Elektryfikacja procesów nagrzewania oferuje przemysłowi atrakcyjne drogi do osiągnięcia dekarbonizacji i w znacznym stopniu zmieni wykorzystanie energii elektrycznej do celów przemysłowych w świecie, w którym obowiązują ograniczenia emisji dwutlenku węgla.
Obecnie są dostępne rynkowo dojrzałe technologie elektrotermiczne, takie jak nagrzewanie indukcyjne, oporowe, promiennikowe, łukowe, z wykorzystaniem częstotliwości radiowej oraz mikrofalowe. Pojawiają się obiecujące innowacyjne technologie, jak nagrzewanie laserowe, wiązką elektronów lub plazmowo-łukowe, wymagające dalszego rozwijania.
Rysunek 1: Chociaż dostępne są liczne procesy nagrzewania elektrycznego, to najbardziej rozpowszechnione (nagrzewanie oporowe, indukcyjne i promiennikowe) stanowią obecnie
80% zastosowań (źródło: DecarbEurope).
Jaki jest cel elektryfikacji nagrzewania?
Technologie nagrzewania elektrycznego wytwarzają ciepło bezpośrednio wewnątrz obrabianego materiału wykorzystując zjawiska elektromagnetyczne na poziomie mikro. Na tym poziomie termodynamika nie znajduje już zastosowania, ponieważ rozważane jest wytwarzanie ciepła a nie jego przenoszenie. Nawet niektóre materiały niemetaliczne mogą być efektywnie nagrzewane metodami elektrotermicznymi.
W porównaniu z konwencjonalnym nagrzewaniem (z użyciem paliw kopalnych), stosowanie nagrzewania elektrycznego w przemyśle obniża zapotrzebowanie na energię końcową 1,5 do 8- krotnie. Najczęściej jest to redukcja 2 do 3-krotna, szczególnie uwzględniając obniżone straty na utlenianie w piecach elektrycznych.
Technologie te przynoszą dodatkowo szereg innych korzyści, jak m.in. poprawa efektywności ekonomicznej, wyższa jakość produktu i lepsze warunki pracy dla obsługi. Nagrzewanie elektryczne pozwala na szybkie uzyskanie wysokich temperatur, np. 2000°C w ciągu dwóch sekund. Ponadto, nagrzewanie może być stosowane lokalnie i bardzo precyzyjnie, np. do hartowania powierzchniowego, prowadząc do produkcji oferującej wartość dodaną. Technologie te ułatwiają w pełni zautomatyzowaną produkcję, kompatybilną z przemysłem 4.0, umożliwiają też zmniejszenie powierzchni zajmowanej przez maszyny w fabrykach.
Rysunek 2: Elektryfikacja przemysłowych procesów nagrzewania przynosi korzyści wykraczające poza efektywność energetyczną i potencjał dekarbonizacji (źródło: University of Hannover)
Korzyści sięgają poza fabrykę
Na poziomie systemu, nagrzewanie elektryczne ułatwia zdolność reagowania na popyt, umożliwiając w ten sposób przemysłowi bardziej aktywne uczestniczenie w rynku energii elektrycznej i obniżenie kosztów energii, a przy tym sprzyja większej integracji odnawialnych źródeł energii.
CZYTAJ TAKŻE: Magazynowanie energii niezbędne dla dalszego rozwoju polskiej energetyki
Elektryfikacja wnosi także swój wkład w gospodarkę o obiegu zamkniętym, ponieważ ze względu na mniejsze utlenianie w piecu, obniża straty materiałowe. Przy nagrzewaniu palnikami na paliwa kopalne typowe straty materiału wynoszą 2-4%, podczas gdy w piecach elektrycznych jest to poniżej 1%. Procentowo różnica ta wydaje się mała, ale może okazać bardzo znaczna, jeżeli weźmiemy pod uwagę oddziaływanie na środowisko strat materiału w procesie cieplnym w całym cyklu życia.
Przykładowo, producent płytek ceramicznych w Hiszpanii oszczędził 75% energii końcowej przechodząc na nagrzewanie indukcyjne. Dodatkowo, czas nagrzewania skrócił się z czterech godzin do jednej godziny, zwiększając tym samym wydajność procesu. W Wielkiej Brytanii, producent napojów dzięki przejściu na nagrzewanie promiennikowe zaoszczędził 10 000 GBP w kosztach energii. Nowy piec przyniósł także oszczędność miejsca w fabryce, umożliwiając jedno płukanie zimne zarówno dla soków jak i napojów gazowanych.
