Koszty sprężonego powietrza i metody ich optymalizacji

Dlaczego sprężone powietrze jest tak drogie?

Sprężarka zamienia energię elektryczną silnika na energię sprężonego gazu. Proces ten jest jednak nieodłącznie związany z powstawaniem dużej ilości ciepła. Według materiałów programu Better Plants amerykańskiego Departamentu Energii ponad 80% energii doprowadzonej do sprężarki może zostać rozproszone w postaci ciepła. Nie oznacza to, że pozostałe 20% jest zawsze dostępne na maszynie — po drodze występują jeszcze straty związane z chłodzeniem, uzdatnianiem, przesyłem, regulacją i końcowym wykorzystaniem powietrza. W konsekwencji napęd pneumatyczny powinien być stosowany tam, gdzie jego zalety techniczne rzeczywiście uzasadniają koszty. Pneumatyka jest szczególnie korzystna, gdy liczą się:

• duża dynamika ruchu,

• odporność na przeciążenia,

• prostota konstrukcji,

• wysoka częstotliwość pracy,

• bezpieczeństwo w trudnych warunkach,

• łatwość rozprowadzania energii,

• czystość procesu,

• możliwość pracy w środowisku, w którym napęd elektryczny jest mniej odpowiedni.

Nie oznacza to jednak, że sprężone powietrze powinno być używane bez kontroli. Przedmuch otwartej powierzchni, chłodzenie produktu ciągłym strumieniem powietrza czy wytwarzanie podciśnienia przez przewymiarowany eżektor może generować bardzo wysokie koszty, mimo że samo urządzenie końcowe jest tanie i proste.

Cena sprężonego powietrza a jego faktyczny koszt

W analizach ekonomicznych należy odróżnić trzy pojęcia:

Cena energii elektrycznej

Jest to koszt jednej kilowatogodziny pobieranej przez sprężarkę i urządzenia pomocnicze. Cena powinna obejmować nie tylko samą energię czynną, lecz także — zależnie od sposobu rozliczeń — opłaty dystrybucyjne, mocowe, sieciowe, jakościowe i pozostałe składniki rachunku, które rosną wraz z poborem energii. Dane Eurostatu pokazują, że ceny energii elektrycznej dla odbiorców niebędących gospodarstwami domowymi są silnie zróżnicowane pomiędzy państwami, grupami zużycia oraz okresami rozliczeniowymi. Dlatego do obliczeń zakładowych najlepiej używać faktycznej ceny wynikającej z faktur przedsiębiorstwa, a nie ogólnej stawki rynkowej.

Techniczny koszt wytworzenia sprężonego powietrza

Obejmuje energię pobraną przez sprężarkę, osuszacz, wentylatory, pompy, układy chłodzenia, automatykę i pozostałe urządzenia niezbędne do przygotowania medium.

Całkowity koszt użytkowania sprężonego powietrza

Obejmuje dodatkowo:

• amortyzację urządzeń,

• zakup i wymianę filtrów,

• serwis sprężarek,

• olej i części eksploatacyjne,

• obsługę osuszaczy,

• odprowadzanie kondensatu,

• naprawy instalacji,

• wzorcowanie urządzeń pomiarowych,

• przestoje,

• utratę produkcji,

• koszty nieszczelności,

• straty wynikające ze spadków ciśnienia,

• nieproduktywne zużycie powietrza.

Dopiero tak określony koszt pokazuje rzeczywistą wartość ekonomiczną medium.

Najczęściej wygląda to następująco: Koszty nabycia (ok. 10-15%), Koszty energii (ok. 70-75%), Koszty konserwacji (ok. 10-15%).

Jak obliczyć koszt 1 m³ sprężonego powietrza?

Najbardziej praktyczna metoda polega na podzieleniu całkowitego kosztu energii elektrycznej zużytej przez sprężarkownię przez ilość wyprodukowanego sprężonego powietrza.

Wzór ma postać:

Koszt 1 m³ = (Zużycie energii × Cena energii) / Ilość wyprodukowanego sprężonego powietrza

czyli:

K = (E × Ce) / V

gdzie:

• K – koszt wytworzenia 1 m³ sprężonego powietrza [zł/m³],

• E – zużycie energii elektrycznej [kWh],

• Ce – całkowity koszt 1 kWh energii elektrycznej [zł/kWh],

• V – ilość wyprodukowanego sprężonego powietrza [m³].

