Úspory energie ve výrobním podniku

Studentka FEL ČVUT Kateřina Linhartová je finalistkou Ceny Nadace ČEZ 2017, soutěže o nejlepší vědeckotechnickou práci studentů technických univerzit v České republice. Odborná porota složená z vysokoškolských učitelů a odborníků z praxe ocenila zejména kvalitu práce, tvůrčí přínos a schopnost autorky prezentovat výsledky před odbornou veřejností. Kromě diplomu získala Kateřina finanční příspěvek pro další profesní rozvoj. O své práci nám napsala do Třípólu.

Pekárna zabývající se výrobou předpečených zamražených polotovarů s produkcí 70 000 tun pečiva za rok má roční spotřebu elektřiny 40 GWh a zemního plynu 34 GWh. V rámci analýzy spotřeby energie v pekárně jsem se zaměřila právě na spotřeby elektřiny a zemního plynu, protože hospodaření s vodou není podrobně zmapováno.

Analýza a projekt

Zatímco během zimy se maximální elektrický příkon podniku pohybuje okolo 5 MW, v létě přesahuje 6 MW. Největším spotřebitelem elektřiny je kompresorové chlazení, které v létě způsobuje špičky. Jako úsporné opatření jsem proto navrhla instalaci plynového tepelného čerpadla a trigenerace jako částečné náhrady za tento způsob chlazení. Dále jsem zjišťovala ztráty v transformátorech, které činí přibližně 1 % z celkové spotřeby elektřiny, a ztráty ve zdrojích tepla (plynových kotlích), které vyjdou až na 2 % z energie přivedené v zemním plynu. Úniky tepla v potrubí jsem sledovala pomocí termokamery, aniž bych našla nějaký problém, který by vypovídal o špatném stavu izolace. Ztráty vznikají také ve spotřebičích, jako jsou pece, motory či osvětlení. Protože se ve výrobních prostorách pekárny stále využívají klasické výbojky, navrhla jsem výměnu osvětlení za LED technologii. Odpadní teplo vznikající při stlačování par čpavku je využíváno v rekuperačních výměnících. Při návštěvě kotelny jsem zjistila, že nově instalovaný výměník o maximálním tepelném výkonu 500 kW_, nebyl z neznámého důvodu zprovozněn, tak jsem se rozhodla spočítat, zda se jeho zprovoznění vůbec vyplatí. Další využití odpadního tepla např. ze spalin odcházejících z pecí jsem shledala jako neefektivní. Poslední navržené opatření se týká využití kogenerace pro výrobu tepla a elektřiny v podniku.

Ekonomické rozvahy

Hodnocení jednotlivých variant vychází z těchto předpokladů: realizace opatření bude uskutečněna do konce roku 2017, diskontní sazba je 7 %, cena elektřiny 1 093 Kč/MWh, cena zemního plynu 586 Kč/MWh, meziroční růst těchto cen je nulový a daň z příjmu právnických osob činí 19 %. Zprovoznění rekuperačního výměníku a výměna osvětlení za LED technologii je hodnocena pro využití ve stávajícím provoze, kogenerace a trigenerace pak pro instalaci do nově plánované výroby. Plynové tepelné čerpadlo je hodnoceno pro oba typy provozů.

Ekonomická efektivnost rekuperačního výměníku

Při výpočtu efektivnosti zprovoznění rekuperačního výměníku jsem pracovala s modelem, který vyjadřuje předpokládaný provoz čpavkových kompresorů během roku a reaguje na rozdílné tepelné požadavky během zimního a letního období. Došla jsem k názoru, že výměník by měl být neprodleně zprovozněn, protože pro dobu hodnocení 5 let vychází vnitřní výnosové procento 493 %, diskontovaná doba návratnosti 3 měsíce a čistá současná hodnota 1 938 tis. Kč. Ročně se ušetří 1 018 MWh zemního plynu, což jsou úspory v hodnotě 597 tis. Kč. Citlivostní analýza ukázala, že NPV (Net Present Value je finanční veličina vyjadřující celkovou současnou, tj. diskontovanou, hodnotu všech peněžních toků souvisejících s investičním projektem) je na změnu ceny zemního plynu citlivá velmi málo. Slabou stránkou projektu je, že výměník nelze vzhledem k tepelným požadavkům podniku využít naplno.