Potencjał techniczny
Elektrotermia oferuje szeroką gamę technologii, które mogą znaleźć zastosowanie w różnych sektorach przemysłu. Niektóre z tych technologii mogą być stosowane w całym przemyśle, inne jak nagrzewanie indukcyjne lub piece łukowe, są bardziej odpowiednie dla jednego sektora, jak przedstawiono to w tabeli poniżej.
Rysunek 3. Matryca zastosowań ośmiu technologii nagrzewania elektrycznego w 24 sektorach przemysłu (źródło: EPRI)
CZYTAJ: Indeks elastyczności systemu elektroenergetycznego. Raport
Jak widać elektryfikacja znajduje zastosowanie głównie w oferującej wartość dodaną produkcji części metalowych, ceramiki, wyrobów z gumy i tworzyw sztucznych oraz maszyn, łącznie z naprawami.
Europejski potencjał energetyczny
Obecnie zużycie energii z paliw kopalnych w przemyśle Unii Europejskiej wynosi około 150 Mtoe rocznie. W najnowszym studium zamówionym przez Europejski Instytut Miedzi (ECI) wraz z EPRI, potencjał elektryfikacji sześciu technologii nagrzewania elektrycznego został oszacowany na około jedną trzecią energii z paliw kopalnych zużywanej przez przemysł. Oznacza to techniczny potencjał oszczędności paliw kopalnych w wysokości 51 Mtoe/r. Uwzględniając wyżej wymienioną poprawę efektywności końcowego wykorzystania energii, przejście od spalania paliw kopalnych do energii elektrycznej prowadziłoby do nowego zapotrzebowania na energię elektryczną w wysokości 252 TWh/r. W całkowicie zdekarbonizowanym systemie elektroenergetycznym, omawiana elektryfikacja prowadzi do redukcji emisji gazów cieplarnianych w wysokości 107 MtCO2 rocznie.
ZOBACZ: Pompy ciepła. Technologia i wykorzystanie w celu obniżenia emisyjności
Sześć badanych w tym studium technologii nagrzewania elektrycznego jest ukierunkowanych głównie na dekarbonizację procesów wysokotemperaturowych, dla których niskoemisyjne alternatywy są nieliczne. Pozostałe zastosowania paliw kopalnych dotyczą zastosowań przy niższych temperaturach, jak produkcja pary, dla których istnieje więcej alternatywnych rozwiązań. Procesy tego rodzaju wymagają temperatur w zakresie 120°C do 260°C, stąd alternatywą dla nich często mogą być pompy ciepła i ogrzewanie solarne.
Wnioski: Program polityki na rzecz elektryfikacji
Reasumując, elektryfikacja procesów przemysłowych może zaoferować szereg korzyści dla przemysłu, także w Unii Europejskiej. Jest także zgodna z zasadami unijnego Pakietu Czystej Energii.
Dla zrealizowania tego potencjału niezbędne jest, aby elektryfikacja znalazła uznanie i właściwe miejsce w różnych unijnych instrumentach politycznych, zachętach do rozwijania innowacyjnych procesów i środków miękkich w celu zwiększenia świadomości na temat technologii elektrotermicznych. Siedem poniższych punktów, sformułowanych przez firmę konsultingową Ecofys Navigant, może stworzyć podstawę programu polityki na rzecz elektryfikacji:
- Uznanie elektryfikacji grzejnictwa przemysłowego opartej na energii odnawialnej w ramach strategii UE w zakresie ogrzewania i chłodzenia.
- Wkład w oszczędności energii w ramach Dyrektywy Efektywności Energetycznej.
- Zdecydowane skoncentrowanie się na możliwości zastąpienia paliw kopalnych energią elektryczna pochodzącą ze źródeł odnawialnych w wysokotemperaturowych procesach przemysłowych w kontekście Dyrektywy w sprawie odnawialnych źródeł energii.
- Sprecyzowanie wytycznych dla elektryfikacji grzejnictwa przemysłowego w dokumentach referencyjnych Najlepszych Dostępnych Technologii (BAT).
- Ułatwianie rozwoju innowacyjnych procesów elektryfikacji poprzez badania.
- Wspieranie dzielenia się wiedzą przez ustanowienie sieci kompetencji.
- Ukazywanie potencjału nowoczesnych technologii elektryfikacji poprzez projekty pilotażowe i demonstracyjne.
ZOBACZ TAKŻE: Nowa technologia pozwala monitorować zużycie prądu w czasie rzeczywistym
