témat kolem dodávky energie, transformace, používání, chování, technologie, lidí - je dobře zdokumentovaný (na základě ISO 9001) - lze jej využít v jakýchkoli energetických dohodách Nevýhody - sám o sobě garantuje jen minimální úroveň energetického managementu - míra, do které společnosti implementují např. DS 2403, kolísá - společnosti se zaměřují na uspokojení systému, nikoli na zavedení nejlepší praxe v energetickém managementu - pokud není zaveden žádný formální zdokumentovaný systém managementu, vyžaduje to realizaci dalších zdrojů a odborných dovedností navíc. Zavedení a dodržování mezinárodně přijatého standardizovaného systému, jako je EN ISO 14001:1996, může dát větší důvěryhodnost systému EMS, zejména když je podroben řádně provedené externí verifikaci. EMAS poskytuje větší důvěryhodnost také díky interakci s veřejností prostřednictvím environmentálního prohlášení a mechanismu, s jehož pomocí 60 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

95 Kapitola 2 se zajišťuje soulad s platnou environmentální legislativou. Nestandardizované systémy však mohou být v zásadě stejně účinné za předpokladu, že jsou správně navrženy a implementovány. 3. Externí verifikace V závislosti na zvoleném systému se může provozovatel rozhodnout pro externí verifikaci a/nebo veřejné energetické prohlášení. 4. Zveřejňování politiky v oblasti energetické účinnosti (viz bod (h) výše)) může být omezeno z důvodů konkurence a důvěrnosti informací. I když to může být hnací silou, samo o sobě to energetickou účinnost nezvýší. Obecnou politiku v oblasti energetické účinnosti lze dát k dispozici veřejnosti ve zprávě o sociální odpovědnosti firmy nebo lze data prezentovat jen jako ukazatele, viz Příklady a Přílohu 7.4. Ekonomie Je složité přesně stanovit náklady a ekonomické přínosy zavedení a dodržování dobrého ENEMS. Je však třeba připomenout, že (čisté) úspory přispívají přímo k hrubému zisku. Viz níže uvedené příklady. 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 kj/kg produktu na 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, PT/EIPPCB/ENE Finální červen

96 Kapitola 2 EN ISO 14001:1996, 2. Normy energetické účinnosti IS 393:2005 Systémy energetického managementu (Irsko) DS2403 Systémy energetického managementu (Dánsko) SS Systémy energetického managementu (Švédsko) 62 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

97 Kapitola Plánování a stanovování cílů a cílových stavů Pokračující zlepšování v oblasti životního prostředí a mezisložkových vlivů Popis Důležitým prvkem systému environmentálního managementu (EMS, který je nejlepší dostupnou technikou ve všech sektorech IPPC) je dodržování trendu kontinuálního zlepšování v environmentální oblasti. Je nanejvýš důležité, aby provozovatel rozuměl tomu, co se stane se vstupy (tj. chápal proces) a jak jejich spotřeba vede ke vzniku emisí. Je to také důležité při řízení významných vstupů a výstupů a pro udržení správné rovnováhy mezi snížením emisí a mezisložkovými vlivy, jako je spotřeba energie, vody a surovin. Snižuje se tak ekologická stopa daného podniku nebo závodu. Aby bylo dosaženo integrovaného přístupu k omezování znečištění, je důležité zahrnout neustálé zlepšování v environmentální oblasti do celkového zaměření a plánování pro příslušný podnik nebo zařízení. Týká se to krátkodobého, střednědobého i dlouhodobého plánování a všech složkových procesů i systémů v rámci podniku. Je třeba poznamenat, že pokračování v tomto kontextu znamená, že cíl spočívající ve zlepšování životního prostředí je kontinuální a že plánování a následné akce při dosahování tohoto cíle se vždy po nějakém čase opakují. Veškeré výrazné spotřeby (včetně energií) a emise by se měly řídit koordinovaně v krátkodobém, střednědobém i dlouhodobém horizontu, spolu s finančním plánováním a investičními cykly. Např. pokud budou pro snížení emisí volena tzv. end-of-pipe řešení (tj. instalace čistícího zařízení na konci celého procesu, ze kterého vycházejí emise), může to pro provozovatele znamenat dlouhodobé připoutání k vyšší spotřebě energie a odložení investic do řešení, která by byla z environmentálního hlediska přínosnější (viz Příklady). Tato situace vyžaduje, aby byly vzaty v úvahu i mezisložkové vlivy. Určitým vodítkem v této otázce i v problematice nákladů a nákladové účinnosti jsou informace uvedené v kap a podrobněji pak v dokumentu BREF ECM [167, EIPPCB, 2006] a v kapitole o energeticky účinném designu a dalších podkapitolách (kap 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 ). 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

98 Kapitola 2 Obrázek 2-2: Příklad možného kolísání ve využití energie v průběhu času [256, Tempany, 2007] Evropská politika považuje energetickou účinnost za velmi významnou (např. v dokumentech, jako je Berlínská deklarace, v níž je to jediné environmentální téma [141, EU, 2007]). Při zvažování ekonomických a mezisložkových vlivů případné realizace BAT v určitém podniku by se měl brát v úvahu význam energetické účinnosti, i v souvislosti s Čl. 10, odst. 4, tj. povolení limitních hodnot emisí a ekvivalentních parametrů. 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 měsíců. U podnikatelských oborů, které nejsou energeticky náročné, byly náklady na energie buď považovány za fixní režijní náklady, nebo byly rovnou ignorovány. Ale zdá se, že ani společnosti s vyššími náklady na energii příliš nezkoumají možnosti energetických investic. [166, DEFRA, 2003] Použitelnost Ve všech podnicích IPPC. Rozsah bude záviset na velikosti závodu a počtu proměnných (viz též Dosažené environmentální přínosy). Kompletní studie mezisložkových vlivů se zpracovává jen zřídka. 64 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

99 Kapitola 2 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 % celkové spotřeby energie závodu a pohybuje se v řádu 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 ). Reference [127, TWG,, 141, EU, 2007, 152, EC, 2003, 159, EIPPCB, 2006, 166, DEFRA, 2003, 167, EIPPCB, 2006, 256, Tempany, 2007] Systémový přístup k energetickému managementu Popis Práce v rámci programu SAVE 17 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 Kap a 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

100 Kapitola 2 Mezisložkové vlivy Nejsou. Provozní údaje Podrobnosti jsou uvedeny v příslušných kapitolách, jako např.: Kap : 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 účinný 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. 66 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

101 Kapitola 2 Obrázek 2-3: Příklady celkových nákladů pro běžné průmyslové závody (více než 10 let životnosti) Zkušenosti ukazují, že pokud je energetická účinnost brána v úvahu již při plánování a projektování nového závodu, je potenciál úspor větší a investice nutné k dosažení těchto úspor jsou mnohem nižší ve srovnání s optimalizací již existujícího komerčně provozovaného závodu. Tuto skutečnost ilustruje obr Náklady (1) Potenciál úspor Investiční náklady (2) Etapa projektování Čas Etapa provozu Obrázek 2-4: Potenciály úspor a investice ve fázi projektování ve srovnání s fází provozu Energeticky účinný design využívá stejné technické znalosti a stejné činnosti a metodiku, jaké se používají při provádění energetických auditů existujících závodů. Hlavní rozdíl spočívá v tom, že oblasti, jako jsou základní parametry projektu, výběr použitého procesu (viz kap ) a hlavní zařízení procesu, mohou být řešeny již ve fázi projektování, jak ukazuje obr To umožňuje vybrat energeticky nejúčinnější technologie. Změny v těchto oblastech jsou u již provozovaných zařízení většinou nemožné nebo velmi drahé. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

102 Kapitola 2 Jednání Údržba Řízení a provoz Problémové oblasti ve fázi provozu Projekt provozovny Typ procesu Energetická služba Problémové oblasti ve fázi projektování Obrázek 2-5: Oblasti, které je třeba řešit spíše ve fázi projektování než ve fázi provozu Typickými oblastmi, kde lze řešit a analyzovat energetické služby a skutečnou potřebu energie, je stanovení: Požadavků na průtok vzduchu v plánovaných zařízení určených pro vytápění, větrání a klimatizaci (HVAC) co lze učinit pro snížení průtoku vzduchu v centrálních systémech vytápění, větrání a klimatizace? (viz kap. 3.9) Požadavku na nízkou teplotu kapaliny v chladícím systému - které procesy by měly být změněny nebo optimalizovány, aby se snížila chladící zátěž a zvýšila teplota této kapaliny? Tepelné zatížení procesu sušení které parametry procesu a které principy daného zařízení lze změnit, aby se tak minimalizovalo tepelné zatížení (viz kap. 3.11)? Potřebu páry v procesním zařízení bylo by možné použít horkou vodu tak, aby mohlo být odpadní teplo využito k vytápění? (viz kap. 3.2) Potřeba tlaku u stlačeného vzduchu je možné snížit tlak nebo rozdělit systém na vysokotlakou a střednětlakou část? (viz kap. 3.7) Odpověď na tyto otázky se zdá být jednoduchá, ale při objasnění potenciálu úspor je třeba vyřešit řadu otázek. Zkušenosti ukazují, že největších úspor se dosahuje u nových staveb a významných modernizací. Tato skutečnost by však neměla bránit aplikaci této techniky při plánování a projektování dodatečného vybavení, přestaveb a významných modernizací. Odpovědí na některé z těchto otázek může být tzv. metodika PINCH zejména tam, kde existují horké i studené toky v jedné jednotce nebo zařízení (viz kap. 2.12). Zkušenosti opět ukazují, že harmonogramy procesu plánování a projektování jsou náročné a často napjaté, bývá k dispozici jen málo času nebo zdrojů pro další analýzu potenciálních úspor. V důsledku toho by se měl pracovní proces energeticky účinného designu přísně držet činností zahrnujících plánování a projektování, jak ukazuje následující tabulka 2.2 na příkladu běžného stavebního procesu. Fáze stavby Základní projekt / koncepční projekt Činnost energeticky účinného designu (projektování) Sběr dat týkajících se energie použité v novém zařízení Posouzení skutečných potřeb energie Posouzení nákladů na energii po celou dobu životnosti Revize těch parametrů základního projektu, které ovlivňují 68 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

103 Kapitola 2 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 % 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

104 Kapitola 2 Společnost Přísady do potravin: Nové koncepce chlazení Změna procesu kvašení Snížení HVAC v procesu balení Získávání tepla z fermentační kádě Nové zásady pro osvětlení Cukrovinky: Lepší kontrola procesu sušení Optimalizace chladícího okruhu Snížení infračerveného sušení produktů Snížení tlaku stlačeného vzduchu Levnější zdroj tepla (lokální vytápění) Hotová jídla: Změna zdroje tepla pro pece Nová technologie mražení Nová koncepce získávání tepla Optimalizace NH3 chlazení Optimalizované výměníky tepla Plasty: Nová koncepce chlazení (přirozené chlazení) Získané teplo použito k vytápění budov Snížený tlak stlačeného vzduchu Snížení systémů HVAC Jatka: Komplexní získávání tepla Optimalizace procesů čištění Snížená zátěž pro chlazení a mražení Lepší kontrola chladících procesů Využití loje k vytápění prostor Úspory Úspory Investice Návratnost (EUR/rok) (%) (EUR) (roky) , , , , ,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. 70 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

105 Kapitola 2 Aby se při práci na energeticky účinném designu dosáhlo nejlepšího možného výsledku, je důležité věnovat pozornost těmto kritériím: I když plánované investice nejsou v raných stádiích koncepčního projektu nebo základního projektu ještě dobře definovány, měl by být energeticky účinný design zahájen i v této fázi, aby se pak dosáhlo maximálních úspor a projektování se neprotahovalo. Všechny údaje o spotřebě energie a nákladech po celou dobu životnosti by se měly spočítat a dát k dispozici již ve fázi počátku koncepčního projektu/základního projektu. Je velmi důležité, aby všechny údaje o spotřebě energie byly posuzovány osobou odpovědnou za energeticky účinný design. Dodavatelé a výrobci velmi často nemohou (nebo nebudou) v této fázi tyto údaje předkládat a náklady v horizontu celé životnosti daného zařízení je nutné posoudit pomocí jiných nástrojů. Zpravidla je třeba provést sběr dat, buď jako součást projektové práce nebo zvlášť. Práce na energeticky účinném designu by měl provádět expert na energetiku, který je nezávislý na projektantské organizaci, jak ukazuje obr. 2.6, zejména v odvětvích, která nejsou náročná na energii (viz Použitelnost). Výrobce Kontraktor Podnik/ závod Technický konzultant Architekt atd. Expert na energetiku Obrázek 2-6: Doporučená organizace procesu plánování a projektování nových zařízení a závodů, včetně experta na energetiku Kromě běžné spotřeby v rámci konečného využití energie by se úvodní zkoumání spotřeby mělo zaměřit i na to, které strany v projektových organizacích mají vliv na budoucí spotřebu energie. Např. zaměstnanci (např. provozní a technický personál) v (existující) továrně jsou často odpovědní za specifikaci nejdůležitějších parametrů projektu, které pak vedou k optimalizaci energetické účinnosti budoucího závodu nebo zařízení. Posouzení rizik u výběrových řízení a ostatních údajů by mělo objasnit, kteří výrobci nebudou mít přínos z optimalizace energetické účinnosti svých produktů dodávaných do projektu. Např. silná cenová konkurence si často vynutí, že výrobci zařízení použijí levné komponenty, minimalizují výměníky tepla apod., což pak vede ke zvýšeným provozním nákladům na zařízení po celou dobu jeho životnosti. Na druhou stranu pokud se energetická účinnost stanoví jako klíčový faktor ve výběrových řízeních na nová zařízení nebo přestavby a bude se jí přisuzovat odpovídající váha, bude to znamenat prosazení té energeticky nejúčinnějších varianty. Je třeba zdůraznit, že práce na EED zahrnuje často několik oborů a expert na energetiku (nezávislý nebo interní) by měl být kvalifikovaný nejenom po technické stránce, ale měl by mít značné zkušenosti i se složitými organizacemi a složitými technickými problémy. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

106 Kapitola 2 Použitelnost Prokázalo se, že aplikace tzv. energeticky účinného designu (EED) je jedním z nákladově nejúčinnějších a nejatraktivnějších způsobů zvyšování energetické účinnosti v průmyslu i v dalších sektorech, které se významným způsobem podílejí na spotřebě energie. Energeticky účinný design byl úspěšně aplikován ve většině průmyslových sektorů a úspory byly zavedeny na úrovni závodů, procesních jednotek i systémů médií a služeb. Významnou překážkou stojící v cestě úspěšné realizaci je fakt, že výrobci (zejména v sektorech méně náročných na energii) jsou často konzervativní nebo nejsou ochotní měnit dobře zavedené standardní designy a projekty, ani aktualizovat záruky na své produkty apod. na druhou stranu je často nemožné určit všechny důsledky změny, např. z hlediska kvality a výkonu. Určité systémy managementu, jako např. TQM (total quality management) brání výrobci provádět změny, které by mohly ovlivnit kvalitu produktů. Je důležité, aby byla práce na energeticky účinném designu zahájena již v raných fázích práce na koncepčním projektu a aby byla dobře organizována a předešlo se tak zpožděním v procesu plánování a projektování. I když se EED většinou zaměří na dobře známé technologie a principy, často se zavádějí i nové technologie nebo složitější řešení. Tuto skutečnost je třeba posuzovat jako riziko viděné z hlediska klienta. Pro odvětví náročná na energii (chemičky, rafinérie, spalovny odpadů, výroba oceli) platí následující body týkající se využití experta na energeticky účinný design nezávislého na organizaci: Podniky v odvětvích náročných na energii mají své vlastní odborníky na energeticky účinný design. Hlavním důvodem je konkurence a potřeba uchovat důvěrný charakter designů, proto jsou vyloučeny služby externích odborníků. Energetická účinnost může tvořit součást specifikací pro výběrová řízení na výrobce a dodavatele zařízení (energetická účinnost by skutečně měla tvořit součást požadavků výběrových řízení viz posuzování rizik u tendrů v Provozních údajích). Výrobci tudíž mohou být na energetickou účinnost a své produkty pravidelně porovnávají s ostatními. Ve výběrových řízeních na složitá zařízení a systémy, v nichž mají používání energie a výroba zásadní význam, tendry obvykle hodnotí odborníci na energetiku na straně zákazníka. Ekonomie Honorář pro nezávislého odborníka na energetiku může být v řádu 0,2 1 % z plánovaných investic, v závislosti na velikosti a charakteru spotřeby energie. Je složité posuzovat náklady tam, kde EED provádí výrobce procesního zařízení nebo firemní tým. V mnoha případech vede proces EED kromě úspor energie i k nižším investicím, protože základní energetické služby lze minimalizovat (jako např. chlazení, vytápění, systém stlačeného vzduchu apod.). Bylo prokázáno, že dobře projektově připravený závod nebo zařízení má často vyšší kapacitu než klasicky navržené zařízení, protože nejdůležitější vybavení, jako jsou výměníky tepla apod., mají větší kapacitu, aby se minimalizovaly ztráty energie. 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. 72 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

107 Kapitola 2 Mohou zde být i přínosy v podobě vyššího výkonu, nižšího množství odpadů nebo vyšší kvality produktů (viz kap ). 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 Danish Agreements Scheme (Dánský systém dohod) popisuje řadu případů i metodik, kterých se může držet většina průmyslových odvětví, která spotřebovávají energii (v dánštině), viz [172, Maagøe Petersen, 2006] ILF BREF 2003, kapitoly a Reference pro výrobu bramborového škrobu: LIFE04ENV/DK/67 [174, EC, 2007] 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

108 Kapitola 2 varianty. Je dobré, když že jsou brány v úvahu novinky technického rozvoje v oblasti daného procesu (viz kap. 2.1 (k)). Je složité dělat napříč všemi sektory IPPC obecné závěry týkající se volby technologie, proto jsou v sekci Příklady ilustrována čtyři různá odvětví. V nejširším smyslu existují pro změnu technologie procesu různé možnosti: Změna vědeckého pojetí procesu Změna zařízení Změna vědeckého pojetí i zařízení V procesu může existovat více než jeden krok, který využívá různé technologie, např. mohou vznikat meziprodukty, které se pak následně dále zpracovávají. Jeden nebo více těchto kroků se může změnit při budování nového závodu nebo při podstatné modernizaci. Nejlepších výsledků se obvykle dosáhne tehdy, když se nahradí celý proces, což umožní uvažovat o nových cestách k dosažení výsledného produktu. 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 (projekt EU LIFE). Reference [164, OECD, 2001, 173, EIPPCB, 2003, 175, Saunders_R., 2006] 74 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

109 Kapitola 2 Odkaz na výrobu škrobu: LIFE04ENV/DK/67 [174, EC, 2007]; [257, Clark, 2006] PT/EIPPCB/ENE Finální červen

110 Kapitola 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 ) byla zvýšena integrace zařízení pro kyselinu dusičnou a dusičnan amonný (NH 4 NO 3 ). Byla přijata následující opatření: Plynný (super-ohřátý) NH 3 je běžnou surovinou a obě zařízení mohou sdílet jeden odparník NH 3, 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 o C na asi 100 o C 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. 76 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

111 Kapitola 2 Výsledkem bylo: Vyšší energetická účinnost Menší spotřeba demineralizované vody Nižší investice díky využití společného odparníku pro amoniak. 2. Nový závod na výrobu bramborového škrobu společnosti Karup Kartoffelmelfabrik (Dánsko) (projekt EU LIFE). Reference 1. [154, Columbia_Encyclopedia] 2. [221, Yang W., 25 May 2005,] Odkazy na výrobu bramborového škrobu: LIFE04ENV/DK/67 [174, EC, 2007]; 2.5 Dlouhodobé udržení podnětů a pobídek pro iniciativy v oblasti energetické účinnosti Popis Několik problémů s dlouhodobým udržením podnětů a s realizací programů v oblasti energetické účinnosti již bylo popsáno. Je třeba zjistit, zda úspory v energetické účinnosti vyplývající ze zavedení nové technologie nebo techniky budou v průběhu času udrženy. Pozornost zde však není věnována skluzu či ztrátám způsobeným neúčinným provozováním nebo údržbou zařízení apod. Zjištěné problémy zahrnují (některé techniky vhodné k překonání těchto problémů jsou popsány v ostatních kapitolách, viz níže): Na vývoj strategií lze pohlížet z hlediska životního cyklu, ve kterém se strategie naplňují. Je třeba je revidovat (po dostatečně dlouhé době, která umožní posouzení strategie, a to může být několik let), aby se zajistilo, že budou i nadále vyhovovat z hlediska cílů a metod intervence Ukazatele energetické účinnosti se mohou v některých oblastech stále ještě vyvíjet (viz kap , 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 , 2.2.2, 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) PT/EIPPCB/ENE Finální červen

112 Kapitola 2 Zohlednění množství používané energie na základě skutečných (naměřených) hodnot a nikoli odhadů nebo fixních podílů z celkové spotřeby závodu. Tím přechází břímě odpovědnosti za energetickou účinnost na uživatele, resp. plátce účtů (viz kap a ). 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 ). 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 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. 78 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

113 Kapitola 2 Příklady Operational Excellence Přístup zvaný Operational Excellence (vynikající průběh provozu či provozní dokonalost, známý také jako OpX) je holistický přístup k systematickému managementu bezpečnosti, ochrany zdraví, životního prostředí, spolehlivosti a účinnosti. Integruje metodiky operačního managementu, jako jsou Lean Manufacturing a Six Sigma, s managementem změn s cílem optimalizovat způsob, jakým společně fungují lidé, zařízení a procesy. Je spojen s tématy, jako je např. stav nebo podmínky nadřízenosti v operacích a výkon podnikatelských procesů a dosažení výkonu světové třídy. Jedná se o neustálé vylaďování nejdůležitějších provozních procesů a zaměření na snižování množství odpadů a dobu cyklů, a to pomocí souboru technik, jako jsou 5-S, Error-proofing, QFD, SPD atd. Učiněnými kroky jsou opatření zjištěná v systémech managementu energetické účinnosti (viz kap. 2.1), s důrazem na: Určení nejlepší praxe (cíle, o které provozní týmy usilují při vykonávání konkrétního procesu na excelentní úrovni) Podrobné popisy každé z nejlepších provozních praxí (včetně změn a zlepšení) Stanovení postupů pro měření úrovně výkonu v operacích Hlavní dovednosti, které provozní personál musí mít, aby byl schopen proces vykonávat. Pro nejdůležitější témata se využívají vlastní experti z firmy, včetně odborníků z ostatních jednotek (nebo přidružených společností). Utvářejí se tak ad hoc týmy, jejichž úkolem je zjistit nejlepší pracovní postupy, pracovat se zaměstnanci z ostatních neoptimalizovaných jednotek apod. Příklady systému managementu energetické účinnosti uvádí Příloha 3 Vytváření rozpočtového nebo ziskového centra pro energetickou účinnost Jeden z příkladů demonstrování energetické účinnosti jako ziskového centra v rámci firmy ukázal, že přidání pohonu s proměnnými otáčkami k velkému čerpadlu se rovnalo nárůstu tržeb o 11%. Reference [176, Boden_M., 2007, 177, Beacock, 2007, 227, TWG] PT/EIPPCB/ENE Finální červen

114 Kapitola 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. 80 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

115 Kapitola 2 V rámci programu SAVE se realizuje projekt školení, jehož cílem je dosažení kvalifikace EUREM (European Energy Manager Production). Po úspěšné pilotní fázi byl tento projekt rozšířen. 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 ( ). 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 EUR/rok EUR/rok Průměrná doba splácení - 3,8 roku nutných investic Průměrné splácení (přímých nákladů na kurs, na základě 33 krát náklady na školení (7 pracovních dnů) 230 pracovních dnů za rok) tabulka 2-4 Pilotní projekt EUREM úspory na účastníka PT/EIPPCB/ENE Finální červen

116 Kapitola 2 E-learning Některé příklady zdarma: Společný program US EPA a DOE (ministerstvo životního prostředí): - britský zdroj: - Ostatní jsou za poplatek a mohou být částečně financovány státem, např.: 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 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 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 ). 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 ). Kapitola uvádí příklad užitečné techniky znázorňování toků energie. Komunikace se také využívá k podnícení výměny informací s ostatními firmami a jejím účelem je sdílení nápadů na nejlepší postupy a předávání dobrých zkušeností z jedné firmy do druhé apod. 82 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

117 Kapitola 2 Komunikace a motivace mohou zahrnovat: Zapojení všech pracovníků v jedné společnosti Zapojení několika společností ze stejného sektoru do jedné pracovní skupiny (energetický networking) za účelem výměny zkušeností se ukázalo jako velmi užitečné (i v rámci různých jednotek v téže společnosti). Firmy by měly být všechny na stejné úrovni realizace energetického managementu. Networking je obzvláště užitečný při řešení běžných problémů, jako je definování indexu energetické účinnosti nebo založení systému monitoringu energie. Networking může také vnést prvek určité konkurence v energetické účinnosti a poskytnout určitou platformu pro jednání s potenciálními dodavateli zařízení nebo služeb v této oblasti. Jasné zviditelnění pozitivních výsledků, např. oceněním nejlepších postupů, inovací a největších úspěchů. 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] 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). PT/EIPPCB/ENE Finální červen

118 Kapitola 2 Při zpracování dat do diagramu lze využít poměrně levný software. Obrázek 2-7: Sankeyův diagram: paliva a ztráty v běžné továrně [186, UBA_AT] 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: [127, TWG,, 153, Wikipedia, 186, UBA_AT] 84 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

119 Kapitola Účinné řízení procesu Systémy řízení procesů Popis Pro dobrý management energií má zásadní význam správné řízení procesů a systémy řízení médií a služeb. Systém řízení je součástí celkového monitoringu (viz kap 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

120 Kapitola 2 V konvenčním řízení jsou integrovány: řízení odvozené podle poměrů k celku (PID) kompenzace prostojů kaskádové řízení. V pokročilém řízení jsou integrovány: řízení na bázi modelových předpovědí (MBPC) adaptivní řízení tzv. fuzzy řízení. V technikách managementu výkonu jsou integrovány (viz kap ): monitoring a targeting (zacílení) statistické řízení procesů (viz kap ) 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 ). 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. 86 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

121 Kapitola 2 Mezisložkové vlivy Malá množství chemických látek použitá k čištění, možné ztráty tlaku v měřících zařízeních (viz kap ). 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

