Tieto čísla otvárajú možnosti úspor v oblasti hnacieho ústrojenstva prostredníctvom efektívnych a inteligentných systémových riešení. Nedávne štúdie predpokladajú, že náklady na energiu možno ušetriť v priemere až o 30 %, a to pri nových nákupoch aj pri prevádzke elektrických pohonov. Podľa novej smernice o ekodizajne, ktorá sa od 1. júla 2021 stala v Európe povinnou pre nové výrobky, to znamená zníženie emisií CO2 približne o 40 miliónov ton do roku 2030 len pre EÚ.

V priemysle sú elektrické pohony všadeprítomné: v čerpadlách, kompresoroch, klimatizáciách, žeriavoch, výťahoch a dopravníkových pásoch. V súčasnosti prakticky neexistuje priemyselné odvetvie, ktoré by sa výrazne nespoliehalo na používanie elektromotorov. Od ich vynájdenia pred 150 rokmi sa účinnosť motora stále zvyšuje v dôsledku neustáleho vývoja. Najmä v posledných rokoch prinášajú technické inovácie a možnosti digitalizácie impulz pre inovácie a efektívnosť, čo umožňuje výrazné zníženie spotreby energie. Moderné energeticky účinné elektromotory a pohony s premenlivými otáčkami (tzv. frekvenčné meniče), ktoré sú tiež vybavené inteligentnými snímačmi, umožňujú značné úspory emisií CO2, zdrojov a nákladov na životný cyklus, najmä pri čiastočnom zaťažení. Investície do vyššej efektívnosti a produktivity preto zodpovedajú väčšej environmentálnej udržateľnosti a ekonomickému prínosu.

Zvýšenie efektívnosti znižuje náklady a emisie

Podľa odhadov Európskej komisie sa v EÚ používa približne osem miliárd elektromotorov, ktoré spotrebúvajú takmer polovicu všetkej elektriny vyrobenej v EÚ. Len v EÚ majú súčasné nariadenia o ekodizajne pri implementácii parížskych klimatických cieľov viesť k potenciálnej úspore 40 miliónov ton CO2 do roku 2030.

Pohľad na praktické aplikácie ukazuje, že tieto ciele nie sú len vidinou. Približne 75 % všetkých aplikácií priemyselných elektromotorov je inštalovaných v systémoch čerpadiel, ventilátorov a kompresorov, z ktorých veľký počet sa naďalej implementuje pomocou IE1, resp. normy účinnosti IE2, ktoré sú už zastarané.

Už dnes majú mnohé spoločnosti vo svojom portfóliu motory, ktoré sú v súlade s európskou normou IE4 (Super Premium Efficiency) a umožňujú zníženie strát motora o 15 % v porovnaní s predchádzajúcou triedou účinnosti IE3. Okrem toho existujú digitálne komponenty, najmä inteligentné snímače, ktoré ušetria až 10 % procesnej energie prostredníctvom analýzy dát a optimalizácie zložitých procesov a zvýšia životnosť komponentov v systéme až o 30 % a produktivitu vo výrobnom procese o 8 – 12 % v rámci siete priemyselného internetu vecí (IIoT).

Potenciál úspor sa realizuje v celom systéme

Skutočným kľúčom k vyššej energetickej účinnosti je celkový systém. Vďaka interakcii jednotlivých opatrení, od účinnejších motorov s reguláciou otáčok cez digitálne systémové komponenty a nástroje až po využitie elektricky vyrovnávanej energie v sieti motora, možno dosiahnuť úspory až 60 % v systémovej sieti. Je to práve dôsledná analýza systémových údajov v celkovom sieťovom systéme, ktorá vytvára príležitosti na zvýšenie energetickej účinnosti s výraznými úsporami emisií CO2, využívaním zdrojov a výrazným znížením nákladov na životný cyklus.

Technologický vývoj zároveň sľubuje ďalšie zvýšenie efektívnosti vo všetkých systémoch, ktoré spĺňajú nové normy efektívnosti. Zatiaľ čo od budúceho a komplexnejšieho štandardu IE5 možno očakávať len menšie vylepšenia, prechod na aplikácie IE4 s premenlivou rýchlosťou, a teda „superprémiová efektivita“ ponúka mimoriadne efektívne využitie s cieľom celkovej optimalizácie existujúcich systémov v dohľadnej budúcnosti. Navyše, s údajmi, ktoré moderné motory a meniče zhromažďujú už dnes, bude možné dosiahnuť výrazné zvýšenie účinnosti vývojom zodpovedajúceho softvéru.