Obliczenia na przykładzie

Załóżmy, że sprężarkownia:

• pobrała 12 000 kWh energii,

• średni koszt energii wynosi 0,90 zł/kWh,

• w tym czasie wyprodukowała 150 000 m³ sprężonego powietrza.

Obliczenie wygląda następująco:

K = (12 000 × 0,90) / 150 000

K = 10 800 / 150 000

K = 0,072 zł/m³

Oznacza to, że koszt wytworzenia 1 m³ sprężonego powietrza wynosi około 7,2 grosza. Należy jednak pamiętać, że jest to jedynie koszt energii elektrycznej. Nie uwzględnia on kosztów serwisu, filtrów, osuszaczy, amortyzacji, przestojów ani strat wynikających z nieszczelności instalacji.

Szybkie obliczenie dla jednej sprężarki

Jeżeli znamy moc sprężarki i jej rzeczywistą wydajność, koszt można oszacować jeszcze prościej.

Wzór:

Koszt 1 m³ = (Moc sprężarki × Cena energii) / (Wydajność × 60)

czyli:

K = (P × Ce) / (Q × 60)

gdzie:

• P – rzeczywista moc pobierana przez sprężarkę [kW],

• Ce – koszt energii [zł/kWh],

• Q – rzeczywista wydajność sprężarki [m³/min],

• 60 – liczba minut w godzinie.

Przykład praktyczny

Sprężarka śrubowa:

• moc silnika: 75 kW,

• rzeczywista wydajność: 12 m³/min,

• koszt energii: 0,90 zł/kWh.

Podstawiając dane:

K = (75 × 0,90) / (12 × 60)

K = 67,5 / 720

K = 0,094 zł/m³

Koszt wyprodukowania 1 m³ sprężonego powietrza wynosi około 9,4 grosza.

Dlaczego rzeczywisty koszt jest zwykle znacznie wyższy?

Powyższe obliczenia uwzględniają wyłącznie energię elektryczną. W rzeczywistej eksploatacji do kosztu 1 m³ sprężonego powietrza należy doliczyć również:

• amortyzację sprężarek i wyposażenia sprężarkowni,

• serwis oraz części eksploatacyjne,

• wymianę filtrów i separatorów,

• koszty pracy osuszaczy chłodniczych lub adsorpcyjnych,

• przygotowanie i uzdatnianie sprężonego powietrza,

• odprowadzanie kondensatu,

• koszty przeglądów i wzorcowania urządzeń pomiarowych,

• straty wynikające z nieszczelności instalacji,

• spadki ciśnienia na przewodach, filtrach i armaturze,

• pracę sprężarek na biegu jałowym,

• nieefektywne sterowanie sprężarkownią.

Z tego względu całkowity koszt użytkowania sprężonego powietrza jest często 2–4 razy wyższy niż koszt wynikający wyłącznie z poboru energii elektrycznej. To właśnie dlatego regularne audyty instalacji, pomiary przepływu, wykrywanie nieszczelności oraz optymalizacja parametrów pracy sprężarkowni należą do działań o najszybszym zwrocie z inwestycji w przemyśle.

Co najbardziej wpływa na koszt sprężonego powietrza?

Na ostateczny koszt sprężonego powietrza wpływa wiele czynników technicznych i eksploatacyjnych. W praktyce przemysłowej często okazuje się, że sama sprężarka pracuje z wysoką sprawnością, natomiast straty powstają na dalszych etapach – w instalacji przesyłowej, układzie uzdatniania lub bezpośrednio na stanowiskach roboczych.

1. Cena energii elektrycznej

   Największym składnikiem kosztów eksploatacji sprężarkowni jest energia elektryczna. W większości zakładów przemysłowych odpowiada ona za około 70–80% całkowitych kosztów eksploatacji sprężarki w całym okresie jej użytkowania. Oznacza to, że nawet niewielka poprawa sprawności energetycznej przekłada się na bardzo duże oszczędności. Zmniejszenie zużycia energii o zaledwie 5% w dużej sprężarkowni może oznaczać oszczędności liczone w dziesiątkach tysięcy złotych rocznie.

2. Ciśnienie robocze instalacji

   Jednym z najczęściej popełnianych błędów jest ustawianie zbyt wysokiego ciśnienia roboczego. W wielu zakładach produkcyjnych instalacja pracuje przy 8 lub nawet 9 barach, mimo że większość odbiorników wymaga jedynie około 6 barów. Każdy dodatkowy bar ciśnienia oznacza większą pracę sprężarki, większy pobór energii oraz większe straty w całym systemie.

