Енергоефективність виробничого процесу — як аналізувати й модернізувати виробничу лінію?

Енергоефективність виробничого процесу починається не з питання «скільки енергії спожило підприємство?», а з питання «скільки енергії було потрібно для конкретного обсягу виробництва і чому саме стільки?». Те саме підприємство може за один місяць спожити менше MWh і водночас виробляти менш ефективно, якщо падіння обсягу виробництва було більшим за зниження енергоспоживання.

Тому аналіз виробничої лінії варто проводити паралельно з аналізом виробничих даних: кількості одиниць продукції, тонн, партій або циклів, часу роботи, простоїв, переналагоджень, якості, температури, тиску та навантаження обладнання. Лише таке зіставлення показує, чи справді енергія використовується ефективніше і де модернізація має найбільший сенс.

Коротко

• Не оцінюйте процес лише за загальним енергоспоживанням. Порівнюйте споживання енергії з обсягом і видом продукції.
• Визначте межу процесу та віднесіть до неї пряме енергоспоживання і відповідну частку спільних технологічних середовищ: стисненого повітря, холоду, пари, тепла чи вакууму.
• Відокремте виробництво від запусків, роботи без навантаження, очікування, переналагоджень, миття, простоїв і вимкнень.
• Використовуйте питомі показники, наприклад kWh/t, kWh/шт., kWh/партію або kWh/цикл, але обирайте знаменник відповідно до фактичної функції процесу.
• Оцінюйте модернізацію на рівні всієї системи. Заміна окремого двигуна чи машини не обов’язково дасть найкращий результат, якщо справжньою проблемою є вузьке місце, невідповідне керування, тиск, температура або організація циклу.

Енергоефективність виробничого процесу — що саме ми вимірюємо?

На рівні підприємства рахунок за енергію показує, скільки енергії було придбано. Однак він не показує, яка партія, лінія чи операція відповідає за це споживання і яка частина енергії була потрібна для виготовлення продукту.

На рівні процесу нас цікавить співвідношення між енергією та технологічним результатом. Таким результатом може бути тонна матеріалу, готова одиниця продукції, партія, метр продукту, цикл обробки або інша одиниця, що відповідає фактичному результату роботи лінії.

Найпростіший питомий показник має вигляд: питоме енергоспоживання = енергія, спожита визначеним процесом / обсяг виробництва.

На практиці сама формула проста. Складніше правильно визначити чисельник і знаменник: які споживачі входять до процесу, який період порівнюється, чи враховується придатна продукція або валовий випуск і як розподіляються централізовано вироблені технологічні середовища.

ISO 50006:2023 описує використання показників енергетичної результативності (EnPI) та енергетичних базових рівнів для оцінювання поліпшення енергетичної результативності. У промисловій практиці це означає, що показник має бути пов’язаний із фактичним режимом роботи процесу, а якщо споживання істотно залежить від обсягу виробництва або інших змінних, порівняння має враховувати ці залежності.

Від загального споживання підприємства до енергії на продукт, партію або цикл

1. Спочатку визначте межу процесу

Межа має бути достатньо вузькою, щоб можна було визначити причину зміни споживання, але водночас достатньо широкою, щоб не пропустити обладнання, необхідне для роботи лінії.

Для виробничої лінії це можуть бути:

• основні технологічні машини,
• приводи, насоси, вентилятори та внутрішньовиробничий транспорт,
• локальні системи нагрівання або охолодження,
• витяжні системи, вакуум та допоміжне обладнання,
• стиснене повітря, споживане лінією,
• частка централізовано вироблених технологічних середовищ, якщо вони потрібні для процесу.

Немає сенсу включати до показника процесу енергію офісів або освітлення паркінгу лише тому, що вона відображена в тому самому рахунку. Якщо метою є показник для всього підприємства, межа буде ширшою. Якщо аналізується енергоємність конкретного продукту, межа має відповідати його фактичному виробничому процесу.