122 Kapitola 2 papírenský průmysl: Stora Enso Langerbrugge N.V., Gent, Belgie; SCA Hygiene Products GmbH, Mannheim, Německo; SCA Hygiene Products GmbH, Pernitz, Rakousko Spalování na fluidním loži: Rovaniemi Energy, Rovaniemi and Alholmens Kraft, Pietarsaari, Finsko; E.ON Kemsley, Velká Británie. Reference [36, ADENE, 2005] [261, Carbon_Trust_UK, 2005] Systémy managementu (řízení, zajištění) kvality Popis Pokud se produkt vyřadí např. do šrotu nebo se přepracovává, pak je energie použitá při původním výrobním procesu ztracena (podobně jako suroviny, práce, výrobní kapacita a další zdroje). Pro přepracování bývá třeba nepoměrně více energie a dalších zdrojů než pro původní výrobní proces. Účinné řízení procesu zvyšuje množství produktů, které splňují požadavky výroby či zákazníků, a snižuje množství zbytečně vynaložené energie. Zařízení IPPC jsou většinou určena pro velkokapacitní výrobu, případně velké objemy výstupů. Výrobky musejí většinou splňovat požadavky na následné využití. Aby bylo splnění těchto požadavků zajištěno, byly vyvinuty systémy zajištění kvality (QA), které vycházejí z principu PDCA (plan-do-check-act), tj. plán-provedení-kontrola-akce (viz kap. 2.1). Tento postup byl původně založen na testování produktů, jejich přijetí nebo odmítnutí, vyřazení do odpadu nebo přepracování produktů, které již prošly celým výrobním procesem. Od počátku 40. let se vyvíjely statistické metody vzorkování a testování na statistické bázi s cílem zajistit určitou úroveň souladu se standardy, např. 95 %. Bylo zjištěno, že vyrobený produkt podléhá různým výkyvům a odchylkám, které jsou ovlivněny různými parametry procesu. Byl vyvinuto Statistické řízení procesů (SPC), které se aplikuje na řízení každého parametru. Konečným výsledkem je zpravidla více řízený produkt. SPC může být nákladově velmi účinné a zpravidla vyžaduje sběr a třídění dat, která jsou již k dispozici, posuzování odchylek procesu a přijímání nápravných opatření tak, aby se proces udržel v předem stanovených parametrech (např. teplota, tlak, koncentrace chemických látek, barva atd.). Zároveň byly zavedeny celofiremní přístupy ke kvalitě (systémy managementu kvality, QMS). Lze je definovat jako soubor politik, procesů a postupů, které je nutné dodržovat při plánování a realizaci (výroby, vývoje a služeb) v hlavních obchodních činnostech dané organizace. QMS integruje různé interní procesy v rámci organizace a jeho cílem je vytvořit procesní přístup pro realizaci projektů. QMS firmám umožňuje identifikovat, měřit, řídit a zlepšovat různé významné podnikatelské procesy, které nakonec povedou ke zvýšení kvality ve všech oblastech podnikání. Modely zajištění kvality v současné doby definují mezinárodní standardy obsažené v sérii ISO 9000 a konkrétní specifikace pro systémy kvality. Systémy environmentálního managementu a energetického managementu byly vyvinuty na stejných systémových principech (viz kap. 2.1). 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. 88 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

123 Kapitola 2 Provozní údaje Viz Popis. Při zavádění nových postupů a metod v oblasti kvality se často využívají služby konzultantů nebo dalších dodavatelů, protože v některých případech nemá daná firma k dispozici vlastní soubor dovedností a zkušeností. Když je navíc třeba, aby současný systém kvality posílily nové iniciativy a zlepšení, je dočasné využití konzultantů při alokaci zdrojů určitou reálnou možností. Pro systémy managementu a proti nim byly vzneseny tyto argumenty: Měřené parametry musejí být relevantní pro dosažení požadované kvality procesu nebo produktů, nesmí se jednat pouze o snadno měřitelné parametry Statistické metody jako Six Sigma jsou efektivní ve svém záměru, ale jsou navrženy velmi úzce, fungují jen pro existující proces a nepomáhají při vývoji nových produktů nebo technologií. Definice metody Six Sigma také vychází z libovolných standardů. Zatímco přibližně 3,4 závady na jeden milion produktů může být pro určité produkty nebo procesy dobrý výsledek, pro jiné už vhodný nebude. Aplikace těchto přístupů získává v manažerských kruzích popularitu, pak ji ztrácí a životní cyklus se podobá Gaussově křivce. Termín TQM je spojen s pozitivním významem a užitečností, bez ohledu na to, co jím manažeři mysleli. Svůj pozitivní aspekt však ztratil a někdy vyvolával i negativní asociace. I přesto však koncepce jako TQM nebo Re-engineering zanechaly svou stopu, aniž by se jejich názvy explicitně používaly, protože jejich základní myšlenky mohou být cenné. K určité ztrátě zájmu o tyto systémy nebo k jejich degradaci v očích odborníků mohlo dojít proto, že spíše než porozumění a zlepšení prosazují systémy jako ISO 9000 specifikaci, řízení a procedury a mohou firmy mylně dovést k domnění, že certifikace znamená lepší kvalitu. To může podkopávat potřebu organizace stanovit si své vlastní standardy kvality. Totální, slepé spoléhání se na specifikace ISO 9000 nezaručí úspěšný systém zajištění kvality. Tato norma může mít větší sklon k selhání, jestliže se bude firma zajímat více o certifikaci než o kvalitu. Vzniká tak riziko, že se vytvoří papírový systém, který organizaci ve skutečnosti k ničemu lepšímu nepomůže. Certifikace nezávislým auditorem je často považována za určitý problém a byla kritizována jako nástroj k rozšíření konzultačních služeb. Samotné ISO říká, že ISO 9000 může být implementováno bez certifikace, jednoduše kvůli přínosům, kterých může být v oblasti kvality dosaženo. Použitelnost Management kvality lze aplikovat ve všech podnicích IPPC. Druh systému a míra složitosti aplikovaných systémů managementu kvality budou záviset na jednotlivých provozech a požadavcích zákazníků. Ekonomie Častá kritika formálních systémů, jako je ISO 9000, hovoří o množství peněz, času a administrativy nutné pro registraci. Oponenti tvrdí, že to je jen kvůli dokumentaci. Zastánci věří, že pokud firma své systémy kvality zdokumentovala, pak byla většina administrativy již provedena. 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

124 Kapitola 2 Termín technika řízení procesu (Prozessleittechnik, Bayer AG, Německo 1980) byl vyvinut jako pracovní název pro měření, řízení a skupiny v elektroinženýrství. Jedná se o statistickou a technickou disciplínu, která se zabývá architekturou, mechanismy a algoritmy řízení výstupů konkrétního procesu. Poslední vývoj zahrnuje např.: Right First Time ( Správně napoprvé ) Six Sigma: tam, kde se pravděpodobnost nečekaného selhání omezuje na šest standardních odchylek (přičemž sigma je standardní odchylka a rovná se 3,4 defektů na jeden milion) Measurement Systems Analysis (MSA) Failure Mode and Effects Analysis (FMEA) Advance Product Quality Planning (APQP) Total Quality Management (TQM). Ostatní nástroje používané v SPC zahrnují diagramy příčiny a následku, kontrolní listy, schémata řízení, histogramy, Paretův diagram, chatter diagram a vrstvení (stratifikace). Dalším přístupem (který lze kombinovat s výše uvedenými) jsou kruhy kvality (quality circles). Jedná se o malé skupiny zaměstnanců ze stejné pracovní oblasti, kteří se v pravidelných intervalech dobrovolně scházejí, aby zjišťovali, analyzovali a řešili pracovní problémy. Kruhy kvality mají výhodu kontinuity, kruh zůstává nedotčen a přechází z projektu na projekt. Využívaly se v Japonsku a v inovačních firmách ve skandinávských zemích, i když se uvádí, že se v současné době již nepoužívají. Reference [163, Dow, 2005, 181, Wikipedia,, 182, Wikipedia,, 227, TWG,, 249, TWG, 2007] Wikipedia uvádí mnoho odkazů na pozitivní i negativní aspekty systémů posuzování kvality. Další informace podá např. Americká společnost pro kvalitu: 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 Využití softwaru usnadňuje řešení problémů se záznamem nebo vznikem dat se statistickou chybou. S předpovědí chyb a návrhem zařízení mohou pomoci simulační nástroje. 90 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

125 Kapitola 2 Provozovatelé jednotlivých procesů by měli činit kroky na své místní úrovni a měli by se zaměřovat na neplánovanou údržbu, jako je např.: Zjišťování a ohlašování úniků, rozbitého zařízení, prasklého potrubí apod. Požadování včasné výměny opotřebovaných ložisek Zajištění optimalizace nastavitelných zařízení (např. u tiskařských lisů) Vypnutí zařízení, které se nepoužívá nebo není potřeba Čištění znečištěných povrchů a potrubí 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] Monitoring a měření [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 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

126 Kapitola 2 některých vektorů (pára, horká voda, chlazení apod.) bude stejně důležité znát parametry vektoru energie ve vratných okruzích nebo vystupujícím odpadu (např. odpadní plyny, vypouštěná chladící voda), které umožní provedení analýzy a bilance energie (viz Příklady v kap. 2.12). Nejdůležitějším aspektem monitoringu a měření je, aby účetnictví nákladů mohlo být založeno na skutečných spotřebách energie a nikoli na libovolných nebo odhadovaných hodnotách, které mohou být navíc zastaralé. Tento fakt je impulsem ke změnám směřujícím k energetické účinnosti. Nicméně u stávajících podniků může být složité zavést nová monitorovací zařízení, např. najít dostatečně dlouhé potrubí, kde bude možné změřit průtok v oblasti s nízkou turbulencí. V takových případech, anebo tam, kde je spotřeba energie v zařízení nebo při činnosti úměrně menší (ve vztahu k většímu systému nebo závodu, jehož jsou součástí), pak je stále možné použít výpočet nebo odhad. Tato kapitola se nezabývá vytvářením dokumentace ani ostatními procedurami, které vyžaduje systém managementu energetické účinnosti. Toky materiálů se často měří kvůli řízení procesu a tak je tato data možné využít při utváření ukazatelů energetické účinnosti apod. (viz kap. 1.4) Techniky nepřímého měření Popis Infračervené skenování těžkých strojů poskytuje fotografický důkaz o problematických místech, která způsobují úniky energie a zbytečné namáhání pohyblivých částí. Tyto doklady lze je využít v auditu. U kritických ložisek, kondenzátorů (viz kap ) 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. 92 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

127 Kapitola 2 Příklady Široké použití, např. Aughinish Alumina (AAL), Irsko Viz kap. 3.2, 3.7 apod. Reference [161, SEI, 2006, 183, Bovankovich, 2007] Odhady a výpočty Popis Odhady a výpočty spotřeby energie lze provádět pro zařízení a systémy, obvykle na základě specifikací výrobce nebo projektanta. Výpočty často vycházejí ze snadno měřitelného parametru, např. počtu hodin provozu motorů nebo čerpadel. V takových případech však bude nutné znát (nebo vypočítat) i další parametry, jako je např. zatížení, hladina nebo otáčky, protože tyto parametry mají přímý vliv na spotřebu energie. Výrobce zařízení tyto informace většinou poskytuje. Na internetu je k dispozici široká škála kalkulátorů (viz Reference a konkrétní kapitoly v tomto dokumentu). Cílem je zpravidla posouzení možný úspor energie u různých zařízení. 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 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

128 Kapitola 2 Reference [270, Tempany, 2008] Při vyhledávání kalkulátorů energetické účinnosti v průmyslu byly zjištěny tyto odkazy, které nebyly potvrzeny (pozn.: tyto podniky se mohou v čase měnit nebo zanikat): Centrum online kalkulátorů. Rozsáhlý seznam kalkulátorů: Průvodce pro manažery v malých a středních výrobních podnicích při odhadu potenciálních úspor: Kalkulátory energie a nástroje benchmarkingu: Obecné podnikání, osvětlení, vybavení kanceláře. Kalkulátory VSD: ventilátory, čerpadla, horká/studená voda, chladící věže: osvětlení: kotle, HVAC, osvětlení, VSD: kalkulátor gigajoulů a energie: účinnost kotle: ztráty tepla, průmyslové budovy Měření a moderní měřící systémy Popis K vystavení účtů za energii spotřebovanou v průmyslových zařízeních se používají užitková měřidla. Moderní technologický pokrok však přináší levnější měřidla, která lze instalovat bez přerušení dodávek energie (jsou-li instalovány se zvláštními senzory proudu) a která vyžadují mnohem méně místa než starší přístroje. Moderní měřící infrastruktura (AMI) nebo Moderní management měření (AMM) se týkají systémů, které měří, sbírají data a analyzují používání energie pomocí moderních zařízení, jako jsou elektroměry, plynoměry a vodoměry, a to pomocí různých komunikačních médií na požádání nebo podle určitého předem stanoveného harmonogramu. Tato infrastruktura zahrnuje hardware a software pro komunikace, zákaznické systémy a management naměřených dat. Centra pro zúčtování energie jsou ty jednotky na stanovišti, kde lze použitou energii vztáhnout na proměnnou produkce, jako je např. množství vyrobených produktů (viz kap. 1.4). Příklad struktury moderního měřícího systému je na obr Moderní měřící systém má zásadní význam pro automatizované systémy energetického managementu, viz kap a červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

129 Kapitola 2 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 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]. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

130 Kapitola 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 Q max (t/h) T ( C) P (barabs) Vnitřní průměr potrubí (mm) ,7 Spalování odpadu se superohřátou párou Diferenciální tlak v mbar (přibližně): clonka Dosavadní Pitotovy trubice Pitotovy trubice nové generace Trvalý pokles tlaku v mbar a na měřící systém v mbar (přibližně): clonka Dosavadní Pitotovy trubice 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 Dosavadní Pitotovy trubice Pitotovy trubice nové generace 13 5 tabulka 2-5 Příklady poklesu tlaku způsobeného různými systémy měření Použitelnost Nové nebo podstatně modernizované podniky. 96 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

131 Kapitola 2 Ultrazvuková měření je třeba provádět pečlivě a zajistit minimální turbulenci a ostatní efekty měřené kapaliny (interferenci suspendovaných látek). Ekonomie Náklady na měřidlo nové generace včetně instalace se pohybují okolo 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 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

132 Kapitola 2 Zvláštní systém/oblast ÚZKÝ ROZSAH ŠIROKÝ Všechny systémy/všechny provozovny Všeobecné vyhodnocení potenciálu HRUBÉ SÍTO DŮKLADNOST JEMNÉ SÍTO Podrobné vyhodnocení potenciálu Obecné oblasti úspor energie STANOVENÍ CÍL PŘEDLOŽENÍ Zvláštní opatření úspor energie Obrázek 2-9: Vlastnosti modelů energetických auditů [7, Lytras, 2005] Některé nástroje, které lze využít při provádění nebo standardizaci energetických auditů, jsou uvedeny v Příloze 7. Různé modely energetických auditů lze podle rozsahu rozdělit na dva hlavní typy: vyhledávací modely auditu (scanning models) analytické modely auditu (analytical models) V rámci těchto dvou typů existují různé modely, které mohou být dále specifikovány podle svého rozsahu a hloubky. V praxi se pak audit specifikuje tak, aby naplnil potřeby dané situace. Existují některé standardy, většinou v rámci auditorských firem nebo systémů energetických úspor. První národní norma pro energetické audity již existuje. Jedná se o referenční rámec pro energetickou diagnostiku, který: navrhuje metodu provádění energetické diagnózy stanoví obecné zásady a cíle takového projektu objektivnost, nezávislost, transparentnost dává doporučení, která mají zásadní význam pro dosažení prvotřídních služeb. Pro provozovatele spočívají výhody referenčního rámce v popisu dohodnuté metody, usnadnění dialogu, nástroji pro úsporu času a v příkladech výstupů (seznamy zařízení, bilance, zahájení monitorovací kampaně, apod.). Konkrétní typ auditu je audit zaměřený na investice. Jedná se audit, jehož cílem je posoudit varianty investic do energetické účinnosti. Jednou z klíčových charakteristik je zde posouzení chyby v predikci energetických úspor: pokud společnost navrhne investovat 1 milion EUR do energetické účinnosti, měla by znát rizika spojená s predikovanými úsporami i způsob jejich minimalizace (např. nejistotu chyby ve výpočtech a nejistotu investic). Podobně jako u finančních auditů i energetické audity může provádět interní pracovník nebo externista závisí to na cílech auditu, složitosti závodu a dostupných zdrojích. Některé malé a střední podniky asi nebudou mít dostatek vlastních zkušeností ani pracovníků a využijí služeb externích konzultantů (zejména pokud je to možné v rámci určité iniciativy, viz Příloha 7.12). Velké podniky mají pravděpodobně pro tuto práci vyčleněné své vlastní pracovníky, ale také mohou buď využívat externí konzultanty k dodatečným nebo jednorázovým auditům, nebo si mohou vytvořit dočasný tým z jiných oddělení nebo závodů (viz kap. 2.5 a 2.6). (1) Vyhledávací modely Hlavním cílem vyhledávacího modelu energetického auditu je zjistit oblasti, kde existují (nebo mohou existovat) možnosti úspor energie a zdůraznit nejvhodnější úsporná opatření. 98 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

133 Kapitola 2 Vyhledávací audity nejdou do hloubky co se týče ziskovosti zjištěných oblastí ani do podrobností navrhovaných opatření. Před učiněním jakéhokoli kroku je třeba zjištěné oblasti dále analyzovat. Vyhledávací model auditu je dobrou volbou v případě, že je třeba v krátké době zvládnout velký objem auditorské práce. Tyto druhy auditů jsou obvykle levnější a jsou provedeny rychle. Vyhledávací model nemusí provozovateli vždy přinést očekávané výsledky, protože jeho výsledkem nemusejí být nutně reálná úsporná opatření připravená k realizaci, ale většinou se jedná jen o návrhy další analýzy klíčových oblastí. V dalším textu jsou popsány dva hlavní příklady vyhledávacího modelu: rekapitulační energetický audit předběžný energetický audit Rekapitulační energetický audit Rekapitulační energetický audit je vhodný pro malé a střední průmyslové závody, kde výrobní procesy nejsou příliš komplikované z hlediska toků primární a sekundární energie, vzájemně propojených procesů, příležitostí pro opakované využití nižších úrovní tepla apod. Rekapitulační energetický audit poskytuje přehled o využívání energie v závodě, zdůrazní nejdůležitější možnosti úspor i potřebné další kroky (doplňující druhá fáze auditů). Předběžný energetický audit Vyhledávací model energetického auditu pro velké podniky se často nazývá předběžný energetický audit. Audity tohoto druhu se nejčastěji používají ve zpracovatelském průmyslu. Ačkoli je hlavní cíl předběžného energetického auditu v souladu s rekapitulačním energetickým auditem, velikost a druh závodu vyžadují odlišný přístup. Většina práce v předběžném energetickém auditu spočívá ve vytvoření přehledného obrazu o aktuální celkové spotřebě energie, určení oblastí s výraznou spotřebou energie a často i v pravděpodobných úsporných opatřeních. Zprávy o těchto auditech se také často zabývají oblastmi, kde je třeba provést doplňkovou, druhou fázi auditu, a co by mělo být jejím cílem. Předběžný energetický audit je většinou třeba provádět v týmu odborníků. Odborné znalosti jsou třeba jak při samotném provádění auditu, tak i ve výrobním procesu. Předběžný audit vždy vyžaduje aktivní spolupráci ze strany technického personálu závodu. (2) Analytické modely Výsledkem analytických modelů energetického auditu jsou podrobné specifikace opatření na úsporu energie, které auditovanému klientovi poskytnou dostatek informací k rozhodování. Audity tohoto druhu jsou dražší, vyžadují více práce a delší časový harmonogram, ale přinášejí konkrétní návrhy na úspory energie. Provozovatel může potenciál úspor přímo vidět a nejsou třeba žádná další šetření. Analytické modely lze rozdělit na dva hlavní typy: selektivní energetické audity, kdy je auditorovi dovoleno si zvolit hlavní oblasti zájmu cílené energetické audity, kdy hlavní oblasti zájmu stanoví provozovatel. Jedná se zpravidla : o energetický audit specifický pro určitý systém o komplexní energetický audit. Selektivní energetický audit Selektivní energetický audit hledá hlavně nejvýznamnější možnosti úspor a minoritním úsporným opatřením nevěnuje pozornost. Tento model auditu je nákladově velmi účinný, jestliže ho provede zkušený auditor, ale v nejhorším případě se může jednat o tzv. cream PT/EIPPCB/ENE Finální červen

134 Kapitola 2 skimming, tzn. je zde vždy riziko, že opatření, ta ostatní budou ignorována. když bude nalezeno několik výrazných úsporných Cílený energetický audit Obsah práce cíleného energetického auditu je specifikován v podrobných pokynech od provozovatele a to znamená, že většina systémů, které má cílený audit pokrývat, je známa předem. Pokyny od provozovatele mohou některé oblasti libovolně vyloučit. Důvodem pro vyloučení některých oblastí může být to, že nejsou z hlediska nákladů většinou relevantní. Výsledkem cíleného energetického auditu je zpravidla rozpis spotřeby a podrobné výpočty energetických úspor a investic. Pokud jsou pokyny a vodítka adekvátní, je výsledkem tohoto auditu i standardní zpráva. Z hlediska provozovatele je zde vždy riziko, jestliže se opomene řízení kvality cíleného energetického auditu auditoři mohou být v pokušení přejít pomalu k selektivnímu energetickému auditu, protože tento model vždy zahrnuje méně práce. Energetický audit specifický pro určitý systém Příkladem cíleného energetického auditu v nejmenší a nejjednodušší formě je energetický audit specifický pro určitý systém. Tento druh auditu má úzce vymezený cíl (jeden systém, zařízení nebo proces), ale ve své analýze jde zpravidla velmi do hloubky. Přínos tohoto modelu je v tom, že je možné specifikovat pro tuto práci odborné znalosti, které však mohou být hlubší, než znalosti, které může poskytnout všestrannější auditor. Výsledkem energetického auditu specifického pro určitý systém je podrobný popis systému a všech úsporných opatření, včetně různých variant týkajících se tohoto systému a popisu jejich nákladů a přínosů. Je dobré kombinovat tento typ auditu s některými komplexnějšími modely, např. provést předběžný energetický audit a následně specifický audit nebo audity těch systémů, u nichž byla zjištěna možnost výrazných úspor energie. Energetické audity specifické pro určité systémy představují vysoký potenciál úspor ve srovnání s aktuální spotřebou energie v daném systému. Problém však spočívá v tom, že při zkoumání pouze jedné části podniku se ztrácí komplexnější, větší obrázek a je zde riziko, že bude provedena jen částečná optimalizace. Např. pokud se analyzuje pouze energetická účinnost systému stlačeného vzduchu nebo chlazení, nelze hodnotit možnosti získávání tepla, protože neexistují znalosti o tom, kde by se teplo dalo nejefektivněji využít. Energetické systémy jsou většinou vzájemně propojené a jen zřídka jsou nezávislé. Komplexní energetický audit Komplexní energetický audit je cílený energetický audit v nejširším slova smyslu (viz obr. 2.9). Zahrnuje veškerou energii využívanou v závodě, včetně mechanických a elektrických systémů, systémů dodávek do procesů, veškerých procesů, které využívají energii, atd. Lze vyloučit některé minoritní systémy, které mají proporcionálně jen malý vliv na celkovou spotřebu energie (např. dveře poháněné elektrickými motory). Rozdíl mezi komplexním energetickým auditem a cíleným energetickým auditem je v tom, že cílený audit záměrně ignoruje některé oblasti, které jsou známé a předem specifikované, a komplexní audit zahrnuje skutečně veškerou významnou spotřebu energie. Výchozím bodem komplexního energetického auditu je vždy analýza podrobného rozpisu celkové spotřeby. Tento druh auditu se vyjadřuje ke všem systémům, které používají energii specifikovanou na počátku, bez ohledu na zjištěné úspory. Vyzdvihuje všechna potenciální úsporná opatření a zahrnuje podrobné výpočty energetických úspor a investičních nákladů. 100 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

135 Kapitola 2 Tento model také vytváří základ pro velmi standardní a podrobné podávání zpráv, což přináší provozovateli určité výhody, zejména v řízení kvality a monitoringu. 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 ). 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 Reference [7, Lytras, 2005, 31, Despretz,, 40, ADENE, 2005, 92, Motiva Oy, 2005, 165, BESS_EIS,, 227, TWG,, 250, ADEME, 2006] PT/EIPPCB/ENE Finální červen

136 Kapitola 2 Obrázek 2-10: Schéma komplexního energetického auditu [11, Franco, 2005] 102 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

137 Kapitola 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 V diagramu teploty a entalpie jsou uvedeny dva horké proudy. c Teplota v C CP=1 CP= Tepelný obsah v kw Obrázek 2-11: Dva horké proudy Proud 1 se ochlazuje z 200 o C na 100 o C. Má hodnotu CP (tj. hmotnostní tok x měrná tepelná kapacita) rovno 1, ztrácí tedy 100 kw tepla. Proud 2 se ochlazuje ze 150 o C na 50 o C. Má CP rovno 2, takže ztrácí 200 kw tepla. Horká složená křivka se získá prostým součtem obsahů tepla v rozpětí teplot: mezi 200 o C a 150 o C existuje pouze jeden proud a ten má CP rovno 1. Ztráta tepla v tomto teplotním rozpětí je tedy 50 kw. mezi 150 o C a 100 o C existují dva horké proudy s celkovým CP = 3. celková ztráta tepla mezi 150 o C a 100 o C je 150 kw. Protože celkové CP mezi 150 oc a 100 oc je vyšší než CP mezi 200 o C a 150 o C, stává se tato část horké složené křivky v druhém teplotním pásmu od 150 o C do 100 o C plošší. Mezi 100 o C a 50 o C existuje pouze jeden proud s CP = 2. Celková ztráta tepla je tudíž 100 kw. Obr ukazuje horkou složenou křivku. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

138 Kapitola 2 Obrázek 2-12: Horká složená křivka Studená složená křivka je konstruována stejným způsobem. V praktických aplikacích je počet proudů většinou mnohem větší, ale tyto proudy jsou konstruovány naprosto stejným způsobem. Obr zobrazuje horkou a studenou složenou křivku zanesenou do stejného diagramu teploty a entalpie. Diagram představuje celkové požadavky procesu na ohřev a vytápění. Q H,min T min Teplota Q C,min Entalpie Obrázek 2-13: Složené křivky zobrazující cíle PINCH a energie Podél osy entalpie se křivky překrývají. Horkou složenou křivku lze použít k ohřátí studené složené křivky pomocí výměny tepla mezi procesy. Na obou koncích však existuje převis, takže horní část studené složené křivky potřebuje externí zdroj tepla (Q H,min ) a spodní část horké složené křivky zase potřebuje externí chlazení (Q C,min ). Jedná se o tzv. horké a studené cíle v oblasti médií a služeb. 104 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

139 Kapitola 2 Bod, ve kterém se křivky nejvíce přibližují vzájemnému dotyku, se nazývá PINCH (v angl. štípnutí nebo krajní případ či situace ). V tomto bodě jsou křivky oddělené minimálním rozdílem teplot T min. Pro tuto hodnotu T min vykazuje oblast překrytí maximální možné množství tepla vyměněného mezi procesy. Navíc Q H,min and Q C,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. Spotřebitel tepla Q H,min + α Teplota Tok nulového tepla α Zdroj tepla Q c,min + α Entalpie Obrázek 2-14: Schématické znázornění systémů nad a pod bodem PINCH Tři pravidla metody PINCH jsou následující: Teplo se nesmí přenášet přes bod PINCH Nad bodem PINCH nesmí být žádné vnější chlazení Pod bodem PINCH nesmí být žádný vnější ohřev. Jestliže množství tepla, které přechází přes bod PINCH, je α, pak musí být dodáno navíc množství horkého média (α) a zároveň je požadováno navíc množství studeného média α (viz Obr. 2.15). Podobně jakékoli vnější chlazení spotřebitele tepla a jakékoli vnější ohřívání zdroje tepla zvyšuje požadavky na energii. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

140 Kapitola 2 Q H,min + α Teplota α Spotřebič tepla Zdroj tepla Q c,min + α Entalpie Obrázek 2-15: Přechod tepla přes bod PINCH od spotřebitele tepla ke zdroji tepla Tedy: kde T = A α 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. 106 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