   Przyjmuje się, że podniesienie ciśnienia roboczego o 1 bar zwiększa zużycie energii o około 6–8%, choć dokładna wartość zależy od rodzaju sprężarki i charakterystyki instalacji. Dodatkowo wyższe ciśnienie powoduje:

   • większe wycieki,

   • szybsze zużywanie uszczelnień,

   • większe obciążenie armatury,

   • większy pobór powietrza przez dysze i przedmuchy,

   • większe obciążenie siłowników.

3. Nieszczelności instalacji

   

   To zdecydowanie największy "pożeracz pieniędzy" w większości zakładów przemysłowych. Badania pokazują, że przeciętna instalacja sprężonego powietrza traci od 20 do 40% wyprodukowanego powietrza, natomiast w zaniedbanych instalacjach straty mogą przekraczać nawet 60%. Najczęstsze miejsca wycieków to:

   • szybkozłącza,

   • złączki pneumatyczne,

   • gwinty,

   • przewody elastyczne,

   • zawory,

   • bloki przygotowania powietrza,

   • siłowniki,

   • elektrozawory,

   • przewody spiralne,

   • uszkodzone uszczelnienia.

   Niewielki otwór o średnicy zaledwie 1 mm może powodować straty liczone w setkach metrów sześciennych sprężonego powietrza miesięcznie. Przy większych nieszczelnościach roczne koszty mogą sięgać kilku, kilkunastu, a nawet kilkudziesięciu tysięcy złotych. Dlatego regularna kontrola szczelności instalacji należy do najbardziej opłacalnych działań optymalizacyjny

4. Spadki ciśnienia

   

   Każdy element instalacji powoduje określony opór przepływu. Dotyczy to między innymi:

   • filtrów,

   • osuszaczy,

   • zaworów kulowych,

   • szybkozłączy,

   • reduktorów,

   • przewodów,

   • kolan,

   • trójników,

   • zwijaczy,

   • złączek.

   Jeżeli spadek ciśnienia jest zbyt duży, operator często zwiększa ciśnienie na sprężarce, aby zapewnić odpowiednie parametry pracy odbiorników. W efekcie cała instalacja pracuje przy wyższym ciśnieniu niż jest to konieczne, co bezpośrednio zwiększa koszty energii. Projektowanie instalacji o małych oporach przepływu stanowi jeden z podstawowych elementów energooszczędnych systemów sprężonego powietrza.

5. Nieefektywna praca sprężarek

   Sprężarka osiąga najwyższą sprawność wtedy, gdy pracuje w pobliżu swojej optymalnej wydajności. W praktyce często obserwuje się:

   • częste uruchamianie i zatrzymywanie,

   • pracę na biegu jałowym,

   • niewłaściwe sterowanie kilkoma sprężarkami,

   • niewłaściwe sterowanie kilkoma sprężarkami,

   • pracę jednej dużej sprężarki przy niewielkim poborze powietrza.

   Każda z tych sytuacji zwiększa zużycie energii bez wzrostu produkcji sprężonego powietrza. Nowoczesne sterowniki nadrzędne pozwalają zoptymalizować współpracę kilku sprężarek, dzięki czemu możliwe jest znaczące ograniczenie kosztów eksploatacji.

6. Jakość uzdatniania powietrza

   

   Sprężone powietrze rzadko trafia bezpośrednio ze sprężarki do odbiorników. Najczęściej przechodzi przez:

   • chłodnice,

   • osuszacze,

   • filtry wstępne,

   • filtry dokładne,

   • filtry z węglem aktywnym,

   • separatory kondensatu,

   • zbiorniki ciśnieniowe.

   Każdy z tych elementów jest niezbędny dla zapewnienia odpowiedniej jakości powietrza, jednak każdy powoduje również pewien spadek ciśnienia. Szczególnie niebezpieczne są zanieczyszczone filtry. Wraz z ich zabrudzeniem rośnie opór przepływu, co prowadzi do zwiększenia poboru energii przez sprężarkę. Regularna wymiana wkładów filtracyjnych pozwala nie tylko utrzymać wymaganą klasę jakości sprężonego powietrza zgodnie z normą ISO 8573-1, ale również ograniczyć koszty eksploatacji całego systemu.

7. Niekontrolowane przedmuchy

   W wielu zakładach sprężone powietrze wykorzystywane jest do:

   • czyszczenia elementów,

   • chłodzenia detali,

   • osuszania powierzchni,

   • usuwania wiórów,

   • transportu lekkich produktów.