Normy efektívnosti a rámcové podmienky

Predpisy o energetickej účinnosti zohrávajú ústrednú úlohu pri implementácii Parížskej dohody. Vo viac ako 50 krajinách sveta už platia nariadenia, ktoré sa špeciálne zameriavajú na veľký potenciál efektívnych technológií pre elektromotory, vrátane EÚ, Číny a USA. Európa si dala za cieľ znížiť do roku 2030 emisie skleníkových plynov aspoň o 55 % v porovnaní s rokom 1990 a dosiahnuť CO2 neutralitu do roku 2050. Pre elektromotory platí nariadenie (EÚ) 2019/1781 s triedami energetickej účinnosti IE2 pre motory s 0,12 až 0,75 kW a IE3 pre motory s výkonom do 1 000 kW – platí v EÚ od 1. 7. 2021. Od júla 2023 bude nový štandard účinnosti IE4 povinný pre stredne veľké motory vo výkonovom rozsahu od 75 do 200 kW. Očakáva sa, že nové pravidlá ušetria v EÚ do roku 2030 110 TWh energie, čo je približne ekvivalent spotreby elektriny v Holandsku a úspory CO2 vo výške 40 miliónov ton ročne.

Energetická účinnosť: imperatív ekonomického a ekologického zdravého rozumu

Požiadavky používateľov elektromotorov stúpajú nielen s množstvom záväzných predpisov o ochrane klímy, ale aj s dostupnosťou, produktivitou, investíciami a životným cyklom ich strojov. Keďže náklady na spotrebu energie motora počas jeho životnosti tvoria až 97 % celkových nákladov, túžba po najefektívnejších riešeniach je rovnako otázkou hospodárnosti, ako aj ekologickej zodpovednosti a zdravého rozumu.

V spracovateľskom priemysle poháňajú elektromotory hlavne čerpadlá, ventilátory a kompresory. Dopyt je však vysoký aj po účinných a ekologicky kompatibilných motoroch vo výrobnom priemysle. Napríklad energetická účinnosť lisov na kov sa už roky špecificky podporuje integráciou systémov krátkodobého skladovania energie. Existujú odvetvia, pre ktoré samotná „zelená ekologická stopa“ predstavuje ekonomickú nevyhnutnosť. Napríklad pri výrobe batérií v automobilovom sektore sú environmentálne výrobné procesy súčasťou jadra obchodného modelu. Na ceste k zelenej e-mobilite nie je dôležité len znižovanie CO2 počas prevádzky e-auta, ale aj stopa, ktorú vozidlo zanecháva pri výrobe.

Faktory úspechu pre efektívne pohony

Rozhodujúcim faktorom pri meraní účinnosti motora je takzvaná účinnosť, ktorá sa vypočítava z podielu výkonu a spotreby energie. Hodnoty účinnosti sú založené na stupnici Medzinárodnej elektrotechnickej komisie (IEC), počnúc kategóriami IE1 a IE2 pre porovnateľne neefektívne motory až po výrazne efektívnejšie normy IE3 a IE4. Tie sú v súčasnosti povinné pre väčšinu motorov podľa smerníc ErP alebo čoskoro budú. Keďže stroj radu IE4 so „superprémiovou účinnosťou“ je už teraz pozoruhodne blízko k technicky realizovateľnému optimu účinnosti, existuje len malý priestor na zlepšenie budúcej triedy motorov radu IE5 s „ultraprémiovou účinnosťou“.

Frekvenčný menič pre optimalizovanú prevádzku pri čiastočnom zaťažení

Vzhľadom na aktuálne extrémne vysokú účinnosť motora možno dosiahnuť výrazné zvýšenie energetickej účinnosti iba prostredníctvom rozšíreného prístupu v celkovom systéme. Často je napríklad efektívnejšie použiť viac a menších motorov, ktoré sú presne optimalizované na ich špecifické úlohy, ako permanentne udržiavať prebytočný výkon väčším motorom. Aby sa zároveň zabezpečila väčšia flexibilita, používajú sa meniče, ktoré prispôsobujú motor každej požiadavke tak, aby pohon fungoval energeticky optimalizovaným spôsobom aj v prevádzke s čiastočným zaťažením.

Regulácia otáčok/frekvenčný menič

Aj keď sa dá očakávať, že s ďalšími regulačnými krokmi sa požiadavky na účinnosť motorov ako jednotlivých komponentov ešte zvýšia, na ďalšie významné zlepšenia je potrebný holistický systémový prístup. Nevyhnutnou pákou na to je regulácia otáčok, aby pohonné systémy fungovali energeticky efektívne aj v prevádzke s čiastočným zaťažením.

