Jak efektywnie wykorzystać energię w przedsiębiorstwach przemysłowych? W jaki sposób można ją wytwarzać i magazynować w warunkach produkcyjnych? Jaki wpływ na funkcjonowanie systemów energetycznych wywierają takie czynniki jak oddziaływanie przyłączeń na sieć energetyczną i moc bierna, czy inne formy energii, m.in. zimno, ciepło i gazy procesowe?

Na te pytania ma odpowiedzieć uruchomiony w 2013 r. projekt SEEDs, nad którym pracują wspólnie trzy siostrzane instytuty im. Fraunhofera pod przewodnictwem Instytutu Zintegrowanych Systemów i Technologii Urządzeń w Erlangen (IISB).

Teoria i praktyka w ramach jednej platformy

SEEDs sam w sobie stanowi zarówno naukową platformę badawczą, jak i zalążek działań o charakterze praktycznym. Adresatem projektu jest grupa małych i średnich przedsiębiorstw zużywających w roku średnio1-9 MW energii elektrycznej, a działania podejmowane w jego ramach koncentrują się na wypracowaniu możliwości zwiększenia efektywności i opłacalności procesów wytwarzania, magazynowania i wykorzystywania energii oraz niezależności energetycznej przez umiejętną integrację poszczególnych energooszczędnych technologii w jeden spójny, zoptymalizowany system energetyczny dopasowany do potrzeb sektora przemysłowego.

Za przedmiot badań mających doprowadzić do realizacji tego celu obrano kompleks budynków IISB w Erlangen. Nie był to zresztą wybór przypadkowy: zespół ten zużywa ilość energii porównywalną z zapotrzebowaniem małego przedsiębiorstwa przemysłowego. Także jego wymagania względem sprawności i wydajności systemu energetycznego są zbliżone do tych typowych dla MŚP. Wynika to przede wszystkim ze specyfiki prowadzonych tu badań, zwłaszcza w zakresie mikro- i nanoelektroniki, energoelektroniki i mechatroniki, które wymagają zastosowania energochłonnych technologii i urządzeń. Instytut dysponuje m.in. linią do produkcji półprzewodników w warunkach sterylnych oraz aparaturą do hodowli kryształów krzemu. Dużo energii zużywają także systemy klimatyzacji i chłodzenia oraz serwerownie. Obciążenie podstawowe budynku wynosi ok. 400 kW, jednak w okresach szczytowych może ono sięgnąć nawet 1 MW. Dla porównania: obciążenie podstawowe przeciętnego domku jednorodzinnego nie przekracza z reguły 1 kW. W przypadku kompleksu IISB jedną czwartą owego zużycia generują systemy klimatyzacji i chłodzenia.

Monitorowanie zużycia energii w warunkach realnych

Decyzja o poddaniu badaniom realnego obiektu miała mocne podstawy merytoryczne. Aby móc zrealizować cel projektu, naukowcy musieli bowiem dokładnie przeanalizować, gdzie i jak generowane są przepływy energii, a zatem uzyskać wiedzę, której nie dostarczyłaby symulacja komputerowa.

Ponieważ wszystkie zgromadzone na tym etapie informacje miały stać się podstawą do prowadzenia dalszych badań, od początku szczególną wagę przywiązywano do wyboru odpowiedniego systemu monitoringu zużycia energii. System taki musiał być na tyle elastyczny i stabilny, aby umożliwiać pomiar różnorodnych form energii, takich jak prąd, w tym dostarczany przez trzy instalacje fotowoltaiczne, ciepło, produkcja chłodu, wentylacja i klimatyzacja, aż po instalacje sprężonego powietrza oraz sieć prądu stałego wykorzystywaną do celów badawczych. Dodatkowo uwzględniono także dane pogodowe, które miały dostarczać informacji na temat tego, czy zmiany zapotrzebowania na ogrzewanie lub klimatyzację generowane są przez paralelne zmiany temperatury na zewnątrz czy też przez jakiś inny czynnik.