141 Kapitola 2 První aplikace této metody byly v rafinériích, petrochemických a chemických závodech, kde skutečně došlo k úsporám energie a tím i nákladů. V poslední době se však tato metodika prosadila i v širokém spektru dalších procesů a průmyslových odvětví, včetně kogenerace, výroby léčiv, papírenského průmyslu, výroby cementu, potravin, nápojů a mléka (např. pivovary, výroba kávy, zmrzliny a mléčných výrobků), viz Příklady. Metodika PINCH se také používá v různých druzích procesů, tj. vsádkových, částečně kontinuálních i kontinuálních, ve kterých se různě mění provozní parametry, např. různé vstupní suroviny, dochází k sezónnímu kolísání poptávky, je zde více druhů médií a energií a je třeba řešit problémy s kvalitou a environmentální problémy. Ekonomie Doby návratnosti jsou uvedeny v Tabulce 2.5. Metodika PINCH je často považována za drahou a složitou. U jednoduchých problémů se však mohou provést výpočty manuálně nebo pomocí softwarových nástrojů (některé jsou k dispozici zdarma). Projekty mohou začínat na asi 5000 EUR. Požadavek na data pro provedení analýzy je velmi malý a analýza PINCH je základním prvkem technického inženýrského vzdělávání. Ve složitějších situacích bude k provedení analýzy PINCH, simulace procesu, odhadu nákladů a provozu zařízení třeba zkušený tým. 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

142 Kapitola 2 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 Úspory více než 7 milionů USD s návratností ethylen, butadien, HDPE, LDPE od 12 do 20 měsíců a polypropylen 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, 30 % úspory z celkového účtu závodu za vsádkový a kontinuální proces energie (ve výši 0,18 milionu USD při Rafinérie jedlého oleje, vsádkový provoz, široké spektrum vstupních surovin Vsádková výroba mléčných produktů a sušených nápojů Pivovar návratnosti 9 16 měsíců 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 % Úspory 30 % odpovídající 0,2 milionu USD s návratností méně než 1 rok Úspory od 12 do 25 % nákladů na energie s návratností od 9 měsíců do 2 let Moderní továrna na výrobu whisky Výrazně lepší organizace (bez špiček) a úspory 0,35 milionu USD s návratností od 18 měsíců do 2 let Papírny Úspory 8 20 % nákladů na energii s návratností od 1 do 3 let Kontinuální zpracování octanu celulózy Úspory 0,28 milionu USD při návratnosti 1 rok Kontinuální výroba suchého cementu Velké úspory energie * Výše uvedené úspory se primárně týkají nákladů na energie. Většina firem měla přínos i ze zvýšeného výkonu a lepší flexibility a operability procesů, ale ekonomická hodnota těchto přínosů není do této tabulky zahrnuta. ** pro tato data není uveden směnný kurs a aplikace nejsou známy. tabulka 2-6 Metodika PINCH: některé příklady aplikací a úspor [266, Ullmann's, 2000] 108 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

143 Kapitola 2 Obrázek 2-16: Úspory energie zjištěné metodikou PINCH Pozn.: zkratky odkazují na stupně polymerů a organických chemických procesů [51, Pini, 2005] Reference [117, Linnhoff March], [118, KBC], [12, Pini, 2005, 51, Pini, 2005, 67, Marttila, 2005, 119, Neste Jacobs Oy] Software PINCH zdarma: Pinch2.0 od Fraunhofer ISI/Peter Radgen. Touto technikou se zabývají i jiné dokumenty BREF: OFC, SIC, LVIC-S, REF, atd 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 a Přílohu 7.1). PT/EIPPCB/ENE Finální červen

144 Kapitola 2 5. Entalpie a exergie lze využít k určení ostatních parametrů, jako jsou ztráty energie v komponentech, ireverzibilita, účinnosti, a také ke znázornění, např. pomocí Sankeyova diagramu (energie) nebo Grassmannova diagramu (exergie). 6. Tyto bilance lze provádět v reálném čase v různých časových intervalech a informace o nákladech na exergii, např. množství zdrojů exergie potřebné k vyprodukování daného toku, lze využít k diagnóze odchylek výkonu zařízení od dohodnutého referenčního stavu. 7. nakonec je možné snadno zjistit vztah mezi termodynamikou a ekonomií, protože náklady na špatné fungování nebo neúčinnost subsystému v rámci závodu mají dvě složky: první je množství materiálních zdrojů a druhá jsou peníze vydané na kompenzaci špatného fungování. Teorie vysvětlující základy takovéto techniky se nazývá termo-ekonomie (viz kap. 2.14). Jak je zřejmé, analýzy energie a exergie mohou probíhat paralelně a měří se ve stejných jednotkách. Nicméně analýza exergie (i když se používá méně a je složitější) je užitečnější, protože ukáže přímo na místo, kde lze uspořit energii. Energie je konzervativní: nelze ji ani vytvořit ani zničit, takže analýza energie může vzít v úvahu pouze ztráty energie prostřednictvím hranic systému (tepelné ztráty, plyny jdoucí do komína atd.). Každá transformace energie však vede ke snížení její kvality: energie se uchovává, ale její užitná hodnota vždy klesá. V této souvislosti je exergie měřítkem, které bere v úvahu kvalitu energie. Elektřina nebo mechanická práce jsou nejkvalitnější formy energie, takže jejich energie a exergie jsou tytéž. Na druhé straně masa vody ohřáté na teplotu o 20 stupňů vyšší, než je teplota okolí, má energii, ale její obsah exergie je zanedbatelný. Obsah exergie měří přesně maximální konvertibilitu (v jednotkách energie) daného toku směrem do jiných forem energie. Exergie tudíž není konzervativní. V každém ustáleném procesu je exergie vstupujících toků vždy vyšší než exergie vystupujících toků. Tento rozdíl se nazývá ireverzibilita a její kvantifikace prostřednictvím analýzy exergie umožňuje zjišťovat, kde se ztrácí kvalita energie (jinými slovy, kde lze energii ušetřit). (Tyto otázky jsou vysvětleny podrobněji v Příloze 7.1). Jako příklad si uveďme kotel používaný k výrobě nízkotlaké páry pro daný proces. Pokud se provede analýza energie, může mít tento kotel energetickou účinnost až 85% a vypadá jako účinné zařízení. Kvalita energie obsažené v páře je však nízká a exergetická účinnost kotle může být jen 25%. Toto nízké číslo značí, že je zde vysoký potenciál k energetickým úsporám, pokud se kotel nahradí např. parním generátorem se získáváním tepla v kogeneračním systému, ve kterém se vstupní horké plyny využijí k pohonu turbíny, která zachytí vysoce kvalitní energii. paradoxně čím nižší kvalita je na výstupu, tím vyšší je energetická účinnost kotle, které lze průmyslově dosáhnout. Ukazatele exergetické účinnosti však již nevyznějí paradoxně. 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). 110 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

145 Kapitola 2 Techniku lze aplikovat na každý tepelný systém. Hlavní výhodou je, že umožňuje přímé srovnání různých závodů. Analýza exergie navíc poskytuje absolutní referenci: ideální systém, což je systém bez ireverzibilit. Analýzu lze využít k určení stavu provozovaného zařízení, pomocí dostupných měření, a k jeho srovnání s projektovanými hodnotami. Kromě toho je užitečné analyzovat i alternativy a možnosti zlepšení ve fázi projektování. Využití exergie ve firmách je však stále omezené. Např. v Nizozemsku se koncept exergie využívá v technických odděleních velkých firem, jako je Shell, Dow Chemical, Unilever, DSM, AKZO NOBEL atd., a v řadě velkých inženýrských firem. Bylo provedeno několik studií. Tyto studie vedly k závěru, že analýzy exergie poskytují cenné informace, ale že zaberou příliš mnoho času a že není dostatek dat, se kterými by se výsledky porovnaly. Např. benchmarking na základě exergetických účinností není snadný právě kvůli nedostatku dat pro srovnání. Pro usnadnění analýz exergie byl vyvinut komerční program pro výpočet exergie. S jeho pomocí lze vypočítat exergii toků v patentovaných technologických schématech a podstatně snížit čas nutný k provedení analýz exergie. Tato schémata jsou však drahá a pouze omezený počet firem je využije natolik, aby se jim to vyplatilo. Většina malých a středních podniků tento typ softwaru nevyužívá kvůli jeho vysoké ceně, nedostatku proškoleného personálu a míře přesnosti požadované pro vstup dat do těchto programů. Pro tyto podniky byla navržena nová metoda, která se ještě dále vyvíjí. Ekonomie Analýza exergie má pověst složité a drahé záležitosti. Pokud jsou však k dispozici informace o vlastnostech toků (což je běžná situace), lze provést analýzu entalpie a exergie s nízkými náklady. Je k dispozici jen omezený počet nástrojů k provádění analýzy ve spojení s balíčkem technologických schémat. Tímto způsobem lze tuto analýzu provádět rychle a efektivně. Ztráty exergie označí místa, kde by mohlo být dosaženo nejvíce úspor (materiálů, energie a tím pádem i peněz). Náklady na analýzu exergie začínají na 5000 EUR. Navíc pro menší projekty lze tuto analýzu provést manuálně. Zde je využití analýzy exergie velmi omezené. V současnosti se vyvíjí nová metoda nazvaná Exergy Scan, která by představovala užitečný nástroj. 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 ). 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, Szargut J., Morris D.R., Steward F.R., Exergy Analysis of Thermal, Chemical and Metallurgical Processes, Hemisphere, New York, 1988 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

146 Kapitola 2 Cornelissen, R.L., 1997, Thermodynamics and sustainable development, The use of exergy analysis and the reduction of irreversibility, doktorandská práce, University of Twente, Cornelissen, R.L., and Boerema C. 2001, Exergy Scan - the new method for cost effective fuel saving, sborník ECOS 2001, str , Istanbul. Nástroje: kalkulátor exergie: ExerCom a Exergy Scan: více informací o obou: 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. 112 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

147 Kapitola 2 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] Valero: Thermoeconomics: A new chapter of physics, etc. A.Valero a C. Torres: Thermoeconomic analysis Více informací na: Energetické modely 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 ). 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

148 Kapitola 2 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 Když se odhadne, že koeficient zatížení je vyšší než 50 %, pak se vlastní koeficient zatížení rovná přibližně: LF kde: = P P ( ef.) ( jmen). η LF je koeficient zatížení (load factor) P (eff) je odhadnutá průměrná elektrická energie, kterou zařízení účinně absorbuje během doby svého provozu (kw) P (rated) je jmenovitá elektrická energie (kw) Ŋ je jmenovitá účinnost zařízení (při plném zatížení). Je nutné, aby Peff bylo možné měřit pomocí elektroměrů. Je třeba zdůraznit, že účinnost a účiník daného zařízení závisí na koeficientu zatížení dle obr. 2.7, který v tomto případě zobrazuje obvyklý motor. 114 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

149 Kapitola 2 Obrázek 2-17: Účiník zařízení v závislosti na koeficientu zatížení [11, Franco, 2005] Tepelná energie Sestavení modelu tepelné energie, databáze nebo bilance je složitější než u energie elektrické. Pro vytvoření úplného obrazu o spotřebě tepla se vytvářejí dva druhy modelů (nebo databází či bilancí) pro první a druhou úroveň. Pro sestavení energetického modelu první úrovně je nutné provést soupis všech uživatelů veškerých druhů paliv. Pro každé zařízení spotřebovávající palivo (např. kotle, pece apod.) by se měla zjistit následující data: Druh paliva dodávaného za konkrétní časové období, většinou za rok Druh nosiče tepla, který vstupuje do kotle (např. tlaková voda), průtok, teplota, tlak Kondenzát: procento recyklace, teplota, tlak Těleso kotle: výrobce, model, rok instalace, výhřevnost, jmenovitá účinnost, plocha výměnného povrchu, počet hodin provozu za rok, teplota tělesa, průměrný koeficient zatížení Hořák: výrobce, model, rok instalace, výhřevnost Odpadní plyny: průtok, teplota, průměrný obsah oxidu uhličitého Druh nosiče tepla odcházejícího z kotle (např. pára): teplota, tlak. Ačkoli by se měly shromáždit všechny tyto údaje, u tepelného modelu první úrovně ( strana generátorů ) je třeba vzít v úvahu pouze hlavní uživatele energie (Tabulka 7.9). Obvykle pomůže, když se všechny energie převedou na primární energii nebo konkrétní druhy energie používané v průmyslu, aby bylo později možné provést srovnání (viz kap ). 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

150 Kapitola 2 Model druhé úrovně ( strana uživatelů ) je užitečný v tom, že umožňuje posoudit, do jaké míry teplo dodávané z kotlů, tepelných generátorů apod. odpovídá teplu požadovanému uživatelem, resp. jaký je mezi nimi rozdíl. Pokud je tento rozdíl přijatelný, pak je možné oba modely považovat za validované. V opačném případě je třeba provést opakované výpočty a další šetření. Pokud je rozdíl mezi oběma množstvími velký, bude to pravděpodobně kvůli vysokým ztrátám v systému výroby, distribuce a využívání pro jednotlivé nosiče tepla (např. páru, horkou vodu apod.). V tomto případě je třeba podniknout kroky směřující k vyšší energetické účinnosti. Použitelnost Druh modelu a podrobnost shromažďovaných informací závisejí na daném zařízení. Analýza každého kusu zařízení, které spotřebovává energii, často není proveditelná ani nutná. Modely elektrické energie jsou vhodné pro menší závody. Analýza procesu včetně podrobné spotřeby elektrické a teplené energie je pak vhodnější u větších závodů. Priority mohou spočívat v maximalizaci poměru vynaložených nákladů a výsledného zisku pro sběr dat, např. se jedná o data o zařízení, které překročí určitou spotřebu elektřiny, nebo o pokyn nejprve sbírat data o 20 % zařízení, která využívají 80 % energie (např. páry, elektřiny), atd. Je třeba poznamenat, že s tím, jak se tento model používá a zvyšuje se energetická účinnost, tak se pak mohou přidávat zbývající zařízení opět dle plánu. Ekonomie Závisí na jednotlivém stanovišti. 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] Optimalizace a management médií a služeb na základě modelů Popis V tomto případě dochází ke spojení technik popsaných např. v kap až 2.15 a počítačových systémů modelování a/nebo řízení. U jednoduchých závodů je díky dostupnosti levného a snadného monitoringu, sběru elektronických dat a řízení pro provozovatele jednodušší shromažďovat data, posuzovat energetické potřeby procesů a tyto procesy následně řídit. Tyto práce mohou začít u jednoduchého načasování, zapínání a vypínání, řízení teploty a tlaku, přístrojů pro zápis dat atd. Usnadňuje je využití softwarových modelů v případě sofistikovanějšího řízení. Ve složitějších případech budou mít velké závody systém managementu informací, který zaznamenává a řídí veškeré podmínky procesů. Specifickou aplikací je aplikace při řízení způsobu, jakým jsou vybírány zdroje a jak je energie dodávána (energetický management na straně dodávky/nabídky, neboli management distribuce, médií a služeb), viz Použitelnost. Využívá se přitom softwarový model napojený na řídící systémy, s jehož pomocí se optimalizují a řídí média a energetické služby (elektřina, pára, chlazení atd.). 116 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

151 Kapitola 2 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

152 Kapitola 2 Optimalizace a management médií a služeb se mohou uplatnit na stanovištích, kde se energie využívají vícero způsoby (pára, chlazení apod.) a jsou zde různé možnosti energetických zdrojů mezi těmito nosiči energie a/nebo včetně vlastní výroby elektrické energie (tj. kogenerace a trigenerace, viz kap. 3.4). Základními požadavky na optimalizaci médií a služeb na základě modelů jsou model procesů paliva, páry a výroby elektřiny a distribučního systému. V minimální verzi musí model přesně znázorňovat vlastnosti všech paliv, včetně hodnoty spodní výhřevnosti a složení. To může být komplikované u různorodých a složitých paliv, jakými je např. komunální odpad, což snižuje možnosti optimalizace exportu energie. Ekonomie Viz Příklady 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. Podnikatelský/obchodní proces Předpovídání poptávky: znalost současné a předpovídané budoucí poptávky po médiích a službách v určitých časových obdobích (dny, týdny, měsíce, roky, v závislosti na procesu a trhu). Pomáhá minimalizovat: Používání horkých zařízení v režimu standby (např. kotle) Odtahy nadbytečné páry Ztráty dodávek kvůli nedostatečnému řízení. Plánování produkce médií a služeb: vytváří profily poptávky a sestavuje plán optimalizované výroby vycházející z jejich dostupnosti. Může být taktický (24 hodin) nebo strategický (kdy najet nebo odstavit zařízení kvůli údržbě) Optimální provoz závodu (online optimalizace): je sice možné vypracovat předem určitý plán (např. na každých 24 hodin), ale reálný provoz může kolísat a tento plán narušit. Systém optimalizace médií a služeb může dávat provoznímu personálu aktuální informace v reálném čase a pomoci mu tak provozovat systém s nejnižšími náklady na základě aktuálních potřeb a cen. Monitoring výkonu zařízení pro média a služby: Systém optimalizace médií a služeb může sledovat výkon jednotlivých položek a systémů. Toho lze využít k optimalizaci údržby a plánům úklidu i k varování přes provozními problémy. řídící se hlavně energetic kou účinností + náklady na energie /smlouva mi červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

153 Podnikatelský/obchodní proces Plánování investic: Systém optimalizace médií a služeb se může využít také při hodnocení projektových variant nového vybavení a změn ve stávajícím vybavení, jak v rámci procesů, tak i v systému médií a služeb, např.: Ohřívání vody přiváděné do odvzdušňovacího zařízení pomocí procesního tepla Volba pohonu (motor nebo parní turbína) nebo možný dvojí pohon procesu, který umožní větší flexibilitu při vyrovnávání parního systému Lepší vracení kondenzátu Změna v dodávce energie (např. využití nízkotlaké páry ke snížení používání střednětlaké páry) Využití páry k předehřívání spalovacího vzduchu přiváděného do pecí Integrace se stávající parní sítí v případě, že má být na stanovišti postavena nová jednotka, nebo úprava stávající sítě v případě uzavření nějaké jednotky. Monitoring, management a obchodování s emisemi: Určité plynné emise (SO x a CO 2 ) lze přímo vztáhnout na spalovaná paliva (tam, kde jsou složení paliva a jeho změny známé). NO x 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. Kapitola 2 řídící se hlavně energetic kou účinností tabulka 2-7 Podnikatelské impulsy k využívání systému optimalizace médií a služeb Příklady 1. Schott AG, Německo. Viz Příloha náklady na energie /smlouva mi (+) + Náklady: Software: asi EUR Hardware: asi 500 EUR na jeden měřený bod PT/EIPPCB/ENE Finální červen

154 Kapitola 2 Roční úspory: Snížení špičkového zatížení při dodávce elektřiny o asi 3 5 % Období návratnosti: 0,9 2 roky (v závislosti na projektu). 2. Nemocnice Atrium, Heerleen, Nizozemsko. Viz Příloha 6. Byl zaveden systém managementu médií a služeb v reálném čase, s interní návratností investic (ROI) 49 % (s asi 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 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 a 2.5). Energetický benchmarking pracuje s údaji, které byly shromážděny a analyzovány (viz měření a monitoring a audit, kap a 2.11). Jsou zavedeny ukazatele energetické účinnosti, které provozovateli umožňují posuzovat výkon závodu v čase nebo tento výkon porovnávat s ostatními v témže sektoru. Kapitoly 1.3, 1.4 a 1.5 se zabývají otázkami zavádění a používání těchto ukazatelů. Je důležité poznamenat, že kritéria používaná při sběru dat je možné dohledat a pravidelně aktualizovat. V některých případech může být významný důvěrný charakter dat (např. tam, kde energie tvoří velmi významnou součást výrobních nákladů). Je tudíž velmi důležité brát v úvahu názory 120 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

155 Kapitola 2 zúčastněných firem a sektorových asociací, aby se zachoval důvěrný charakter firemních dat i dobrá přijatelnost nástrojů pro uživatele. Důvěrný charakter dat lze chránit: pomocí dohod prezentací dat způsobem, který chrání důvěrná data (např. prezentací dat a cílů souhrnně pro několik závodů nebo produktů) ponecháním dat k zajištění třetí důvěryhodnou osobou (např. obchodní organizace, vládní agentura apod.). Benchmarking se může týkat také procesů a pracovních postupů (viz též Operational Excellence, kap. 2.5 a níže uvedené Příklady). Sběr energetických dat by se měl provádět pečlivě. Data by měla být porovnatelná. V některých případech by data mohla potřebovat úpravu korekčními faktory (normalizaci). Měly by se brát v úvahu např. vstupní suroviny, stáří zařízení apod. (viz níže o benchmarkingu ve sklářském průmyslu) a o těchto aspektech by měla existovat vhodná dohoda (na národní nebo mezinárodní úrovni). Nejvýznamnější příklady by měly zajistit, aby energie byla porovnávána na vhodném základě, např. na základě primární energie nebo spodní výhřevnosti, viz kap. 1.3, 1.4 a 1.5. Posuzování lze provádět na základě časových úseků, což ilustruje přínos daného opatření (nebo skupiny opatření) dosažený v celkové spotřebě energie (v rámci firmy, sektoru, regionu apod.) je jednoduchá metoda, kterou lze aplikovat interně, pokud jsou k dispozici požadovaná referenční data, a tam, kde je složité stanovit externí referenční body nebo srovnávací kritéria (benchmarks). Hlavní nevýhodou srovnání na bázi časových úseků je to, že základní podmínky musejí zůstat stejné, aby bylo možné provést posouzení energetické účinnosti. Posouzení je rovněž možné provést oproti teoretické potřebě energie nebo entalpie (viz níže o benchmarkingu ve sklářském průmyslu). Ta se vypočítá z tepelných energií, energií tání, kinetických nebo potenciálních energií pro určitý proces. Tyto hodnoty: tvoří dobrý základ počátečních odhadů měly by se s příslušnou zkušeností relativně snadno používat měly by ukázat rozdíl mezi skutečně používanou energií a její teoretickou potřebou (lze to spojit se srovnáním na bázi časových úseků, což pomůže odhadnout náklady a výnosy dalších opatření). Hlavní nevýhodou je, že výpočet nemůže vzít nikdy v úvahu všechny specifické charakteristiky určité operace. 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). PT/EIPPCB/ENE Finální červen

156 Kapitola 2 Validovaná data zahrnují ve vertikálních sektorových dokumentech BREF anebo data verifikovaná třetí stranou. Období mezi jednotlivými benchmarkingy závisí na každé sektoru a bývají dlouhá (tj. v letech), protože benchmarkingová data se jen zřídka změní podstatně během krátké doby. Také je třeba se zabývat otázkami konkurenceschopnosti, včetně problematiky důvěrného charakteru dat. Např. výsledky benchmarkingu mohou zůstat důvěrné, anebo není možné benchmarking provádět např. v případě, kdy v EU nebo ve světě existuje jen jeden závod nebo velmi malý počet závodů), které vyrábějí tentýž produkt. Ekonomie Největší náklady by mohly být na sběr dat. Další náklady však vznikají i při zpracování dat na širším základě nebo modelování normalizačních dat. 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 CO 2 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 CO 2 z různých kroků procesu a na různé druhy produktů měření zlepšení v oblasti využívání energií. Tuto metodiku lze tudíž použít jako nástroj benchmarkingu. Reference [10, Layer, 1999, 13, Dijkstra,, 108, Intelligent Energy - Europe, 2005, 127, TWG,, 156, Beerkens, 2004, 157, Beerkens R.G.C., 2006, 163, Dow, 2005, 227, TWG] 122 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

157 Kapitola Ostatní nástroje Ostatní nástroje, které lze využít na úrovni závodu, jsou popsány v Příloze 7.8. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

158

159 Kapitola 3 3 TECHNIKY, KTERÉ JE TŘEBA ZVAŽOVAT PRO DOSAŽENÍ ENERGETICKÉ ÚČINNOSTI V SYSTÉMECH, PROCESECH NEBO ČINNOSTECH, KTERÉ VYUŽÍVAJÍ ENERGII U kapitol 2 a 3 byl zvolen hierarchický přístup: Kapitola 2 popisuje techniky, které je třeba zvažovat na úrovni celého závodu, s potenciálem k dosažení optimální energetické účinnosti Kapitola 3 uvádí techniky, které je třeba zvažovat na nižších úrovních, primárně na úrovni systémů (např. stlačený vzduch nebo páru) nebo činností (např. spalování) využívajících energii, a následně na ještě nižší úrovni, tzn. pro některé komponenty nebo zařízení (např. motory). Do těchto dvou kapitol jsou zařazeny systémy managementu, techniky integrované do procesů a specifická technická opatření. Při hledání optimálního řešení se však tyto tři skupiny naprosto překrývají. Mnoho příkladů integrovaného přístupu představuje všechny tři skupiny opatření. Proto je oddělení jednotlivých technik kvůli jejich popisu poněkud složité a trochu nahodilé. Ani tato kapitola ani kapitola 2 nepřináší vyčerpávající seznam technik a nástrojů. Mohou existovat nebo se vyvíjet i další techniky, které mohou být v rámci IPPC a BAT stejně hodnotné. Pro dosažení cílů IPPC mohou být techniky používány samostatně nebo v kombinacích, a jsou uváděny v obou kapitolách, a dále je podporují informace uvedené v kapitole 1. Tam, kde je to možné, byla v této kapitole i v kapitole 2 pro vysvětlení každé techniky použita standardní struktura, jak ukazuje Tabulka 3.1. Mějte na paměti, že tato struktura byla použita také při popisu zvažovaných systémů, jako např. energetického managementu (na úrovni závodu), systémů stlačeného vzduchu (na nižší úrovni), systému spalování apod. Druh zvažovaných informací Popis Dosažené environmentální přínosy Mezisložkové vlivy Provozní údaje Použitelnost Ekonomie Hybná síla pro zavedení Druh zařazených informací Stručné popisy technik energetické účinnosti předkládané spolu s obrázky, schématy, diagramy apod., které tyto techniky znázorňují Hlavní vlivy na životní prostředí, zejména z hlediska používané energie, ale včetně úspor vody, surovin, nárůstu produkce apod. spojených s danou technikou Všechny vedlejší environmentální efekty a nevýhody způsobené zavedením příslušné techniky. Podrobnosti o environmentálních problémech techniky ve srovnání s ostatními. 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. Výklad faktorů spojených s aplikací a modernizací techniky (např. potřebný prostor, specifičnost pro určité procesy, ostatní překážky nebo nevýhody spojené s technikou apod.) Informace o nákladech (investičních a provozních) a navazujících úsporách energie v EUR, kwh (tepelné energie nebo elektřiny) a o dalších možných úsporách (např. snížená spotřeba surovin, poplatky za odpady), také ve vztahu ke kapacitě techniky Důvody (jiné než IPPC) pro zavedení techniky (legislativa, dobrovolné závazky, ekonomické důvody) PT/EIPPCB/ENE Finální červen

