Revoluce udržitelnosti: Digitalizací k úsporám

Vyrábět levněji, efektivněji a zároveň odpovědněji, to je v dnešní době již nedílnou součástí obecné představy o konkurenceschopném průmyslu. Jednou z nejsilnějších metod, jež pomáhá docílit potřebné rovnováhy, je digitalizace. Pokud výrobní podnik sbírá data o svém energetickém provozu, vyhodnocuje je a podle výsledků řídí spotřebu, z měření se tak stává aktivní nástroj řízení – a je-li výsledný systém dobře nastaven, dokáže snížit spotřebu o desítky procent, minimalizovat environmentální stopu, a přitom často i zlepšit kvalitu výroby.

Když byla v červnu 2024 v italském Maranellu, hlavním výrobním závodě Ferrari, nově otevřena tzv. e-budova, nešlo jen o okázalou prezentaci luxusní značky. Firma zde předvedla, jak může vypadat propojení architektury, obnovitelných zdrojů a digitálního řízení. Na střeše závodu je umístěno více než 3 000 solárních panelů, jejichž výkon zhruba 1,3 MW umožňuje výrazné pokrytí energetické potřeby podniku. Díky tomu mohla ukončit výrobu energie z plynové trigenerační jednotky, která využívala metan, čímž se citelně snížily emise z přímého spalování. Unikátní architektura budovy také propojuje výrobní prostředí s okolní zelení, přičemž do prostoru dopadá denní světlo, které šetří umělé osvětlení.

Vše je propojeno do řídicího systému, který sleduje jak výrobní technologie, tak i osvětlení, ventilaci a vytápění, čímž umožňuje v reálném čase sledovat spotřebu a optimalizovat ji podle aktuální potřeby. Cílem je dosáhnout tzv. NZEB (nearly zero energy building), tedy budovy s téměř nulovou energetickou spotřebou. Žádné energetické systémy ve výsledku nespoléhají na fosilní paliva, sbírá se zde a recykluje dokonce i dešťová voda. „Naše e-budova není jen o tom, že je ‚elektrická‘. Digitalizovaný systém je cestou k optimalizaci vývoje i výroby samotné,“ uvedl k tomu Benedetto Vigna, CEO společnosti Ferrari. „Postavit další obří krabici by bylo jistě levnější, nicméně v tomto případě chceme zapůsobit jak na klienta, tak i na zaměstnance. Vyšší digitalizace v určitých oblastech umožňuje lidem lépe se soustředit na svou práci.“

Tento princip pružného řízení má velký potenciál i v mnoha dalších oblastech průmyslu. Nová výrobní hala Ferrari je totiž dokladem toho, že energetická efektivita není jen otázkou instalace solárních panelů; je to celek, ve kterém se propojuje elektrifikace procesů, automatizovaná logistika a sofistikované řízení spotřeby. A takový přístup se uplatní i v běžných výrobních závodech, kde je v porovnání s prostředím luxusní automobilky podíl nákladů na energie mnohem citelnější.

Pojem digitalizace může znít vágně, nicméně v oblasti energetiky má velmi konkrétní obsah. Základem jsou senzory a měřicí přístroje, které sledují spotřebu elektřiny, plynu, vody nebo páry na úrovni celého závodu i jednotlivých strojů. Vzniká tak internet věcí (IoT), což v průmyslu znamená síť chytrých senzorů. Ty měří proud, tlak, teplotu, průtok, vibrace nebo hlučnost strojů a posílají data do nadřazeného systému, a díky nim má podnik v reálném čase přehled, co se v jeho energetice děje.

Data se sbírají do softwaru označovaného jako systém pro řízení energií (EMS), který umožňuje vizualizaci a vyhodnocování spotřeby. Pokud je EMS propojený s výrobním informačním systémem (MES) nebo se systémy průmyslového řízení (SCADA), vzniká možnost přiřadit spotřebu energie ke konkrétní zakázce nebo operaci.

Velkou část spotřeby tvoří motory pohánějící ventilátory, čerpadla nebo kompresory. Pokud běží stále na plné otáčky a výkon se reguluje jen škrcením ventilu, vznikají ztráty. Řešením jsou frekvenční měniče (variable speed drives – VSD), které umožňují plynule měnit otáčky motoru podle skutečné potřeby. Investice do měniče se v mnoha případech vrátí během jednoho až dvou let.

