Jak skutecznie zarządzać energią bierną?

Wyróżniamy dwa główne rodzaje energii biernej:

• Moc bierna indukcyjna (indukcyjność – L) – powstaje w urządzeniach zawierających elementy indukcyjne, takich jak silniki, transformatory, dławiki czy piece indukcyjne. Charakteryzuje się przesunięciem fazowym, w którym prąd „opóźnia się” względem napięcia.
• Moc bierna pojemnościowa (pojemność – C) – generowana przez urządzenia elektroniczne i instalacje o dużej pojemności elektrycznej, takie jak falowniki, kable, UPS-y czy nowsze oświetlenie LED. W tym przypadku prąd „wyprzedza” napięcie.

Zarówno nadmiar mocy biernej indukcyjnej, jak i pojemnościowej wiąże się z dodatkowymi opłatami w ramach taryf operatorów sieci dystrybucyjnej (OSD) oraz zwiększa straty przesyłowe, a niekiedy może prowadzić do przeciążenia sieci.

Współczesne zakłady, w których zmienia się profil obciążenia i intensywnie wykorzystuje się różne urządzenia generujące oba rodzaje mocy biernej, potrzebują dostosowanych rozwiązań, aby jak najbardziej efektywnie kompensować jej nadmiar.

Podstawowe błędy w zarządzaniu energią bierną to:

• przekompensowanie – niewłaściwe nastawy współczynnika mocy zainstalowanej baterii kondensatorów/dławików może prowadzić do nadmiaru mocy pojemnościowej/indukcyjnej i kolejnych opłat,
• brak lokalizacji źródła problemu – instalacja kondensatorów w jednym miejscu zakładu, podczas gdy źródło mocy biernej znajduje się zupełnie gdzie indziej,
• brak automatyki – manualne sterowanie kompensacją w zmiennych warunkach obciążeniowych skutkuje niedokompensowaniem lub przekompensowaniem,
• brak modernizacji układu kompensacji po modernizacji zakładu, np. po dodaniu nowoczesnych silników, LED-ów, falowników,
• brak pomiarów – zarządzanie energią bierną bez wcześniejszej analizy danych może prowadzić do kosztownych i nieskutecznych rozwiązań.

W zakładach przemysłowych, gdzie obciążenie zmienia się w czasie, najlepiej sprawdzają się automatyczne układy kompensacyjne z regulacją stopniową lub płynną. W ich skład wchodzą kondensatory, dławiki oraz sterowniki z automatyką dobierającą moc kompensacyjną w czasie rzeczywistym. Dzięki temu możliwe jest zachowanie tgφ na poziomie zgodnym z wymaganiami OSD, bez przekompensowania.

tgφ to współczynnik używany przez operatorów sieci do rozliczeń za pobór energii biernej. Jego poziom zazwyczaj nie może przekraczać wartości 0,4 (czasem ta wartość jest bardziej restrykcyjna) – oznacza to, że zużycie ponad 40 kvarh energii biernej na każde pobrane 100 kWh energii czynnej wiąże się z naliczeniem dodatkowej opłaty przez operatora.

Zdarzają się sytuacje, w których klasyczne rozwiązania w zakresie kompensacji mocy biernej poprzez załączanie poszczególnych stopni kondensatorów/dławików, mogą nie być wystarczające. Wówczas stosuje się kompensatory aktywne SVG (Static Var Generator) – elektroniczne układy dynamicznie kompensujące zarówno moc indukcyjną, jak i pojemnościową, często także wyższe harmoniczne.

W rozległych zakładach lub tam, gdzie występują duże, pojedyncze źródła mocy biernej (np. silniki o mocy > 200 kW), warto rozważyć kompensację lokalną, czyli bezpośrednio przy odbiorniku. Zmniejsza to przepływ mocy biernej w liniach zasilających, ogranicza straty przesyłowe i poprawia lokalnie poziom napięcia.

Skuteczne zarządzanie energią bierną wymaga rzetelnych danych. Do ich pozyskania wykorzystuje się:

• analizatory parametrów sieci – pozwalają śledzić moc czynną, bierną, harmoniczne, przepięcia, asymetrię napięć i inne parametry jakości energii w czasie rzeczywistym,
• rejestratory zakłóceń i długoterminowe logowanie danych – przydatne przy analizie zmienności obciążenia i ocenie skuteczności kompensacji lub jej doborze,
• systemy SCADA lub EMS – umożliwiają pełną wizualizację, analizę danych historycznych oraz zdalne sterowanie urządzeniami kompensacyjnymi.

Takie rozwiązania pozwalają na szybką reakcję w przypadku przekroczenia parametrów i utrzymanie wysokiej efektywności energetycznej bez konieczności stałej kontroli manualnej.

Brak działań w zakresie zarządzania energią bierną nie kończy się jedynie na wyższych rachunkach za energię elektryczną. To szereg ryzyk, które mogą negatywnie wpłynąć na działanie całego zakładu:

• dodatkowe koszty – opłaty za ponadumowny pobór energii biernej, często przekraczające kilka lub nawet kilkanaście tysięcy złotych miesięcznie,
• ryzyko przeciążenia sieci wewnętrznej – szczególnie w starszych instalacjach,
• problemy z napięciem i jakością energii – skutkujące migotaniem oświetlenia, awariami falowników i innych czułych urządzeń energoelektronicznych,
• skrócenie żywotności urządzeń – przegrzewanie się transformatorów i linii, a także nadmierna praca urządzeń chłodzących,
• utrudnienia w spełnianiu wymagań normy ISO 50001 – w zakresie monitoringu i poprawy efektywności energetycznej.

W skrajnym przypadku nadmiar energii biernej może prowadzić do przestojów w produkcji lub konieczności kosztownej modernizacji wewnętrznej sieci elektroenergetycznej.

W nowoczesnym podejściu do efektywności energetycznej zarządzanie energią bierną nie jest działaniem jednorazowym, lecz elementem systemowego podejścia. Warto uwzględniać je podczas audytów energetycznych i przeglądów instalacji, przy planowaniu inwestycji w nowe urządzenia, czy w ramach polityki energetycznej firmy zgodnej z ESG i strategią dekarbonizacji.

Integracja systemów zarządzania energią bierną z całościowymi platformami EMS (Energy Management System) umożliwia bieżące monitorowanie i raportowanie wskaźników efektywności, co przekłada się na trwałe oszczędności i wyższy poziom niezawodności zakładu. Energia bierna to nie tylko kwestia opłat, ale także niezawodności, jakości zasilania i trwałości urządzeń. Brak działań może przynieść konsekwencje finansowe i operacyjne. Dlatego zarządzanie energią bierną powinno być oparte na precyzyjnych pomiarach, odpowiednio dobranych technologiach oraz stałym monitoringu.