Pohon s premenlivou rýchlosťou sa používa na riadenie otáčok motora pomocou frekvencie a napätia dodávaného prúdu. Tak možno optimalizovať chod elektromotora aj v prevádzke s čiastočným zaťažením, takže otáčky a krútiaci moment sa prispôsobia požiadavkám príslušného systému na zaťaženie. To znamená, že sa vždy vyvolá iba výkon skutočne požadovaný konkrétnou aplikáciou. Kombináciou vysoko účinných motorov so systémami pohonu s premenlivými otáčkami možno teda dosiahnuť značné úspory energie. Prevádzka s premenlivými otáčkami šetrí energiu a súčasne zvyšuje kvalitu a dostupnosť procesu vďaka záťaži, ktorá je v rezerve.

Digitalizácia

Integrované digitálne riešenia ponúkajú rôzne východiskové body na výrazné zvýšenie energetickej účinnosti a efektívnosti zdrojov v celkovom systéme prostredníctvom prepojenia jednotlivých komponentov. Napríklad prostredníctvom cieleného využívania umelej inteligencie, inteligentných snímačov a business intelligence možno nepretržite optimalizovať výrobné procesy prostredníctvom aplikácií IIoT, čím sa súčasne znižuje dosah na životné prostredie a náklady.

Virtuálne simulácie umožňujú výber a optimalizáciu komponentov pohonu s cieľom presného prispôsobenia a predchádzajú predimenzovaniu alebo chybám pri plánovaní. Počas prevádzky možno čítať a analyzovať prevádzkové údaje prostredníctvom priemyselných aplikácií a previesť ich na optimalizačné opatrenia. Vo výrobe pomáhajú digitalizačné riešenia včasnou detekciou problémov s výrobkami a predchádzaním následným chybám. Nepriame vplyvy, ktoré nesúvisia s pohonom, možno identifikovať aj pomocou snímačov komponentov pohonu, takže celú prevádzku v integrovanom systéme možno nenáročným spôsobom priebežne optimalizovať.

Výrobca plastových nádob zaznamenal 60 % pokles nákladov na energie a o 30 % vyšší výkon

Opotrebovaný hydraulický motor na 23-ročnom vyfukovacom stroji v severoírskom PrimePac spotrebúval nadmerné množstvo energie a nedokázal zaistiť konštantný výkon, čo viedlo k nízkej kvalite plastových fliaš. Spoločnosť PrimePac Limited sa špecializuje na výrobu plastových fliaš a nádob s uzávermi, rozprašovačmi, sprejmi a iným príslušenstvom. Výrobca čelil dvom problémom. Prvým z nich bola klesajúca kvalita výrobkov. Druhým problémom bolo, že spoločnosť chcela nainštalovať nový extrúder, ale chýbala jej výkonová kapacita, čo znamenalo, že by musela investovať do modernizácie svojho napájacieho zdroja.

Energetické hodnotenie odhalilo potenciálnu úsporu energie až 30 % výmenou hydraulického motora za synchrónny reluktančný (SynRM) motor triedy IE4 s frekvenčným meničom. Hodnotenie tiež ukázalo, že spotreba energie bola nestála a vysoká kvôli tomu, že hydraulický agregát vyžadoval pri spustení vyšší krútiaci moment. Inštaláciou SynRM motora však skutočná úspora energie dosiahla až 60 %. V dôsledku toho sa očakáva návratnosť investície do IE4 SynRM motora s výkonom 55 kW za menej ako 1 rok. Úspory energie sú také rozsiahle, že spoločnosť PrimePac nemusela investovať do modernizácie zdroja elektrickej energie s výkonom 600 kVA za viac ako 300-tisíc eur, ktorý bol potrebný na napájanie ďalšieho plne elektrického vyfukovacieho stroja na výrobu nového typu lekárenských nádob.

IE5 vyžaduje celkový pohľad

Parametre triedy účinnosti IE5 sú stále predmetom vývoja. Očakáva sa, že motory radu IE5 s „ultraprémiovou účinnosťou“ znížia energetické straty približne o 20 % v porovnaní s IE4 („superprémiová účinnosť“). Pre novú triedu IE5 je dôležité zamerať sa na zlepšenie účinnosti systému počas celého cyklu životnosti vrátane všetkých systémových strát (konvertor, filter, káble, motor atď.). IEC očakáva, že to bude zohrávať veľkú úlohu pri ďalšej optimalizácii energetickej účinnosti.

Zdroj

[1] Efficient drive systems – Go for sustainability. Siemens. [online]. Citované 22. 11. 2022. 

[2] Whitepaper „Game Changer for industry and climate protection“. Siemens. [online]. Citované 22. 11. 2022. 

[3] Plastic container maker sees 60 percent fall in energy costs and 30 percent higher output. ABB. [online]. Citované 23. 11. 2022. 

-pev-