에너지 절약에는 의도가 있고 그 다음으로 계획이 있습니다. 미국의 산업 시설에서는 에너지 관리에 지속적인 관심을 보이고 있습니다. 그것이 의도입니다. 전체 에너지 사용량을 줄이거나, 사용량을 유지하되 사용된 kW당 생산량을 늘립니다.
계획이요? 가끔은 그것이 문제일 때가 있습니다.
제조 분야에서 계획은 비전을 이끄는 경험의 지혜 및 노력을 뒷받침할 ROI 수치가 모두 있는 경우에만 유지됩니다. 그러나 에너지 분야에서는 산업 공장 관리자가 제조 시설에서 "적정한" 에너지 사용이 어떻게 나타나는지에 대한 기준을 설정하는 데 사용할 수 있는 연구 주체가 없습니다. 그렇다면 현재 에너지 사용량 중 어느 부분이 적정한지, 무엇이 낭비되는지, 얼마만큼이 낭비되는지, 해결하기에 충분히 높은 ROI를 제공하는 것은 무엇인지 평가하는 방법은 무엇입니까?
여기에서 논의 대상인 ROI는 전력 회사에서 청구하는 kWh당 비용입니다. 이러한 단위는 날짜와 연도에 따라 다른 비율을 적용합니다. 그 비용을 줄이는 것이 절약입니다. 투자는 에너지 소비를 변경하는 데 필요한 재료비와 인건비입니다. 수익은 감소된 공과금이 투자 비용을 갚는 데 걸리는 기간입니다. 뜻 밖의 횡재는 비용을 갚은 후에 나타납니다.
계획 문제로 돌아가서 적정한 에너지 사용에 대한 업계 표준이 없을 때 ROI 추정치를 어떻게 작성합니까?
산업 에너지 사용량 자료 수집
산업 에너지 사용량은 다음과 같은 변수에 따라 달라집니다.
- 공장 수명
- 부하 유형 및 크기
- 가동 일정, 주당 시간 및 부하 강도
- 근로자 수
- 기후
- 유지보수 철학
정답은: 시설에서 소비하는 모든 kW를 관리하려고 하지 마십시오. 이것은 방정식의 "경험의 지혜" 부분입니다. 시설을 전기 인프라로 나눈 다음 핵심 시스템으로 나눕니다.
에너지 절약은 두 가지 기본 전략, 즉 (1) 핵심 시스템의 일반 검사 및 (2) 주요 서비스 입구 및 주요 부하에서의 에너지 사용량 기록을 포함한 목표 데이터 수집으로부터 시작됩니다.
시스템이 소비하도록 지정된 양을 식별하고, 현재 소비하고 있는 양을 판단하고, 가동 시간과 유형, 또는 장비 및 시스템 자체에서 낭비적인 관행을 식별하십시오. 시설에서는 절감을 달성하기 위해 운영, 유지보수 또는 장비 및 제어 장치 변경을 통해 낭비를 해결해야 합니다.
에너지 구성요소
에너지 소비를 추적하는 방법을 설명하기 전에 에너지를 정의하고 측정하는 방법을 다시 살펴보겠습니다.
에너지는 실제 전력, 무효 전력 및 피상 전력으로 표현됩니다(그림 1).
에너지 유동은 다음과 같이 설명됩니다.
- 실제 전력(P) 또는 유효 전력 - 와트(W)
- 무효 전력(Q) - 볼트 암페어 리액티브(VAR)
- 복소 전력(S) - 볼트 암페어(VA)
- 피상 전력 - 복소 전력의 크기(VA)
실제 전력, 무효 전력 및 피상 전력의 수학적 관계는 벡터로 나타내거나 복소수, S = P + jQ(여기서 j는 허수 단위)를 사용하여 표현할 수 있습니다.
무효 전력은 에너지를 전달하지 않으며(실제 일을 하지 않으므로) 벡터 다이어그램에서 허수축으로 표시됩니다. 실제 전력은 에너지를 이동하므로 실수축입니다.
시스템의 에너지 유동 속도는 부하에 따라 즉, 부하가 저항성인지, 무효성인지, 아니면 둘 다인지에 따라 달라집니다.
순전히 저항성 부하에서 전압과 전류는 동시에 극성을 반대로 하고, 매 순간 전압과 전류의 곱은 양의 값을 가지며 실제 전력만 전달됩니다. 즉, 일이 생성됩니다.
부하가 순전히 무효성인 경우 전압과 전류는 위상이 다르며, 전압과 전류의 곱은 양수 또는 음수가 될 수 있습니다. 이는 에너지의 일부가 부하로 전달되고 일부는 다시 흐른다는 것을 나타냅니다. 부하에 대한 에너지의 순 전달은 0입니다. 일이 생성되지 않습니다.
