Energia bierna – czym jest i jak rozwiązać problem z jej poborem
W dużych przedsiębiorstwach, gdzie każda kilowatogodzina energii jest cenna, zarządzanie efektywnością energetyczną jest jednym z najważniejszych działań w osiąganiu zrównoważonego rozwoju i przewagi konkurencyjnej, w szczególności w energochłonnych przedsiębiorstwach. Jednym z istotniejszych, choć często niedocenianych aspektów, jest energia bierna. Zrozumienie tego pojęcia i skuteczne zarządzanie nią może przynieść znaczne korzyści finansowe i operacyjne dla firm przemysłowych.
Co to jest energia bierna?
Energia bierna to energia, która jest niezbędna do podtrzymania funkcjonowania systemów elektroenergetycznych, ale nie jest przekształcana na pracę użyteczną, jak np. energia mechaniczna czy cieplna. Moc bierna (Q) to ta część mocy elektrycznej, która krąży między źródłem energii a odbiornikiem, nie wykonując użytecznej pracy. Jednostką mocy biernej jest var – Volt Ampere Reactive.
Jak policzyć energię bierną?
Wyróżniamy moc bierną indukcyjną i pojemnościową w zależności od urządzenia odbiorczego. Moc bierna powoduje dodatkowe obciążenie sieci elektroenergetycznej – za jej pobór naliczane są opłaty, mające na celu skłonienie użytkownika do redukcji jej ilości. Wpływa ona na przepustowość sieci dystrybucyjnej i może mieć negatywne skutki, powodując awarie i przeciążenia. Skuteczne zarządzanie energią bierną jest rozwiązaniem, które pozwala ograniczyć dodatkowe opłaty oraz poprawia stabilność napięcia w systemie elektrycznym.
Współczynnikiem, który jest używany przez operatorów do rozliczeń za pobór energii biernej indukcyjnej jest tgφ. Jego poziom w większości przypadków nie może przekraczać wartości 0,4 (dla obszarów z infrastrukturą w gorszym stanie technicznym, współczynnik ten jest jeszcze bardziej restrykcyjny). Oznacza to, że zużycie ponad 40 kvarh energii biernej na każde 100 kWh pobranej energii czynnej powoduje naliczenie dodatkowej opłaty.
Skąd się bierze energia bierna?
Energia bierna jest wynikiem obecności elementów reaktancyjnych w obwodach elektrycznych:
Moc bierna indukcyjna (L) jest generowana przez urządzenia z elementami indukcyjnymi, które przechowują energię w polu magnetycznym. Przykłady to silniki indukcyjne, transformatory, linie przesyłowe, instalacje oświetleniowe, piece indukcyjne czy dławiki. Tego typu moc bierna powoduje przesunięcie prądu względem napięcia w fazie do tyłu.
Moc bierna pojemnościowa (C) jest generowana przez urządzenia z elementami pojemnościowymi, które przechowują energię w polu elektrycznym. Przykłady to komputery, spawarki, falowniki, kable pod napięciem, UPSy czy uszkodzone baterie kondensatorów. Tego typu moc bierna powoduje przesunięcie prądu względem napięcia w fazie do przodu.
Jak można zredukować energię bierną?
Najbardziej powszechną metodą zarządzania mocą bierną jest kompensacja mocy biernej. Polega ona na stosowaniu urządzeń, które mogą neutralizować nadmiar mocy biernej, takich jak:
- Kondensatory – stosowane do kompensacji mocy biernej indukcyjnej.
- Dławiki – stosowane do kompensacji mocy biernej pojemnościowej. Bardzo ważną kwestią jest odpowiedni dobór mocy i poszczególnych stopni układu kompensacji mocy biernej, aby uniknąć niedokompensowania lub przekompensowania. Warto przy tym wykonać odpowiednie pomiary.
Nowoczesne urządzenia elektryczne często posiadają wbudowane systemy zarządzania mocą bierną, co pozwala na bardziej efektywne wykorzystanie energii. Inwestowanie w takie urządzenia może znacząco obniżyć ilość generowanej mocy biernej. Można również optymalizować pracę urządzeń indukcyjnych i pojemnościowych. Przykładem może być synchronizacja pracy dużych silników elektrycznych w taki sposób, aby minimalizować generowaną moc bierną.
Kolejnym rozwiązaniem są zaawansowane systemy monitorowania i sterowania energią, które mogą pomóc w identyfikacji źródeł mocy biernej oraz w optymalizacji ich pracy. Takie systemy automatycznie sterują urządzeniami kompensacyjnymi w czasie rzeczywistym. Przy dynamicznych zmianach mocy bierniej można rozważyć również zastosowanie zawansowanego aktywnego kompensatora SVG, opartego na tyrystorach.
Po co ograniczać energię bierną?
- Oszczędności finansowe – redukcja mocy biernej może znacząco obniżyć rachunki za energię elektryczną, ponieważ wiele taryf energetycznych obejmuje dodatkowe opłaty za nadmiar mocy biernej pobranej z sieci.
- Zwiększenie efektywności energetycznej – skuteczne zarządzanie mocą bierną zwiększa ogólną efektywność energetyczną zakładu, co prowadzi do ograniczenia kosztów operacyjnych.
- Zmniejszenie ryzyka przeciążeń sieci – redukcja mocy biernej zmniejsza obciążenie sieci elektroenergetycznej, co może zapobiegać przeciążeniom i awariom.
- Poprawa stabilności systemu elektrycznego – skuteczne zarządzanie mocą bierną poprawia stabilność napięcia w systemie elektrycznym i jest kluczowe dla prawidłowego działania urządzeń.
- Zwiększenie żywotności urządzeń – optymalizacja mocy biernej zmniejsza ryzyko przegrzewania i uszkodzeń urządzeń elektrycznych.
Podsumowanie
Energia bierna jest istotnym, choć często pomijanym elementem zarządzania efektywnością energetyczną. Skuteczne zarządzanie mocą bierną, poprzez kompensację, zastosowanie nowoczesnych urządzeń oraz optymalizację procesów, może przynieść znaczne korzyści finansowe i operacyjne. Jeśli firma ponosi koszty w wysokości co najmniej 500 zł miesięcznie netto za ponadumowny pobór energii biernej indukcyjnej lub pojemnościowej i są to opłaty ciągłe, to redukcja jej poboru będzie dobrym rozwiązaniem dla przedsiębiorstwa. Zazwyczaj podjęcie się takiego działania skutkuje natychmiastowymi oszczędnościami oraz charakteryzuje się bardzo krótkim okresem zwrotu inwestycji, wynoszącym nawet poniżej pół roku.
Myślenie o efektywności energetycznej przedsiębiorstwa zaczyna się od przyjrzenia się wewnętrznym procesom, pomiarach i redukcji niepotrzebnie pobieranej z sieci energii.