160 Kapitola 3 Příklady Reference Odkaz na alespoň jednu situaci, kdy byla technika evidentně použita Zdroje informací a literatura obsahující podrobnosti o dané technice tabulka 3-1 Rozdělení informací o systémech a technikách popisovaných v kapitolách 2 a 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 (NO x ), které mají vliv na životní prostředí [122, Wikipedia_Combustion, 2007]. Spalovací zařízení Spalovací zařízení popisovaná v této kapitole jsou topná zařízení nebo zařízení, která využívají spalování paliva (včetně odpadů) k výrobě a přenosu tepla do daného procesu. To zahrnuje následující aplikace: Kotle na výrobu páry nebo horké vody (viz též kap. 3.2) Procesní ohřívače, např. k ohřevu ropy v destilačních jednotkách kvůli dosažení parního krakování v petrochemických závodech, nebo při reformaci páry ve výrobě vodíku Pece nebo jednotky, v nichž se tuhé granulované materiály zahřívají při zvýšených teplotách, aby se vyvolala chemická transformace. Jedná se např. o cementářské pece a pece k výrobě kovů. Ve všech těchto aplikacích lze energii řídit pomocí parametrů procesu a také řízením vlastního procesu spalování. Strategie energetického managementu vztahující se k procesu závisejí na samotném procesu a jsou zvažovány v příslušných sektorových dokumentech BREF. Ztráty ve spalovacím procesu Tepelná energie vznikající při spalování fosilních paliv se přenáší do pracovního média. Ztráty tepla se dělí na [125, EIPPCB]: Ztráty v odcházejícím plynu. Tyto ztráty závisejí na teplotě spalin, směsi se vzduchem, složení paliva a míře zanesení kotle Ztráty v nespáleném palivu. Jedná se o chemickou energii, která není konvertována. Nedokonalé spalování vede k přítomnosti CO a uhlovodíků ve spalinách Ztráty ve vedení nebo sálání. Při výrobě páry tyto ztráty závisejí hlavně na kvalitě izolace parního generátoru a parního potrubí Ztráty v podobě nespáleného materiálu ve zbytcích, včetně ztrát přicházejících od nespáleného uhlíku v popelu, strusce a popílku z kotlů Ztráty spojené s odkalováním kotle na výrobu páry Kromě tepelných ztrát je třeba vzít v úvahu i spotřebu energie potřebné pro provoz pomocných zařízení (zařízení pro přepravu paliva, uhelné mlýny, čerpadla a ventilátory, systémy odstraňování popela, čištění vyhřívaných povrchů atd.). 126 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

161 Kapitola 3 Volba spalovacích technik Běžné techniky výroby energie ve velkých spalovacích zařízeních (více než 50 MW tepelné energie) a s různými palivy (např. biomasa a rašelina, kapalná a plynná paliva) jsou podrobně popsány v dokumentu BREF LCP (velká spalovací zařízení). Tento dokument uvádí, že poskytnuté informace platí i pro menší zařízení (protože závod s výkonem nad 50 MW tepelné energie může zahrnovat více menších jednotek). Čtenáři bude nápomocná tabulka 3.2, která podává přehled technik z tohoto dokumentu i dokumentu BREF LCP 18, 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 Techniky v dok. BREF paliva ENE, podle kapitol Podle kapitol v BREF LCP červenec 2006 v tomto dokumentu Uhlí a lignit Biomasa a rašelina Předsušení lignit Zplyňování uhlí , a Sušení - palivo 5.1.2, Zplyňování biomasy Lisování kůry Expanzní turbína k získávání energie stlačeného plynu Kogenerace 4.5.5, Moderní 4.2.1, počítačem , řízené podmínky spalování pro snížení emisí a pro výkon kotle Využití tepla obsaženého ve Kapalná paliva , Plynná paliva 7.1.1, 7.1.2, , Kogenerace (3.4) 18 Odkaz se týká verze BREF LCP z července 2006 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

162 Kapitola 3 spalinách u městského vytápění Nízký nadbytečný vzduch Snížení teplot odpadních plynů Snížení hmotnostního toku spalin snížením nadbytečného vzduchu (3.1.3) Snížení teploty spalin podle (3.1.1) Zvýšení přenosu tepla do procesu buď zvýšením míry přenosu tepla nebo zvýšením či zlepšením povrchů přenosu tepla Dimenzování na max. výkon plus vypočtený bezpečnostní faktor pro příplatky Získávání tepla připojením dalšího procesu (např. výroba páry pomocí ekonomizéru) pro získání odpadního tepla ze spalin Instalace předehřívače vzduchu nebo vody (viz 3.1.1) nebo předehřívání paliva výměnou tepla se spalinami (viz ). 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 128 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

163 Nízká koncentrace CO ve spalinách Akumulace tepla Vypouštění chladící věže Různé techniky pro chladící systém (viz BREF CV) Předehřátí palivového plynu odpadním teplem Předehřátí vzduchu spalování pro Rekuperační a regenerační hořáky Regulace a kontrola hořáku Volba paliva Oxy-hoření (oxy-palivo) Snížení ztrát tepla izolací Snížení ztrát prostřednictvím dveří pece Spalování na fluidním loži čištění nepřetržitě. Kapitola 3 provádět 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.) Snížení teploty spalin (3.1.1) Instalace předehřívače vzduchu nebo předehřívání paliva výměnou tepla se spalinami (viz ). Procesy mohou vyžadovat předehřátí vzduchu, když je třeba vysoká teplota plamene (sklo, cement atd.) tabulka 3-2 Přehled spalovacích technik přispívajících ke zlepšení energetické účinnosti v LCP a ENE [236, Fernández-Ramos, 2007] PT/EIPPCB/ENE Finální červen

164 Kapitola 3 Otázky týkající se páry jsou podrobně probrány v kap. 3.2, i když částečnému překrytí s touto kapitolou se nelze vyhnout. Obecná energetická bilance Následující informace se týká jak spalování plamenem (pomocí hořáku), tak i spalování ve fluidním loži. Řeší energetický management pouze na straně spalování, od vstupu paliva a vzduchu až po výstup spalin z komína. Obecná energetická bilance spalovacího zařízení pro nízké teploty při procesu je uvedena na obr Tok tepla zdmi H W Teplo v palivu H f Spalovací zařízení Přenos tepla na proces, H P Citelné teplo v odpadních plynech, H g Obrázek 3-1: Energetická bilance spalovacího zařízení [91, CEFIC, 2005] Vysvětlení různých toků energie Potenciální teplo přítomné v palivu H f 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 Teplo přenesené do procesu H p 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 H g 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 CO 2 a H 2 O, který je výsledkem spalovacích reakcí s nimi spojeného dusíku (tento stechiometrický tok je úměrný H f 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 H w 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 ΣH l a zahrnují: nezoxidované nebo částečně zoxidované zbytky, jako je uhlík, CO atd. obsah tepla v tuhých zbytcích (popelu). 130 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

165 Kapitola 3 Uchování energie je v zásadě dáno vztahem: H f +H a = H p + H g + H w +Σ H l Jedná se o všeobecně použitelnou bilanci, kterou lze případ od případu upravovat o H a 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 limity 19. Energetická účinnost spalovacího zařízení Energetická účinnost spalovacího zařízení je v zásadě dána poměrem energie uvolněné při spalovacím procesu ku vstupu energie v palivu: η = H p H f nebo v kombinaci s rovnicí: η = 1 H + H g H f w 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 CO 2. V takovém případě se CO 2 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 H p při stejném H f v rovnici 3.2). Může se tím zvýšit kapacita výrobní jednotky a zároveň zlepšit energetická účinnost. V takovém případě dojde ke snížení měrných emisí CO 2 (tj. emisí na jednotku produkce), ale nedojde k jejich snížení v absolutních hodnotách (viz kap ). Hodnoty energetické účinnosti a výpočty pro různé spalovací procesy lze najít v sektorových dokumentech BREF a v dalších zdrojích. Např. EN o výpočtu energetické účinnosti trubkových parních kotlů a přídavných zařízení, nebo EN o válcových kotlích 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%. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

166 Kapitola 3 Zvýšením přenosu tepla do procesu, buď zvýšením intenzity přenosu tepla (instalací turbulátorů nebo jiného zařízení, které posiluje turbulenci tekutin, které se účastní výměny tepla), anebo zvýšením či zlepšením povrchů pro přenos tepla Získáváním odpadního tepla ze spalin připojením dalšího procesu (např. výroby páry pomocí speciálního zařízení na ohřev vody odpadním teplem, viz kap ) Instalací předehřívače vzduchu/vody nebo předehříváním paliva výměnou tepla ze spalin (viz kap ). 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 NO x 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 NO x v případě, že by jejich obsah převyšoval emisní limit. Také je třeba připomenout, že proces odstraňování NO x 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 NO x, vždy ve správné teplotní zóně Systémy čištění plynů, např. systémy na odstraňování SO x nebo NO x, 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 o C, v závislosti na obsahu síry v palivu) může docházet k poškození kovových povrchů. Lze použít materiály odolné proti korozi, které jsou k dispozici pro jednotky na olej a plyn i když bude možná nutné provádět sběr a zpracování kyselinového kondenzátu. 132 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

167 Kapitola 3 Použitelnost Výše popsané strategie (kromě periodického čištění) vyžadují další investice a je nejlepší je aplikovat již při projektování a stavbě daného zařízení. Je však možná i modernizace stávajícího zařízení (je-li k dispozici dostatek prostoru) a náklady vynaložené navíc se většinou vrátí již za krátkou dobu. Některé aplikace mohou být limitovány rozdílem mezi vstupní teplotou procesu a výstupní teplotou spalin. Kvantitativní hodnota rozdílu je výsledkem kompromisu mezi získáváním energie a náklady na zařízení. Získávání tepla vždy záleží na tom, jestli pro něj existuje vhodné využití (viz kap. 3.3). Ekonomie Doba návratnosti pohybuje do pěti let, ale také až do 50 let, v závislosti na mnoha parametrech, např. velikosti zařízení a teplotách spalin. 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] Instalace zařízení na předehřívání vzduchu nebo vody Popis Kromě ekonomizéru (kap ) 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 o C lze dosáhnout zvýšení energetické účinnosti o 1 %. Schéma spalovacího systému s předehříváním vzduchu se na obr Odpadní plyn Venkovní vzduch Kotel Předehřívač vzduchu Nosič energie Obrázek 3-2: Schéma spalovacího systému s předehřívačem vzduchu [28, Berger, 2005] Méně účinným, ale jednodušším způsobem předehřívání by mohla být instalace přívodu vzduchu do hořáku od stropu kotelny. Vzduch je zde často o o C teplejší ve srovnání s venkovní teplotou. Mohou se tím částečně kompenzovat ztráty účinnosti. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

168 Kapitola 3 Dalším řešením je přivádět vzduch do hořáku potrubím s dvojitou stěnou. Spaliny odcházejí z kotelny vnitřní trubkou a vzduch přiváděný do kotle proudí pod druhou vrstvou. Tím se vzduch předehřívá ztrátami tepla ze spalin. Alternativou může být instalace výměníku tepla typu vzduch-voda. 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 NO x 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: H g T gas - T air W L = = c H f % CO 2 kde: W L ztráty ze spalin, v % hodnoty hoření (%) c Siegertův koeficient T gas měřená teplota spalin ( C) T air teplota dodávaného vzduchu % CO 2 měřená koncentrace CO 2 ve spalinách vyjádřená v procentech. Siegertův koeficient závisí na teplotě spalin, koncentraci CO 2 a druhu paliva. Jeho různé hodnoty jsou uvedeny v tabulce 3.3. Druh paliva Siegertův koeficient Antracit 0, , x t gas + 0,00473 x CO 2 Těžké palivo 0, , x t gas + 0,00717 x CO 2 Benzín 0, , x t gas + 0,00774 x CO 2 Zemní plyn (LCV) 0,385+ 0,00870 x CO 2 Zemní plyn (HCV) 0,390+ 0,00860 x CO 2 tabulka 3-3 Výpočet Siegertova koeficientu pro různé druhy paliva [29, Maes, 2005] 134 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

169 Kapitola 3 Příklad: parní kotel na vysoce kvalitní zemné plyn má tyto data pro spaliny: t gas = 240 o C a CO 2 = 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 o C, přičemž průměrná roční teplota vzduchu v blízkosti stropu kotelny je 30 o C. Siegertův koeficient je v tomto případě 0, ,00860 x 9,8 = 0,4743. Před zásahem byla ztráta ze spalin: W R = = 11,1 % 9.8 Po zásahu vypadá situace takto: W R = = 10,2 % 9.8 Odpovídá to zvýšení účinnosti o 0,9 % a lze toho dosáhnout jednoduše, např. přemístěním přívodu vzduchu. Použitelnost Instalace předehřívače vzduchu je nákladově účinná pro nový kotel. Změna v přívodu vzduchu nebo instalace APH jsou často omezené z technických důvodů nebo kvůli požární bezpečnosti. Připojení APH ve stávajícím kotli je často příliš složité a má omezenou účinnost. Předehřívače vzduchu jsou výměníky tepla na bázi plyn-plyn, jejichž design závisí na rozpětí teplot. Předehřívání vzduchu není možné u hořáků s přirozeným tahem komína. Předehřátou vodu lze použít pro napájení kotle nebo do systémů horké vody (např. lokální zásobování). Ekonomie V praxi se možné úspory spojené s předehříváním vzduchu pro spalování pohybují kolem několika procent vyrobeného objemu páry, jak ukazuje tabulka 3.4. Úspory energie mohou být tudíž i u malých kotlů v rozsahu několika GWh ročně. Např. u kotle (15 MW) lze dosáhnout úspor přibližně 2 GWh/rok, asi EUR/rok a asi 400 t CO 2 /rok. Jednotka Hodnota Úspory energie MWh/rok Několik tisíc Snížení CO 2 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] PT/EIPPCB/ENE Finální červen

170 Kapitola Rekuperační a regenerační hořáky Jedním z největších problémů průmyslových tepelných procesů v pecích jsou ztráty energie. U konvenční technologie se asi 70 % vstupujícího tepla ztrácí ve spalinách při teplotě asi 1300 o C. Opatření na úspory energie tak hrají důležitou roli, zejména u vysokoteplotních procesů (teploty od 400 do 1600 o C). 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 o C. rekuperační hořáky lze používat ve vysokoteplotních procesech ( o C). Regenerační hořáky fungují v páru a pracují na principu krátkodobého uchování tepla pomocí keramických tepelných regenerátorů, viz obr Ty získají % tepla ze spalin odcházejících z pece. Vzduch vstupující do spalování se tak může předehřívat na velmi vysokou teplotu, tj. teplotu o o C nižší, než je provozní teplota pece. Teploty aplikace se pohybují mezi 800 a 1500 o C. spotřebu paliva lze snížit až o 60 %. Obrázek 3-3: Princip fungování regeneračních hořáků [17, Åsbland, 2005] Rekuperační a regenerační hořáky (technologie HiTAC) jsou realizovány v rámci nového režimu spalování s homogenní teplotou plamene (bezplamenné spalování, viz kap. 5.1), bez teplotních špiček konvenčního plamene, v podstatně rozšířené spalovací zóně. Obr. 3.4 ukazuje různé oblasti spalování při kolísajících koncentracích kyslíku a teplotě vzduchu. 136 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

171 Kapitola 3 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 NO x 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 NO x. Provozní údaje V průmyslové peci je možné pomocí vysoce účinného výměníku tepla dosáhnout teploty spalovacího vzduchu o C. 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

172 Kapitola 3 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] Snížení hmotnostního toku spalin prostřednictvím snížení přebytečného vzduchu Popis Přebytečný vzduch lze minimalizovat nastavením průtoku vzduchu průtoku paliva. Automatické měření obsahu kyslíku ve spalinách při řízení přebytečného vzduchu velmi pomůže. V závislosti na tom, jak rychle kolísá poptávka procesu po teple, může se manuálně nastavovat nebo automaticky řídit i přebytečný vzduch. Příliš nízká hladina kyslíku způsobuje hasnutí plamene, pak opětovné zapalování a opačný účinek mohou poškodit zařízení. Z důvodů bezpečnosti by zde měl vždy být přítomný nějaký přebytečný vzduch (zpravidla 1 2 % pro plyn a 10 % pro kapalná paliva). 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] 138 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

173 Kapitola Regulace a řízení hořáků Popis Automatickou regulaci a řízení hořáků lze využít k řízení spalování, a to pomocí monitoringu a řízení toku paliva, toku vzduchu, obsahu kyslíku ve spalinách a poptávky po teple. Viz též kap. 2.10, a 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] 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 ). Požadovaný poměr přebytečného vzduchu (viz kap ) 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 SO x, 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 ): Palivo z obnovitelného zdroje PT/EIPPCB/ENE Finální červen

174 Kapitola 3 Získávání tepelné energie z odpadních plynů, odpadních kapalin nebo tuhých odpadů, které se používají jako palivo Minimalizaci ostatních vlivů na životní prostředí, např. dopravy. Mezisložkové vlivy S různými palivy jsou spojeny různé emise, např. částice, SO x, 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-toenergy) (spalovny odpadů se získáváním tepla) Odpady spalované v cementářských pecích Spalované odpadní plyny, např. uhlovodíkové plyny v rafinérii nebo CO ve zpracování neželezných kovů Teplo z biomasy a/nebo elektráren. Reference [227, TWG] Oxy-hoření (oxypalivo) Popis Místo okolního vzduchu se použije kyslík. Kyslík se buď získává ze vzduchu přímo na místě, nebo se většinou kupuje ve velkém. 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 NO x 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 NO x, protože množství dusíku na hořácích se podstatně snížilo. 140 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

175 Kapitola 3 Snížení hmotnostního toku spalin může také vést k menším systémům na zpracování odpadních plynů a následným požadavkům na energie Tam, kde se kyslík produkuje na místě, lze použít separovaný dusík, např. při míchání a/nebo přípravě inertní atmosféry v pecích, kde může dojít k reakci v oxidačním prostředí (např. pyroforické reakce v průmyslu neželezných kovů). Budoucím přínosem může být snížení množství plynů (a vysoké koncentrace CO 2 ), což může usnadnit záchyt CO 2 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 ). 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 NO x. 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] PT/EIPPCB/ENE Finální červen

176 Kapitola 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 o C. 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] Snížení ztrát prostřednictvím dveří pece Popis Ke ztrátám tepla zářením může také docházet při otevírání pece v rámci nakládky a vykládky materiálů. Obzvláště významné je to u pecí pracujících při teplotě vyšší než 500 o C. 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 142 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

177 Kapitola 3 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 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 o C, a tlakovou vodu (aby se předešlo varu) lze použít i při teplotách nad 100 o C, v některých případech dokonce nad 180 o C. 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 ( 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 ). 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/m 2 C olej 1500 W/m 2 C pára >10000 W/m 2 o C. 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

178 Kapitola 3 údaje). Tlak páry v zařízení je tudíž třeba pečlivě zvažovat, aby se dosáhlo optimálního stavu mezi spolehlivostí a energetickou účinností. Mnoho výhod, které jsou s párou spojeny, se odráží ve značném množství energie, kterou průmysl využívá k její výrobě. Např. v roce 1994 bylo v průmyslu v EU-15 využito asi 5988 PJ energie z páry, což představovalo asi 34 % celkové energie použité ve výrobních průmyslových aplikacích. Některé příklady energie použité k výrobě páry v různých průmyslových odvětvích jsou uvedeny v Tabulce 3.5. Průmysl Energie k výrobě páry (PJ) Procento z celkové energie použité v tomto odvětví Papír a celulóza % Chemické látky % Rafinérie ropy % 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 a ) Ztráty únikem z potrubního systému jsou nižší Dochází k poklesu tvorby vodního kamene 144 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

179 Kapitola 3 Vzhledem k vysokým hodnotám provozního tlaku v parních systémech je mimořádně důležitým aspektem těchto procesů bezpečnost. Parní systém navíc často podléhá hydraulickému rázu nebo různým druhům koroze. Výsledkem toho je, že spolehlivost a životnost různých komponent také do značné míry závisí na designu, nastavení a údržbě celého zařízení. Koncový uživatel: existuje mnoho různých koncových využití páry, např.: o mechanický pohon: turbíny, čerpadla, kompresory atd., které se využívají hlavně u velkokapacitních zařízení, jako sou elektrárny, velké kompresory apod. o vytápění: vytápění v procesech, sušení všech druhů papírových výrobků, vytápění budov o využití v chemických reakcích: řízení chemických reakcí, frakcionace uhlovodíkových komponent a jako zdroj vodíku v reformaci s methanem. Běžné vybavení pro koncové využití parního systému zahrnuje výměníky tepla, turbíny, frakcionační věže, zařízení pro vypuzování lehkých podílů parou a chemické reakční nádoby. Výroba elektřiny je probrána v dokumentu BREF LCP, kogenerace a trigenerace jsou popsány v kap. 3.4 a 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 :2003 (kotle s vodním potrubím a pomocná zařízení: akceptační zkoušky) a CEN EN :2003 (válcové kotle: akceptační zkoušky) PT/EIPPCB/ENE Finální červen

180 Kapitola 3 Distribuce Ventil na snížení tlaku Předehřívač spalovacího vzduchu Spalovací plyny Izolační ventil Ventilátor Konečná spotřeba Ohřívač procesu Ekonomizér Výroba Skořepinový nebo trubkový tepelný výměník Separátor páry Ohřívač procesu Separátor páry Spalovací vzduch Palivo Napájecí čerpadlo Odvzdušňovač Separátor páry Čerpadlo kondenzátu Zásobník na kondenzát Rekuperace Obrázek 3-5: Běžný systém výroby a distribuce páry [123, US_DOE] Použitelnost Použití je široké. Ekonomie Náklady na výrobu páry přímo ovlivňuje cena použitého paliva (viz Spalování, kap. 3.1). Cenové zvýhodnění určitého paliva může snadno převážit relativně menší tepelnou účinnost spojenou s daným palivem. Nicméně u každého paliva lze dosáhnout značných úspor při zlepšení tepelné účinnosti. Eliminace všech možných ztrát energie při výrobě a distribuci páry (včetně vracení kondenzátu) může podstatným způsobem snížit náklady na páru v bodě jejího využití. Potenciální úspory energie se pro jednotlivé závody mohou pohybovat od méně než 1 do 35%, přičemž průměrné úspory činí 7%. 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] 146 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

181 Kapitola Přehled opatření na zlepšení výkonu parního systému Parní systémy jsou podrobně popsány v dokumentu BREF LCP. Pro čtenáře jsou zde uvedeny odkazy na techniky popsané jak v BREFu LCP 20, 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 DESIGN Energeticky účinný design a instalace parního distribučního potrubí Škrtící zařízení a využití protitlaké turbíny (použití protitlaké turbíny místo redukčních ventilů PROVOZ A ŘÍZENÍ Zlepšení provozních postupů a řízení provozu kotlů Využití sekvenčního (následného) řízení kotlů (platí pro závody s více než jedním kotlem) Instalace izolačních tlumičů u spalin (platí pro závody s více než jedním kotlem) 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 Prevence a odstraňování usazenin vodního kamene na povrchu, kde dochází k přenosu tepla. Čištění povrchů pro přenos tepla v kotli. Lepší čištění vody, které minimalizuje odluhy kotle. Instalace automatického řízení celkových rozpuštěných látek Optimalizace úspor energií 2.3 Poskytuje účinnější metodu snižování tlaku páry pro nízkotlaké služby Kapitola Optimalizace úspor energií Optimalizace úspor energií Optimalizace úspor energií Získává se dostupné teplo ze spalin a přesouvá se zpět do systému tím, že předehřívá napájecí vodu. Posílení účinného přenosu tepla z plynů ze spalování do páry Snižuje celkové množství rozpuštěných látek v kotelní vodě, což umožňuje méně odluhů a tím i méně energetických ztrát Snižuje ztráty tepla z kotle a obnovuje jeho účinnost Získávání energie z Připojení nebo obnova žáruvzdornosti kotle 2.9 Optimalizace ventilu odvzdušňovacího zařízení Minimalizuje ztráty páry Minimalizace ztrát z krátkých cyklů kotle Optimalizace energetických úspor Provádění údržby kotle 2.6 DISTRIBUCE Optimalizace systému distribuce páry (zejména se 2.6 týká níže popsané problematiky) Izolace páry od nepoužívaných linií Minimalizace ztrát páry a Odkaz na verzi BREFu LCP z roku 2006 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

182 Kapitola 3 Izolace parního potrubí a potrubí pro návrat kondenzátu (Zajištění dobré izolace potrubí, ventilů, armatur a nádob) Realizace programu řízení a oprav oddělovačů páry ZÍSKÁVANÍ KONDENZÁTU Sběr a návrat kondenzátu do kotle k opětovnému použití (Optimalizace získávání kondenzátu) Opětovné využití mžikové páry (Využití vysokotlakého kondenzátu k výrobě nízkotlaké páry) Získávání energie z odluhu kotle snížení ztrát energie z potrubí a povrchů zařízení Snížení ztrát energie z potrubí a povrchů zařízení Snižuje průchod ostré páry do systému kondenzátu a posiluje účinný provoz zařízení pro přenos tepla u koncového uživatele, minimalizuje ztráty páry Získává se tepelná energie v kondenzátu a snižuje se množství vody přidávané do sytému, uspoří se energie a čištění pomocí chemických látek Využití energie dostupné ve vracejícím se kondenzátu Přesouvá energii dostupnou v odluhu zpět do systému a tím snižuje ztráty energie Techniky v dokumentu BREF LCP červen 2006 podle druhu paliva a kapitoly Uhlí a lignit Biomasa a rašelina Kapalná paliva Plynná paliva Expanzní turbína k získání energie stlačených plynů Výměna lopatek v turbíně Použití moderních materiálů k dosažení vysokých parametrů páry Parametry superkritické páry Dvojité přehřátí Regenerační napájecí voda Využití tepla spalin k městskému vytápění Akumulace tepla Moderní počítačové řízení plynové turbíny a následných kotlů tabulka 3-6 Běžné techniky energetické účinnosti pro průmyslové parní systémy. Upraveno a sestaveno podle [123, US_DOE] Ve většině případů se pára v průmyslových závodech vyrábí při spalovací reakci, takže se nelze vyhnout určitému překrývání komplexních opatření v oblasti energetické účinnosti, které lze aplikovat jak pro spalování, tak i pro páru. Tyto postupy jsou uvedeny v Tabulce 3.6. Techniky specifické pro páru jsou probrány v této kapitole. 148 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

183 Kapitola 3 Pro realizaci kteréhokoli z těchto opatření je velmi důležité mít relevantní, kvantifikované informace a znalosti o využívání paliv, výrobě páry a parní síti. Měření a monitoring páry přispívají k porozumění danému procesu, spolu se znalostmi o tom, do jaké míry je možné upravovat provozní parametry, a to je zase nanejvýš důležité pro úspěšnou integraci např. získávání tepla do procesu (viz kap. 2.10) Škrtící zařízení a využití protitlakých turbín Popis Škrtící zařízení jsou v průmyslu velmi běžná a používají se k řízení a snižování tlaku, především pomocí ventilů. Protože škrtící proces je izoentalpický (kdy toky entalpie nahoru a dolů jsou si rovny), neztrácí se žádná energie a podle prvního zákona termodynamiky je jeho účinnost optimální. Tento proces je nicméně spojen s typickou mechanickou nevratností, při níž se snižuje tlak a zvyšuje se entropie tekutiny, aniž by přitom vznikal nějaký další přínos. V důsledku toho je exergie ztracena a kapalina je po poklesu tlaku méně schopná produkovat energii, např. při následném expanzním procesu v turbíně. Pokud je tedy cílem snížit tlak tekutiny, je vhodnější použít izoentropické expanze a prostřednictvím turbíny získat navíc užitečnou práci. Pokud to není možné, měl by být pracovní tlak vždy co nejnižší, aby se předešlo velkým změnám tlaku, kdy se prostřednictvím ventilů a měřičů (viz kap ) 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 %, 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