2. Побудуйте баланс «згори донизу»

Відправною точкою є загальне споживання підприємства за енергоносіями: електроенергія, газ, тепло, паливо, пара або інші середовища. Далі переходимо на рівень нижче: цехи, лінії, основні допоміжні системи та окремі споживачі.

Якісний баланс має зводитися. Сума виміряного та обґрунтовано оціненого споживання повинна відповідати верхньорівневому вимірюванню в межах прийнятної невизначеності. Якщо половина споживання залишається в категорії «інше», надалі важко достовірно оцінити ефект модернізації конкретної лінії.

Це не означає, що потрібно вимірювати кожен двигун. Часто краще виміряти кілька ключових точок, які пояснюють більшу частину профілю навантаження, а потім додати вимірювання там, де виникає конкретна гіпотеза щодо економії.

3. Пов’яжіть вимірювання енергії з часом процесу

Енергетичні дані потрібно синхронізувати з тим, що відбувалося на лінії. Сам графік потужності значно менш корисний, якщо невідомо, коли розпочалася партія, коли виник простій, коли змінили рецептуру, а коли машина чекала на матеріал.

Корисними є часові мітки з PLC, SCADA або MES, але аналіз так само можна почати з простого журналу подій. Важливо мати змогу зіставити споживання з:

• початком і завершенням циклу,
• номером партії або виробничим замовленням,
• видом продукту,
• швидкістю або продуктивністю лінії,
• плановим і позаплановим простоєм,
• переналагодженням,
• запуском і вимкненням,
• температурою, тиском та іншими важливими заданими параметрами.

Роздільна здатність вимірювання має відповідати процесу. Якщо цикл триває кілька хвилин, 15-хвилинні дані можуть приховати запуск, роботу без навантаження та короткі простої. Для безперервного процесу більш інформативним може бути стабільний погодинний профіль, пов’язаний із продуктивністю виробництва.

4. Поділіть цикл на режими роботи

На багатьох лініях істотна частина енергії споживається не під час безпосереднього виробництва, а між окремими виробничими періодами. Тому варто окремо позначити:

1. стабілізоване виробництво,
2. запуск і нагрівання,
3. роботу без навантаження або очікування матеріалу,
4. переналагодження,
5. миття, очищення або підготовку,
6. плановий простій,
7. аварійний простій,
8. режим standby і повне вимкнення.

Лише тоді стає видно, чи проблема полягає в ефективності обладнання під час виробництва, чи в кількості годин, коли воно споживає енергію, не виробляючи придатної продукції.

5. Розподіліть спільні технологічні середовища

Найскладніше зазвичай розподілити середовища, що виробляються централізовано. Компресорна станція, холодильна установка, котельня або вакуумна система обслуговують кілька ліній, тому їхню енергію не можна автоматично розподіляти порівну.

Найкраще рішення — вимірювати середовище в точці споживання або на гілці процесу та паралельно вимірювати енергію системи його виробництва. Якщо повне оснащення засобами обліку неможливе, застосовують прозорий ключ розподілу на основі фактичного використання, наприклад витрати, часу роботи або навантаження. Такий результат слід позначити як оцінку, а не як пряме вимірювання.

Для стисненого повітря потрібно аналізувати не лише роботу компресорів, а й тиск, витрату, витоки, неналежні способи використання та поведінку мережі. Для холодопостачання важливі навантаження, температури, задані значення та умови роботи всієї системи. В обох випадках аналіз окремого агрегату без урахування системи може призвести до хибних висновків.

6. Оберіть виробничий результат, який справді потрібно заохочувати

Якщо з машини вийшло 1000 одиниць продукції, але 80 потребують доопрацювання або були відбраковані, енергія, витрачена на ці 80 одиниць, не зникає. Тому для процесів зі значним браком кращим знаменником часто є кількість або маса придатної продукції, а не валовий випуск.

За наявності кількох рецептур також не слід об’єднувати в одному показнику продукти з абсолютно різними потребами в енергії. Краще вести показники окремо для груп продуктів або застосовувати нормалізацію, якщо вплив продуктового міксу можна достовірно описати.