실제로 모든 부하는 저항, 인덕턴스 및 정전용량이 조합되어 시스템에서 실제 전력과 무효 전력을 모두 생성합니다. 이러한 이유로 전기 시스템은 일정량의 무효 전력을 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 문제는 바로 너무 많은 무효 전력이 생성될 때 발생합니다. 필요한 일을 할 수 있는 실제 전력이 충분하지 않을 뿐만 아니라 시스템의 전체 일 생성 능력이 손상됩니다. 이것이 전력 회사에서 부하로 인해 너무 많은 무효 전력을 생성하는 경우 고객에게 불이익을 주는 이유입니다. 생성하는 데 비용이 들지만 사용하지 못하고, 전력이 낭비됩니다. 대부분의 공과금 청구서는 VAR(무효 전력)을 추적하며 많은 경우 역률을 계산합니다. 여기서 역률은 시스템이 100% 실제 전력 아래로 얼마나 떨어졌는지에 대한 등급입니다. 대부분의 전력 회사는 고객이 0.95PF(역률) 이상을 유지하도록 요구합니다.
에너지 소비 추적
기본 에너지 구성요소에 대한 이해를 통해 전기 기술자는 에너지 로깅 장비를 설치하여 전반적인 소비 레벨 및 품질을 측정한 다음 에너지가 언제 무엇에 의해 소비되는지 추적할 수 있습니다(그림 2).
주 패널, 보조 패널 및 주요 부하에서 전력을 기록합니다. 대표 기간 동안 kW, kWh 및 역률을 기록합니다.
이것은 3상 회로 및 부하의 실제 전력 소비에 대한 매우 정확한 묘사를 합니다.
가장 큰 전력 절감은 전력 사용량이 정점에 도달하는 시점을 결정하고, 전력 청구서와 비교하여 역률 및 전체 전력 소비를 평가하고, 부하를 재균등화하는 데서 나옵니다. 최대 사용량(peak demand)이 단 몇 분이라도 몇 시간, 며칠 또는 몇 주 동안의 전력 요금이 증가할 수 있습니다.
부하 일정을 조정하면 회사에서 전력이 더 저렴한 시간을 활용할 수 있습니다. 역률 '1'보다 얼마나 낮은지 확인하고, 전력 청구서에서 역률 불량에 대한 과징금이 있는지 확인하십시오. 있는 경우, 전력 로거가 소스를 추적하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그런 다음 에너지 업그레이드를 수행한 후 로거를 다시 연결하여 효율성 향상의 이점을 확인하십시오.
에너지 낭비 지점 이해
모든 시스템과 운영에는 완화하거나 해결할 수 있는 낭비 지점이 있을 수 있습니다. 전기 하위 시스템, 압축 공기, 증기 및 특정 전기 기계 시스템에서 시작하는 것이 좋지만, 각 운영에 있는 잠재적인 낭비 지점을 측정해야 합니다.
목표는 특정 장비 및 프로세스의 에너지 사용을 매핑하여 에너지가 낭비되는 위치를 확인하여 낭비를 정량화하고, 장비 수명을 기반으로 개선 또는 교체의 우선 순위를 정하며, 어떤 수정이 최고의 투자 수익을 제공할 수 있는지 확인하는 것입니다.
또한 에너지 매핑은 비용을 타당화하기 위해 에너지 절약 프로젝트의 효율성을 측정하는 기준을 제공합니다(그림 3).
전기 하위 시스템의 일반적인 낭비는 다음과 같습니다.
- 부하가 일반적으로 근무 시간 이후에 계속 켜져 있거나, 하루 중 최고 요금 부과 시간대에 불필요하게 작동됩니다.
- 모터에 대한 제어 장치가 없으면 필요한 것보다 더 많은 출력이 생성될 수 있습니다.
- 과전압/과전류 조건은 보상해야 하는 과도한 전력 소비를 유발합니다.
- 위상 불균형으로 인해 전력을 사용할 수 없는 상태에서 부하가 전력을 소비하게 됩니다.
식별 및 정량화:
- 과열에 대해 전기 패널 및 기계적 부하를 열 스캔합니다.
- 시간 경과에 따른 전력 기록: 하루 중 어느 시간에 얼마나 많은 전력이 소모되고 얼마만큼의 낭비가 발생합니까?
전기 기계 시스템의 일반적인 낭비 지점 및 검사 지점은 다음과 같습니다.
- 정렬, 베어링, 불균형 및 느슨함으로 인한 과도한 마찰은 모터에 무리를 주어 과도한 전력을 소모합니다.
- 통제되지 않은 부하가 근무 시간 이후에 남아 있거나 최고 요금 부과 시간대에 실행되거나, 필요한 것보다 더 많은 출력이 생성되거나, 과전압/과전류 조건 및 위상 불균형으로 인해 어려움을 겪습니다.
- 노후된 기계 장치는 새로운 고효율 모델보다 훨씬 더 많은 전력을 소비하므로 kWh 소비 감소만으로도 조기 교체가 타당화될 수 있습니다.
식별 및 정량화:
- 전기 비효율을 나타내는 과열에 대해 드라이브 패널 및 기계적 부하를 열 스캔합니다.
