Перспективи розвитку світової енергетики та проблема зниження викидів c

03.07.2023 |

Більше 40 років після того, як Міжнародне енергетичне агентство (МЕА) опублікувало перше видання «Перспективи світової енергетики», головна мета залишається незмінною, зазначає Д-р Фатіх Біроль, виконавчий директор МЕА.

Розглянуто сценарій сталого розвитку до 2050 року, який забезпечує стратегічний шлях до повного досягнення глобальних цілей у галузі клімату, якості повітря та доступу до енергії. З цього документа випливає, що немає простих рішень для перетворення світу енергії. Безліч технологій та видів палива відіграють важливу роль у всіх секторах економіки. Аналіз показує, що темпи підвищення енергоефективності у світі сповільнюються, але потенціал підвищення ефективності, який допоможе нам досягти своїх цілей у сфері сталої енергетики, є величезним. Крім того, зазначено, що одна з важливих проблем у цьому напрямі полягає в тому, що глобальні викиди метану, потужного парникового газу, зростають разом із зростанням CO2.

Чому потрібно скорочувати промислові викиди CO2 зараз. Сьогодні споживачі шукають продукти та послуги з низьким вмістом вуглецю. Уряди багатьох країн посилюють правила щодо скорочення викидів вуглецю, щоб забезпечити нульові викиди парникових газів. Дорога до нульового рівня викидів відкриє перед промисловими компаніями нові можливості для впровадження нових технологій для прискорення виробництва з низьким рівнем викидів вуглецю. У статті розглянуто два важливі аспекти покращення скорочення викидів CO2 у промисловому секторі:

  • підвищення енергоефективності за рахунок оптимального використання моторних приводів електродвигунів
  • впровадження цифрових технологій для підвищення ефективності виробництва.

У Паризькій угоді 2015 року викладено план щодо обмеження глобального потепління до 1.5 °C до 2050 р. Для досягнення мети в 1.5 °C до 2050 р. потрібне скорочення поточних викидів CO2 більш ніж на 80%. Поточна світова тенденція спрямована на глобальне потепління на 1.9–2.9 °C, що призведе до значного скорочення світового ВВП, переміщення до 33% світового населення, а також щорічних втрат, пов’язаних зі стихійними лихами в трильйони доларів. Світ вже потеплішав на 1.1 °C, і експерти кажуть, що у 2030-х роках збільшення температури перевищить 1.5 °C.

Це вимагатиме перерозподілу інвестицій з викопного палива на відновлювані джерела енергії та виробництво атомної енергії, а також переходу на нову технологію Carbon Technology – Carbon Capture Utilization (CCUS). Ця технологія полягає у уловлю- ванні та ефективному використанні високих концентрацій CO2, що виділяються промисловістю.

На рис. 1 показано шлях до цільового показника 1.5 °C за рахунок скорочення викидів CO2 до 6 гігатон, як це зазначено в документі МЕА. Аналіз МЕА включає два основні розділи: «Сценарій заявленої політики» та «Сценарій сталого розвитку». Сценарій заявленої політики розглядає конкретні політичні ініціативи, ухвалені більшістю країн. Сценарій сталого розвитку вказує шлях, який дозволить досягти показників у галузі клімату, енергії та якості повітря, що відповідає вимогам Паризької угоди. Найбільші скорочення викидів CO2, визначене у межах Паризького угоди, пов’язане з підвищенням енергоефективності, щонайменше 37 %. Глобальні викиди CO2, пов’язані з енергетикою, зросли на 0.9% у 2022 році, досягнувши нового максимуму – понад 36.8 гігатонн. Викиди в промисловості скоротилися на 1,7% до 9.2 гігатонн у 2022 році. Оскільки 25% викидів CO2 припадало на промисловість у 2022 році, прискорення інвестицій у енергоефективність у проми- словості стане ключовою частиною шляху до нульових викидів у 2050 році.