7. Наприкінці звірте результат із балансом підприємства

Детальний аналіз усе одно має узгоджуватися з верхньорівневим вимірюванням. Якщо сума енергії, віднесеної до ліній, допоміжних середовищ та інших споживачів, суттєво відрізняється від показань головного лічильника, потрібно повернутися до меж процесу, часу роботи або способу розподілу середовищ.

Це особливо важливо перед оцінюванням інвестиції. Модернізація може виглядати дуже ефективною за одним лічильником і водночас переносити споживання до іншої системи. Прикладом є зниження споживання електроенергії машиною ціною більшої потреби в холоді або стисненому повітрі.

Які дані варто збирати на виробничій лінії?

Не кожен процес потребує всіх параметрів. З погляду аудитора я спочатку обрав би ті змінні, які можуть пояснити зміну споживання. Збирання сотень сигналів без гіпотези часто дає багато даних, але мало відповідей.

Питомі показники: kWh/t, kWh/шт., kWh/партію чи kWh/цикл?

Найкориснішим є показник, який відповідає фізичному результату процесу.

• kWh/t — підходить для масового виробництва, змішування, сушіння, подрібнення, екструзії або матеріалообробних процесів.
• kWh/шт. — наочний для повторюваних виробів зі схожими характеристиками.
• kWh/партію — корисний для періодичних процесів, де важливий повний цикл.
• kWh/цикл — корисний для машин, які виконують повторювану операцію.
• kWh на придатну одиницю або тонну придатної продукції — доречний, коли брак і доопрацювання мають помітний вплив.

Питомий показник не завжди має бути єдиним KPI. Якщо лінія має значне постійне споживання, що не залежить від виробництва, варто паралельно контролювати потужність у режимі без навантаження, час без виробництва та продуктивність. Якщо результат обмежується якістю, потрібна також частка придатної продукції.

У складніших процесах простого співвідношення «енергія / виробництво» може бути недостатньо. DOE Better Plants зазначає, що результати можна нормалізувати за змінними, які впливають на споживання, такими як виробництво, погода або використання об’єкта. На виробничій лінії аналогічну роль можуть відігравати, зокрема, продуктовий мікс, швидкість лінії, температура процесу або тривалість виробничої кампанії — якщо їхній вплив справді істотний і його можна документально підтвердити.

Чому зниження загального споживання не обов’язково означає поліпшення?

Припустімо, що ми порівнюємо два місяці одного й того самого виробництва:

Загальне споживання знизилося зі 120 до 100 MWh, тобто на 16,7%. Однак виробництво скоротилося на 30%. У результаті питоме споживання зросло з 1,20 до 1,43 MWh/t, тобто приблизно на 19%.

Підприємство придбало менше енергії, але використовувало її гірше в розрахунку на тонну продукції. Причиною може бути більша частка роботи без навантаження, коротші серії, частіші запуски, інший продуктовий мікс, нижче завантаження лінії або робота допоміжних систем майже незалежно від обсягу виробництва.

З погляду аудитора саме тут найчастіше починається змістовний аналіз. Рахунок показує зміну MWh, але лише поєднання даних про енергію з виробництвом і режимами роботи дає змогу визначити, чи справді поліпшився сам процес.

Можлива й протилежна ситуація. Після модернізації загальне споживання може зрости, оскільки підприємство виробляє значно більше, а kWh/t або kWh/шт. водночас знижуються. Оцінювання лише за загальним енергоспоживанням тоді призвело б до хибного висновку, що модернізація погіршила результат.

Тривалість циклу, робота без навантаження, запуски та переналагодження

У циклічних процесах варто визначати не лише енергію всього циклу, а й тривалість окремих режимів. Машина може споживати меншу потужність під час простою, ніж під час виробництва, але якщо простій триває довго, частка цієї енергії в розрахунку на одну одиницю продукції зростає.