184 Kapitola 3 předvídatelným způsobem. Nepředvídatelný nebo nekontinuální zdroj se nemůže spolehlivě využívat (pokud nelze (v ojedinělých případech) špičky v dodávce a poptávce vyrovnat). Protitlaké turbíny nejsou užitečné, pokud jsou obě hladiny tlaku blízko sebe, protože tyto turbíny potřebují vysoký rozdíl toku a tlaku. V ocelářském průmyslu se v procesu vysokých pecí používají turbíny s poklesem tlaku, vzhledem k velkému počtu plynů, které vysokou pecí protékají. Ekonomie Turbíny jsou o několik řádů dražší než řídící ventily. Před případnou výměnou je tudíž nutné zvážit (z hlediska bilance páry) její minimální velikost, která bude účinná. V případě nízkých hmotnostních toků nejsou turbíny z ekonomického hlediska rozumným řešením. Aby byl jejich provoz ekonomický, měla by být získaná energie dostatečně spolehlivá, dostupná po velkou část provozní doby a odpovídat poptávce. 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] Provozní a řídící techniky Popis Zlepšování provozních postupů a řízení provozu kotle Moderní řídící systém, který optimalizuje využití kotle, je na obr o tomto druhu řízení dále pojednávají kap 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. 150 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

185 Kapitola 3 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] PT/EIPPCB/ENE Finální červen

186 Chapter 3 Průmě. využití výkonu 50 % Kondenzát Míra vrácení kondenzátu 60 % Míra kondenzace 1607 kg/h Tepelná izolace NE Úprava vody Zásobník vody SOFTENER Teplota v zásobníku 32 C Rekuperace odkalu NE ODVZDUŠNĚNÍ Napájecí voda TAS 20 f Typ zásobníku jednoduchý Napájecí voda TH 0 f Ekonomizér NE Modulace vody NE Proměnlivost větrání NE O 2 korekce NE Příkon ventilátoru 8,8 kw Modulace hořáku ANO Příkon vodního čerpadla 2,5 kw EKONOMIZÉR Náklady za elektřinu 5221 EUR/year Power exchange 0 kw Teplota vstup. 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 pryskyřic 100 litry Teplota výstup. vody EKONOMIZÉR 32 C Spotřeba solí 7488 kg/rok odpadního plynu Náklady za sůl 1872 EUR/rok HCl 0 kg/rok Výroba páry t/rok Pracovní tlak 10 bars consumption HCl náklady 0 EUR / rok Úprava vody Náklady úprav EUR / rok PARNÍ KOTEL Odpařování 5 t/ h Doplňující voda 9734 m 3 /h Roční náklady 9734 EUR/m 3 Plyn Provoz 8736 h ZEMNÍ PLYN Průměrný průtok paliva 207 Nm 3 /h Míra odluhu 179 kg / h Spotřeba paliva Nm 3 /rok Úroveň odluhu 7 % Náklady na palivo EUR/rok Výkon 3250 K Odluh Účinnost 90,04 W % Odhad nákladů na tunu páry 16,3 4 EUR/tunu páry Obrázek 3-6: Moderní řídící systém s optimalizací využití kotle 152 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE_Finální

187 Kapitola Předehřívání napájecí vody (včetně použití ekonomizérů) Popis Voda odcházející z odvzdušňovacího zařízení a vracející se do kotle má většinou teplotu kolem 105 o C. Voda v kotli při vyšším tlaku má i vyšší teplotu. Do parního kotle se přivádí voda, aby se nahradily ztráty v systému a recykloval se kondenzát. Získávání tepla je možné předehříváním napájecí vody, díky čemuž klesnou požadavky na přívod paliva do kotle. Předehřívání se může provádět čtyřmi způsoby: Pomocí odpadního tepla (např. z procesu): Napájecí vodu lze předehřívat dostupným odpadním teplem, např. pomocí tepelných výměníků voda-voda. Pomocí ekonomizérů: Ekonomizér [(1) na obr. 3.7] je výměník tepla, který snižuje požadavky parního kotle na palivo tím, že přenáší teplo ze spalin do přiváděné vody. Pomocí odvzdušněné napájecí vody: kondenzát lze také předehřívat odvzdušněnou napájecí vodou předtím, než se dostane do nádrže pro napájecí vodu [(2) na obr. 3.7]. Napájecí voda z nádrže na kondenzát [(3) na obr. 3.7] má nižší teplotu než odvzdušněná napájecí voda z nádrže na napájecí vodu [(2) na obr. 3.7]. Prostřednictvím výměníku tepla se odvzdušněná voda dále ochladí (teplo se přenese do napájecí vody z nádrže na kondenzát). Výsledkem je, že odvzdušněná napájecí voda, která prošla dále čerpadlem na napájecí vodu, je chladnější, když prochází ekonomizérem [(1) na obr. 3.7]. Zvyšuje se tím jeho účinnost díky většímu rozdílu teplot a snižuje se i teplota spalin a ztráty ve spalinách. V celkovém výsledku se tak ušetří ostrá pára, protože napájecí voda v nádrži na napájecí vodu je teplejší a pro její odvzdušnění je tudíž třeba méně ostré páry. Odpadní plyn Kotel Ekonomizér (1) Turbína Turbine Odvzdušněná napájecí voda Spotřebič tepla Ostrá pára Kondenzátor Odvzdušněná napájecí voda Zásobník napájecí vody (2) Předehřev napájecí vody odpadním teplem Zásobník kondenzátu (3) 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 , 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

188 Kapitola 3 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 %). Teplota spalin zpravidla převyšuje teplotu nasycené páry o asi 70 o C. Teplota spalin je u standardního průmyslového parního generátoru asi 180 o C. 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 o C pro těžký topný olej, 130 o C pro lehký topný olej, 100 o C pro zemní plyn a 110 o C 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 o C 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 o C na asi 140 o C. Použitelnost V některých stávajících závodech lze provést integraci systému předehřívání napájecí vody jen obtížně. V praxi se předehřívání napájecí vody odvzdušněnou napájecí vodou aplikuje jen zřídka. V závodech s vysokým výkonem je předehřívání napájecí vody v ekonomizéru standardní. V tomto kontextu je však možné zlepšovat účinnost ekonomizéru až o 1 % tím, že se zvýší rozdíl teplot. Při použití odpadního tepla z ostatních procesů je to také ve většině závodů možné. Je zde také potenciál pro jeho využití v závodech s nižším výkonem. Ekonomie Potenciál možných úspor energie v případě zavedení předehřívání napájecí vody v ekonomizéru závisí na několika podmínkách, jako jsou např. požadavky lokálního systému, stav komína nebo kvalita spalin. Doba návratnosti konkrétního parního distribučního systému bude záležet na době jeho provozu, aktuální ceně paliva a lokalitě. V praxi se možné úspory spojené s předehříváním napájecí vody pohybují kolem několika procent objemu vyrobené páry. Takže i u malých kotlů mohou být úspory energie v rozsahu několika GWh ročně. Např. u kotle s výkonem 15 MW lze dosáhnout úspor kolem 5 GWh/rok, 154 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

189 Kapitola 3 asi EUR/rok a přibližně 1000 tun CO 2 /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 o C vyšších, než je teplota vyrobené páry. Účinnost kotle lze zpravidla zvýšit o 1 % na každých 40 o C, o které se sníží teplota spalin. Díky získávání odpadního tepla může ekonomizér často snížit požadavky na palivo o 5 10 % a může tak sám zaplatit za méně než 2 roky. Tabulka 3.7 uvádí příklady potenciálu v oblasti získávání tepla. Přibližné množství tepla, které lze získat ze spalin z kotle Počáteční teplota plynu v komíně, Získatelné teplo (kw) Tepelný výkon kotle (kw) ºC tabulka 3-7 Údaje pro zemní plyn, 15 % přebytečný vzduch a konečná teplota komína 250 o F Převzato z [123, US_DOE] Hybná síla pro zavedení Snížení nákladů na energie a minimalizace emisí CO 2. Příklady Široké využití. Reference [16, CIPEC, 2002, 26, Neisecke, 2003, 28, Berger, 2005, 29, Maes, 2005, 123, US_DOE] Prevence a odstraňování nánosů kotelního kamene na povrchu, kde dochází k přenosu tepla Popis Ve výrobních kotlích i v potrubí výměníků tepla může docházet k usazování kotelního kamene na plochách, kde dochází k přenosu tepla. Tyto usazeniny vznikají při reakci rozpustných látek v kotelní vodě za vzniku vrstvy materiálu právě na straně, kde potrubím prochází voda. Kotelní kámen způsobuje problémy, protože jeho tepelná vodivost je řádově nižší než hodnota tepelné vodivosti samotné oceli. Pokud se na povrchu, kde dochází k výměně tepla, vytvoří usazenina určité tloušťky a daného složení, pak se přenos tepla těmito povrchy snižuje úměrně tloušťce usazeniny. Dokonce i malé usazeniny tak mohou sloužit jako účinný tepelný izolátor a v důsledku toho tak snižovat přenos tepla. Výsledkem je přehřívání kovu kotelního potrubí, poškození tohoto potrubí a ztráty energetické účinnosti. Odstraněním těchto usazenin mohou provozovatelé snadno ušetřit energii i roční provozní náklady. Palivo, které je zbytečně spotřebováno kvůli nánosům kotelního kamene, může tvořit až 2 % u kotle s klasickým vodním potrubím a až 5 % u žárotrubného kotle. Na úrovni kotlů může pravidelné odstraňování kotelního kamene představovat značné úspory energie. Dosažené environmentální přínosy Snížení ztrát energie. Tabulka 3.8 ukazuje ztráty při přenosu tepla, když se na povrchu s přestupem tepla tvoří vodní kámen. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

190 Kapitola 3 Tloušťka usazeniny vodního kamene (mm) Rozdíl v přenosu tepla 21 (%) 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 ). 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. 156 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

191 Kapitola 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 ). 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 a ). 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 o C; oxid křemičitý 130 mg/l; chloridy méně než 600 mg/l). Více podrobností je v normě EN 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 a ). Tlakové odplynění má rovněž za následek další ztráty ve výši 1 3 %. Ze surové vody v procesu se odstraňuje CO 2 a kyslík (pomocí mírně přebytečného tlaku při teplotě 103 o C). je možné to minimalizovat pomocí optimalizace chodu odvzdušňovacího ventilu (viz kap ). 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

192 Kapitola 3 Obsah energie v odluhu v kj/kg vyrobené páry Míra odluhů Provozní tlak kotle (% výstupu kotle) 2 barg 5 barg 10 barg 20 barg 50 barg 1 % 4,8 5,9 7,0 8,4 10,8 2 % 9,6 11,7 14,0 16,7 21,5 4 % 19,1 23,5 27,9 33,5 43,1 6 % 28,7 35,2 41,9 50,2 64,6 8 % 38,3 47,0 55,8 66,9 86,1 10 % 47,8 58,7 69,8 83,6 107,7 tabulka 3-9 Obsah energie v odluhu [29, Maes, 2005] Pokud se sníží frekvence odluhů, sníží se i množství odpadních vod. Ušetří se také energie, resp. chladící voda používaná k ochlazení této odpadní vody. 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] 158 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

193 Kapitola Optimalizace ventilu odvzdušňovacího zařízení 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 ). 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

194 Kapitola 3 Odvzdušňovací zařízení je navrženo tak, aby odstraňovalo kyslík rozpuštěný ve vstupní vodě, nikoli zaneseném vzduchu. Zdroje volného vzduchu jsou volná připojení potrubí na sací straně čerpadel a nedokonalé těsnění čerpadel. Použitelnost Všechny závody s odvzdušňovacím zařízením na parních systémech. Optimalizace je součástí průběžné údržby. Ekonomie Nebyla dodána data. Hybná síla pro zavedení Úspory nákladů. Příklady Široké použití. Reference [123, US_DOE] Minimalizace ztrát způsobených krátkým cyklem kotle Popis Ke ztrátám během krátkých cyklů dochází vždy, když je kotel na krátkou dobu vypnut. Cyklus kotle sestává z doby provětrávání, provětrávání po odstavení hořáku, prostoje, provětrávání před zapálením hořáku a návratu k hoření. Část ztrát z doby provětrávání a prostoje může být u moderních, dobře izolovaných kotlů nízká, ale může výrazně narůstat u starších kotlů s méně kvalitní izolací. Ztráty způsobené krátkými cykly u parních kotlů mohou narůstat, pokud tyto kotle mohou vyrobit požadovanou kapacitu za velmi krátké časové období. To je například případ, kdy je instalovaná kapacita kotle podstatně větší než kapacita, která je nejčastěji potřeba. Potřeba páry v procesu se může s časem měnit a měla by se pravidelně přehodnocovat (viz kap ). Celková poptávka po páře se může díky realizaci opatření v oblasti energetické účinnosti snížit. Určitou alternativou také může být instalace kotlů s možností pozdějšího rozšíření, ke které nakonec nemusí dojít. Ve fázi projektování závodu je především třeba věnovat pozornost druhu kotle. Žárotrubné kotle mají značně velkou akumulační schopnost a značný obsah vody. Jsou vybaveny tak, aby uspokojovaly kontinuální potřebu páry a vyrovnaly se s velkými špičkovými zatíženími. Parní generátory nebo trubkové kotle mohou také dodávat páru ve větších kapacitách. Díky svému relativně nižšímu obsahu vody jsou trubkové kotle vhodnější pro závody s výrazně kolísavým zatížením. Krátkým cyklům lze předcházet instalací několika kotlů s menší kapacitou namísto jediného kotle s velkou kapacitou. Výsledkem je zvýšení flexibility i spolehlivosti. Automatizované řízení účinnosti výroby a marginálních nákladů na výrobu páry v každém kotli pak může být základem systému managementu kotle (kotlů). Dodatečná poptávka po páře je tak uspokojena z kotle, který má nejnižší marginální náklady. Další možností je případ, kdy je k dispozici záložní kotel. V takovém případě se tento kotel může udržovat na určité teplotě cirkulací vody z jiného kotle přímo přes kotel záložní. Minimalizují se tak ztráty ve spalinách pro záložní kotel. Záložní kotel by měl mít dobrou izolaci a správný vzduchový ventil u hořáku. Úspor energie lze dosáhnout izolací kotle nebo jeho výměnou. 160 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

195 Kapitola 3 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 Hybná síla pro zavedení Úspory nákladů Lepší výkon systému. Příklady Nebyla dodána data. Reference [29, Maes, 2005, 123, US_DOE] Optimalizace parních distribučních systémů Popis Distribuční systém přepravuje páru z kotle k různým koncovým uživatelům. Ačkoli se distribuční systémy mohou jevit jako pasivní, ve skutečnosti regulují dodávku páry a reagují na měnící se teplotu a požadavky na tlak. Řádné fungování distribučního systému proto vyžaduje pečlivě provedený projekt a účinnou údržbu. Potrubí by mělo být správně dimenzované, podepřené, izolované a konfigurované s odpovídající flexibilitou. Zařízení pro regulaci tlaku, jako jsou redukční ventily a protitlaké turbíny, by měly být konfigurovány tak, aby umožňovaly správnou rovnováhu páry mezi různými sběrači páry. Distribuční systém by také měl konfigurován tak, aby umožňoval vhodné odvádění kondenzátu, což vyžaduje správnou kapacitu sběrače kondenzátu a správný výběr oddělovače páry. Údržba tohoto systému je důležitá, zejména: aby se zajistilo správné fungování oddělovačů (viz kap ) aby byla instalována a udržována izolace (viz kap ) 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

196 Kapitola 3 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] Izolace parního potrubí a potrubí pro vracení kondenzátu Popis Parní potrubí a potrubí pro vracení kondenzátu, které není izolováno, je konstantním zdrojem tepelných ztrát, kterým lze snadno předcházet. Izolace všech ohřívaných povrchů je ve většině případů snadno proveditelné opatření. Lokalizované poškození izolace lze navíc snadno opravit. Izolaci je možné odstraňovat nebo vyměňovat během provozní údržby nebo oprav. Odstranitelné izolační kryty ventilů nebo jiných zařízení lze dočasně postrádat. Mokrou nebo ztvrdlou izolaci je třeba vyměnit. Příčinu mokré izolace je často možné najít v unikajícím potrubí. Úniky by se měly opravy ještě před výměnou izolace. Dosažené environmentální přínosy Tabulka 3.10 ukazuje ztráty tepla z neizolovaného parního potrubí při různém tlaku páry. 162 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

197 Kapitola 3 Průměr distribučního potrubí (mm) Ztráty tepla na 30 m neizolovaného parního potrubí (kw/rok) Tlak páry (bar) 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 o C 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 o C, 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] Instalace odstranitelných izolačních tvarovek nebo ventilů a armatur Popis Během údržby se izolace pokrývající potrubí, ventily a armatury často poškodí nebo se odstraní a už se nenahradí novou. Izolace různých komponent v rámci závodu se často různí. Např. moderní kotle mají většinou samy již dobrou izolaci. Na druhé straně armatury, ventily a další spoje obvykle nejsou dobře izolovány. Pro plochy, které emitují teplo, jsou k dispozici opětovně použitelné a odstranitelné izolační tvarovky. Dosažené environmentální přínosy Účinnost této techniky záleží na konkrétní aplikaci, ale ztráty tepla v důsledku častého narušení izolace se často podceňují. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

198 Kapitola 3 Následující tabulka shrnuje energetické úspory spojené s používáním izolačních krytů na ventily pro různé velikosti ventilů a provozní teploty. Tyto hodnoty byly vypočítány pomocí počítačového programu, který splňuje požadavky na výpočty tepelných ztrát a teploty povrchu ASTM C 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) Provozní teplota ºC Velikost ventilu v mm * vychází z izolace pomocí izolačních tvarovek (tloušťka 25 mm) na ventilu třídy ANSI 150 s okolní teplotou 20 o C 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 o C a kde je riziko kontaktu s osobami, by se měl izolovat kvůli ochraně zaměstnanců (viz Izolace, kap ). Izolační tvarovky lze snadno odstranit při pravidelných kontrolách nebo údržbě a v případě potřeby je vyměnit. Izolační tvarovky také mohou obsahovat materiál fungující jako akustická bariéra, která pomáhá tlumit hluk. Zvláštní péči je třeba věnovat izolaci oddělovače páry. Různé druhy oddělovačů mohou správně fungovat pouze tehdy, jestliže může omezené množství páry kondenzovat nebo když může být emitováno definované množství tepla (např. určité termostatické nebo termodynamické oddělovače páry). Pokud jsou tyto oddělovače izolovány nadměrně, může to narušit jejich provoz. Je proto nutné jejich izolaci nejprve konzultovat s výrobcem nebo jiným odborníkem. Ekonomie Technika může mít rychlou návratnost, ale tento čas závisí na energii, ceně a ploše, kterou je třeba izolovat. 164 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

199 Kapitola 3 Hybná síla pro zavedení Úspory nákladů Zdraví a bezpečnost Příklady Široce používaná technika. Reference [29, Maes, 2005], [16, CIPEC, 2002, 123, US_DOE] Realizace programu účinné údržby oddělovače páry Popis Unikající oddělovače páry představují značné množství ztracené páry a tím pádem i energie. Řádná údržba může tyto ztráty účinným způsobem snížit. U parních systémů, kde nebyly oddělovače páry kontrolovány v posledních třech až pěti letech, může mít poruchu a tudíž způsobovat úniky až 30 % všech oddělovačů. U systémů s programem pravidelné údržby uniká méně než 5 % z celkového počtu oddělovačů. Existuje mnoho různých typů oddělovačů páry a každý typ má svou vlastní charakteristiku a podmínky. Kontroly unikající páry zahrnují kontrolu akustickou, vizuální, kontrolu elektrické vodivosti nebo tepelnou kontrolu. Při výměně oddělovačů páry lze uvažovat o přechodu na oddělovače páry systému Venturi (s otvorem). Některé studie naznačují, že při dodržení specifických podmínek mají tyto oddělovače nižší ztráty páry a delší životnost. Názory odborníků na využití oddělovačů páry systému Venturi (s otvorem) se však různí. V každém případě je však tento typ oddělovače páry spojen s kontinuálními úniky, takže by se měl používat pouze pro velmi specifické služby (např. na vařáky, které vždy pracují na minimálně % své projektované kapacity). Dosažené environmentální přínosy Tabulka 3.12 ukazuje přibližné ztráty páry způsobené úniky pro několik průměrů. Přibližný průměr otvoru oddělovače Přibližné ztráty páry (kg/h) Přibližný tlak páry (bar) (mm) ,38 1,5 2,1-2 1,5 6,0 8,6 16,4 3 6, ,4 65,8 4 13, , , 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 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

200 Kapitola 3 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) FT t,y je provozní faktor oddělovače páry t během období y FS t,y je faktor zatížení oddělovače páry t během období y CV t,y je koeficient průtoku oddělovače páry t během období y h t,y je počet hodin provozu oddělovače páry t během období y P in,t je vstupní tlak oddělovače páry t (atm) P out,t je výstupní tlak oddělovače páry t (atm). Provozní faktor FT t,y vyplývá z Tabulky druh FT BT Profukuje 1 LK Uniká 0.25 RC Rychlý 0.20 cyklus 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 tabulka 3-15 Faktor zatížení pro ztráty páry [29, Maes, 2005] Aplikace Faktor zatížení Standardní procesní aplikace 0,9 Oddělovač páry s odkapáváním 1,4 a indikací Tok páry (žádný kondenzát) 2,1 Nakonec i velikost potrubí určuje koeficient průtoku: CV = 3.43 D² kde D = poloměr otvoru (cm). 166 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

201 Kapitola 3 Příklad výpočtu: FT t,y = 0,25 FS t,y = 0,9 protože množství páry, která prošla oddělovačem, je zkondenzováno, ale korigováno ve srovnání s kapacitou oddělovače páry (Tabulka 3.16) CV t,y = 7,72 D = 1,5 cm h t,y = 6000 hodin ročně P in,t = 16 atm P out,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 EUR. Pokud pára unikne spíše celkově než jen prostřednictvím úniků, mohou se náklady vyšplhat až na 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] Sběr a vracení kondenzátu do kotle k opětovnému použití Popis Tam, kde se teplo aplikuje do procesu pomocí výměníku tepla, pára během své kondenzace v horkou vodu vydává energii v podobě latentního tepla. Tato voda se ztrácí nebo se (obvykle) shromažďuje a vrací do kotle. Opětovné používání kondenzátu má čtyři cíle: Opětovné využití energie obsažené v horkém kondenzátu PT/EIPPCB/ENE Finální červen

202 Kapitola 3 Úspora nákladů na surovou vodu Úspora nákladů na čištění kotelní vody (čistit se musí kondenzát) Úspora nákladů na vypouštění odpadních vod (tam, kde je to aktuální) Kondenzát se běžně shromažďuje při atmosférickém a negativním tlaku. Může pocházet z páry používané v zařízeních při mnohem vyšším tlaku. Dosažené environmentální přínosy Když se tento kondenzát vrací do atmosférického tlaku, vytváří se spontánně mžiková pára. Tu lze také získávat (viz kap ). 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] Opětovné využití mžikové páry Popis Mžiková pára se tvoří v momentě, kdy kondenzát při vysokém tlaku expanduje. Jakmile je kondenzát při nižším tlaku, jeho část se opět odpaří a vytvoří mžikovou páru. Mžiková pára obsahuje jak čištěnou vodu tak i velkou část dostupné energie, která je stále přítomná v kondenzátu. 168 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

203 Kapitola 3 Energii lze získat prostřednictvím výměny tepla s přídavnou napájecí vodou. Pokud se odluhová voda předem přivede na nižší tlak v mžikové nádrži, pak se pára vytvoří při nižším tlaku. Tuto mžikovou páru lze přímo přesunout do odplyňovacího zařízení a ta se tak může smísit s čerstvou přídavnou napájecí vodou. Mžiková pára neobsahuje žádné rozpuštěné soli a představuje velký podíl energie v odluhu. Mžiková pára však zabírá mnohem větší objem než kondenzát. Potrubí určené pro návrat musí být schopné si s tím poradit bez nárůstu tlaku. Jinak by výsledný protitlak mohl narušit správné fungování oddělovačů páry a dalších komponent, které dále navazují. V kotelně lze mžikovou páru, podobně jako kondenzát, využít k ohřevu čerstvé napájecí vody v odplyňovacím zařízení. Další možností využití mžikové páry je ohřev vzduchu. Mimo kotelnu lze mžikovou páru využít k ohřevu komponent na teplotu pod 100 o C. 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 o C a entalpii 419 kj/kg. Pokud se získává mžiková pára nebo pára po odpaření, pak celkový obsah energie záleží na pracovním zatížení celého zařízení. Podíl energie, která odchází z parního systému v kondenzátu, je uvedena v tabulce 3.16, která také udává relativní množství energie v kondenzátu a v mžikové páře. Při vyšších tlacích mžiková pára obsahuje většinu energie. Absolutní tlak (bar) V kondenzátu při atmosférickém tlaku (%) V kondenzátu + páře po odpaření při tlaku kotle (%) Relativní podíl energie, kterou lze získat v mžikové páře (%) 1 13,6 13,6 0,0 2 13,4 16,7 19,9 3 13,3 18,7 28,9 5 13,2 21,5 38,6 8 13,1 24,3 46, ,0 25,8 49, ,0 28,7 54, ,9 30,9 58, ,9 32,8 60, ,9 37,4 65,4 Pozn.: napájecí voda pro zařízení má často průměrnou roční teplotu cca 15 C. Tato čísla byla vypočítána na základě situace, kde je teplota vody dodávané do zařízení 15 C, nebo její entalpie je 63 kj/kg tabulka 3-16 Procenta z celkové energie přítomné v kondenzátu při atmosférickém tlaku a v mžikové páře [29, Maes, 2005] 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

204 Kapitola 3 se/napájecího proudu vody, čímž se zlepší účinnost kotle. To je ta energeticky nejúčinnější kombinace. Musí však existovat využití pro nízkotlakou páru z mžikové páry, přičemž je třeba vzít v úvahu, že nízkotlaká pára (ze všech zdrojů) se může přemísťovat jen na krátké vzdálenosti. V mnoha případech (např. v rafinériích nebo chemičkách) je nadbytek nízkotlaké páry a často pro ni není využití. Pak je nejlepším řešením návrat kondenzátu do odvzdušňovacího zařízení: uvolňování mžikové páry do atmosféry je plýtvání energií. Aby se předešlo problémům s kondenzátem, může se kondenzát sbírat lokálně v konkrétní jednotce nebo při konkrétní činnosti a čerpat zpět do odvzdušňovacího zařízení. Zavedení kterékoli varianty závisí na poměru vynaložených nákladů a výsledného zisku spojeného s instalací potrubí a dalšího vybavení (viz kap ). Provozní údaje Opětovné využití mžikové páry je možné v mnoha případech, často k ohřevu na teplotu nižší než 100 o C. 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 o C. 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 o C. Když se pára používá např. k ohřevu do teploty 100 o C, 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 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

205 Kapitola 3 Hybná síla pro zavedení Úspory nákladů Využití nízkotlaké páry. Příklady Nebyla dodána data. Reference [29, Maes, 2005, 123, US_DOE] Získávání energie z odluhů kotle Popis Z odluhů kotle lze získávat energii pomocí výměníku tepla, který předehřívá přídavnou napájecí vodu do kotle. Každý kotel s kontinuálním odluhem, který převyšuje 4 %, je vhodný pro zavedení systému získávání odpadního tepla z odluhu. Větších energetických úspor se dosahuje u kotlů s vysokým tlakem. Na druhé straně mžikový odluh při středním nebo nízkém tlaku je dalším způsobem, jak zužitkovat energii, která je k dispozici (viz kap ). Dosažené environmentální přínosy Potenciální energie získaná v podobě tepla z odluhu je uvedena v tabulce Energie získaná ze ztrát spojených s odluhem v MJ/h 22 Míra odluhu Provozní tlak kotle % výkonu kotle 2 barg 5 barg 10 barg 20 barg 50 barg 1 % % % % % % 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 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 o C a účinnosti procesu získávání tepla z odluhu 88 % PT/EIPPCB/ENE Finální červen