Рис. 1. Цільові показники викидів CO2 до 2050 року

Важливо, що промислові електродвигуни з вищим ККД можуть значно скоротити викиди CO2 у промисловості. Світове енергозабезпечення електроенергією в 2022 році склало 28 642 терават-години, що відповідає 13.6 гігатонн викидів вуглецю або 36% від загальних викидів CO2. Промисловість споживає 30% світової електроенергії, а промислові електродвигуни споживають 69% виробленої електроенергії. Зазначимо, що загальна кількість електродвигунів у промисловості на початок 2022 року становила приблизно 450 мільйонів, а встановлених у 2022 році – приблизно 52 мільйони. Електродвигуни використовуються в промисловості для приводу насосів, вентиляторів, систем стисненого повітря, вантажно-розвантажувальних робіт, систем обробки матеріалів та багато іншого. Підраховано, що якби всі розгорнуті системи з приводом від електродвигунів працювали з максимальною ефективністю, це зменшило б глобальний попит на електроенергію на 10% і скоротило викиди CO2 на 2490 мегатонн у 2030 році, як показано на рис. 2.

Найменш ефективні рішення використовуються в даний час у трифазних електродвигунах, підключених до електромережі змінного струму. В них використовується управляючий пристрій увімкнення/вимкнення двигуна і схема захисту. Ці базові рішення працюють із фіксованою швидкістю, незалежно від будь-яких змін навантаження. Регулювання вихідних змінних параметрів (таких як витрата рідини в насосах та вентиляторах) здійснюється за допомогою механічних елементів управління, таких як дроселі, демпфери та клапани, тоді як значні зміни швидкості реалізуються за допомогою шестерень.

За оцінками фахівців від 70% до 80% усіх електродвигунів, що використовуються сьогодні, підключені до мережі, а було б доцільно підключити їх до інвертора або приводу з регульованою швидкістю для зниження енергоспоживання. Увімкнення додаткового випрямляча, шини постійного струму та трифазного інвертора зі змінною частотою та змінною вихідною напругою забезпечує регулювання швидкості обертання електродвигуна. Завдяки цьому у двигуні з інверторним приводом значно знижується споживання енергії за рахунок роботи електродвигуна на оптимальній швидкості. Приклади такої модернізації містять насосні та вентиляторні електродвигуни з вищим ККД. При додаванні інвертора до електродвигуна, що управляє насосом, вентилятором або компресором, можна знизити споживання енергії приблизно на 25%. Для високопродуктивних додатків перетворювач частоти забезпечує точне управління крутним моментом, швидкістю та положенням. Для цього до базового інверторного приводу з розімкненим контуром додано вимірювачі струму та положення. Типовими прикладами такого застосування є конвеєри, намотувальні, друкарські та інші машини та механізми. За оцінками фахівців від 20% до 30% усіх електродвигунів, що використовуються в даний час у промисловості, мають інверторний привід або підключені до частотно-регульованого приводу. Збільшуючи кількість таких двигунів у промислових галузях, можна значно знизити енергоспоживання і відповідно викиди CO2.

Рис. 2. Статистичні дані з використання електродвигунів

Таким чином, інтелектуальні рішення для керування двигунами забезпечують значне зниження енергоспоживання за рахунок перенесення більшої кількості застосувань із двигунів з фіксованою швидкістю на високоефективні двигуни зі змінною швидкістю роботи. Це зниження енергоспоживання дозволить суттєво скоротити викиди CO2. Для прискорення розгортання нових систем з вищим ККД, що включають електродвигуни, Міжнародна електротехнічна комісія (МЕК) розробила нові стандарти на енергоефективні електродвигуни. До цих стандартів входить наступні: стандарт випробувань електродвигунів IEC 60034-2-1 і схема класифікації IEC 60034-30-1, що складається з чотирьох рівнів ефективності двигунів (від IE1 до IE4). Ці стандарти спростили порівняння ефективності електродвигунів різних виробників. Вони також є орієнтиром для урядів, щоб вказати рівні ефективності для національних стандартів енергоефективності, таким чином допомагаючи різним країнам досягти необхідних показників у галузі енергоефективності та вики- дів вуглекислого газу.