Особливо важливими є:

• запуски та нагрівання — часті короткі серії можуть збільшувати частку енергії, потрібної лише для досягнення параметрів процесу;
• робота без навантаження — приводи, вентилятори, нагрівачі, насоси та системи подачі технологічних середовищ можуть працювати навіть за відсутності продукту;
• переналагодження — частина обладнання може залишатися на виробничих параметрах протягом усього часу зміни асортименту;
• очікування матеріалу або оператора — процес не виробляє продукцію, але частина споживачів залишається активною;
• миття та очищення — у деяких галузях це невіддільний і енергоємний елемент циклу, який слід послідовно відносити до партії або виробничої кампанії.

Отже, якісна модернізація не завжди полягає в підвищенні ККД обладнання. Іноді більший ефект дають скорочення періоду нагрівання, автоматичний перехід у режим standby, відключення подачі технологічних середовищ після завершення партії або краще планування послідовності замовлень.

Продуктивність лінії та вузькі місця — енергія слідує за потоком виробництва

Лінія працює настільки швидко, наскільки дозволяє її вузьке місце. Якщо один етап обмежує продуктивність, прискорення інших машин може не збільшити випуск. Натомість можуть зрости буферні запаси, кількість зупинок і енергія, що споживається під час очікування.

Тому під час аналізу варто зіставити на одній часовій шкалі:

• продуктивність усієї лінії,
• час роботи та простою послідовних машин,
• рівні буферів,
• енергоспоживання,
• причини блокувань і нестачі матеріалу,
• якість продукції.

Якщо після усунення вузького місця лінія виробляє більше за ту саму одиницю часу, загальне споживання може зрости. Водночас енергія на тонну або одиницю продукції може знизитися, оскільки постійні навантаження розподіляються на більший обсяг виробництва.

Також варто обережно трактувати типові виробничі показники. Висока доступність або OEE не означають автоматично високої енергоефективності. Однак вони можуть допомогти пояснити зміну енергоємності, якщо аналізувати їх разом з енергетичними даними.

Де шукати можливості для модернізації?

Приводи: аналізуйте систему, а не лише двигун

Під час аналізу двигунів і приводів я не починав би з номінальної потужності. Спочатку потрібно перевірити, яку функцію виконує привод, яке його фактичне навантаження, як змінюються швидкість, витрата або тиск і чи працює обладнання в потрібній робочій точці.

Завеликий двигун, неправильно підібраний насос, задросельована система або вентилятор, що постійно працює на повній швидкості, можуть створювати проблему на рівні всієї системи. Перетворювач частоти також сам по собі не є економією — результат залежить від характеристики споживача та способу керування.

Нагрівання процесу: температура, час і втрати

У теплових процесах потрібно порівнювати потрібну температуру продукту з фактичними температурами, часом нагрівання, часом утримання параметрів, навантаженням печі або сушарки та втратами під час перерв.

DOE серед іншого вказує на значення керування, теплообміну, зменшення інфільтрації та рекуперації тепла в промислових системах нагрівання. Однак з погляду лінії найважливіше, щоб кожна зміна параметрів відповідала технології та вимогам до якості продукту.

Охолодження: не охолоджуйте сильніше, ніж вимагає процес

У холодильних системах результат потрібно оцінювати комплексно. Задана температура, навантаження, умови конденсації, робота насосів і вентиляторів та спосіб регулювання взаємно впливають одне на одного.

Якщо процес вимагає певної температури, її зниження «про запас» може збільшувати споживання без поліпшення виробництва. Натомість стабілізація навантаження та належне керування всією системою можуть бути важливішими за заміну окремого компонента.

Див. також: енергоефективність промислового холоду.

Стиснене повітря: аналізуйте потребу лінії та роботу всієї мережі

Стиснене повітря часто є спільним технологічним середовищем, тому потрібно аналізувати як компресорну станцію, так і споживачів на лінії. DOE серед основних напрямів поліпшення називає, зокрема, усунення неналежних способів використання, зниження тиску до потреб процесу, поліпшення керування та акумулювання, а також скорочення витоків.

На рівні лінії особливо цінним є вимірювання витрати й тиску під час виробництва та простою. Якщо після зупинки процесу витрата залишається високою, технологічну потребу можна швидко відокремити від втрат.

