【儀表網 行業科普】采用先進電機技術的電機系統有助于提高工業能效、降低成本和減少二氧化碳排放。據估計，到2050年，全球人口將從2019年的77億增加到97億，預計同期全球經濟將翻一番以上。2050年全球城鎮人口的占比將從2021年的56%上升至68%。快速城市化，再加上自動化和生活水平的提高，會導致全球對能源的需求急劇增加。為了在不影響經濟增長的情況下保護環境，我們需要減少能源和自然資源的消耗。
 

　　電能需求的增長導致能源成本的相應增加。在過去四年中，工業領域的電價上漲了18%。電價增加會直接影響運營費用并增加生產成本，從而帶來廣泛的影響。嚴重依賴電力的行業，如化工、金屬和基本材料，正在重新評估其成本結構，以保持盈利能力。
 

　　電價上漲導致電力密集型制造業的商品和服務的投入成本上升，從而導致價格上漲。為了應對這些挑戰，工業企業正在考慮采用節能技術、能源多樣化以及與政策制定者合作推廣負擔得起的能源等戰略。與此同時，通過采用優化的高效設備(如高效的工業電機)，也有助于實現能源消耗的顯著降低。
 

　　全球電氣化的發展趨勢
 

　　伴隨著全球電氣化的發展趨勢，預計對電機驅動系統的需求將大幅增長。根據國際能源署的數據，在全球能源消耗中，工業領域占37%，建筑行業約占30%。其中大部分能源是由電機消耗的。據估計，在工業領域消耗的電力中，約有70%用于電機系統。
 

　　電機應用已經有150多年了。小型電機主要用于空調和冰箱、電腦打印機、電子電器冷卻風扇和其它常見設備中所使用的壓縮機中。中型電機主要用于供暖、通風和空調(HVAC)系統以及電梯和電動汽車中。它們在工業應用中也獲得廣泛部署；適用于泵、輸送機、風扇和各種機械運動。大型電機則應用于鐵路發動機、纜車、船舶推進系統以及用于壓縮機或材料加工的重型設備。雖然大型電機僅占所有使用電機的0.03%，但它們消耗的電量卻占全球電機總耗電量的23%，而輸出功率小于0.75千瓦的小型電機，僅占電機能耗的9%左右。
 

　　工業設計趨勢是使用更多更小尺寸的電機，并針對特定任務進行優化。將電機的輸出功率與任務所需的最大功率相匹配，這是朝著實現更高能效邁出的重要一步。
 

　　電機設計與效率提升
 

　　隨著時間的推移，各種規格的電機都在穩步改進。在過去的10年里，它們經歷了一段異常快速的技術進步時期，這也為降低工業和商業領域電機的能耗帶來了機會。現在市場上的先進節能電機越來越多，而且這些電機的采用率也在不斷提高。
 

　　現代感應電機具有非常高的運行效率。美國和歐洲的電機效率分別根據美國電氣制造商協會(NEMA)和國際電工委員會(IEC)公布的標準進行評定。幾乎所有在美國銷售的工業電機，其能效等級都必須達到NEMA Premium，而在歐盟它們必須達到IEC IE3，這意味著在這些市場運行和銷售的電機需要具有很高的效率。
 

　　舉個例子，符合NEMA高級效率(IE3)標準的200千瓦交流感應電機，其效率約為96%。與其它類型的電機相比，如內燃機(效率為20-40%)或液壓泵(效率為80%)，此類電機的效率要高出很多。一些最先進的電機可以達到更高的效率標準，即NEMA Super Premium(IE4)標準。符合此標準的電機比NIE3電機的能量損失低約15%，而最新的IE5電機則代表了當前設計所能達到的最高效率水平。
 

　　很多目前正在使用的電機都是老舊且效率較低的設計，而且往往尺寸過大，這會浪費較多的能源。只需針對相關應用正確選擇效率更高的電機，就能大大提高效率。在美國的很多老舊設施中，電機每年將超過10800億千瓦時的電能轉化為動能，每年的運營成本超過1123億美元。只需通過改用IE4電機，僅美國工業領域每年就可以節省約16.8億美元。
 

　　很明顯，隨著世界尋求降低成本、提高能源效率和減少二氧化碳排放，部署高效電機代表著巨大的機遇；然而，電機運營商還可以采取更多措施來實現更高水平的節能、控制和精度。現代高效電機與變頻器配合使用，可進一步降低能耗。
 

