Pneumatyka.com Ocena możliwości oszczędzania energii w systemach sprężonego powietrza.

Wprowadzenie

Zmniejszenie globalnego zapotrzebowania energetycznego, efektywne wykorzystanie zasobów energii oraz wprowadzenie energooszczędnej gospodarki było powodem przyjęcia Protokołu z Kyoto (1997) przez kraje, które zobowiązały się do ograniczenia emisji CO2 do 2012 roku o co najmniej 5% do poziomu z 1990 r.. Jeżeli protokół z Kioto zostanie w pełni wprowadzony w życie, to przewiduje się redukcję średniej temperatury globalnej nawet o 0,28°C do roku 2050. Polska zajmuje czołowe miejsce w Europie pod względem emisji dwutlenku węgla do atmosfery, która wynika z produkcji energii elektrycznej i cieplnej niemal wyłącznie z węgla kamiennego i brunatnego, nieefektywnego systemu energetycznego, marnotrawstwo energii oraz struktury przemysłowej z dużym udziałem energochłonnych gałęzi przemysłu. W ciągu ostatnich 20 lat zanieczyszczenie atmosfery w Polsce osiągnęło poziom stawiający nasz kraj w rzędzie najbardziej zanieczyszczonych rejonów Europy. Ponieważ zanieczyszczenia powstają w czasie procesów produkcyjnych, głównie przez spalanie węgla kamiennego i brunatnego, dlatego największym źródłem zanieczyszczeń jest gospodarka paliwowo-energetyczna (50%), elektroenergetyczna i ciepłownicza (46%) oraz przemysł metalurgiczny (9%) [13]. Na Szczycie Rady Europejskiej (2007 r.) przyjęto Plan Działań integrujący politykę klimatyczną i energetyczną. W efekcie realizacji tego Planu powinno dojść do ograniczenia zużycia energii do 2020 r. o 20%. Udział Polski w wytwarzania energii elektrycznej z węgla kamiennego do 2020r. ma zmniejszyć się o 41%. Planowaną strukturę zużycia energii pierwotnej do 2020r. w Polsce zamieszczono na rys. 1.

Rys. 1. Planowana struktura zużycia energii pierwotnej do 2020r. [13]

W Siódmym Programie Ramowym UE dotyczącym priorytetu „Współpraca” znajduje się priorytet tematyczny „Energia”, w którym przyjęto do realizacji zadanie: „Wydajność energetyczna i oszczędność energii” [4]. Szacuje się, że energooszczędne układy napędowe mogą w skali rocznej przynieść Europie zmniejszenie zużycia energii elektrycznej o 200 mld kWh oraz ograniczenie emisji gazów cieplarnianych o 100 milionów ton [6]. W Unii Europejskiej realizowane są różne programy prowadzące do zmniejszenia zużycia energii elektrycznej, np. program MCP (Motor Challenge Programme), który dotyczy wspierania zakładów przemysłowych w zwiększaniu efektywności zużycia energii elektrycznej w różnych systemach napędowych (mechanicznych, hydraulicznych, pneumatycznych) [4]. Procentowy udział zużycia energii przez silniki elektryczne, wykorzystane do napędu sprężarek, pomp, wentylatorów, urządzeń chłodzących w 15 krajach UE w 2002r.przedstawiono na rys. 2.

Rys. 2. Udział zużycia energii elektrycznej przez silniki elektryczne w 15 krajach UE w 2002 według testo Co Ltd.)

Europejskie programy efektywnego wykorzystania energii sprężonego powietrza dotyczą racjonalizacji wytwarzania i wykorzystania sprężonego powietrza, np. przez zwiększenie sprawności sprężarek, ograniczenie strat ciśnienia i zmniejszenia przecieków w instalacjach pneumatycznych. W ramach Programu Unii Europejskiej “Systemy sprężonego powietrza w Unii Europejskiej” (Compressed Air Systems in the European Union) planowane są działania prowadzące do zwiększenia zużycia sprężonego powietrza przy jednoczesnym ograniczeniu zużycia energii elektrycznej [5]. W Unii Europejskiej do napędu sprężarek zużywa się około od 7 do 10% wytwarzanej energii elektrycznej. Zużycie energii elektrycznej w 2001r. do napędu sprężarek w wybranych wysoko uprzemysłowionych krajach UE przedstawiono na rys. 3.

Rys. 3. Zużycie energii elektrycznej do napędu sprężarek w krajach UE [10]

Z tego schematu wynika, że w całej Unii Europejskiej koszty energii zużytej do napędu sprężarek wynosiły wtedy około 80 TWh. W samych Niemczech zużyto około 14 TWh energii elektrycznej, czyli prawie tyle ile w ciągu jednego roku zużywa kolej niemiecka [8]. Natomiast na rys. 4 przedstawiono ilość sprężarek o mocy 10÷110 kW i 110÷300 kW, zainstalowanych w różnych krajach UE w 2005 r. Natomiast prognozy dotyczące zmniejszenia zużycie energii elektrycznej do napędu sprężarek, opracowane według BAU (Business As Usual), ARP (Awareness Raising Programme), ERP (Economic and Regulatory Programme), przedstawiono na rys. 5.

Rys. 4. Liczba sprężarek o dwóch zakresach mocy, zainstalowanych w krajach UE [10]

Rys. 5. Prognozowane zużycie energii elektrycznej do napędu sprężarek w krajach UE prognozy według BAU, ARP i ERP [10]

Sprężone powietrze jest drogim nośnikiem energii ze względu na duże koszty jego wytwarzania, przygotowania i przesyłania. Do sprężania powietrza wykorzystuje się sprężarki napędzane silnikami elektrycznymi lub spalinowymi, które zużywają energię elektryczną lub paliwa wytwarzane ze źródeł naturalnych. Ocenia się, że do wytworzenia 1 dcm³ sprężonego powietrza potrzebna jest moc elektryczna 6,5 W, a do sprężenia powietrza do ciśnienia 1 MPa konieczne jest wytworzenie energii elektrycznej o mocy 1 W [11]. Jak wynika z rys. 6 udział kosztów energii elektrycznej w ogólnych kosztach eksploatacji sprężarek wynosi około 73%. Do oszacowania zużycia energii elektrycznej przez sprężarki stosuje się różne wzory zlecane przez normy międzynarodowe [10].