Автоматизація та моніторинг: енергоспоживання має реагувати на стан процесу

Автоматизація може поліпшити повторюваність, продуктивність і якість, але її енергетичний ефект потрібно вимірювати. Найкориснішими є функції, які пов’язують роботу споживачів із фактичним станом виробництва.

Наприклад, система керування може:

• зменшувати роботу вентиляторів, насосів або приводів під час очікування,
• переводити обладнання в режим standby після зупинки лінії,
• не допускати подачі непотрібних технологічних середовищ після завершення партії,
• вести рецептури з контролем температури й тиску,
• реєструвати енергію, віднесену до замовлення або партії,
• сигналізувати про зростання питомого споживання за подібних умов виробництва.

Якщо на підприємстві вже є PLC, SCADA або MES, часто варто спочатку перевірити, які дані вже доступні, перш ніж додавати ще одну незалежну платформу.

Чи завжди заміна старої машини підвищує ефективність?

Ні. Нова машина може бути ефективнішою, але результат процесу також залежить від її завантаження, тривалості циклу, доступності, якості, допоміжних технологічних середовищ та узгодженості з рештою лінії.

Перед заміною варто порівняти щонайменше:

1. енергію на одиницю придатної продукції,
2. продуктивність і тривалість циклу,
3. споживану потужність під час виробництва та поза ним,
4. потребу в холоді, стисненому повітрі, вакуумі та інших технологічних середовищах,
5. кількість запусків і переналагоджень,
6. якість і брак,
7. вплив обладнання на вузьке місце.

Лише після цього можна відокремити ефект вищої ефективності обладнання від ефекту більшої продуктивності, коротшого циклу або зміни організації виробництва.

Фінансування модернізації лінії — спочатку технічний варіант, потім фінансовий інструмент

Питання фінансування модернізації лінії виникають часто, але послідовність має значення. Спочатку потрібно визначити базовий стан, варіант модернізації, очікуване енергоспоживання та вплив на виробництво. Лише після цього можна оцінити, чи відповідає інвестиція конкретному механізму підтримки.

У Польщі одним із таких механізмів є польська система білих сертифікатів (свідоцтв про енергоефективність). Не кожна модернізація автоматично відповідає умовам системи. Ст. 24 ч. 3 польського Закону про енергоефективність передбачає відмову в переданні інформації про свідоцтво, зокрема якщо роботи було розпочато до дня подання заяви, про яку йдеться у ст. 20 ч. 3. Законодавче визначення «початку робіт» може охоплювати не лише початок робіт як таких, а й перше юридично обов’язкове зобов’язання щодо замовлення обладнання або інше зобов’язання, яке робить захід незворотним. Тому можливість скористатися системою потрібно перевірити до настання такої події.

Умови грантів, фінансування та інших інструментів підтримки змінюються, тому їхні чинні правила слід щоразу перевіряти в актуальній документації відповідної програми або інструмента.

Документування запланованої економії енергії для конкретного заходу є окремим питанням і може потребувати проведення аудиту енергоефективності.

Як побудувати аналіз процесу перед рішенням про модернізацію?

Практична послідовність така:

1. оберіть продукт, лінію або етап процесу та визначте межу аналізу;
2. зберіть дані про споживання енергії та технологічних середовищ у межах цієї межі;
3. синхронізуйте дані з виробництвом, циклами та режимами роботи;
4. розрахуйте питомий показник для репрезентативних періодів;
5. окремо проаналізуйте виробництво, запуск, роботу без навантаження, переналагодження та простої;
6. перевірте технологічні параметри: температури, тиски, витрати, швидкості та навантаження;
7. визначте вузьке місце та обладнання, що працює без створення корисного продукту;
8. порівняйте операційні варіанти, варіанти керування, системної модернізації та заміни обладнання;
9. розрахуйте вплив кожного варіанта на енергоспоживання, продуктивність і якість;
10. лише після цього оцінюйте економіку, фінансування та спосіб реалізації.