206 Kapitola 3 Hybná síla pro zavedení Úspory nákladů. Příklady Viz příklady v Příloze Reference [29, Maes, 2005], [16, CIPEC, 2002] [123, US_DOE] CEN EN :2003 a CEN EN : 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 , 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. teplo z horkých proudů, jako jsou např. spaliny 2. teplo z relativně studených proudů (< 80 o C). 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 ) 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 ( ). Před zkoumáním možností získávání tepla je důležité, aby byly příslušné procesy optimalizovány. Optimalizace až po zavedení systému získávání tepla může získávání tepla 172 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

207 Kapitola 3 ovlivnit úplně opačně, mohlo by se zjistit, že je systém získávání tepla předimenzovaný a také ekonomicky to bude nevýhodné. Po optimalizaci procesů je nejdůležitější zhodnotit kvalitu a množství odpadního tepla a pak zjistit jeho možná využití. Získávání tepla je často limitováno kvalitou odpadního tepla a možnostmi jeho využití. Je velmi důležité mít relevantní, kvantifikované informace a znalosti procesů, ve kterých toto teplo vzniká a do kterých se má získávání tepla začlenit. Primární důvod pro komplikace a selhání při získávání odpadního tepla je nedostatek porozumění. Chyby a opomenutí mívají závažnější dopad než např. špatně zvolený typ výměníku tepla. Kromě termodynamických chyb jsou to fyzikální vlastnosti zdroje odpadního tepla, které mohou vést k problémům, ať už bude zvolen jakýkoli výměník tepla, jestliže nebudou tyto vlastnosti přezkoumány na samém počátku. Podrobné porozumění fungování procesu spolu se znalostmi o tom, jak dalece lze modifikovat provozní parametry, má zásadní význam pro úspěšnou integraci získávání tepla do procesu. Podrobné měření a zaznamenávání provozních údajů je vynikajícím startem pro plánování. Pomůže to také identifikovat možné úspory s nízkými náklady. Možné varianty jsou: Využití tepla v procesu, ze kterého pochází (tj. recirkulace, často pomocí výměníků tepla, např. ekonomizéry, viz kap ) Použití tepla v jiném systému nebo jednotce (tato varianta může vzniknout proto, že odpadní teplo nemá dostatečně vysokou teplotu). Pak nastávají dvě možnosti: o o - v rámci závodu, v jiné jednotce nebo procesu - 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 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 o C až po 500 o C, 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) PT/EIPPCB/ENE Finální červen

208 Kapitola 3 Spirála Tepelné potrubí/samočinný oběh Trubkový rekuperátor Ekonomizér Kondenzační ekonomizér Sprchový kondenzátor (kapalinový výměník tepla) Kotlový výměník tepla Deskový výměník tepla Deskový + kotlový výměník tepla Při vyšších teplotách (nad 400 o C) 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 Tyto systémy využívají topné nebo chladící hady (spirály). Účinnost Výměníky tepla jsou navrženy pro konkrétní energeticky optimalizované aplikace. Následný provoz výměníků tepla za jiných nebo proměnlivých provozních podmínek je možný pouze v rámci určitých limitů. Povede to ke změnám přenášené energie, koeficientu přestupu tepla (hodnota U) a k poklesu tlaku média. Koeficient přestupu tepla a tím i přenesenou energii ovlivňuje tepelná vodivost i podmínky na povrchu materiálu přenášejícího teplo a jeho tloušťka. Vhodný mechanický design a volba materiálů mohou zvýšit účinnost výměníku tepla. Náklady a mechanické zatížení také hrají významnou roli ve volbě materiálu a konstrukčního designu. Energie přenesená pomocí výměníku tepla je velmi závislá na povrchu výměníku. Plochu tohoto povrchu lze zvětšit pomocí žeber. Je to obzvláště užitečné pro dosažení nízkých koeficientů přestupu tepla (např. plynové výměníky tepla). Akumulace nečistot na povrchu výměníku zmenšuje přenos tepla. Míru nečistot lze snížit pomocí vhodných materiálů (velmi hladké povrchy), konstrukčních tvarů (např. spirálové výměníky tepla) nebo změnou provozních podmínek (vysoké rychlosti média). Výměníky lze navíc čistit nebo vybavit automatickým čistícím systémem (dynamický nebo stíraný povrch). 174 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

209 Kapitola 3 Vyšší průtoky zvýší koeficient přestupu tepla. Zvýšené průtoky však také povedou k vyššímu poklesu tlaku. Vysoké úrovně turbulence toku zlepšují přenos tepla, ale vedou k většímu poklesu tlaku. Turbulenci lze vytvořit pomocí tvarovaných desek tepelného výměníku nebo připojením odváděcího zařízení. Přenesená energie také závisí na fyzikálním stavu média, např. tlaku a teplotě. Pokud se jako primární médium používá vzduch, lze ho před vstupem do výměníku tepla zvlhčit. Zlepší se tím přenos tepla. 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 Technika se uplatňuje ve stále více případech a mnohé uplatnění lze najít i mimo daný závod, viz Kogenerace, viz kap. 3.4 a Přílohy a 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 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] Monitoring a údržba výměníků tepla Popis Monitoring stavu potrubí ve výměníku tepla lze provádět pomocí vířivých proudů. Tato kontrola je často simulována prostřednictvím CFD (computational fluid dynamics). U exteriérových výměníků lze také využít infračervenou fotografii (viz kap ), která odhalí výrazné změny teplot nebo horká místa. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

210 Kapitola 3 Vážným problémem je znečištění. Ke chlazení se často využívá voda z řek nebo moří a do systémů se mohou dostat biologické nečistoty a tvořit vrstvy. Dalším problémem je vodní kámen (viz kap ). 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 Reference IČ metoda: [162, SEI, 2006] Tepelná čerpadla (včetně mechanické rekomprese par (MVR) Popis Hlavním účelem tepelných čerpadel je transformovat energii z nižší úrovně teploty (nízká exergie) na úroveň vyšší. Tepelná čerpadla mohou přenášet teplo (nikoli ho generovat) z člověkem vytvořených tepelných zdrojů, jako jsou průmyslové procesy, nebo z přírodních či umělých zdrojů tepla v okolí, jako je vzduch, půda nebo voda, a to pro využití v domácnostech, v komerčních nebo průmyslových aplikacích. Nejběžnější využití tepelných čerpadel je však v chladících systémech, ledničkách apod.. Teplo se pak přenáší v opačném směru, z aplikace, která je chlazena, do okolí. Někdy se nadbytečné teplo z chlazení využívá k uspokojení nějaké okamžité poptávky po teple v okolí. Tepelná čerpadla se používají v kogeneraci a trigeneraci, jsou v provozu systémy, které poskytují simultánně jak ohřev, tak i chlazení, a to při kolísající sezónní poptávce (viz kap. 3.4 a 3.4.2). K přesunu tepla z tepelného zdroje do místa, kde je teplo třeba, je nutná externí energie, která pohání tepelné čerpadlo. Tento pohon může být jakýkoli, např. elektromotor nebo spalovací motor, turbína nebo tepelný zdroj u adsorpčních tepelných čerpadel. Kompresní tepelná čerpadla (uzavřený cyklus) Nejčastěji používané tepelné čerpadlo je pravděpodobně čerpadlo poháněné kompresorem. Je instalováno např. v chladničkách, klimatizacích, chladičích, zařízeních na odstraňování vlhkosti, v tepelných čerpadlech pro vytápění energií z horniny, půdy, vody a vzduchu. Tato zařízení jsou 176 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

211 Kapitola 3 poháněna i elektromotorem, ale ve velkých závodech lze použít kompresory poháněné parní turbínou. Kompresní tepelná čerpadla využívají Karnotův cyklus (proces studené páry), který sestává z fáze odpařování, komprese, kondenzace a expanze v uzavřeném cyklu. Obrázek 3.8 ukazuje princip kompresního tepelného čerpadla. V odpařovacím zařízení se cirkulující pracovní kapalina odpařuje pod nízkým tlakem a při nízké teplotě, např. kvůli odpadnímu teplu. Kompresor následně zvýší tlak a teplotu. Pracovní látka pak kondenzuje v kondenzátoru a uvolní teplo využitelné v tomto procesu. Kapalina je pak přinucena k expanzi na nízký tlak a když se odpařuje, absorbuje teplo ze zdroje tepla. Tím je energie v tepelném zdroji při nízké teplotě (např. odpadní voda, spaliny) transformována na vyšší teplotní úroveň, aby mohla být využita v jiném procesu nebo systému. Nízký tlak Vysoký tlak Kompresor Zdroj tepla Odpařování Motor Zkapalnění Využití tepla Expanzní ventil Obrázek 3-8: Schéma kompresního tepelného čerpadla [28, Berger, 2005] U kompresního tepelného čerpadla je stupeň účinnosti indikován jako koeficient (činitel) výkonu (COP coefficient of performance), který značí poměr výstupu tepla ku vstupní energii, např. elektřinu vstupující do motoru kompresoru. COP kompresního tepelného čerpadla lze vyjádřit jako: COP = η. C T hot /( T hot T cold ), Rovnice 3.5 kde η. C je Karnotova účinnost, T hot a T cold 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

212 Kapitola 3 reprezentativní po dlouhou dobu. V praxi může účinnost tepelného čerpadla správně popsat jen tzv. sezónní celková účinnost (SOE). Navíc je při popisu energetické účinnosti tepelného čerpadla nutné vzít v úvahu i doplňkovou energii nutnou k získání energie z tepelného zdroje. Pro dosažení dobré sezónní celkové účinnosti je třeba splnit tyto požadavky: Dobrá kvalita samotného tepelného čerpadla Vysoká a konstantní teplota tepelného zdroje (přebytečné teplo je lepší než okolní ovzduší) Nízká (výstupní) teplota pohlcovače tepla Integrace všech komponent (tj. tepelného čerpadla, tepelného zdroje, pohlcovače tepla, řízení, distribuce tepla) do jednoho optimalizovaného systému. Absorpční tepelná čerpadla Absorpční tepelná čerpadla nejsou tak rozšířená, zejména v průmyslových aplikacích. Bylo původně vyvinuto pro chlazení. Komerční tepelná čerpadla fungují na vodu v uzavřené smyčce generátoru, kondenzátoru, odpařováku a absorbéru. Namísto komprese je cirkulace udržována absorpcí vody v roztoku soli, zpravidla bromidu lithného nebo amoniaku, v absorbéru. Obrázek 3.9 ukazuje princip absorpčního tepleného čerpadla. U absorpčního tepelného čerpadla je pracovní plyn (chladící činidlo) přicházející z odpařováku absorbován kapalným roztokem a v tomto procesu je generováno teplo. Tento obohacený roztok se převádí pomocí čerpadla se zvýšením tlaku do ejektoru, poté je pracovní látka (chladící činidlo) z této směsi dvou látek extrahována pomocí externí dodávky tepla (např. zemního plynu, LPG nebo odpadního tepla). Kombinace absorbéru a ejektoru má efekt v podobě zvýšení tlaku (tepelný kompresor). Plynná pracovní látka odchází z ejektoru při vyšším tlaku a vstupuje do kondenzátoru, kde zkapalní a uvolní do procesu užitečné teplo. Vstupní energie nutná pro provoz čerpadla na rozpouštědlo je nízká v porovnání s energií nutnou pro chod kompresoru kompresního tepelného čerpadla (energie nutná k čerpání kapaliny je nižší než energie nutná ke kompresi a přepravě plynu). Kondenzátor Q Proces ochlazování Ejektor Q H Ventil chladící látky Čerpadlo roztoku Proces teplo/energie Ventil roztoku Odpařovák Q O Absorbér Q Obrázek 3-9: Schéma absorpčního tepleného čerpadla [28, Berger, 2005] kde v obr. 3.9: Q C = získaný výstup tepla 178 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

213 Kapitola 3 Q H Q O Q A = vstup primární energie = vstup odpadního tepla = získaný výstup tepla U absorpčních čerpadel je stupeň účinnosti indikován jako koeficient tepelné účinnosti. Je definován jako poměr výstupního tepla ku vstupní energii paliva. Pokud se jako zdroj tepla v ejektoru použije odpadní teplo, použije se namísto tepelné účinnosti tepelný koeficient. Tepelný koeficient je definován jako poměr výstupního tepla ku vstupu odpadního tepla. Palivový vstup je dodáván formou tepla, např. z hořáků pro zemní plyn, z páry nebo odpadního tepla. Moderní absorpční tepelná čerpadla mohou dosáhnout koeficientu tepelné účinnosti až 1,5. Poměr mezi výstupním teplem a energií absorbéru je většinou 1,6. Současné systémy s vodou/roztokem bromidu lithného dosahují výstupní teplotu 100 o C a teplotní nárůst 65 o C. Systémy nové generace budou mít vyšší výstupní teploty (až 260 o C) 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. Kondenzátor Odvod tepla Kondenzát Kompresor Tepelný zdroj (pára) Obrázek 3-10: Jednoduché zařízení MVR [18, Åsblad, 2005] U MVR je účinnost obvykle vysoká, protože jsou eliminovány jeden až dva výměníky tepla (odpařovák a/nebo kondenzátor v ostatních tepelných čerpadlech). Účinnost je opět vyjádřena jako koeficient výkonu (COP). Ten je definován jako poměr dodaného tepla a hřídelové práce vůči kompresoru. Na obr jsou nejčastější hodnoty koeficientu výkonu pro zařízení MVR zobrazeny ve vztahu k teplotnímu nárůstu. Normální hodnoty COP pro zařízení MVR jsou v rozpětí PT/EIPPCB/ENE Finální červen

214 Kapitola 3 Obrázek 3-11: Hodnoty koeficientu výkonu ve vztahu k teplotnímu nárůstu pro zařízení běžné MVR [18, Åsblad, 2005] Koeficient výkonu (COP) pro zařízení MVR je dán rovnicí: η COP η η boiler > Rovnice 3.6 power plant distribution kde: η boiler je účinnost kotle v závodě /průmyslovém odvětví η power je účinnost elektrárny vyrábějící elektřinu pro národní síť η distribution 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. 180 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

215 Kapitola 3 Použitelnost Kompresorové systémy: v současnosti aplikované pracovní tekutiny omezují výstupní teplotu na 120 o C. Absorpční systémy: kombinace pracovních tekutin voda-bromid lithný může dosáhnout výstup 100 o C a teplotní nárůst 65 o C. Systémy nové generace budou mít vyšší výstupní teploty (až 260 o C) a vyšší teplotní nárůst. Současné systémy MVR pracují s teplotami zdroje tepla o C a dodaného tepla o C a v některých případech až 200 o C. 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

216 Kapitola 3 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 Zdrojem tepla je pára z předběžného odpaření černého louhu. Tato kontaminovaná pára (při 84 o C) nejprve zkondenzuje ve výměníku tepla pára-pára a vznikne čistá pára při teplotě o asi 5 o C 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 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] 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, CO 2, fluorovodíkové plyny, CFC a HCFC 23 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, CO 2, fluorovodíkové plyny apod. 182 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

217 Kapitola 3 Různorodost aplikací chladících systémů, technik a provozních postupů je enormní, podobně jako různé termodynamické charakteristiky jednotlivých procesů. BREF CV nicméně dochází k závěru, že: Zaprvé k procesu, který má být chlazen, se primárně zaujímá postoj vycházející z BAT. Chlazení průmyslových procesů lze považovat za management tepla a je součástí celkového energetického managementu v podniku. Preventivní přístup by měl začínat u průmyslového procesu, který vyžaduje rozptýlení tepla a jeho cílem je na prvním místě snížit potřebu vypouštění tepla. Vypouštění tepla je v podstatě plýtvání energií a jako takové není nejlepší dostupnou technikou. Opětovné využití tepla v rámci procesu by mělo být vždy prvním krokem při hodnocení potřeb chlazení. Zadruhé velmi důležitým druhým krokem je vyprojektování a výstavba chladícího systému, zejména pak u nových závodů. Takže jakmile je stanovena míra a množství odpadního tepla produkovaného v procesu a je zřejmé, že dalšího snížení nelze dosáhnout, pak je možné, s ohledem na požadavky procesu, učinit počáteční výběr chladícího systému. Tabulka 3.18 převzatá z dokumentu BREF CV ukazuje některé příklady procesních charakteristik a jejich odpovídající přístupy založené primárně na BAT. Charakteristiky procesu Míra rozptýleného tepla je vysoká (> 60 o C) Míra rozptýleného tepla je střední (25 60 o C) Míra rozptýleného tepla je nízká (< 25 o C) Nízká a střední míra tepla a kapacita Chlazení nebezpečných látek, včetně environmentálních rizik Kritéria Snížit používání vody a chemikálií a zlepšit celkovou energetickou účinnost zlepšit celkovou energetickou účinnost zlepšit celkovou energetickou účinnost Optimální celková energetická účinnost s úsporami vody a snížením viditelné vlečky Snížení rizika úniků Přístup vycházející z BAT Předběžné chlazení suchým vzduchem Není zřejmý Chlazení vodou Mokré a hybridní chladící systémy Systémy nepřímého chlazení Poznámka Limitujícími faktory jsou energetická účinnost a velikost chladícího systému Specifické pro každý provoz Odkaz v dok. BREF CV (kap.) 1.1/ /1.3 Volba provozu 1.1/1.3 Suché chlazení je méně vhodné kvůli potřebnému prostoru a ztrátě celkové energetické účinnosti Akceptovat zvýšení v přístupu 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

218 Kapitola 3 Charakteristi ky lokality Podnebí Prostor Dostupnost povrchové vody Citlivost recipientu na tepelné zatížení Omezená dostupnost podzemní vody Pobřežní oblast Specifické požadavky dané lokality Kritéria Požadovaná projektovaná teplota Omezený povrch v lokalitě Omezená dostupnost Splnit kapacitu tak, aby se nepřekročilo tepelné zatížení Minimalizac e použití podzemních vod Velká kapacita >10 MW th V případech povinného omezení vlečky a menší výšky věže Přístup vycházející z BAT Posoudit varianty pro tzv. suchou a mokrou teplotu Předem smontované konstrukce střešního typu Recirkulující systémy Optimalizovat úroveň opětovného využití tepla Využití recirkulujících systémů Volba lokality (nové chladící systémy) Chlazení vzduchem, pokud není k dispozici žádná vhodná alternativa Chladící systémy s jedním průběhem Aplikace hybridního 24 chladícího systému tabulka 3-19 Příklady charakteristik pro různé lokality a BAT Poznámka V případě vysoké suché teploty má chlazení suchým vzduchem většinou nižší energetickou účinnost Omezení z hlediska velikosti a hmotnosti chladícího systému Proveditelné jsou mokré, suché nebo hybridní systémy Akceptovat cenu za energie Předcházet míchání lokální tepelné vlečky blízko bodu vstupu, např. extrakcí vody hluboko pod hladinou pod zónou mísení s využitím rozvrstvení teplot Akceptovat cenu za energie Odkaz v dok. BREF CV (kap.) Příl. XI.3 2 Optimalizace chladícího systému za účelem snížení jeho vlivu na životní prostředí je složitý úkol a nikoli nějaké přesné matematické porovnání. Jinými slovy kombinace technik vybraných z tabulek BAT nevede k chladícímu systému, který by jako celek byl tou nejlepší 24 Hybridní chladící systémy jsou speciálně navržené mechanické systémy s věží, které umožňují, aby mokrý a suchý provoz snižoval tvorbu viditelné vlečky. Pokud se v obdobích s nízkou okolní teplotou systémy (zejména malé jednotky buňkového typu) provozují jako suché, může se dosáhnout snížení roční spotřeby vody i tvorby viditelné vlečky. 184 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

219 Kapitola 3 variantou. Konečné BAT řešení bude vždy specifické pro danou lokalitu. Nicméně panuje na základě zkušeností z průmyslu přesvědčení, že závěry lze z BAT odvozovat a tam, kde je to možné, i v kvantifikované podobě. Reference [237, Fernández-Ramos, 2007] 3.4 Kogenerace [65, Nuutila, 2005], [97, Kreith, 1997]. Směrnice 2004/8/ES o podpoře kogenerace ji definuje jako současnou výrobu tepelné energie a elektrické a/nebo mechanické energie. Je také známa jako kombinovaná výroba elektřiny a tepla (KVET). Po přijetí Směrnice 2003/96/ES o zdanění energií, která vytváří příznivý kontext pro kogeneraci, je o ni v současnosti velký zájem, který je podporován právě i na úrovni ES. Zelená kniha o energetické účinnosti zdůrazňuje ztráty ve výrobě a přenosu elektrické energie a jako způsob jejich řešení uvádí získávání tepla a lokalizovanou kogeneraci. Tato kapitola pojednává o různých aplikacích kogenerace a popisuje jejich vhodnost v různých případech. V současnosti jsou možné i aplikace, které jsou nákladově účinné v malém měřítku 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, o C Plynové turbíny v kombinovaném cyklu 0,95 (plynové turbíny kombinované kotlem na získávání odpadního tepla a jednou z parních turbín uvedených níže) Zařízení s parní turbínou (protitlak) 0,45 Parní kondenzační turbína s extrakcí (protitlak, 0,45 kondenzační turbíny s neřízenou extrakcí a kondenzační turbíny s extrakcí) Plynové turbíny s kotli na získávání tepla 0,55 Motory s interním spalováním (Ottovy nebo 0,75 Dieselovy motory (recipročně) s využitím tepla 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

220 Kapitola 3 K určení volby a velikosti zařízení KVET lze využít i křivku ročního zatížení v závislosti na čase. Zařízení typu waste-to-energy (z odpadu energie W-t-E) Pro zařízení typu waste-to-energy jsou v dokumentech BREF WI a WFD 25 uvedeny ekvivalentní faktory a hodnoty, které lze využít pro: Výpočet koeficientů účinnosti získávání energie (využitelnosti) a/nebo faktorů účinnosti zařízení Pokud je nutné sumarizovat různé kvality energie, např. pro benchmarking. Tímto způsobem lze hodnotit a sumarizovat různé druhy energie jako výstup energetického mixu např. tepla, páry, elektřiny. Tyto konverzní faktory tak umožňují srovnání vlastní vyrobené energie s energii vyrobenou externě do zařízení W-t-E. to předpokládá celoevropský průměr účinnosti konverze 38% (viz též Příloha 14) pro externí výrobu elektrické energie v elektrárnách a 91% v externích teplárnách. Pro využití energie, např. v palivu nebo jako páry, je možná míra využití 100%. Je možné vzít v úvahu srovnání různých jednotek pro měření energie, tj. MWh, MWhe, MWhh. Protitlak Nejjednodušší kogenerační elektrárna je takzvaná protitlaková elektrárna, kde se KVET provádí v parní turbíně (viz Obrázek 3.12). Elektrická kapacita zařízení s parní turbínou, která pracují na protitlakém principu, je obvykle několik desítek megawatt. Poměr elektřiny ku teplu je většinou asi 0,3 0,5. Elektrická kapacita zařízení s plynovou turbínou je obvykle o něco menší než u zařízení s parní turbínou, ale poměr elektřiny ku teplu je často blízko hodnoty 0,5. Množství průmyslové protitlaké elektřiny závisí na spotřebě tepla v procesu a na vlastnostech vysokotlaké, střednětlaké a protitlaké páry. Hlavním určujícím faktorem výroby protitlaké páry je poměr elektřiny ku teplu. V lokální teplárně KVET pára kondenzuje ve výměnících tepla pod parní turbínou a ke spotřebitelům se přenáší ve formě cirkulující horké vody. V průmyslových zařízeních se pára z protitlaké elektrárny opět vrací do závodu, kde odevzdá své teplo. Protitlak je nižší v lokálních závodech KVET než v průmyslových zařízeních obdobného typu. Tím se vysvětluje, proč je poměr elektřiny ku teplu v průmyslových protitlakových zařízeních nižší než stejný poměr u lokálních zařízeních KVET. Obrázek 3-12 Protitlakové zařízení [65, Nuutila, 2005] 25 Rámcová směrnice o odpadech 186 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

221 Kapitola 3 Kondenzace s extrakcí Kondenzační elektrárna pouze vyrábí elektřinu, zatímco v kondenzační elektrárně s extrakcí se část páry extrahuje z turbíny za účelem výroby tepla (viz Obrázek 3.13). Dodávky páry jsou vysvětleny v kap 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

222 Kapitola 3 s kombinovaným cyklem a kogenerací. Technika zplyňování snižuje emise oxidů síry a dusíku na podstatně nižší úroveň než u konvenčních spalovacích technik. Obrázek 3-15: Elektrárna s kombinovaným cyklem [65, Nuutila, 2005] Motory s interním spalováním (pístové motory) V motoru s interním spalováním lze teplo získávat z mazacího oleje a vody chladící motor i z výfukových plynů, jak ukazuje obr Motory s interním spalováním přeměňují chemicky vázanou energii v palivu na tepelnou energii spalováním. Tepelná expanze spalin probíhá ve válci a uvádí tak v pohyb píst. Mechanická energie se z pístu přenáší a je dále transformována na elektřinu alternátorem napojeným na setrvačník. Tato přímá konverze vysokoteplotní tepelné expanze na mechanickou energii a dále na elektrickou energii dává těmto motorům nejvyšší tepelnou účinnost i nejnižší emise oxidu uhličitého mezi mechanickými zařízeními s jedním cyklem. Nízkorychlostní dvoutaktní motory jsou k dispozici do velikosti jednotky 80 MWe. Středněrychlostní čtyřtaktní motory jsou k dispozici do velikosti jednotky 20 MWe. Středněrychlostní motory jsou obvykle vybírány pro aplikace kontinuální výroby elektřiny. Vysokorychlostní čtyřtaktní motory jsou k dispozici do velikosti jednotky 3 MWe a používají se při špičkových zatíženích. Nejpoužívanější druhy motorů lze dále dělit na dieselové, zážehové a dvoupalivové. Škála paliv je velmi široká, od zemního plynu, bioplynu, důlního plynu a dokonce pyrolýzních plynů a kapalných biopaliv, nafty, těžkého topného oleje až po palivové emulze a zbytky z rafinérií. 188 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

223 Kapitola 3 Obrázek 3-16 Interní spalování pístový motor [65, Nuutila, 2005] Závody se stacionárním motorem (tj. nikoli mobilní generátory) mají většinou několik motorem poháněných generátorových souborů, které pracují paralelně. Vícenásobné motory v kombinaci s jejich schopností udržet si vysokou účinnost při částečném zatížení, dává celému systému flexibilitu a možnost optimálně kombinovat různá zatížení. Doba studeného startu je krátká ve srovnání s parními turbínami na uhlí, olej nebo plyn nebo s plynovými turbínami s kombinovaným cyklem. Motor má schopnost rychle reagovat na síť a lze ho tudíž využít k rychlé stabilizaci sítě. Pro tuto technologii jsou vhodné uzavřené chladící systémy, které udržují spotřebu vody v závodech se stacionárním motorem velmi nízko. Díky svému kompaktnímu designu jsou motorová zařízení vhodná pro distribuovanou KVET blízko spotřebitelům ve městech. Snižují se tak ztráty energie v transformátorech a přenosových soustavách i teplovodním potrubí. Běžné přenosové ztráty spojené s centrální výrobou elektřiny jsou v průměru 5 8 % vyrobené elektřiny, odpovídající ztráty tepla v městském dálkovém vytápění mohou být méně než 10 %. Je třeba mít na paměti, že nejvyšší přenosové ztráty jsou většinou s nízkonapěťové síti a v domovních přípojkách. Na druhé straně je výroba elektřiny ve větších elektrárnách většinou účinnější. Vysoká účinnost jednoho cyklu v motorech s interním spalováním spolu s relativně vysokými teplotami spalin a chladící vody je činí ideální variantou pro řešení KVET. Asi 30 % energie uvolněné při spalování paliva lze najít ve spalinách a asi 20 % v chladící vodě. Energii spalin lze získávat připojením kotle za motor a výrobou páry, horké vody nebo horkého oleje. Horké spaliny lze také využít přímo nebo nepřímo ve výměnících tepla, např. při sušení. Chladící vodu lze rozdělit na nízkoteplotní a vysokoteplotní okruhy a míra potenciálu k získávání je spojena s nejnižší teplotou, kterou může spotřebitel tepla využít. Celý potenciál energie v chladící vodě lze získat v městských topných sítích s nízkými teplotami vracejícího se média. Tepelné zdroje PT/EIPPCB/ENE Finální červen