　　實現脫碳目標的四種方法
 

　　在全球能源消耗中工業領域占三分之一，其中供熱和旋轉設備占大頭。化石燃料仍然是工業領域的主要能源，使其成為比發電和運輸行業更大的溫室氣體排放源。隨著可再生能源發電量的增加，以及從內燃機到電動汽車的過渡，發電和運輸行業的排放量有可能下降，但預計在未來十年，工業排放量仍將繼續增長。通過可擴展且負擔得起的脫碳解決方案來減少工業領域的二氧化碳排放，對于實現凈零排放至關重要。
 

　　要在能源密集型行業實現脫碳目標，請考慮以下四種方法：
 

　　■可再生能源：轉向風能或太陽能等可再生能源發電。
 

　　■電氣化：用電氣解決方案取代旋轉設備或供熱中基于化石燃料的應用，例如用電力驅動電機傳動系統取代燃氣輪機。
 

　　■新興技術和應用：部署利用碳捕集、利用和儲存(CCUS)或氫氣來實現近零排放的生產過程。
 

　　■能源效率：通過使用高效電動機和變頻器來減少能源損耗。
 

　　解決可再生能源不穩定性的挑戰
 

　　風能、太陽能和水力發電等可再生能源提供了一種生產清潔電力的方法。直到最近，這類能源一直難以擴大規模，使其與化石燃料相比價格昂貴。由于供應的可用性取決于來源，這對交付的一致性構成了挑戰。技術的進步以及捕集和能源輸送系統的發展，再加上在需求高峰期或某一能源不可用時提供電力的電力系統，使可再生能源的使用在工業中變得更加可行。據預測，到 2035 年，可再生能源可提供全球 50%以上的電力，且價格低于化石燃料。
 

　　可再生能源作為電力應用越來越普遍，其電力供應的不穩定以及基于位置和時間的需求波動會導致電網的不穩定，這是一個需要解決的問題。使用電池存儲、轉換器和需求管理程序等技術，可以最大限度地減少電網穩定性的挑戰。
 

　　通過電氣化實現能源密集型產業脫碳
 

　　能源密集型產業的脫碳可以通過電氣化來實現。通過電氣化實現脫碳意味著用電氣化解決方案取代基于化石燃料的應用。旋轉設備(如壓縮機)可以由電動傳動系統(電動機與變頻器相結合)驅動，而不是由燃氣輪機或蒸汽輪機驅動。除了消除過程中的碳排放外，與機械解決方案相比，電動傳動系統還具有其他優勢，例如增強個人安全功能、減少維護、降低噪音排放或更好的過程控制。
 

　　除了旋轉設備，工業供熱的電氣化也為脫碳帶來了巨大的潛力。熱量的產生占工業部門總能耗的四分之三；其中90%的熱量是通過燃燒化石燃料產生的。工業熱泵或等離子炬加熱等技術的發展，將擴大電發熱的應用。結合儲熱解決方案和合適的過程控制，電熱生產有助于負載平衡，這將對電網穩定性做出積極貢獻，并抵消可再生能源組合增加所帶來的電力供應波動。
 

　　通常，碳密集型設備可以直接用電氣替代品代替。對于旋轉設備，這種解決方案通常由變頻器驅動的電動機組成，或者用于電加熱，直流電由使用與變頻器類似技術的電力電子轉換設備提供。根據應用的不同，整個系統可能包括其它組件，如電氣室、低壓或中壓開關設備或附加設備。在很多情況下，通過直接更換來實施電氣解決方案使過渡更容易，而在其它情況下，需要新的基礎設施，并在設施升級或改造中部署。電氣化還具有其它好處，如提高可靠性、易于維護以及更好的電機控制和效率。
 

　　如果解決方案利用可再生能源，電氣化對脫碳工作的影響更大。然而，轉向利用完整的電機驅動系統來生產電能，無論初始能源如何，都可以減少碳足跡。
 

　　采用新興技術助力過程工業脫碳
 

　　采用新興應用和新技術是過程工業脫碳的另一個機會。氫氣、可再生天然氣和可持續航空燃料等低碳燃料都屬于這個領域。在無法直接電氣化的情況下，利用電解法生產綠色氫氣彌補了電力與化學能載體之間的差距。電解電源依賴于電加熱應用中使用的類似功率轉換技術。該技術與變頻器相同，幾十年來已在許多行業得到廣泛應用。氫、可再生天然氣和可持續航空燃料等低碳燃料是類似領域。電解生產綠色氫氣，彌合了電力和化學能源載體之間的差距，因為直接電氣化是不可行的。電解電源依賴于電加熱應用的類似功率轉換技術。該技術在變頻器中很常見，在很多行業中已經廣泛應用幾十年了。
 