Така послідовність зменшує ризик вибору модернізації, яка добре виглядає в технічному паспорті, але мало змінює в реальному процесі.

Що має залишитися після аналізу?

Якісний аналіз лінії не закінчується переліком обладнання. Після нього має залишитися набір даних, який дасть змогу надалі перевірити ефект модернізації:

• межа процесу та перелік віднесених до неї споживачів,
• баланс енергії та технологічних середовищ,
• базовий показник, наприклад kWh/t або kWh/шт.,
• умови, для яких показник є репрезентативним,
• профіль циклу та частка режимів без виробництва,
• найважливіші технологічні параметри,
• перелік вузьких місць,
• варіанти модернізації з впливом на енергію, виробництво та якість,
• спосіб вимірювання результату після впровадження.

Завдяки цьому після модернізації процес можна порівнювати на однаковій основі. Без такої бази легко помилково приписати економію від інвестиції зміні обсягу виробництва або навпаки.

Що робити, якщо сьогодні неможливо розрахувати енергію на продукт?

Не починайте з придбання ще однієї системи чи заміни машини. Спочатку визначте межу процесу, оберіть одиницю виробництва та перевірте, які дані вже є в лічильниках, PLC, SCADA або MES. Лише прогалини в цій картині мають визначати додаткові точки вимірювання.

Якщо потрібні постійні вимірювання та поєднання енергетичних і виробничих даних, наступним кроком може бути постійний моніторинг енергії, інтегрований із виробничими даними. Однак сама платформа не замінить правильно визначеного показника та межі процесу.

Найпоширеніші запитання

Який показник найкраще описує енергоефективність виробничої лінії?

Найчастіше це енергія на фізичну одиницю продукту: kWh/t, kWh/шт., kWh/партію або kWh/цикл. Показник має відповідати функції процесу, а за істотного браку енергію краще відносити до придатної продукції, а не до валового випуску.

Чи означає менше місячне споживання енергії, що лінія працює ефективніше?

Ні. Якщо виробництво скоротилося сильніше, ніж споживання, питоме енергоспоживання може зрости. Тому потрібно порівнювати щонайменше загальне енергоспоживання, обсяг виробництва та питомий показник.

Як віднести до лінії енергію стисненого повітря або холоду?

Найкраще вимірювати споживання середовища на гілці лінії та енергію системи, що його виробляє. Якщо прямого вимірювання немає, можна застосувати прозорий ключ розподілу на основі витрати, часу роботи або навантаження, але результат слід вважати оцінкою.

Як довго вимірювати лінію перед модернізацією?

Єдиної правильної тривалості для кожної технології немає. Період має охоплювати репрезентативні режими роботи, продукти, навантаження, запуски та простої. Для повторюваного процесу для діагностики конкретного явища може бути достатньо кількох добре зареєстрованих циклів, однак база для оцінювання економії має відображати нормальну мінливість процесу.

Чи обов’язково модернізація означає заміну машини?

Ні. Частина можливостей пов’язана з керуванням, зміною заданих значень, скороченням роботи без навантаження, оптимізацією технологічних середовищ, послідовності виробництва або усуненням вузького місця. Заміна машини має сенс тоді, коли аналіз показує, що наявне обладнання справді обмежує енергетичний або виробничий результат.

Джерела

• ISO, ISO 50006:2023 – Energy management systems — Evaluating energy performance using energy performance indicators and energy baselines.
• ISO, ISO 50001:2018 – Energy management systems — Requirements with guidance for use.
• U.S. Department of Energy, Better Plants – Frequently Asked Questions — підхід до енергоємності та нормалізації.
• U.S. Department of Energy, Compressed Air Systems.
• U.S. Department of Energy, Motor Systems.
• U.S. Department of Energy, Process Heating Systems.
• U.S. Department of Energy, Industrial Refrigeration.
• European Commission JRC / EU-BRITE, Energy Efficiency BREF.
• Електронний журнал законів Польщі / ELI, Закон про енергоефективність — зведений текст, Dz.U. 2025 poz. 711.