Głównym kryterium branym pod uwagę podczas wyboru systemu pomiarowego była elastyczność i łatwa integracja z wieloma różnymi urządzeniami pomiarowymi. Możliwości takie zapewniała otwarta architektura pozwalająca na swobodne uzupełnianie i rozszerzanie systemu o dodatkowe urządzenia. Drugim stawianym mu wymogiem była odpowiednia jakość zbieranych i archiwizowanych danych – znacznie wyższa niż wymagana w codziennej praktyce przemysłowej. Ostatecznie naukowcy zdecydowali się na wdrożenie oprogramowania Powermanager w wersji 3.0 marki Siemens, które cechuje się odpowiednią elastycznością, otwartością, a jednocześnie wysoką wydajnością i mocą obliczeniową.

Wyniki dostępne dla wszystkich

Oprogramowanie pracuje jako niezależny system monitorujący i archiwizujący dane zebrane z ponad 50 stanowisk pomiarowych zainstalowanych na różnych maszynach i urządzeniach. W celu prezentacji wyników projektu uruchomiono specjalną, ogólnodostępną stronę internetową, na której publikowane są w czasie rzeczywistym wybrane dane pomiarowe. system korzysta z urządzeń pomiarowych zainstalowanych wcześniej na maszynach, uzupełnionych o dodatkową aparaturę zakupioną na potrzeby prowadzonych badań. Większość punktów pomiarowych jest zintegrowana z systemem monitoringu za pośrednictwem protokołu Modbus.

Do pomiarów parametrów sieci, takich jak napięcie, prąd, moc, energia czy częstotliwość, wykorzystano 15 standardowych mierników PAC 3100/3200 oraz 8 mierników wielofunkcyjnych PAC 4200, zaś jakość napięcia i sieci jest monitorowana przez Power Quality Recorder SICAM. Samo oprogramowanie Powermanager wymaga jedynie dostępu do komputera PC oraz do Ethernetu za pośrednictwem sieci LAN (protokołu Modbus TCP). Do obsługi programu wykorzystano specjalnie do tego celu przygotowane stanowisko pracy wyposażone w cztery monitory. Poza administratorem dostęp do systemu mogą uzyskać – za pośrednictwem strony internetowej – również inni uprawnieni użytkownicy, a pracownicy Instytutu po zalogowaniu się na stronie uzyskują podgląd danych pomiarowych i głównych trendów.

Wszystkie zebrane dane są regularnie eksportowane i automatycznie archiwizowane na serwerze. Proces ich przetwarzania i korelacji z systemami automatyki budynkowej realizowany jest w Excelu.

Pierwsze rezultaty

Przez ponad trzy lata od uruchomienia projektu analizą objęto ponad 90% przepływów energii zarejestrowanych w budynkach Instytutu. Dane pobierane przez system monitoringu są aktualizowane w jednosekundowych odstępach, co umożliwia wykrywanie i ograniczanie obciążeń szczytowych, m.in. dzięki możliwości płynnego włączania lub wyłączania urządzeń magazynujących energię.

Zgromadzone dane stanowią przy tym zarówno podstawę do dalszych badań, jak i źródło praktycznych informacji umożliwiających ograniczanie zużycia energii elektrycznej i cieplnej. Dokładna analiza przepływów energii pozwala bowiem na wykrycie miejsc o największym potencjale optymalizacji, takich jak instalacje pomp grzewczych czy termoaktywne systemy budynkowe, a także identyfikację awarii i uszkodzeń sygnalizowanych przez nagłe zmiany w sposobie dystrybucji energii. Połączenie tych funkcji stwarza realne szanse na opracowanie konkretnych systemów zarządzania energią w przedsiębiorstwach przemysłowych, zdatnych do aplikacji w realnych warunkach produkcyjnych MŚP.

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––----------------------------------------------------------------------------

SEEDs w skrócie

• Cel projektu: opracowanie zrównoważonego systemu wykorzystywania i magazynowania energii oraz odpowiedniej infrastruktury energetycznej dedykowanej branży przemysłowej, w tym zwłaszcza sektorowi MŚP, z uwzględnieniem specyficznych warunków energetycznych panujących w sektorze przetwórstwa przemysłowego

• Przedmiot badań: kompleks budynków Instytutu Zintegrowanych Systemów i Technologii Urządzeń im. Fraunhofera w Erlangen (IISB)

• Uczestnicy: instytuty im. Fraunhofera: IISB, IIS i ISC, lokalne przedsiębiorstwa produkcyjne

• Partnerzy: Energie Campus Nürnberg

•Zakres czasowy: 5 lat (początek w 2013 r.)