   Bardzo często stosowane są jednak zwykłe otwarte dysze, które charakteryzują się bardzo dużym zużyciem powietrza. Nowoczesne dysze pneumatyczne oszczędnościowe oraz noże powietrzne wykorzystują efekt zasysania powietrza z otoczenia, dzięki czemu osiągają ten sam efekt technologiczny przy znacznie mniejszym zużyciu sprężonego powietrza. W wielu aplikacjach pozwala to ograniczyć zużycie medium nawet o kilkadziesiąt procent.

Ile kosztują nieszczelności? Przykład z praktyki

Rozważmy zakład pracujący przez 6 000 godzin rocznie, w którym występuje pojedynczy wyciek odpowiadający stracie około 1 m³/h sprężonego powietrza.

Roczna strata wynosi:

1 m³/h × 6 000 h = 6 000 m³

Przy koszcie wytworzenia sprężonego powietrza wynoszącym 0,10 zł/m³, koszt takiej nieszczelności to:

6 000 × 0,10 = 600 zł rocznie

Może wydawać się to niewielką kwotą, jednak w rzeczywistości większość zakładów posiada nie jedną, lecz dziesiątki lub setki drobnych nieszczelności. Ich łączny koszt bardzo szybko rośnie do poziomu kilkudziesięciu, a w dużych przedsiębiorstwach nawet kilkuset tysięcy złotych rocznie. Z tego względu regularne audyty szczelności instalacji są jedną z najbardziej opłacalnych inwestycji w gospodarce sprężonym powietrzem – często zwracają się już po kilku miesiącach dzięki ograniczeniu strat energii.

Jak obniżyć koszt sprężonego powietrza? Najskuteczniejsze sposoby

Optymalizacja systemu sprężonego powietrza nie polega wyłącznie na zakupie nowej sprężarki. W większości przypadków znacznie większy efekt ekonomiczny przynosi kompleksowe podejście obejmujące cały system – od sprężarkowni, przez instalację przesyłową, aż po odbiorniki końcowe. Nowoczesne przedsiębiorstwa traktują sprężone powietrze jako medium energetyczne wymagające ciągłego monitorowania i optymalizacji. Nawet niewielkie usprawnienia w kilku obszarach mogą przynieść oszczędności sięgające kilkunastu lub kilkudziesięciu procent kosztów eksploatacyjnych.

1. Regularnie wykrywaj i usuwaj nieszczelności

Pierwszym krokiem powinno być przeprowadzenie profesjonalnego audytu szczelności instalacji. Wycieki sprężonego powietrza są często niesłyszalne podczas normalnej pracy zakładu. Hałas maszyn skutecznie maskuje dźwięki wydostającego się powietrza, dlatego do lokalizacji nieszczelności wykorzystuje się ultradźwiękowe detektory wycieków. Profesjonalny audyt pozwala:

• zlokalizować wszystkie wycieki,

• określić wielkość strat,

• oszacować koszt każdej nieszczelności,

• ustalić priorytet napraw,

• wyliczyć przewidywany okres zwrotu inwestycji.

W wielu przedsiębiorstwach usunięcie samych nieszczelności pozwala ograniczyć zużycie energii nawet o kilkanaście lub kilkadziesiąt procent.

2. Obniż ciśnienie do rzeczywiście wymaganego poziomu

Instalacja pneumatyczna powinna pracować przy możliwie najniższym ciśnieniu zapewniającym poprawną pracę wszystkich odbiorników. Często okazuje się, że:

• zawory pracują poprawnie już przy 5,5 bar,

• siłowniki nie wymagają 8 bar,

• narzędzia pneumatyczne osiągają pełną wydajność przy 6,3 bar,

• niektóre stanowiska potrzebują wyższego ciśnienia tylko okresowo.

W takich sytuacjach warto stosować lokalne reduktory ciśnienia zamiast podnosić ciśnienie w całej instalacji.

3. Projektuj instalacje o małych oporach przepływu

Każdy dodatkowy opór zwiększa koszt eksploatacji. Projektując instalację sprężonego powietrza należy zwrócić uwagę na:

• odpowiednie średnice przewodów,

• możliwie krótkie odcinki,

• ograniczenie liczby kolan,

• prawidłowe rozmieszczenie punktów poboru,

• właściwe średnice zaworów,

• odpowiedni dobór szybkozłączy,

• minimalizację przewężeń.

