清洁能源的发展前景

追踪其使用情况将如何改变可再生能源对机器制造方式的影响?

2018年1月,1974年《贸易法》201条款被用于解决太阳能公司Suniva和SolarWorld美国子公司的担忧,他们声称来自国外市场更便宜的太阳能电池和模块正在影响其业务。据称这些电池和模块来自中国企业,对这些太阳能组件强制征收30%的进口关税可以抵消其对美国市场的冲击。

时间会证明这将对美国能源工业以及最终利用该能源从事制造业的工业用户产生何种影响。各个州都有各种激励政策来推动企业使用可再生能源。各州对可再生能源的鼓励政策数据库(DSIRE)提供了一个全面的项目集合,以鼓励和支持提高能源效率及使用可再生能源。它已经有超过20年的历史,由美国能源部资助,北卡罗来纳州立大学的北卡罗来纳州清洁能源技术中心运营。虽然新的关税政策势必会以某种方式影响太阳能背后的有形资产,但使用可再生能源及其他形式能源的机器将保持不变,它们能够获取、测量并报告能源数据。

“现在要求提供详细的运行功率和空气消耗量作为报价的一部分,而不是将其看作提交订单后的次要信息,”Matrix包装机械公司(它是威斯康星州索克维尔ProMach旗下的子公司)电气工程经理Mike Krummey说。“这表明包装设备的最终用户正将这些数据整合到决策过程中。对可再生能源的严重依赖要求有效利用所有能源,因为浪费能源就无法维持运营。”

Matrix公司始终认为压缩空气对其客户来说成本过高。据美国能源部数据称,压缩空气是工业中平均用电量最大的。 “这一事实,推动我们从2002年开始持续研发电动密封颚式装置,”Krummey解释说。“我们的机器在行业中是最高效的,这让那些有节能意识的客户可以加入我们的可再生能源计划。”

新能源的用途 

“俄勒冈、华盛顿、缅因、爱达荷、蒙大纳和爱荷华等州正在进行可再生能源转型,”Opto 22业务发展总监Arun Sinha说。“虽然这些州和其他一些州由于水力发电比重大而排名较高。如果不考虑水力发电,加利福尼亚、南达科他、佛蒙特、堪萨斯和明尼苏达等州可以通过风能、太阳能和地热等来源获取可再生能源。”

如今,机器制造商和系统集成商会在设计中考虑能效因素,Sinha解释说。“包括使用变频驱动器(VFD)或软起动器,以及精心选择电机尺寸,”他说。“通过在机器上增加功率、电能质量、电流和电压监测来增加价值,这样客户无需使用外部仪器进行检测。一个关键要求是确保传统HMI可以通过工厂车间协议访问这些数据,同时IT、能源软件服务(SaaS)和IIoT平台也能利用这些数据。

尽管能源效率和数据可及性与能量最初由传统能源或可再生能源产生无关,Sinha说。“虽然某些市场的终端用户可以选择购买能量的来源和类型,但对机器制造商或系统集成商而言,一旦电能连接到客户的公用事业仪表就完全一样了,”他解释道。

加利福尼亚州的清洁能源通常与太阳能系统和电动汽车有关,Allied Electronics & Automation公司应用工程师Allen Bennett说。“太阳能系统的输出功率正在增加,”他解释说。“收集的能量储存于电池中,全部由中国制造。该能量通过逆变器转换为交流电压。最终,大型太阳能系统可以产生足够电力来运行一座位于墨西哥的工厂。最近,加利福尼亚州颁布了21号规则来监管逆变器运行及其在电网中的使用方式。逆变器制造商必须严格执行21号规则。”

21号电气规则是一系列针对公用事业配电系统连接到发电设施的互连、操作和计量要求。为那些希望在其工厂安装发电或存储设施的客户提供电网接入服务;21号规则保护着输电与配电系统的安全性和可靠性。每个公用事业机构都有自己的规则,并负责其管理。

一些设施正在采用风能和太阳能等现场可再生能源,也可以利用废热进行热电联产,Sinha解释道。他说:“加利福尼亚州南部的一座水处理厂安装了1兆瓦的太阳能发电装置,平均能提供工厂总用电量的30%,”他说。“在收回初始投资后,节约的成本可用于工厂与机械的改进和升级。”

测量 

“过去几十年,全球范围内绿色可持续性项目变得越来越有吸引力,”Iconics公司全球营销高级总监Melissa Topp说。“虽然这些尝试本身是积极的,但许多企业也期望获得一些投资回报,这需要测量他们的清洁/可再生能源。”

通常这涉及与企业现有的能源供应商合作,提供太阳能、风能、海洋、水力、生物质或地热等清洁能源的使用比重数据。“一些有资金的大企业已经开发出绿色可再生能源为自己所用,“Topp解释道。“它们中最大的一个经常上新闻,该知名公司声称由于采用现场太阳能电池板和风力涡轮机他们减少了大量碳排放。”

上述案例中的企业仍然需要计算投资回报率(ROI),这时需要使用能量管理软件(图1)。第一个案例中的公司能够从电力供应商那里接收到数据反馈或报告,按能量来源分开统计燃煤发电、水电和太阳能的比重。第二个案例中的公司控制着能源和设施连接,所需数据可以从连接太阳能电池板或风力涡轮机(源头)与设施设备(使用点)的硬件仪表中轻松获取。