Možnosti úspor v osvětlení

U výměny osvětlení za LED technologii jsem uvažovala 3 různé možnosti. První možností byl vlastní návrh, kde jsem hodnotila LED svítidla PRIMA LED Tube a LED zářivky Philips s příkonem 25 W a světelným tokem 3 700 lm. Druhou možností byl návrh a instalace osvětlení provedené externí firmou, která navrhla vhodná svítidla a zářivky Valtavalo E3, které jsou levnější a mají delší dobu životnosti. Příkon zářivek je stejný, jako u vlastního návrhu. U této možnosti jsem vyhodnotila investici do osvětlení a údržby a porovnala se situací, kdy by se vedení pekárny rozhodlo využít pronájem osvětlení namísto jeho nákupu. Podle výše NPV (Net Present Value) za dobu 20 let se nejvýhodnější jeví návrh externí firmy bez využití pronájmu. Ve všech případech klesne příkon podniku o 67 kW a ročně se ušetří 587 MWh elektrické energie v hodnotě 642 tis. Kč.

Tepelné čerpadlo

Plynové tepelné čerpadlo je technologie, která je podobná klasickému tepelnému čerpadlu, ale pro pohon kompresoru používá místo elektrického motor plynový. Dochází zde k úsporám zemního plynu i elektřiny, výstupem je teplá voda na dvou tepelných úrovních a ledová voda, která se dá využít při výrobě sladkého pečiva. Vyšlo mi, že do stávajícího provozu se tato technologie nehodí, ale do nové výstavby ano. Ročně by se uspořilo 606 MWh zemního plynu a 109 MWh elektřiny v celkové hodnotě 474 tis. Kč. Nevýhodou plynového tepelného čerpadla jsou vyšší investiční náklady oproti klasickým plynovým kotlům.

Kogenerace

Kogenerační jednotka TEDOM Cento T160 s maximálním tepelným výkonem 221 kW a elektrickým výkonem 164 kW byla zvolena jako zdroj elektřiny a tepla pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla (KVET). Její provoz by byl omezen pouze na zimní období, kdy by byla schopna pokrýt základní zatížení. Ekonomické hodnocení bylo provedeno na 14 let kvůli životnosti kogenerační jednotky (resp. doby do generální opravy) a vyšlo, že díky Zeleným bonusům se investiční výdaje vrátí do 11 let. Čistá současná hodnota je 719 570 Kč a vnitřní výnosové procento 10 %. Bez Zelených bonusů by nemělo smysl o KVET uvažovat, protože náklady jsou vyšší než výnosy.

Trigenerace

Trigenerace byla vyhodnocena pro výše uvedenou kogenerační jednotku a absorpční jednotku BROAD, která by dokázala vyrobit 158 kW chladu. Protože kogenerační jednotka by pak byla v provozu po celý rok, snížila by se doba její životnosti na 7 let a výši Zelených bonusů by bylo možné čerpat pouze prvních 4 400 hodin provozu jednotky. Vzhledem k velkým investičním výdajům a malým úsporám jsem došla k závěru, že toto řešení není výhodné a pekárna by na trigeneraci prodělala. NPV projektu je 5,5 milionu Kč.

Jaká úsporná opatření jsou efektivní

Na základě ekonomického hodnocení a porovnání variant podle jejich ročního ekvivalentního toku hotovosti jsem vybrala množinu opatření, která jsou efektivní. Do této množiny patří: zprovoznění rekuperačního výměníku, výměna osvětlení za LED technologii a kogenerace. Pokud by firma nebyla ochotna akceptovat riziko ve formě nejisté výše Zelených bonusů v budoucnu, je alternativním řešením plynové tepelné čerpadlo, které se také jeví jako výhodné (nicméně má nižší ekvivalentní roční tok hotovosti).

Kateřina Linhartová

(Tabulku Upravená energetická bilance podniku po zprovoznění rekuperačního výměníku a instalaci LED osvětlení najdete v galerii obrázků.)