Класи ефективності за стандартом IEC 60034-1:

  • стандартна ефективність IE1
  • висока ефективність IE2
  • IE3 підвищеної ефективності
  • IE4 супер преміум ефективність.

З 2020 року країни, які споживають 76% електроенергії, ввели ці стандарти для електродвигунів, що сприяє зниженню промислового споживання електроенергії. В ЄС з 1 липня 2021 року мінімальний клас ефективності IE3 (Premium Efficiency) потрібний для двигунів потужністю від 0.75 кВт до 1000 кВт.

Для невеликих двигунів потужністю від 0.12 до

0.75 кВт потрібно рівень мінімум IE2 (висока ефективність). З 1 липня 2023 року вимоги для країн ЄС підвищаться до рівня IE4 (надвисока ефективність) для двигунів потужністю від 75 до 200 кВт. Якщо оцінити загальну вартість системи з моторним приводом протягом терміну її розгортання, то 70% загальної вартості посідає електроенергія порівняно з 5% на купівлю двигуна і 20% на технічне обслуговування двигунів, як показано на рис. 3. Таким чином, при розгортанні більш ефективних систем з приводом електродвигунів, можна значно знизити експлуатаційні витрати на промислові двигуни, а також зменшити викиди CO2.

Рис. 3. Загальна вартість розгортання промислових систем з електроприводом

Цифрові технології для підвищення ефективності виробництва. Перетворювачі частоти використовують дані про величину напруги, струму, положення, температури та споживаної потужності системи. Крім того, зовнішні датчики контролюють рівень вібрацій та інші параметри довкілля. Ці дані через мережу надходять до хмарних сховищ, де вони аналізуються за допомогою штучного інтелекту для оптимізації виробничих процесів, зниження енергоспоживання та викидів CO2, що виникають на виробництві. Ця інформація продовжує термін служби обладнання, підвищує якість виробництва та скорочує незаплановані простої та втрати матеріалів, одночасно підвищуючи безпеку на виробничих підприємствах. Сучасні системи з електроприводом включають датчики, засоби збору та обробки даних на основі штучного інтелекту. Це дозволяє організувати систему управління промисловим виробництвом, рис. 4, яка забезпечує зменшення споживаної енергії за рахунок оптимального управління електродвигунами. На великих виробництвах із кількома сотнями або кількома тисячами електродвигунів така стратегія особливо ефективна для забезпечення зниження споживання електроенергії і викидів CO2.

Рис. 4. Ключові цифрові технології на сучасних виробництвах

Платформа Всесвітнього економічного форуму «Формування майбутнього передового виробництва» створила Глобальну мережу маяків із провідних лідерів  виробництва. Ця мережа демонструє приклади того, як стратегія цифровізації виробництва допомагає скоротити викиди CO2 у промисловості. Станом на січень 2023 року Глобальна мережа таких підприємств включала 132 виробництва. Вони характеризувалися такими показниками:

  • зниження споживання енергії на 25 %
  • скорочення відходів на 17%
  • скорочення викидів CO2 на 25%.

ВИСНОВКИ

Шлях до нуля викидів CO2 створює нові можливості для промислових виробничих компаній щодо впровадження нових технологій для прискорення виробництва з низьким рівнем викидів вуглецю. Підвищення промислової активності (майже половина якої припадає на Китай та Індію) подвоїть кількість використовуваних електродвигунів до 2040 року. Таким чином, можливості скорочення викидів CO2 для нових ефективніших систем керування з електроприводом значно зростуть. Сучасна мікроелектронна база світових виробників вже зараз забезпечує передові промислові підприємства системами управління електродвигунами з елементами штучного інтелекту, що дозволяє забезпечити необхідні показники енергоефективності та викидів CO2