224 Kapitola 3 z chlazení motorů ve spojení s kotlem na spaliny a ekonomizérem pak může vést k palivové (elektřina + získávání tepla) účinnosti až 85 % u kapalných paliv a až 90 % u plynných paliv. Tepelnou energii lze dodávat koncovým uživatelům ve formě páry (obvykle superohřáté, 20 bar), horké vody nebo horkého oleje, v závislosti na poptávce. Teplo lze také využít v absorpčním chladícím procesu a vyrábět chlazenou vodu. Je také možné využít absorpční tepelná čerpadla k přenosu energie z nízkoteplotního chladícího okruhu na vyšší teplotu, což lze využít v městských výtopných sítích s vysokou teplotou vracejícího se média. Viz kap 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 % 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 %, zatímco u konvenčních parních kondenzačních zařízení zůstává účinnost na hodnotách mezi % 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 jsou vyjádřena v bezrozměrných jednotkách energie. V tomto příkladu produkují oddělené jednotky a jednotka KVET stejné množství využitelného výstupu. Separátní produkce však vykazuje celkovou ztrátu 98 jednotek energie, zatímco KVET jen 35. Palivová účinnost v separátní produkci je 55 %, zatímco u technologie KVET je to 84 %. KVET tedy potřebuje k výrobě stejného množství využitelné energie o asi 30 % méně paliva. KVBET tak může v ekvivalentním množství snížit emise do ovzduší. Bude to však záviset na místním energetickém mixu pro elektřinu a/nebo teplo (produkci páry). 190 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

225 Kapitola 3 Obrázek 3-17: Srovnání mezi účinností kondenzační elektrárny a zařízení KVET [65, Nuutila, 2005] Podobně jako u výroby elektřiny, i v kogeneraci lze využívat širokou škálu paliv, např. odpad, obnovitelné zdroje včetně biomasy, i fosilních paliv, např. topného oleje a plynu.. 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 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

226 Kapitola 3 jsou obvykle vhodné v různých případech. Uváděná čísla jsou však jen příklady a mohou se v konkrétních podmínkách lišit. Elektřinu je většinou možné při kolísání místní poptávky prodat do národní sítě. Informace o modelování médií a služeb v kap 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 o C Existuje poptávka po horkých plynech s teplotou 450 o C 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: 192 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

227 Kapitola 3 - mlýn: t pšenice a žita /rok - výroba sladu: 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] 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

228 Kapitola 3 Oddělená výroba elektrické a tepelné energie Vstup paliva do tepelného módu 23 MW f Mód chlazení 25,3 MW Kompresorový chladič Tepelný mód Mód chlazení Mód chlazení 1 MW e 5 MWC 10 MW e 11 MW e 10 MW e Kotel 7,8 MWh Terminál Celková účinnost, tepelný mód 56 % Celková účinnost, mód chlazení 59 % Dodatečné palivo 8,76 MW f Trigenerace: výroba elektrické energie, výroba tepla a absorpční chlazení Dodatečné palivo Vstup paliva 23 MWf do kompresorového 10 MW e chladiče 0 MW f Systém vytápění Systém chlazení Až 5 MW 7.8 MW h Terminál Dodatečné palivo do pomocného kotle 0 MW f Celková účinnost, tepelný mód 77 % Celková účinnost, mód chlazení 65 % MW e = elektrická energie MW f = energie paliva MW c = energie chladu MW h = tepelná energie Obrázek 3-18: Trigenerace v porovnání se samostatnou výrobou energie pro velké letiště [64, Linde, 2005] Jednostupňová lithium-bromidová absorpční chladicí zařízení jsou schopna využít jako zdroj energie horkou vodu o teplotě nižší než 90 o C, zatímco dvoustupňová lithium-bromidová absorpční chladicí zařízení potřebují 170 o C, což znamená že jsou obvykle vytápěná parou. Jednostupňové lithium-bromidové absorpční chladicí zařízení produkující vodu o 6 8 o C 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. 194 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

229 Kapitola 3 Pružnost využití rekuperovaného tepla pro vytápění během jednoho období (zima) a chlazení během druhého období (léto) poskytuje účinnou cestu ke zvyšování provozních hodin až na celkově vysokou účinnost provozu, ze které má prospěch majitel i životní prostředí - viz obr Elektrická energie A - Stroj 1 C B - Stroj 2 B C - Nákup A leden červen prosinec Vytápění a chlazení A - Stroj 1 E B Chlazení D B- Stroj 2 D Kompresorový chladič E- Chlazení kotlů A Vytápění leden červen prosinec Obrázek 3-19: Trigenerace umožňuje optimalizaci provozu během celého roku [64, Linde, 2005] Filosofie provozu a strategie řízení je velmi důležitá a má být řádně hodnocena. Optimální řešení je zřídka založeno na řešení, kdy veškerá kapacita chlazené vody je produkována absorpčním chladicím zařízením. Například, pro klimatizaci může být většina roční spotřeby chladu kryta 70% trigenerační chladicí kapacity, zatímco zbývajících 30% může být vykryto kompresorovým chlazením. Tímto způsobem mohou být minimalizovány celkové investiční náklady na chlazení. 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

230 Kapitola 3 má též nižší ztráty elektřiny v rozvodech. Trigenerace je kogenerace se začleněním dalšího stupně chladicího zařízení. Zjevně není žádná výhoda v nadbytečných investicích, pokud všechno rekuperované teplo může být účinně využito během všech provozních hodin zařízení. Nicméně nadbytečné investice se začínají vyplácet, pokud jsou v zařízení období, kdy nemůže být využito všechno teplo, nebo když není požadavek na teplo ale je využití pro chlazenou vodu nebo vzduch. Trigenerace je často využívána např. pro klimatizaci budov, k topení během zimy a ochlazování během léta, nebo pro topení v jednom prostoru a chlazení v jiném prostoru. Mnoho průmyslových zařízení a veřejných budov má též vhodnou kombinaci potřeb vytápění a ochlazování, jako příklad jsou pivovary, obchodní centra, letiště a nemocnice. Ekonomie Nebyla poskytnuta data. Hybná síla pro zavedení Úspory nákladů. Příklady Madrid Barajas Airport, Španělsko (viz Příloha ) Nemocnice Atrium, Nizozemsko Reference [64, Linde, 2005, 93, Tolonen, 2005] 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 a kap ). lokální chlazení se využívá v klimatizaci, chlazení kanceláří a komerčních a obytných budov. 196 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

231 Kapitola 3 Chladící voda do moře 10 C * Chladící voda z moře Protiproudý chladič 16 C * 8 C * Moře 4 C * Čerpadlo Síť zásobování chladem Síť centralizovaného zásobování chladem Výroba chladu závisí na ročním období. * C Vztahuje se k teplotě vody. Obrázek 3-20: Lokální chlazení v zimě chladící technologií zdarma [93, Tolonen, 2005] CH P 70 C* 85 C* Generátor tepla 63 C** Kondenzáto r 43 C* * Vod a Síť vytápění Výměník - roztok 55 C* 75 C* Výpar vody 55 mbar 25 C* 35 C* Absorbé r Výparník 40 C* * 10 C* * Výměník mořská voda 18 C* 19 C* 8 mbar 16 C* 8 C* Moř e 28 C* 27 * C Vztahuje se k teplotě vody ** C Vztahuje se k teplotě v Čerpadl o Síť zásobování chladem 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 (NO x, SO 2 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

232 Kapitola 3 V teplejším období využívají absorpční chladiče nadměrné teplo ze zařízení KVET, které by se jinak uvolňovalo do moře. I když spotřeba paliva v zařízení KVET může stoupnout, celková spotřeba paliva ve srovnání se situací, kdy byly jen separátní chladící systémy v budovách, poklesne. V lokálním chlazení byly odstraněny hluk a vibrace chladících zařízení Prostory vyhrazené v budovách pro klimatizaci jsou volné k jinému využití Problém s růstem mikroorganismů ve vodě v kondenzačních věžích je také vyřešen Na rozdíl od chladících činidel používaných s jednotlivých kompresorech v budovách, neodpařují se v lokálním chlazení žádné škodlivé látky (CFC a HCFC) Lokální chlazení zlepšuje vzhled města, protože výrobní jednotky a potrubí nejsou vidět. Již nebudou třeba velké kondenzátory na střechách a chladiče v oknech. Životní cyklus systémů lokálního vytápění a chlazení je mnohem delší než v případě jednotlivých separátních zařízení v budovách (např. dvojnásobně). Technická životnost hlavních potrubí u obou systémů přesahuje 100 let. 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 198 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

233 Kapitola 3 (27%) a konečně před službami se spotřebou 620 TWh (23%). Tyto tři sektory se dohromady podílely na celkové spotřebě energie z 94% Kompenzace účiníku Popis Mnoho průmyslových zařízení má charakter induktivní zátěže, např.: Jednofázové a třífázové motory na střídavý proud (viz kap. 3.6) Pohony o proměnlivých rychlostech (viz kap ) Transformátory (viz kap ) 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 Účiník = skutečný výkon zdánlivý výkon Příklad silového trojúhelníku zobrazeného na obr. 3.22, za předpokladu, že skutečný výkon = 100 kw a zdánlivý výkon = 142 kva t V tom případě má účiník hodnotu 100/142 = 0,70 nebo 70 %. To v praxi znamená, že pouze 70% dodávané energie se využívá pro užitečnou práci (viz též Příloha 7.18). skutečný výkon = 100 kw zdánlivý výkon = 142 kva účiník = 100 kvar Obrázek 3-22: Jalový a zdánlivý výkon PT/EIPPCB/ENE Finální červen

234 Kapitola 3 V případě kompenzace účiníku, například přidáním kondenzátoru k zátěži, dojde k částečnému nebo úplnému omezení odběru jalového výkonu. Kompenzace účiníku je nejúčinnější tehdy, pokud k ní dochází co nejblíže zátěži při použití nejmodernějších technologií. V průběhu času může dojít je změnám hodnoty účiníku. Z toho důvodu by se měla jeho hodnota pravidelně měřit (v závislosti na druhu aplikace každý třetí až desátý rok). V průběhu doby totiž dochází k výměně zařízení i parametrům dodávané energie. Navíc může dojít i ke zhoršení vlastností kondenzátorů, používaných ke kompenzaci účiníku. Kondenzátory by se měly pravidelně testovat; nejjednodušším způsobem je kontrola, zda se při provozu nezahřívají. Ostatní možná opatření: Minimalizace provozování nezatížených nebo málo zatížených motorů (viz kap. 3.6) Zařízení nepřipojovat ke zdroji vyššího napětí, než je jmenovité napětí zařízení Výměna standardních motorů po jejich vyřazení z provozu za motory o vyšší energetické účinnosti (viz kap. 3.6) Nicméně, i u motorů o vyšší energetické účinnosti má proměnná zátěž velký vliv na hodnotu účiníku. Pro dosažení vysokých hodnot účiníku je nutné motor provozovat poblíž jeho maximálního jmenovitého výkonu (viz kap. 3.6). 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 Odhadovaný účiník Činná energie TWh Cos ϕ Jalová energie TVArh , Cílový účiník , Zdánlivá energie TVAh 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 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 CO červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

235 Kapitola 3 Ekonomie V případě, že hodnota účiníku je menší, než 0,95, externí dodavatelé mohou za odběr nadměrného jalového výkonu účtovat přirážku (viz Příloha 7.11). Cena za korekci účiníku u elektrické energie je poměrně nízká. Některá nová zařízení (např. vysoce účinné motory) jsou již možností kompenzace účiníku vybaveny. 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 [130, US_DOE_PowerFactor, 131, ZVEI] Harmonické kmitočty Popis Určitá elektrická zařízení s nelineární zátěží produkují v napájecích sítích harmonické kmitočty (vedle zkreslení sinusových průběhů). Příklady takových nelineárních zátěží mohou být usměrňovače, určité druhy elektrického osvětlení, obloukové pece, svářečky, spínané zdroje, počítače, atd. Pro odstranění nebo omezení harmonických kmitočtů se používají speciální filtry. EU určila maximální hodnoty harmonických kmitočtů jako metodu na zvýšení hodnoty účiníku. Navíc předpisy EN a EN 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

236 Kapitola 3 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] 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 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. 202 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

237 Kapitola 3 Reference [135, EUROELECTRICS] [230, Association, 2007] Energeticky účinný management transformátorů Popis Transformátory jsou zařízení schopná transformovat napětí určité dodávky elektřiny z jedné úrovně na druhou. Je nutné proto, že napětí je normálně distribuováno na úrovni vyšší, než je úroveň využívaná průmyslovými stroji: vyšší napětí v distribučním systému snižuje ztráty energie v distribučních sítích. Transformátory jsou statické stroje tvořené jádrem, které sestává z mnoha feromagnetických desek, s primárními a sekundárními cívkami natočenými kolem opačných stran jádra. Transformační koeficient těchto napětí je dán poměrem V 2 /V 1 (viz obr. 3.23). Obrázek 3-23: Schéma transformátoru [245, Di Franco, 2008] Jestliže P1 je elektrická energie (výkon) vstupující do transformátoru, P 2 je existující energie a P L jsou ztráty, pak je bilance této energie následující: P 1 = P 2 + P L Rovnice 3.7 A účinnost transformátoru lze zapsat takto: P 2 P 1 - P L η = = Rovnice 3.8 P 1 P 1 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 V 2 a činí od 0,2 do 0,5 % nominálního výkonu P n (= P 2 ). Ztráty v mědi jsou způsobeny Joulovým efektem v měděné cívce. Tyto ztráty jsou úměrné I 2 a odhadují se na hodnotu mezi 1 a 3 % nominálního výkonu P n (při 100 % zatížení). PT/EIPPCB/ENE Finální červen

238 Kapitola 3 Protože transformátor pracuje průměrně s faktorem zatížení x nižším než 100 % (P effective = x P n ), lze doložit, že vztah mezi účinností transformace a faktorem zatížení odpovídá křivce na obr (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 % P n, 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% P n ), 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 %. 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. 204 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

239 Kapitola 3 Použitelnost Ve všech transformátorovnách lze aplikovat kritéria optimalizace. Odhaduje se, že optimalizace zatížení by se mohla aplikovat ve 25 % případů. Množství nového transformátorového výkonu instalovaného/posíleného každým rokem v průmyslu je podle odhadů asi 5 %. V případech nových instalací nebo posílení tak lze uvažovat o transformátorech s nízkými ztrátami. Ekonomie V případě instalace transformátorů s nízkými ztrátami jsou ve srovnání s normálními transformátory (nebo v případě náhrady dosavadních transformátorů s nízkou účinností) doby návratnosti většinou krátké za předpokladu, že jsou transformátory v provozu po mnoho hodin, resp. let. 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 poháněné elektromotory Úvod Energetickou účinnost systémů poháněných motory lze posuzovat např. tak, že jsou prozkoumány nároky na (výrobní) proces a to, jakým způsobem by měl být poháněný stroj provozován. Toto je systémový přístup, který přináší v oblasti energetické účinnosti ty nejvyšší zisky (viz kap 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 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 /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). PT/EIPPCB/ENE Finální červen

240 Kapitola 3 elektromotoru, obvykle indukčního motoru spojky mechanického převodu poháněného stroje, např. odstředivého čerpadla. Obr 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 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 206 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

241 Kapitola 3 účinnost koncového zařízení. Aby bylo možno těžit z dostupného potenciálu úspor, měli by uživatelé před úvahou o motorové subsekci optimalizovat celý systém, jehož je subsystém motoru součástí (viz Kap , 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 ( 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

242 Kapitola 3 Obrázek 3-26: Motor kompresoru s jmenovitým výkonem 24 MW [95, Savolainen, 2005] Silná stránka DC motorů je již tradičně jednoduchost elektrického ovládání rychlosti a točivého momentu. Rovněž startovací moment je vysoký, což je výhodné u některých aplikací. Avšak rychlý vývoj elektronických komponent pro elektrickou energii a řídících algoritmů zlepšilo pozici AC technologie, takže už ve skutečnosti není žádná opravdová převaha stejnosměrné technologie nad střídavou. Moderní střídavé motory a pohony překonávají jejich stejnosměrné protějšky v mnoha ohledech. Jinými slovy; i ty nejnáročnější aplikace jako ovládání rychlosti a točivého momentu strojů na zpracování papíru dnes mohou být uskutečněny s pomocí AC motorů a pohonů. Ovládací jednotka Ve své nejjednodušší formě je to spínač nebo stykač pro spojení a rozpojení motoru od hlavního vedení. Může být ovládán manuálně nebo dálkově s pomocí řídícího napětí. Do těchto přístrojů může být zavedeno více ochranných funkcí motoru a startér motoru je spínač se zabudovanými bezpečnostními funkcemi. Pokrokovější metoda spojení motoru s hlavním vedením je softstartér (aka: spouštěč hvězdatrojúhelník). Toto zařízení umožňuje umírněný start AC motoru tím, že redukuje tzv. nárazový proud během startování, čímž chrání mechaniku a pojistky. Bez softstartéru AC motor rázně startuje a akceleruje na svou jmenovitou rychlost. Avšak, softstartér NENÍ zařízení šetřící energii, i když existují některé nesprávné úsudky a některé zdroje to prohlašují. Jediná cesta, jak výše uvedená zařízení mohou přispět k energetické účinnosti je, že motory mohou být vypnuty, když nejsou potřeba. 208 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

243 Kapitola 3 Přístroje pro skutečné řízení motoru jsou schopny regulovat výstup (rychlost a točivý moment) elektromotorů. Pracovní princip AC pohonu je převést frekvenci elektřiny z rozvodní sítě (50Hz v Evropě) na jinou frekvenci, aby motor mohl změnit rychlost otáčení. Ovládací jednotka pro střídavé motory se nazývá následovně: frekvenční měnič pohon s proměnnými otáčkami (VSD - variable speed drive) pohon s nastavitelnou frekvencí (AFD -adjustable frequency drive) jejich kombinace (ASD, VFD) je často užívána pro popis těch samých přístrojů motorový převodník nebo jednoduše převodník je používán současnými uživateli v rámci průmyslu. Systémy poháněné motory spotřebují zhruba 65% průmyslové energie v Evropské Unii. Potenciál pro úsporu energie v průmyslu EU-15 s využitím AC pohonů je 43 TWh/rok a pro zlepšení účinnosti elektromotorů samotných 15 TWh/rok dle studií EU-15 SAVE. Existují nejméně dva různé způsoby přístupu ke koncepci energetické účinnosti u systémů poháněných motory. Jeden z nich je brát v úvahu jednotlivé komponenty a jejich účinnost a zajistit, že je použito pouze zařízení s vysokou účinností. Druhým je systémový přístup, který je popsán v Úvodu této kapitoly a který může přinést podstatně vyšší celkové úspory Energeticky účinné motory (EEM) Popis a provozní údaje (Informace o dosažených environmentálních přínosech, mezisložkových vlivech, použitelnosti, ekonomii, hybných silách pro zavedení, příkladech a referencích pro energeticky účinné motory jsou uvedeny v kap ) Energeticky účinné motory (EEM - Energy Efficient Motors), rovněž nazývané vysokovýkonné motory (HEM), za dodatečné náklady % 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) PT/EIPPCB/ENE Finální červen

244 Kapitola 3 Tyto úrovně účinnosti jsou aplikovány na 2 a 4 pólové třífázové AC indukční motory s klecovým vinutím, pro 400 V, 50 Hz, ve třídě S1, s výkonem 1,1 až 90 kw, jež představují největší objem prodeje na trhu. Obr 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 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 Plus 28 a EURODEEM 29, navrženého v rámci projektu EU-SAVE PROMOT. Příslušná řešení motorů lze zvolit využitím databáze EURODEEM 30, jež porovnává účinnost více než typů motorů od 24 výrobců Správné rozměry 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 ) 28 Financováno Ministerstvem energetiky USA 29 Podporováno Evropskou komisí DG TREN 30 Zveřejněno Evropskou komisí 210 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

245 Kapitola 3 Elektromotory jsou velmi často předimenzovány pro skutečné zatížení, jež mají nést. Motory zřídka pracují na stupni jejich plného zatížení. V Evropské unii testy na tomto poli ukazují, že v průměru motory pracují přibližně na 60% jejich jmenovitého zatížení. Maximální účinnosti motoru je dosaženo mezi 60 až 100% plného zatížení. Účinnost indukčního motoru obvykle vrcholí okolo 75% plného zatížení a je relativně nízká při poklesu k 50% hladiny zatížení. Pod 40% plného zatížení elektromotor nepracuje v optimálních podmínkách a účinnost velmi rychle klesá. Motory větších rozměrů mohou pracovat s relativně vysokou účinností při zatížení až 30% jmenovitého zatížení. Správné rozměry: zlepšují energetickou účinnost tím, že umožňují motorům pracovat na plný výkon mohou snižovat ztráty v elektrickém vedení vzhledem k nízkému faktoru výkonu mohou lehce snižovat provozní rychlost a tím spotřebu elektrické energie, u ventilátorů a čerpadel. Obrázek 3-28: Účinnost vs. zatížení u elektromotorů Pohony s proměnnými otáčkami (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 ) 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

246 Kapitola 3 VSD nejsou použitelné u všech aplikací, obzvláště kde je zatížení konstantní (např. ventilátory s přívodem vzduchu a kapalinovým základem, oxidační vzduchové kompresory atd.), jelikož VSD ztratí 3 4 % energetického příkonu (opravou a úpravou fází proudu) Ztráty v převodu 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 ) 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 Opravy motorů 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 ) 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 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 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 ) Převinutí motoru je v průmyslu široce využíváno. Je to levnější a může být rychlejší než koupě nového motoru. Avšak převinutí motoru může trvale snížit jeho účinnost o více než 1%. Patřičná pozornost musí být věnována procesu opravy a společnosti, která opravu provádí a která by měla být uznána původním výrobcem (opravář energeticky účinných motorů EEMR). Náklady na nový motor mohou být rychle vykompenzovány jeho lepší energetickou účinností, takže převinutí nemusí být ekonomické, uvážíme-li náklady za celou dobu životnosti. 212 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

247 Kapitola 3 Obrázek 3-29: Náklady na nový motor v porovnání s převinutím Dosažené environmentální přínosy, mezisložkové vlivy, použitelnost a další otázky spojené s energetickou účinností elektromotorů 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) Pohon s proměnnými otáčkami (VSD - variable speed drive) % Vysokoúčinný přenos/redukce 2 10 % Řízení jakosti energie % 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 ). 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: PT/EIPPCB/ENE Finální červen

248 Kapitola 3 Pokud systém HVAC pracuje v podmínkách plného zatížení, pak nahrazení energeticky účinným motorem zvyšuje rychlost ventilátorů (kvůli nižšímu skluzu) a následně se zvyšuje točivé zatížení. Použití EEM v tomto případě přináší větší spotřebu energie než použití motoru se standardní účinností. Návrh by se měl v každém případě provést tak, aby nezvyšoval konečný počet otáček za minutu. Pokud aplikace pracuje méně než hodin za rok (přerušované pohony), nemusí použití EEM přinést výrazný efekt v oblasti energetických úspor. (Viz Ekonomie) Pokud musí aplikace často zastavovat a startovat, mohou být úspory ztraceny vzhledem k vyššímu startovacímu proudu u EEM Pokud aplikace pracuje především při částečném zatížení (např. čerpadla), ale po dlouhou provozní dobu, jsou úspory spojené s použitím EEM zanedbatelné. Úspory energie přinese spíše využití VSD. Ekonomie Cena EEM je o asi 20 % vyšší. Náklady spojené s provozem motoru v průběhu jeho životnosti jsou zobrazeny na Obrázku 3.30 (přibližně): Náklady využití elektromotoru rozdělené během jeho technické životnosti na 1,50 2,50 Energie Údržba Investice 96,00 Obrázek 3-30: Náklady na elektromotor v průběhu životnosti Při koupi nebo opravě motoru je skutečně důležité vzít v úvahu spotřebu energie a minimalizovat ji následujícím způsobem: u AC pohonů může být návratnost jeden rok i méně vysokovýkonné motory potřebují delší dobu návratnosti na úsporu energie. Výpočet návratnosti pro tuto techniku energetické účinnosti, např. při koupi motoru s vyšší účinností v porovnání s převinutím poškozeného standardního motoru: Návratnost (v letech) = kde: kw H Cost Cost HEM electricity Cost old [ 1/ η 1/ η ] rewinded HEM Rovnice 3.9 Cost HEM : náklady na nový vysokovýkonný motor Cost old : náklady na převinutí starého motoru Cost electricity : náklady na elektrickou energii kw: průměrný výkon motoru při provozu. Hybná síla pro zavedení 214 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

249 Kapitola 3 Střídavé pohony jsou často instalovány za účelem zlepšení řízení strojů. Při volbě motorů jsou často důležité další faktory: např. bezpečnost, jakost a spolehlivost, jalový výkon, intervaly pro údržbu. Příklady LKAB (Švédsko) důlní společnost, spotřebovává gigawatthodin elektrické energie ročně, z čehož je 90 procent použito k napájení 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, ] PT/EIPPCB/ENE Finální červen