- 시간 경과에 따른 전력 기록: 총 kWh, 역률, 최대 수요, 불균형 및 고조파를 확인합니다.
- 진동 레벨을 표준에 대해 테스트하고 재균등화와 같은 유지보수 방안을 식별합니다.
- 커플링/샤프트/벨트, 베어링 및 팬을 열 스캔합니다.
- 전류 및 전압 레벨을 확인합니다.
- 종단/배선함 및 권선을 열 스캔하고 절연 저항 테스트를 수행합니다.
압축 공기 시스템의 일반적인 낭비 지점 및 검사 지점은 다음과 같습니다.
- 압축 공기 라인의 과도한 누출은 공급을 유지하기 위한 초과 가동으로 이어집니다.
- 사용 시간 외의 시간에 컴프레서를 켜 두면 에너지가 낭비됩니다.
식별 및 정량화:
- 기준 소비에 대한 컴프레서의 전력을 기록합니다.
- 압축기와 사용 지점의 압력을 측정하여 감소량을 판단합니다.
- 누출을 식별하기 위해 라인을 초음파로 스캔합니다.
증기 시스템의 일반적인 낭비 지점 및 검사 지점은 다음과 같습니다.
- 필요한 공급을 유지하기 위한 과잉 생산의 원인이 되는 고장난 증기 트랩 및 불충분한 단열 폐증기.
식별 및 정량화:
- 기준 소비에 대한 보일러의 전력을 기록합니다.
- 파이프와 트랩을 열 스캔하여 절연재의 틈과 막힘을 파악합니다.
ROI 입증
앞서 언급한 산업 표준이 없는 상황에서 어떤 시스템이 가장 잠재적인 에너지 ROI를 보유하고 있는지 어떻게 알 수 있습니까? 현재 가장 좋은 자료는 일반적인 상황을 구현하는 사례입니다. 다음은 일반적인 산업 시스템에 대한 몇 가지 예입니다.
전기 기계 검사
시설 유형: 독일의 철강 재활용 공장
장비 유형: 벨트 구동 팬, 공정 냉각용
측정: 진동 테스트
언급된 문제: 정렬 불량 및 베어링 마모와 함께 중간 정도의 불균형이 감지됨.
절감: 재균등화가 필요했습니다. 350kW 모터가 공칭 전력의 80%로 작동하고 있었습니다. 측정된 전력은 약 280kW였습니다. 재균등화 후 전력 소비가 3% 감소했습니다. 0.11유로/kWh의 비용으로 연간 절감액은 8,094유로였습니다.
압축 공기 검사
시설 유형: 제조
장비 유형: 압축 공기 시스템
측정: 압축 공기 시스템의 초음파 검사(컴프레서의 완전한 데이터 로깅 권장)
언급된 문제: 실제 수요와 비교하여 생성된 압축 공기의 양.
절감: 여러 절감 기회가 발견되었습니다. 연간 총 절감액 $50,600. 주말에 압축기 끄기: 연간 $32,700 절감. 기계가 꺼질 때 공기를 차단하기 위해 솔레노이드를 설치: 연간 $7,100 절감. 누설이 있는 36개 포인트 수리: 연간 $4,800 절감. $6,000의 일회성 비용으로 시스템에 필터 설치: 필터로 인한 연간 절감액: $6,000.
증기 트랩 검사
시설 유형: 제조
장비 유형: 보일러 및 증기 라인
측정: 증기 라인의 열 검사
언급된 문제: 증기 트랩 6개가 제대로 작동하지 않음. 도금 탱크의 코일 누설, 도금 라인의 증기 누출, 응축수 회수 기회
절감: 고장난 트랩 6개는 트랩당 $500의 비용으로 교체되었습니다. 절감 효과: 트랩당 $3,200(증기 및 열 손실 계산을 생성하기 위해 알려진 비용 사용). 총 절감액: $16,200.
다음 단계: 누출 및 응축수 문제를 해결하기 전과 후의 보일러 공급 패널의 에너지를 기록합니다.
생산성 증가 또는 간접비 감소?
다음 질문은 대답하기 좋은 질문입니다. 에너지 소비를 줄이는 방법을 파악한 후에는 그 절감액을 공장 생산량 증가(동일한 kWh 소비로 더 많은 양을 생산) 또는 다른 비즈니스 전략(이윤, 가격 현실화)에 투입합니까?
에너지 소비를 줄이는 것은 좋은 일입니다. 각 주요 시스템의 전력을 기록하고 해당 비용을 공과금과 매핑하여 소비가 발생하는 위치와 시기를 정량화함으로써 기업은 간단한 가동 및 일정 변경으로 비용 절감을 실현할 수 있습니다. 비효율적이거나 오래된 장비를 식별함으로써 기업은 교체를 정당화하고 우선 순위를 지정할 수 있습니다. 그리고 전체 에너지 소비를 줄임으로써 기업은 운영비를 절감하고 시장에서 경쟁력을 높일 수 있습니다.