Velký potenciál představují také tzv. digitální dvojčata. Jde o virtuální modely strojů, linek nebo budov, které pracují s reálnými daty a dovolují testovat různé scénáře bez zásahu do provozu. V energetice se tato technologie využívá například u sušáren, pecí nebo chladicích systémů – studie ukazují, že digitální dvojče může snížit spotřebu až o 40 % při zachování kvality výroby.

Rámec systematického zlepšování je ukotven také v rovině uceleného průmyslového standardu. Norma ISO 50001 zavádí systém řízení energií na úrovni celé firmy. Nejde o jednorázový projekt, ale o trvalý proces – podnik nejprve stanoví ukazatele výkonnosti (EnPI), začne je pravidelně vyhodnocovat a na základě toho hledá zlepšení. V kombinaci s digitálními technologiemi se tak úspory nestávají věcí nahodilých zlepšení, ale součástí firemní kultury.

Velké rezervy se skrývají ve stlačeném vzduchu, jehož výroba je velmi energeticky náročná. Úniky potrubím mohou představovat až třetinu spotřeby, což lze omezit digitálním monitorováním a pravidelnou údržbou.

Další oblastí jsou motorové systémy, ventilátory, čerpadla a kompresory – pokud běží stále na plný výkon či pevně dané otáčky, mnohdy dochází ke zbytečným ztrátám. Řešením je regulace otáček pomocí frekvenčních měničů napojených na řídicí systémy.

Významnou úsporu přináší i prediktivní údržba. Zaznamenané vibrace nebo změny elektrických signálů dokážou včas odhalit závadu, která by jinak mohla vést k vážnějším problémům, vyšším odběrům i prostojům.

A v neposlední řadě je namístě zmínit řízení odběrových špiček – závody, které kombinují vlastní solární zdroje s akumulací, dokážou lépe vyrovnávat zátěž a vyhnout se sankcím za překročení rezervovaného výkonu.

Digitální továrna již není vzdálená vize, ale dnešní realita, jak ostatně potvrzují konkrétní čísla. Například továrna Siemens ve městě Erlangen je ukázkovým případem digitální továrny – díky propojení senzorů, systémů řízení a digitálních dvojčat se zde podařilo snížit spotřebu energie o více než 40 %. Vedle toho se zvýšila flexibilita výroby a zkrátily doby údržby, protože stroje samy hlásí odchylky a umožňují prediktivní servis.

Závod Bosch v německém Homburgu, který vyrábí hydraulické komponenty, zavedl systém energetického managementu založený na tisících IoT senzorů. Ty sledují nejen spotřebu energie, ale i využití strojů. Díky propojení s výrobním plánováním dokáže závod hladce vyrovnávat zátěž, a v některých operacích tak snížit spotřebu elektřiny až o 25 %. Stejná data lze využívat i k rozhodování o investicích – management dovede snadno posoudit, kde se modernizace nejrychleji zaplatí.

Za zmínku stojí i ocelárna ArcelorMittal v belgickém Gentu, kde probíhá rozsáhlá digitalizace hutní výroby. Prediktivní řízení pecí a chladicích okruhů s využitím digitálních dvojčat pomohlo zlepšit kvalitu oceli a současně snížit spotřebu energie o 15 %. Tento příklad je zajímavý mimo jiné tím, že hutnictví zpravidla tvoří energeticky nejnáročnější část průmyslu, kde má digitalizace obrovský potenciál.

Nasazení digitálních technologií samozřejmě není bez překážek. Pořizovací náklady mohou být vysoké, přičemž návratnost se liší podle oboru a velikosti podniku. Důležitým tématem je také kyberbezpečnost, neboť čím více existuje senzorů a dat, tím více se zvyšují požadavky na ochranu před útoky. A nelze podcenit ani organizační stránku – aby systém přinášel výsledky, musí s ním umět pracovat nejen energetici, ale i technologové a operátoři strojů. I přesto zůstává energetická efektivita prostřednictvím digitalizace jedním z nejrychlejších způsobů, jak přispívat k ekologické odpovědnosti skrze smysluplné úspory, a to mnohdy až v řádu desítek procent.