EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE

1. SZKOLENIE: „INTELIGENTNA ENERGIA. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ W PRZEDSIĘBIORSTWACH” Wrocław, 14 maja 2009 EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE Dr inż. Kazimierz HERLENDER Politechnika Wrocławska, Instytut Energoelektryki

2. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE Nowa polityka Unii Europejskiej (UE) w zakresie energii i środowiska naturalnego, która została uzgodniona przez Radę Europejska w marcu 2007 r., ustanawia perspektywiczny program działań politycznych zmierzających do osiągnięcia trzech głównych celów wspólnotowej polityki energetycznej, tj. • zrównoważonego wytwarzania energii, • Konkurencyjności, • bezpieczeństwa dostaw. Aby cele te mogły zostać wprowadzone w życie, UE zobowiązała się do zrealizowania do 2020 r. inicjatywy „20-20-20”: tj. • do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych o 20 %, • zwiększenia udziału energii odnawialnej w całkowitym zużyciu energii do 20 % • zwiększenia efektywności energetycznej o 20 %.

3. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE • Niezawodność zasilania i koszty przerw w dostawie energii • Jakość energii - wyższe harmoniczne • Kompensacja mocy biernej • Komputerowe systemy monitorowania i sterowania • Stosowanie urządzeń energooszczędnych – np. oświetlenie • Systemy rozliczeniowe • Odnawialne źródła energii • Termomodernizacja

4. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE 1. Niezawodność zasilania i koszty przerw w dostawie energii 2. Urządzenia do podtrzymania zasilania - Agregaty prądotwórcze - Baterie akumulatorów - Układy zasilania bezprzerwowego (UPS) 3. Źródła energii w układach zasilania rezerwowego 4. Bateryjne zasobniki energii typu BES 5. Podsumowanie

5. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE1. Niezawodność zasilania i koszty przerw w dostawie energii Przebieg wydajności produkcji podczas wystąpienia przerwy w zasilaniu. ta – czas przerwy w zasilaniu, tae – zastępczy czas przerwy w zasilaniu określony na podstawie kosztów strat produkcyjnych, ts  – czas niezbędny do uruchomienia procesu technologicznego, Ee – standardowa wydajność rozpatrywanego procesu.

6. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE 1. Niezawodność zasilania i koszty przerw w dostawie energii Przykłady: 1 - przemysł chemiczny, papierniczy, 2 - handel detaliczny produktami nie psującymi się, 3 - system przetwarzania danych, 4 - ferma drobiu. Typowe charakterystyki zależności kosztów przerw w zasilaniu od czasu ich trwania.

7. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE 2.Urządzenia do podtrzymania zasilania Do istotnych parametrów urządzeń zasilania rezerwowego zalicza się: - moc i ilość zgromadzonej energii, - czas przełączania, czyli czas upływający od chwili zaniku napięcia na źródle zasilania podstawowego do chwili zasilenia odbiorów ze źródła rezerwowego, - maksymalny czas trwania zasilania rezerwowego, - sprawność, - koszt instalacji i utrzymania.

8. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE2.Urządzenia do podtrzymania zasilania - Niezależna linia elektroenergetyczna - Agregaty prądotwórcze - Baterie akumulatorów - Układy zasilania bezprzerwowego (UPS) - Bateryjne zasobniki energii typu BES

9. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE 2.Urządzenia do podtrzymania zasilania - Agregaty prądotwórcze Rozwiązania agregatów prądotwórczych wyposażonych w koła zamachowe z zerowym czasem przełączania. a) z generatorem pracującym w normalnych warunkach zasilania jako silnik b) z generatorem napędzanym przez silnik elektryczny c) z generatorem napędzanym w normalnych warunkach pracy przez maszynę silnik/generator. 1 - silnik spalinowy lub turbina, 2 - sprzęgło elektromagnetyczne, 3 - koło zamachowe, 4 - generator synchroniczny przystosowany również do pracy jako silnik, 5 - generator, 6 - silnik elektryczny

10. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE2.Urządzenia do podtrzymania zasilania - Baterie akumulatorów • Różne rozwiązania zasilania odbiorników prądu stałego z użyciem układów prostownikowych i baterii akumulatorów jako źródła rezerwowego • a) układ z łącznikiem S b) układ bezprzerwowego zasilania

11. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE 2.Urządzenia do podtrzymania zasilania - Układy zasilania bezprzerwowego (UPS) Podstawowa klasyfikacja układów UPS (IEC 62040-3:1999, EN 50091-3) - VFD (output Voltage and Frequency Dependent from mains supply) - wartość i częstotliwość napięcia wyjściowego są zależne od parametrów napięcia zasilającego - VI (output Voltage Independent from mains supply) – wartość napięcia wyjściowego jest niezależna od parametrów napięcia zasilającego - VFI (output Voltage and Frequency Independent from mains supply) – wartość i częstotliwość napięcia wyjściowego są niezależne od parametrów napięcia zasilającego.

12. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE 2.Urządzenia do podtrzymania zasilania - Układy zasilania bezprzerwowego (UPS) • Klasyfikacja układów UPS • w zależności od możliwości eliminacji • wybranych zakłóceń w napięciu wejściowym.

13. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE 2.Urządzenia do podtrzymania zasilania - Układy zasilania bezprzerwowego (UPS) MONOBLOKOWE CZY MODUŁOWE? • Możliwości zwiększenia mocy (up-grade)  • Redundancja systemu • Możliwości serwisowania podczas pracy systemu

14. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE 2.Urządzenia do podtrzymania zasilania Układy zasilania bezprzerwowego (UPS) Możliwości zwiększenia mocy (up-grade)  Zasilacze klasyczne a) upgrade softwarowy - zwykle zasilacze softwarowo posiadają ograniczenie mocy, a dzięki odblokowaniu funkcji moc te można zwiększyć. Do tego jednak konieczna jest obecność inżyniera serwisu. W ten sposób można zwykle zwiększyć moc zasilacza max o 30% b) upgrade poprzez połączenie równoległe dwóch lub więcej jednostek. Ograniczeniem tutaj jest fakt, że możemy równolegle połączyć tylko jednostki o tej samej mocy. Otrzymamy w wyniku zwiększenie mocy dwukrotne lub wielokrotne, a więc często przekraczające nasze potrzeby. Metoda droga i nieelastyczna. Ponadto takiego połączenia równoległego może dokonać jedynie wyspecjalizowany serwis. Zasilacze modułowe Upgrade mocy w zasilaczach modułowych jest o wiele bardziej prosty i elastyczny. W zasadzie wszystkie zasilacze modułowe skonstruowane zostały w ten sposób, że użytkownik sam może dokonać Upgradu mocy poprzez umieszczenie w obudowie zasilacza dodatkowego modułu mocy. Ten sposób jest też bardzo elastyczny ponieważ samodzielnie zwiększamy moc o tyle modułów ile aktualnie potrzebujemy.

15. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE 2.Urządzenia do podtrzymania zasilania Układy zasilania bezprzerwowego (UPS) Możliwości zwiększenia mocy (up-grade)  Przykład - Zasilacze modułowe Dziś:  Za rok:  10 kVA 10 kVA 10 kVA 10 kVA 10 kVA 10 kVA  10 kVA Potrzebujemy moc 30 kVA Zwiększa nam się zapotrzebowanie na moc Stosujemy zasilacz UPS składający się Potrzebujemy już 40 kVA z 3 modułów o mocy 10 kVA Dokupujemy 1 moduł o mocy 10 kVA i umieszczamy go w szafie Uwaga! W istniejących już rozwiązaniach możliwe jest również zwiększenie ilości gniazd w zasilaczu. Użytkownik nie musi od razu przewidzieć o ile w przyszłości zwiększy się zapotrzebowanie na moc w jego systemie. Rozpatrując w dalszym ciągu nasz przykład, jeśli za dwa lata jego potrzeby wzrosną do 50 kVA to możemy doinstalować kolejne gniazdo.

16. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE 2.Urządzenia do podtrzymania zasilania Układy zasilania bezprzerwowego (UPS) Redundancja systemu Zasilacze klasyczne monoblokowe Redundancje może zapewnić tzw. System Pracy Równoległej W zasilaczach klasycznych rozwiązaniem zachowania redundancji jest połączenie zasilaczy monoblokowych w system pracy równoległej. Jest to jednak zabezpieczenie obarczone dużym zwykle nadmiarem mocy ponieważ możemy dołączyć równolegle jednostki o tych samych mocach, zatem bezpieczny system zasilania np. N+2 musi być parokrotnie przewymiarowany Np. Chcemy uzyskać redundancję dla UPS 40 kVA przy zachowaniu bezpieczeństwa N+2, musimy więc połączyć równolegle aż trzy zasilacze : UPS 40 kVA + 40 kVA + 40 kVA . Łączna moc systemu wyniesie aż 120 kVA !!!

17. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE 2.Urządzenia do podtrzymania zasilania Układy zasilania bezprzerwowego (UPS) Redundancja systemu Zasilacze modułowe Redundancje może zapewnić tzw. Centralny Bypass wykorzystywany w zasilaczach modułowych W zasilaczach modułowych bezpieczeństwo systemu możemy uzyskać bez takich nadwyżek mocy i w sposób o wiele łatwiejszy. W rozpatrywanym przykładzie takie samo bezpieczeństwo uzyskamy dokonując zakupu UPS-a składającego się z 6-ciu modułów każdy po 10 kVA. Zasilacz ma więc łączną moc 60 kVA i jesteśmy zabezpieczeni N+2, ponieważ bez względu który moduł ulegnie awarii pozostałe pracują nieprzerwanie. Sposób ten jest : tańszy, bezpieczniejszy, elastyczniejszy oraz łatwiejszy w instalacji.

18. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE 2.Urządzenia do podtrzymania zasilania Układy zasilania bezprzerwowego (UPS) Serwis Zasilacze klasyczne monoblokowe Do usunięcia awarii w zasilaczach klasycznych niezbędne jest wezwanie wyspecjalizowanego serwisu. Przyjazd serwisu pochłania czas, usunięcie awarii jest często czasochłonne i niepewne. Czasem wręcz trzeba podstawić zasilacz zastępczy na czas naprawy. Zasilacze modułowe Serwis tego typu UPS-ów sprowadza się do wymiany modułu. Moduł taki użytkownik może mieć u siebie i wymienić go bez potrzeby wzywania serwisu. Jeśli nawet użytkownik dodatkowego modułu nie posiada to usunięcia awarii opóźni się o czas potrzebny na dostarczenie użytkownikowi modułu.

19. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE3. Źródła energii w układach zasilania rezerwowego Obecnie około 97 % wszystkich przerw w zasilaniu występujących w sieciach rozdzielczych średniego napięcia to przerwy, których czas trwania nie przekracza 3 sekund i trwa zwykle 0,3 do 3 sekund. Przerwy w zasilaniu trwające dłużej niż 3 sekundy, to jedynie około 3% wszystkich przerw, i są zwykle powodowane trwałymi zwarciami w urządzeniach sieci. Pojawia się potrzeba konstrukcji źródeł energii o następujących cechach: - duża pojemność energii, - niski stopień samorozładowania, - szybki przebieg ponownego ładowania, - umiarkowane wymagania dotyczące utrzymania, - wysoka sprawność, - możliwie wysoka dynamika obciążenia (oddania energii).

20. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE 3. Źródła energii w układach zasilania rezerwowego - Baterie akumulatorów - Koła zamachowe - Super-kondensatory - Nadprzewodnikowe magnetyczne zasobniki energii (SMES) - Sprężone powietrze Kompresyjne zasobniki energii (CAES) /CASE - Compressed Air Energy Storage/

21. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE 4. Bateryjne zasobniki energii typu BES /Battery Energy Storage/ Funkcje Bateryjnych Zasobników Energii w Systemie Elektroenergetycznym: - ograniczanie mocy szczytowej w węzłach sieci - rezerwa mocy - regulacja częstotliwości - regulacja napięcia - regulacja współczynnika mocy

22. » » » » = = = = EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE 4. Bateryjne zasobniki energii typu BES /Battery Energy Storage/ 20 kV STEROWANIE Układ blokowy bateryjnego zasobnika energii typu BES

23. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE 4. Bateryjne zasobniki energii typu BES /Battery Energy Storage/ Przykład bateryjnego zasobnika energii typu BES (1,2MW/1,2MWh) - HERNE /Niemcy/

24. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE 4. Bateryjne zasobniki energii typu BES /Battery Energy Storage/ Przykład bateryjnego zasobnika energii typu BES (1,2MW/1,2MWh) - Stanowisko baterii elektrochemicznych

25. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE 4. Bateryjne zasobniki energii typu BES /Battery Energy Storage/ Przykład bateryjnego zasobnika energii typu BES (1,2MW/1,2MWh) - Szafy z urządzeniami przekształtnikowymi

26. 4. Bateryjne zasobniki energii typu BES /Battery Energy Storage/

27. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ ELEKTRYCZNĄ W FIRMIE5. Podsumowanie 1) Niezawodność zasilania to swego rodzaju kompromis pomiędzy zagrożeniami bądź stratami jakie mogą być skutkiem przerw w zasilaniu a kosztami środków i urządzeń, które mają takim przerwom zapobiegać. Jedną z konsekwencji tego kompromisu jest podział odbiorców na grupy czy kategorie w zależności od dopuszczalnego czasu trwania przerw w zasilaniu. 2) Układy rezerwowego zasilania dzieli się w zależności od: - wykorzystywanego źródła energii, - ilości akumulowanej energii, - czasu gotowości do pracy (pełnego obciążenia), - możliwego czasu obciążenia, - możliwości eliminacji różnorodnych zakłóceń w dostawie energii, - nowatorstwa rozwiązań.

28. SZKOLENIE: „INTELIGENTNA ENERGIA. EFEKTYWNE ZARZĄDZANIE ENERGIĄ W PRZEDSIĘBIORSTWACH” Wrocław, 14 maja 2009 Dziękuję za uwagę Dr inż. Kazimierz HERLENDER Politechnika Wrocławska, Instytut Energoelektryki kazimierz.herlender@pwr.wroc.pl