“能源管理软件可以利用这些来自公用事业机构或现场发电设施的数据,以帮助客户进一步降低能源成本,减少能量消耗和碳排放,”Topp说。“软件汇总并记录消费数据,对计划预算和过往性能进行连续分析、比较,还能核实公用事业账单。使用该能量管理软件不仅有助于提高绿色可持续能力和能源效率,还能每年减少高达25%的能源成本。

 

能量聚焦 

图1:企业仍然需要计算投资回报率(ROI),这时需要使用能量管理软件。 

传统的自动化和数据采集系统可以监控现场安装的可再生能源或清洁能源设施的生产情况,Opto 22公司的Sinha说。“那些已经安装风能、太阳能和燃料电池等现场可再生发电系统的设施往往将这些数据与现有工厂的SCADA系统联系起来,”他解释说(图2)。“采用IoT技术也可以利用这些数据,将其与天气、动态公用事业定价和需求响应程序等外部数据结合。”

发电系统的具体案例是SCADA Solutions公司,这是一家管理风电场的加利福尼亚公司。“SCADA Solutions公司采用IoT技术追踪实时电价,只在合算时才发电,”Sinha解释道。

如果加利福尼亚独立系统运营商(CAISO)通知风电场的运营商需要削减能源产量,该公司只有5分钟时间来应对该需求。以前需要在风电场派驻工作人员全天不间断地按时手动开启和关闭涡轮机,否则将遭受巨额罚款。

利用Opto 22公司用于管理I/O控制器的SNAP PAC工业控制器、用于通信的无线网状网络以及用于移动设备的Opto 22 Groov接口,SCADA解决方案公司开发出一种远程监控解决方案,可以管理各个涡轮机产生的能量输出(图3)。SCADA Solutions公司可以使用模拟和数字数据。Opto 22应用软件套件具有将OPC数据传输至云端的功能,而且用户通过Groov接口可以访问实时数据并从移动设备远程控制涡轮机。

位于印第安纳州格林伍德的恩德斯豪斯客户中心和销售中心使用的能源35%是可再生的,由其能源公司提供,恩德斯豪斯运营部质量安全经理Ben Scher说。“一套价值120万美元的地热系统是为我们的自动化和Flowtec生产中心提供制冷、制热服务的唯一设备,”他解释说。“该产量是最近扩建园区的结果,包括三座制造大楼和一个客户中心,所有都通过了LEED认证。目前我们位于格林伍德的美国总部还没有扩建计划,但任何未来的扩建项目都会采用相同的环保理念。”

 

棕地应用案例

图2:那些已经安装风能、太阳能和燃料电池等现场可再生发电系统的设施往往将这些数据与现有工厂的SCADA系统联系起来。

 

它是可持续的吗? 

“可再生能源是一个重要的热点话题,但它必须与可持续发展的理念相匹配,”Matrix公司的Krummey说。“一个可再生能源设备在其生命周期中消耗的能量不能超过其创造的能量。这是一个显而易见的道理。如果一个设备消耗的能量多于其创造的能量,那么它就是不可持续的。如果能量方程得出一个负值;那么不管如何对其进行补贴,它都不是一个合理的选择。”

另一个极具争议的话题是美国采用的可再生能源证书(RES)。“REC就是可交易能源商品,它表明1兆瓦时(MWh)的电力是由合格的可再生能源产生,”Opto 22公司的Sinha解释说。“这是一种购买可再生能源并将其接入电网的机制。终端用户或发电厂采用REC以满足法规要求或者以此作为重视可持续性发展和环保的公开声明。合格的技术包括风能、太阳能、水力发电和燃料电池等。”

作为一家全球化公司,恩德斯豪斯深知其在世界各地的环保足迹,Scher说。“因此,恩德斯豪斯从世界各地的生产中心获取关键数据,”他解释说。“这些数据包括能源消耗与浪费、二氧化碳排放以及废物累积量。一旦获得这些数据就将其与过去几年的数据进行比较。”

跨国公司也需要全球商务会议与活动。“恩德斯豪斯知道这可能导致许多员工不得不长途旅行去参加这些会议与活动,”Scher解释说。“为了减少任何与旅行相关的能源消耗和碳排放,我们利用庞大的IT基础设施来增强数字通信能力,尽可能地采用视频和电话会议。”

恩德斯豪斯还参与年度EcoVadis审计,公司利用它来监测其供应链的可持续性表现。 “随着越来越多的客户逐渐重视自身的可持续能力,他们的决策和选择过程需要依赖那些满足EcoVadis等外部审计机构要求的公司,”Scher解释说。“我们根据EcoVadis的审计评分确定了一个关键战略指标,可以逐年用它来评估整个行业的供应链、道德、社会和环境影响。”

远程监控

图3:远程监控解决方案可以管理各个风力涡轮机产生的能量输出。

 

提高效率从国内开始

这四座建筑作为恩德斯豪斯最近的园区扩建项目,都取得了LEED认证。这些建筑中融入的环保元素包括:

  • 所有建筑材料都来自于园区半径500英里以内
  • 87%的建筑垃圾被回收利用
  • 使用低挥发性有机化合物(低VOC)地毯、家具和建筑材料
  • 屋顶是白色热塑性聚烯烃
  • 墙体系统是双重绝缘的
  • 玻璃是低发热率的
  • 感应传感器可以控制节能照明
  • 天窗提升了制造区的照明效果
  • 所有新建筑的能源效率均超过印第安纳州的能源法规
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