　　其它應用的解決方案，如碳捕集、利用和儲存(CCUS)和可再生天然氣(RNG)等方法，也至關重要。簡而言之，CCUS是捕集、儲存和再利用二氧化碳的過程。碳捕集在難以減排的行業中尤其具有吸引力。RNG是從垃圾填埋場和其它廢物處理中產生的沼氣，如畜牧場、廢水和食品生產作業。
 

　　數字化賦能的系統，包括變頻器和電機，以及其它管理和優化過程的技術，使這些應用能夠為不同行業提供能源。在這里，與了解挑戰、能夠提供合適設備以及設計、執行和交付解決方案的合作伙伴合作也很重要。
 

　　如何實現能源效率的提升？
 

　　制造企業需要有效利用能源來減少對環境的影響，因此選擇合適的設備對于更快地提高效率至關重要。在系統中使用高效電機，可以直接降低電力消耗。通過在傳動系統中添加變頻器，可實現更顯著的節能效果。
 

　　如果沒有變頻器，電機就會一直全速運行，整個過程通過閥門和阻尼器進行控制。這就導致了嚴重的效率低下，因為無論工藝要求如何，電機都以接近額定功率的速度運行。變頻器可根據工藝流程的實際需求調整電機轉速，降低電機能耗。因此，系統運行效率更高，尤其是在部分負載的運行點。在電機系統中添加變頻器可節省大量能源。以風扇為例，將旋轉設備的轉速降低 20%，可將輸入功率需求降低約 50%。
 

　　盡管有這樣的好處，但平均而言，只有16%的美國工業電機系統使用了變頻器。在電氣化系統中添加變頻器可以優化能耗，使電機驅動系統的啟動更平穩，可靠性更高。
 

　　如果全球能源需求如目前所顯示的那樣持續上升，企業就必須采取必要措施努力減少排放和能源使用。可再生能源和電氣化技術，包括高效電機、變頻器、儲能系統和其它先進技術，為降低整體能耗和實現脫碳目標提供了解決方案。
 

　　在不斷發展的工業領域中，追求效率(包括優化能源消耗)始終是一項艱巨的任務，對先進的電機驅動技術的投入有助于更快實現能源效率的提升。企業領導者需要將能源效率作為一項戰略要務，并將工業能源效率視為一種節省成本的措施以及實現彈性和可持續性的途徑。
 

　　最近的一份報告顯示，美國工業部門的能源支出通常占總生產成本的5%至20%，其中很大一部分用于維持24/7不間斷的動力傳動系統運行。這凸顯了能源效率在提高成本效益和運營可靠性方面的關鍵作用。然而，實現最佳能源效率需要的不僅僅是意愿，它需要基于數據驅動的洞察力和專家指導的戰略措施。
 

　　企業越來越認識到高效能源管理的必要性，并將能源和安裝基礎的風險審計作為制定穩健、面向未來的戰略工具。風險審計為評估能源利用、識別效率低下和實施有針對性的解決方案，提供了一個全面的框架。
 

　　在提高能源效率的過程中，最重要的是致力于創新與合作。具有前瞻性思維的公司利用先進技術和專業領域知識，提供量身定制的解決方案，在提高運營績效的同時優化能源使用。這種全面的方法可以滿足各行業工業企業的不同需求，提高效率和可持續性。
 

　　這些能效產品的一個關鍵方面，在于它們將動力傳動系統作為一個系統、變頻器和電機的組合。通過設備和配置來優化動力傳動系統，制造企業可以顯著減少能源消耗并最大限度地提高生產率。
 

　　此外，預測性維護解決方案能夠在潛在問題升級為代價高昂的停機事件之前，對其進行主動識別。這可以提高運營可靠性，最大限度地減少與機械性能低效相關的能源浪費，在延長關鍵資產壽命的同時達到新的效率水平。
 

　　尋找變革性的電機驅動技術
 

　　除了優化現有系統外，電機和驅動技術供應商正在開拓旨在重新定義工業能源管理的變革性技術。從集成可再生能源到智能電網解決方案，這些創新使企業能夠實現前所未有的能源效率和可持續性水平，為行業卓越設定新的標準。
 

　　軟件工具使企業能夠量化實施節能解決方案可以實現的潛在節能。通過輸入與其運營相關的特定參數，用戶可以實時估計潛在的節能效果，并收到優化能源應用的定制建議。此外，生命周期評估工具還提供了對節能維護和設備風險的業務見解。生成的報告包含降低和解決關鍵操作風險的指導措施。
 

　　工業能效是提高成本效率和運營可靠性的一種關鍵的手段，但往往是隱含的。通過采用節能舉措和先進的解決方案，企業可以在推進可持續發展目標的同時提高效率。通過合作、創新和戰略干預，工業企業可以踏上通往更高效、更有彈性和可持續未來的旅程。