250 Kapitola Systémy stlačeného vzduchu (CAS compressed air systems) [168, PNEUROP, 2007, 169, EC, 1993, 194, ADEME, 2007] [189, Radgen&Blaustein, 2001, 196, Wikipedia] Popis Stlačený vzduch je vzduch, který se skladuje a používá při tlaku vyšším než je tlak atmosférický. Systémy stlačeného vzduchu stlačí danou masu vzduchu, která zaujímá daný objem v prostoru, a stlačí jí na menší prostor. Stlačený vzduch představuje v EU-15 až 10 % průmyslové spotřeby elektřiny, neboli více než 80 TWh ročně. Stlačený vzduch se využívá dvěma způsoby: Jako integrální složka průmyslových procesů, např. o poskytuje dusík o nízké čistotě k vytvoření inertní atmosféry o poskytuje kyslík o nízké čistotě pro oxidační procesy, např. v čištění odpadních vod o poskytuje ochranu proti kontaminantům apod. o míchání ve vysokoteplotních procesech, např. v ocelářství a sklářství o foukání skelných vláken a skleněných nádob o tvarování plastů o pneumatické třídění Jako energetické médium, např. o Pohon nástrojů na stlačený vzduch o Pohon pneumatických ovladačů (např. válců). Jedním z hlavních rysů stlačeného vzduchu je jeho čistota, takže převážná část stlačeného vzduchu využívaného v zařízeních IPPC je integrovanou součástí základního procesu. Tlak a čistota stlačeného vzduchu a profil poptávky jsou pak dány samotným procesem. Stlačený vzduch je v podstatě čistý a bezpečný díky nízkému riziku vzplanutí nebo výbuchu, buď přímo nebo po částech zadržujících teplo, a má proto široké využití v nebezpečných oblastech chemického průmyslu a navazujících odvětví. Nevyžaduje návratové potrubí ani kabel (na rozdíl od elektřiny) a používá-li se jako pohon nástrojů, poskytuje vysokou hustotu energie a v případě nástrojů určených k přemísťování konstantní krut při konstantním tlaku, dokonce i při nízké rychlosti rotace. To představuje v mnoha aplikacích výhodu oproti elektrickým nástrojům. Je rovněž snadné ho přizpůsobit měnícím se požadavkům výroby (často v situacích vysokého objemu produkce) a lze ho používat s jeho vlastním pneumatický řízením. Tento systém lze také snadno instalovat, i když začíná být pomalu vytlačován levnějším elektronickým řízením. Pneumatická mechanická zařízení se často využívají ke krátkým, rychlým na energii nenáročným lineárním přesunům anebo vytvářejí vysokou sílu při nízké rychlosti (pohon montážních nástrojů a procesů, manuálních nebo automatických). Jsou k dispozici i elektrická zařízení používaná ke stejnému účelu: pro krátký, rychlý pohyb existují zdvihové magnety a pro vysokou sílu pak motory s pohonem přes závitovou tyč. Pneumatické nástroje jsou však pohodlné díky svému dobrému poměru mezi hmotností a silou. Díky tomu jsou užitečné po dlouhou dobu, aniž by se přehřívaly. Náklady na jejich údržbu jsou nízké. Pokud však nejsou k dispozici jiné hybné síly, měly by se zvažovat alternativy stlačeného vzduchu. 216 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

251 Kapitola 3 Dodávky stlačeného vzduchu často představují nedílnou součást zařízení a je třeba je analyzovat v rámci celkových požadavků závodu na stlačený vzduch. V aplikacích IPPC je systém stlačeného vzduchu významným uživatelem energie a jeho podíl na celkové využité energii se pohybuje mezi 5 a 25 %. Díky zájmu o energetickou účinnost vyvinuli výrobci kompresorů a navazujícího vybavení technologie a nástroje pro optimalizaci stávajících a pro projektování nových a účinnějších systémů stlačeného vzduchu. Současné investice se řídí analýzou životního cyklu, zejména v případě dodávky nového systému stlačeného vzduchu. Energetická účinnost je při projektování CAS považována za hlavní parametr a u stávajících systémů stále existuje potenciál pro optimalizaci. Životnost velkých kompresorů se odhaduje na 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 ). V roce 2000 byla v rámci evropského programu SAVE provedena studie, která analyzovala potenciál k energetické účinnosti u CAS. Pojednává o všech aplikacích (a zařízení IPPC budou mít valnou většinu všech zařízení CAS v průmyslu) a poskytuje dobrý přehled relevantních opatření na zlepšení energetické účinnosti systémů stlačeného vzduchu. Shrnutí je uvedeno v Tabulce 3.23: Opatření na úspory energie % použitelnosti (1) Instalace nebo obnova systému Zlepšení pohonů (vysoce účinné motory) Zlepšení pohonů (řízení rychlosti) % zisku (2) Potenciální příspěvek (3) Komentář 25 % 2 % 0,5 % Nákladově nejúčinnější v malých (<10 kw) systémech 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 30 % 7 % 2,1 % kompresoru Využití 20 % 12 % 2,4 % sofistikovaných řídících systémů Získávání 20 % 20 % 4,0 % Pozn.: zisk je z hlediska energie, nikoli PT/EIPPCB/ENE Finální červen

252 Kapitola 3 odpadního tepla pro spotřeby elektřiny, protože elektřina je využití v jiných konvertována na užitečné teplo aplikacích Kvalitnější 10 % 5 % 0,5 % Toto nezahrnuje častější výměnu filtru chlazení, sušení (viz níže) a filtrování Celkový design 50 % 9 % 4,5 % systému, včetně multitlakových systémů Snížení ztrát tlaku 50 % 3 % 1,5 % třením (např. zvětšením průměru potrubí) Optimalizace 5 % 40 % 2,0 % některých zařízení koncových uživatelů Provoz a údržba systému Snížení úniků 80 % 20 % 16,0 % Největší potenciální zisk vzduchu Častější výměna 40 % 2 % 0,8 % filtru CELKEM 32,9 % Legenda k tabulce: (1) % systémů stlačeného vzduchu, kde je toto opatření aplikovatelné a nákladově účinné (2) % snížení roční spotřeby energie (3) Potenciální příspěvek = Použitelnost * Snížení tabulka 3-23 Opatření na úsporu energie u CAS [168, PNEUROP, 2007] Při použití stlačeného vzduchu k pohonu nástrojů by se mělo vzít v úvahu, že mechanická účinnost je definovaná jako hřídelová síla nástroje dělená celkovou vstupní elektrickou energií potřebnou k vyprodukování stlačeného vzduchu spotřebovaného nástrojem a zpravidla se pohybuje mezi 10 15%. 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 Provozní údaje Složky CAS CAS jsou kombinací čtyř subsystémů nezávislých na aplikaci: výroba stlačeného vzduchu skladování stlačeného vzduchu zpracování stlačeného vzduchu distribuce stlačeného vzduchu. 218 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

253 Kapitola 3 Kromě toho existují i pomocné systémy, jako je získávání tepla nebo zpracování kondenzátu. Běžné složky subsystémů jsou uvedeny v Tabulce 3.24: Výroba 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

254 Kapitola 3 Vzduchové kompresory - typy Rychlostní kompresory Objemové kompresory Rotační Reciproční (pístové) Ejektor Centrifuga Axiální lopatky prstence šroubové vačky single- double volný píst spleť diafragmové Obrázek 3-32: Druhy kompresorů [168, PNEUROP, 2007] objemové kompresory zvyšují tlak daného množství vzduchu tím, že zmenšují prostor zaujímaný vzduchem při původním tlaku. Tento druh kompresoru je k dispozici ve dvou základních variantách, reciproční a rotační. Každá z těchto variant se pak dále dělí podle různých technologií: o reciproční kompresory využívají ke kompresi nízkotlakého vzduchu na vysokotlaký píst pohybující se ve válci, jsou k dispozici v jednočinné a dvojčinné konfiguraci o šroubové kompresory jsou nejčastěji používané průmyslové kompresory v rozpětí od 40 (30 kw) do 500 hp (373 kw). Jsou k dispozici v konfiguraci s mazáním nebo bez. Šroubové kompresory jsou oblíbené díky relativně jednoduchému designu, snadné instalaci, malých požadavcích na pravidelnou údržbu, snadné údržbě, dlouhé životnosti a přijatelným nákladům. rychlostní kompresory jsou rotační stroje s kontinuálním tokem, ve kterých rychle rotující prvek urychluje vzduch, který jím prochází, přičemž konvertuje rychlostní výšku na tlak. Kapacita rychlostního kompresoru značně kolísá podle pracovního tlaku. Použitelnost Každý CAS je složitou aplikací, která vyžaduje odborné znalosti o jejich designu a aplikaci konkrétních technik. Design závisí na mnoha parametrech, jako jsou: profil poptávky (včetně špiček) potřebná kvalita stlačeného vzduchu tlak prostorové překážky v budově nebo závodě. ISO 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: 220 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

255 Kapitola 3 Profil spotřeby vzduchu č. 1 Profil spotřeby vzduchu č Kapacita v l/s Neděle Pondělí Úterý Středa Čtvrtek Pátek Sobota Kapacita v l/s Neděle Pondělí Úterý Středa Čtvrtek Pátek Sobota 0 0:1 2:0 3:4 5:3 7:1 9:0 10:4 12:3 14:1 16:0 17:4 19:3 21:1 23: Čas 0 0:1 2:0 3:4 5:3 7:1 9:0 10:4 12:3 14:1 16:0 17:4 19:3 21:1 23: Čas Obrázek 3-33: Různé profily poptávky [168, PNEUROP, 2007] PT/EIPPCB/ENE Finální červen

256

257 Kapitola 3 Popis následujících technik ilustruje různé možnosti(viz kap až ). 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 Nm 3 (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/Nm 3. 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/Nm 3 <SEC <130 Wh/Nm 3 [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] 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

258 Kapitola 3 Je důležité vzít v úvahu, že příliš nízký tlak způsobí špatné fungování některých strojů, zatímco tlak, který je vyšší, než je nutné, povede ke snížené účinnosti. V mnoha případech je v systému tlak 8 až 10 bar(g), ale většina vzduchu je přiškrcena na 6 bar(g) pomocí redukčních ventilů. Moderní systémy volí tlak, který uspokojí 95 % všech potřeb a pro zbytek použije malé zařízení na zvýšení tlaku a pokusí se eliminovat zařízení potřebující více než 6 bar(g) nebo vytvoří dva systémy s různým tlakem jeden s vyšším tlakem a jeden pro 6,5 bar(g). Dalším základním parametrem je volba skladovacího objemu. Protože poptávka po stlačeném vzduchu přichází většinou od mnoha různých zařízení, které často pracují přerušovaně, poptávka po vzduchu kolísá. Skladovací objem pomáhá snižovat kolísání tlaku způsobené poptávkou a uspokojuje krátkodobou špičkovou poptávku (viz kap ). 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 224 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

259 Kapitola 3 a lepším dimenzováním nádrží by bylo získáno až 9 % (u poloviny systémů) a snížením ztrát tlaku v potrubí (u poloviny systémů) by se získala 3 %. Výsledkem by byly úspory 6 % = 0,5 x (0,09 + 0,03). Design systému může také zahrnovat optimalizaci určitých koncových zařízení, zpravidla u 5 % všech systémů je možné snížit poptávku o asi 40 %, což má za výsledek úsporu 2 % energie (tj. 0,05 x 0,4). Ekonomie a hybná síla pro zavedení Náklady spojené s revizí systému stlačeného vzduchu s následnou úpravou tlaku a obnovou potrubí není snadné vypočítat a tyto náklady do velké míry závisejí na okolnostech v daném závodě. Úspory středně velkého systému (50 kw) lze odhadnout takto: 50 kw 3000 h/rok 0,08 EUR/kW 10 % = EUR 1200 EUR/rok Náklady na podrobnou revizi takového systému, připojení 90-litrové nádrže blízko kritického místa spotřeby a uzavíracího ventilu na příležitostně využívanou větev, výměnu 20 m potrubí, 10 hadic a zápachových uzávěrů činí asi 2000 EUR, takže doba návratnosti je 1,7 roku. Náklady jsou často nižší, když je potřeba provést pouze některé přenastavení tlaku, ale v každém případě je třeba velmi pečlivě zvážit nejnižší tolerovatelný tlak, který uspokojí dané potřeby. Ekonomika je pádným důvodem pro revizi systému stlačeného vzduchu. Velkou překážkou je nedostatek znalostí a/nebo zkušeného personálu odpovědného za tyto systémy. Technici asi budou vědět, že stlačený vzduch je drahý, ale jeho neúčinné využívání není na první pohled zřejmé a provozovateli by mohli scházet pracovníci s dostatečně velkými zkušenostmi. V mnoha zemích EU vznikají iniciativy zaměřené na předávání zkušeností se stlačeným vzduchem. Velmi podporují vytváření tzv. win-win situace, která přinese prospěch všem zúčastněným: majitel systémů stlačeného vzduchu získá nižší celkové náklady, dodavatel kompresorů a dalšího vybavení má vyšší příjmy a životní prostředí prospějí nižší emise z elektráren. Příklady Nebyla dodána data. Reference [168, PNEUROP, 2007, 194, ADEME, 2007] Pohony s měnitelnými otáčkami Popis Pohony s měnitelnými otáčkami (viz kap ) 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

260 Kapitola 3 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 226 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

261 Kapitola 3 kvůli ztrátám elektrické energie s měničem. Pohon s měnitelnými otáčkami by se proto neměl používat v kompresorech, které jsou v provozu na plné zatížení po dlouhou dobu. Reference [168, PNEUROP, 2007, 194, ADEME, 2007, 195, DETR] Vysoce účinné motory Popis Ačkoli neexistuje formální definice vysoce účinného motoru, je tak obecně označován motor, u něhož byly ztráty sníženy na absolutní minimum. Vysoce účinné motory minimalizuje elektrické a mechanické ztráty a představují tak úsporu energie. Po celém světě existují různá označení, která odlišují vysoce účinné motory od ostatních. Příkladem jsou EFF1, NEMA premium atd. (viz kap ). 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] 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

262 Kapitola 3 i možnost řízení jednotlivých kompresorů a optimalizace celkové spotřeby energie v rámci CAS. Řídící strategie hlavního řízení musí brát v úvahu charakteristiky jednotlivých kompresorů, zejména pak jejich režim řízení. Nejčastěji používané režimy řízení jednotlivých kompresorů jsou: Přepínání mezi zatížením, prostojem a zastavením Řízení frekvence. Hlavní rysy sofistikovaného řízení kompresorů lze shrnout takto: Moderní komunikace (např. na základě protokolů o automatizaci) Komplexní přístup hlavního řízení k provozním údajům o jednotlivých kompresorech Komplexní řízení všech provozních režimů kompresorů pomocí hlavního řízení CAS Samostatně fungující optimalizace strategie hlavního řízení, včetně rozpoznávání vlastností CAS Určování a aktivace vysoce energeticky účinných kombinací zatížených, nezatížených a vypnutých kompresorů a přechodů mezi těmito stavy tak, aby se pokryla celková poptávka po vzduchu Účinné řízení kompresorů s proměnlivou frekvencí tak, aby se kompenzovaly krátkodobé výkyvy v poptávce po vzduchu, předešlo se neúčinnému dlouhodobému chodu při konstantní rychlosti, zejména při nízkých frekvencích Minimalizace frekvencí zapínání a provozu naprázdno u kompresorů s fixní rychlostí Metody sofistikovaného předpovídání a modely celkové poptávky po dodávce vzduchu, včetně rozpoznání cyklických vzorců poptávky (denní nebo týdenní směny a pracovní harmonogram) Další funkce, jako je dálkový monitoring, sběr dat o závodu, plánování údržby, sledování průmyslovou televizí a/nebo dodávání předzpracovaných provozních dat pomocí webových serverů Řízení dalších komponent CAS, nejenom kompresorů. 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 % hodnoty pro plné zatížení. Další ztráty vyplývají z odvzdušnění kompresoru po jeho vypnutí a ze startování elektrického pohonu motoru. U zařízení s jedním kompresorem požadovaná frekvence spínání přímo závisí na profilu zatížení, velikosti vzdušníku, přípustném rozpětí tlaků a dodávkách kompresoru. 228 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

263 Kapitola 3 Pokud jsou tyto řídící parametry zvoleny nesprávně, může se průměrná účinnost kompresorů s fixní rychlostí provozovaných v přerušovaném režimu podstatně snížit ve srovnání s kompresory provozovanými na plnou rychlost v kontinuálním režimu. V takových případech je využití sofistikovaného hlavního řízení k optimalizaci procesních parametrů přerušovaně pracujícího kompresoru efektivním nástrojem ke zlepšení účinnosti CAS. Složité systémy hlavního řízení jsou navrhovány a programovány tak, aby minimalizovaly chod naprázdno i frekvenci spínání, a to pomocí různých strategií, např. přímým zastavením kompresoru, kdykoli teplota motoru (měřená nebo odhadnutá) dovolí možný okamžitý restart v případě potřeby. Kompresory s fixní rychlostí jsou energeticky velmi účinné, pokud se dosáhne minimalizace chodu naprázdno. V kompresorech s řízením frekvence provozní rychlost kompresorového prvku neustále kolísá mezi maximální a minimální rychlostí. Normálně je řízené rozpětí mezi maximální a minimální rychlostí asi 4:1 až 5:1 a dodávka vzduchu u objemových (např. šroubových) kompresorů je přibližně úměrná provozní rychlosti. Kvůli nutným ztrátám na měničích frekvence a vyvolané ztráty v motorech s asynchronním pohonem se účinnost samotného pohonného systému snižuje ve srovnání s pohony s fixní rychlostí (snížení o 3 4 % při plném zatížení a dokonce ještě více při částečném zatížení). Navíc míra účinnosti objemových kompresorů (např. šroubových kompresorů) se při nízkých provozních rychlostech podstatně snižuje ve srovnání s provozem, který odpovídá projektu. U provozů s jediným kompresorem lze tyto negativní vlivy kompenzovat vhodnou regulací kompresoru s proměnlivou frekvencí, eliminací ztrát způsobených chodem naprázdno, odvzdušňováním a/nebo startováním, které by kompresory s fixní rychlostí měly v téže aplikaci. Vzhledem k omezenému rozpětí řízení (viz výše) i kompresory v proměnlivou frekvencí mají při nízké poptávce po vzduchu ztráty způsobené chodem naprázdno, odvzdušňováním a/nebo startováním. Provozy s více kompresory Pro provozy s více kompresory je výše uvedené zdůvodnění příliš zjednodušené, protože kolísající celkovou poptávku po vzduchu bude hlavní řízení zpracovávat pomocí složitých kombinací a přesunů mezi provozními režimy několika kompresorů. Zahrnuje to také řízení provozní rychlosti kompresoru s proměnlivou frekvencí (pokud zde nějaký je), s cílem podstatně minimalizovat chod naprázdno a frekvenci spínání kompresorů s fixní rychlostí. Integrace kompresoru s řízením frekvence do multikompresorového systému může být velmi úspěšná v systémech stlačeného vzduchu s relativně malou skladovou kapacitou, silně a/nebo rychle se měnící poptávkou po vzduchu, několika kompresory a/nebo nedostatečně uspořádanými velikostmi kompresorů. CAS se správně uspořádanými velikostmi kompresorů na druhé straně umožňují, aby hlavní kontrola produkovaný vzduch přesně upravila podle poptávky prostřednictvím aktivace mnoha různých kompresorových kombinací s nízkými frekvencemi spínání a krátkou dobou chodu naprázdno. Hlavní řízení nechá většinou v provozu několik kompresorů v běžném tlakovém pásmu, aby tak udrželo definovaný minimální tlak ve vhodném bodě měření. Přináší to zřejmé úspory energie ve srovnání s kaskádovým režimem. Moderní hlavní řízení využívá strategie, které umožňují zúžení tlakového pásma, aniž by se u kompresorů zvýšila frekvence spínání nebo doba chodu naprázdno. Úzké tlakové pásmo dále snižuje průměrný protitlak a tím snižuje i požadavky na měrnou energii zatížených kompresorů. Použitelnost Podle studie SAVE je vhodné a nákladově účinné zavést moderní systémy řízení do asi 20 % stávajících CAS. Pro běžně velké CAS v závodech IPPC by mělo být využití moderního hlavního řízení považováno za moderní záležitost. Nejvyšších úspor energie lze dosáhnout, když je realizace moderního hlavního řízení plánována již ve fázi projektování sytému, spolu s počátečním výběrem kompresorů nebo v při významně PT/EIPPCB/ENE Finální červen

264 Kapitola 3 obměně komponentů (kompresorů). V těchto případech by se měla věnovat pozornost výběru kompresorů a systému řízení s moderní, komplexní a kompatibilní komunikací. Vzhledem k dlouhé životnosti CAS není tento optimální scénář vždy dosažitelný, ale výrazných energetických úspor lze dosáhnout i při modernizaci stávajícího CAS pomocí moderního hlavního řízení a, pokud neexistuje nějaké progresivnější varianta, dokonce i připojením starých kompresorů k tomuto systému pomocí reléových kontaktů. Ekonomie Nákladová účinnost integrace systémů hlavního řízení do nově navržených CAS závisí na okolnostech, např. na profilech poptávky, délce kabelů a druzích kompresorů. Výsledné průměrné energetické úspory se odhadují na 12 %. V případě modernizace a začlenění systému hlavního řízení do stávajícího CAS představuje integrace starých kompresorů a dostupnost plánů další nejistotu, ale doba návratnosti do jednoho roku je běžná. 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 EUR, z čehož EUR byly kapitálové náklady (v cenách roku 1991) Dosažené úspory: kwh (2100 GJ/rok, 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 EUR na 5060 EUR v roce 1998, takže návratnost by byla méně než 3 měsíce. Reference [113, Best practice programme, 1996] 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. 230 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

265 Kapitola 3 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 % elektrické energie použité v průmyslovém kompresoru se přeměňuje v tepelnou energii. V mnoha případech může správně navržená jednotka získat asi % 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 o C (nad vstupem chladícího vzduchu) a teploty vody o C. Příklad výpočtu úspor energií pro šroubový kompresor s injektáží oleje je uveden v Tabulce PT/EIPPCB/ENE Finální červen

266 Kapitola 3 Nominální energie - kompresor Získatelné teplo (přibl. 80 % nomin. energie) Roční úspory topného oleje při 4000 hod. provozu ročně Roční úspory nákladů (0,50 EUR/l topného oleje) kw kw l/rok EUR/rok tabulka 3-25 Příklad úspor nákladů [168, PNEUROP, 2007] Nomin. energie(kw) x0,8xpočet hodin provozu/rokxnákl. na top. olej Roční úspory = (EUR/l) 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] Snižování úniků ze systému stlačeného vzduchu Popis Snižování úniků ze systémů stlačeného vzduchu (CAS) má zdaleka největší potenciál pro získání energie. Úniky jsou přímo úměrné tlaku v systému. Dochází k nim v každém CAS 24 hodin denně, nikoli jen během výroby. Úniky by u dobře udržovaného velkého systému neměly přesahovat 10 % kapacity kompresoru. U malých systémů se doporučují úniky do 5 %. Množství úniků ze špatně udržovaného, historického systému stlačeného vzduchu mohou dosahovat až 25 %. Programy preventivní údržby těchto systémů by proto měly zahrnovat opatření na zabránění únikům a pravidelné zkoušky úniků. Jakmile jsou úniky zjištěny a opraveny, systém by měl být opět vyhodnocen. Testy by měly zahrnovat toto: Odhad množství úniků: Všechny metody odhadu úniků z CAS vyžadují, aby nebyly na systém žádné požadavky, což znamená, že všechna zařízení, která spotřebovávají vzduch, jsou vypnuta a veškerá spotřeba tudíž představuje právě úniky: o o Je možné přímé měření, jestliže je instalován měřič spotřeby stlačeného vzduchu. V CAS s kompresory, které mají řízení na bázi startu a zastavení, je odhad úniků možný tak, že se určí doba chodu (v režimu zátěže) kompresoru ve vztahu k celkové době měření. Pro získání reprezentativní hodnoty by doba měření měla zahrnovat alespoň pět startů kompresoru. Úniky vyjádřené v procentech kapacity kompresoru se pak vypočítají následovně: 232 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

267 Kapitola 3 Úniky (%) = 100 x doba chodu / doba měření o o U CAS s jiným řízením lze úniky odhadnout, jestliže je mezi kompresorem a systémem instalován ventil. Rovněž je nutný odhad celkového objemu, který je ve směru proudu pod tímto ventilem, a také tlakoměr pod tímto ventilem. Systém se pak přivede na provozní tlak (P1), kompresor se vypne a ventil se uzavře. Měří se doba (t), která uplyne, než v systému tlak P1 poklesne na nižší tlak P2. Tlak P2 by měl být asi 50 % provozního tlaku. Průtok úniku se pak vypočítá následovně: Únik (m³/min) = objem systému (m³) x (P1 (bar) - P2 (bar)) x 1.25 / t (min) Činitel 1,25 je korekcí pro snížený únik s klesajícím tlakem v systému. Úniky vyjádřené procentuálně se vypočítají takto: Únik (%) = 100 x únik (m 3 /min) / objemový tok na vstupu do kompresoru (m 3 /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 % 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen

268 Kapitola 3 regulátory tlaku otevřené lapače kondenzátu a uzavírací ventily připojení a odpojení potrubí, těsnění závitů nástroje na stlačený vzduch. Použitelnost Obecně použitelné pro všechny CAS (viz tabulka 3.23). Ekonomie Náklady na detekci a opravy úniků záleží na každém jednotlivém systému a na zkušenostech pracovníků údržby. Běžné úspory u středně velkého systému (50 kw) jsou: 50 kw x 3000 h/rok x EUR 0,08/kWh x 20 % = EUR 2400/rok Typické náklady na pravidelné zjišťování a opravy úniků jsou 1000 EUR / rok. Protože snižování úniků by se mělo aplikovat v široké míře (80 %) a přináší také největší úspory (20 %), jedná se o nejdůležitější opatření na snížení spotřeby energie v rámci CAS. Hybná síla pro zavedení Nebyla dodána data. Příklady Společnost Van Leer Ltd. (Velká Británie) použila 179 kwh (údaje z roku 1994) k výrobě 1000 m 3 stlačeného vzduchu za cenu 7,53 EUR / 1000 m 3. Proces snížení úniků přinesl roční úspory energie ve výši 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] Údržba filtrů 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 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

269 Kapitola 3 Hybná síla pro zavedení Nebyla dodána data. Příklady Nebyla dodána data. Reference Přívod studeného vzduchu do kompresorů Popis Hlavní kompresorová stanice je často umístěna blízko hlavního zatížení, které vyžaduje stlačený vzduch, aby se snížily ztráty tlaku v jeho vedení. Není výjimečné ani umístění hlavní stanice v podzemí nebo ve vnitřních prostorách závodu. V takových případech dochází běžně k nedostatku čerstvého vzduchu pro napájení kompresoru a motory jsou nuceny stlačovat okolní vzduch, který má většinou vyšší teplotu, než je teplota venkovního vzduchu. Z termodynamických důvodů vyžaduje komprese teplého vzduchu více energie než komprese vzduchu studeného. Technická literatura uvádí, že každé zvýšení teploty vstupního vzduchu o 5 o C způsobuje nárůst energie potřebné pro kompresor o 2 %. Tuto energii lze jednoduše ušetřit tím, že se do kompresorové stanice přivádí venkovní vzduch, zejména pak v zimním období, kdy může rozdíl vnitřní a venkovní teploty činit v závislosti na lokalitě i několikanásobek zmíněných 5 o C. 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 o C, 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. PT/EIPPCB/ENE Finální červen

270 Kapitola 3 Popis Hodnota Jednotka Vzorec Poznámka A Současný instalovaný výkon 135 kw - komprese B Hodin provozu/rok při plném zatížení 2000 Hodin/rok - C Potřebná energie kwh A x B D Dosažené snížení teploty 5 o C Odhad přiváděného vzduchu 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] 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 přímé přenastavení pomocí mechanických spínačů na kompresorech. Nejlevnější způsob nastavení tlakového rozpětí kompresoru je využití mechanických spínačů tlaku. Protože nastavení se někdy samo mění, je třeba tyto spínače čas od času přenastavit. Inteligentní řízení, které využívá kompresor s konvertorem frekvence nebo optimální velikost kompresoru. Rozpětí tlaku se přenastavuje pomocí kompresoru s konvertorem frekvence, který funguje jako kompresor se špičkovým zatížením a přizpůsobuje pohon 236 červen 2008 PT/EIPPCB/ENE Finální

271 Kapitola 3 své rychlosti konkrétním potřebám stlačeného vzduchu, anebo pomocí hlavního řízení, které přepíná na kompresor s nejvhodnější velikostí. Snížení tlakového rozpětí přímo na limit (optimalizované inteligentní řízení). Inteligentní řídící systém snižuje tlakové rozpětí do bodu, který umožňuje, aby kompresorová síť pracovala těsně nad limitem dodávek. Obr 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 PT/EIPPCB/ENE Finální červen