Nowoczesne instalacje aluminiowe charakteryzują się znacznie mniejszymi stratami ciśnienia niż tradycyjne instalacje wykonane z rur stalowych, które z czasem ulegają korozji i zarastaniu osadami.

4. Stosuj odpowiednie przygotowanie sprężonego powietrza

Jakość sprężonego powietrza ma bezpośredni wpływ na trwałość urządzeń oraz koszty eksploatacji. Nieprawidłowo dobrany system uzdatniania może prowadzić do:

• korozji instalacji,

• uszkodzeń zaworów,

• awarii siłowników,

• skrócenia żywotności narzędzi pneumatycznych,

• zanieczyszczenia produktów,

• przestojów produkcyjnych.

Jednocześnie należy unikać przewymiarowania układów filtracyjnych. Nadmierna liczba filtrów lub ich niewłaściwy dobór zwiększa spadki ciśnienia i powoduje wzrost zużycia energii.

5. Monitoruj zużycie sprężonego powietrza

Nie można skutecznie ograniczać kosztów czegoś, czego się nie mierzy. Coraz więcej przedsiębiorstw instaluje przepływomierze masowe sprężonego powietrza, które umożliwiają bieżący pomiar:

• chwilowego przepływu,

• zużycia dobowego,

• zużycia miesięcznego,

• poboru przez poszczególne linie,

• poboru przez wydziały,

• poboru poza godzinami produkcji.

Analiza takich danych bardzo szybko pozwala wykryć:

• nowe wycieki,

• niepotrzebnie pracujące maszyny,

• niekontrolowane przedmuchy,

• wzrost zużycia po modernizacji linii,

• pogorszenie sprawności sprężarkowni.

6. Wykorzystuj energooszczędne elementy wykonawcze

Nowoczesna pneumatyka oferuje wiele rozwiązań zmniejszających zużycie sprężonego powietrza. Do najczęściej stosowanych należą:

• dysze oszczędnościowe,

• noże powietrzne,

• eżektory o wysokiej sprawności,

• zawory szybkiego odpowietrzania,

• zawory proporcjonalne,

• układy sterowania ciśnieniem,

• energooszczędne chwytaki próżniowe.

Odpowiedni dobór tych elementów pozwala uzyskać identyczny efekt technologiczny przy znacznie niższym poborze sprężonego powietrza.

Jak Pneumat System pomaga ograniczyć koszty sprężonego powietrza?

Efektywność energetyczna instalacji sprężonego powietrza zależy nie tylko od jakości sprężarki, ale od całego systemu. Dlatego Pneumat System oferuje kompleksowe rozwiązania obejmujące projektowanie, budowę, modernizację oraz diagnostykę instalacji pneumatycznych. W ofercie firmy znajdują się między innymi:

• kompletne instalacje sprężonego powietrza wykonane w technologii aluminiowych rurociągów Infinity, charakteryzujących się małymi oporami przepływu, odpornością na korozję oraz łatwością rozbudowy,

• przepływomierze masowe sprężonego powietrza umożliwiające kontrolę zużycia medium, analizę profilu poboru oraz wykrywanie nieuzasadnionych strat,

• urządzenia do lokalizacji nieszczelności wykorzystujące technologię ultradźwiękową, pozwalające szybko identyfikować wycieki nawet podczas normalnej pracy zakładu,

• osuszacze, filtry ciśnienia, separatory kondensatu oraz kompletne systemy przygotowania sprężonego powietrza dostosowane do wymaganej klasy jakości zgodnie z normą ISO 8573-1,

• zawory, szybkozłącza, złączki pneumatyczne, przewody oraz armaturę o wysokiej jakości wykonania, ograniczające ryzyko wycieków i spadków ciśnienia,

• elementy automatyki pneumatycznej umożliwiające optymalizację zużycia sprężonego powietrza w procesach produkcyjnych,

• profesjonalne usługi audytowe obejmujące ocenę efektywności energetycznej instalacji, analizę spadków ciśnienia, pomiary przepływu oraz identyfikację obszarów generujących największe koszty.

Dzięki kompleksowemu podejściu możliwe jest nie tylko ograniczenie rachunków za energię elektryczną, ale również zwiększenie niezawodności całego systemu, wydłużenie żywotności urządzeń oraz poprawa stabilności procesów technologicznych.

Autor:
Jarosław Pospiech
Product Manager
Pneumat.

Autor:
Jarosław Pospiech
Product Manager
Pneumat.