Příležitosti pro elektrifikaci průmyslu Evropské unie

Elektrifikace ohřevu poskytuje atraktivní způsoby dekarbonizace průmyslu a významně změní průmyslové využití elektřiny ve světě snižování emisí uhlíku. V současné době jsou k dispozici vyspělé technologie elektrického ohřevu, jako je indukce, odporový ohřev, infračervené záření, elektrický oblouk a radiofrekvenční i mikrovlnný ohřev. Objevují se slibné inovativní technologie, jako je laser, elektronový paprsek a plazmový obloukový ohřev, a je třeba je dále rozvíjet.

1. obrázek: I když existuje mnoho technologií elektrického ohřevu, představují v současnosti nejpoužívanější technologie (odporová, indukční a infračervené záření) 80% využití (zdroj: DecarbEurope).

Proč elektrifikovat ohřev?

Technologie elektrického ohřevu vytvářejí teplo přímo uvnitř cílového materiálu a využívají elektromagnetických jevů na mikroskopické úrovni. Na této úrovni se již neuplatňuje termodynamika, protože se jedná o generování, nikoli o přenos tepla. Elektrický ohřev je díky tomu vysoce účinný. Pomocí elektrického ohřevu lze účinně zahřívat dokonce i některé nekovové materiály, jako je pryž a sklo.

Ve srovnání s konvenčním (fosilním) ohřevem snižuje elektrický ohřev v průmyslu konečnou spotřebu energie 1,5 až 8 krát. Snížení 2-3x je nejčastější, zvláště při zohlednění menších oxidačních ztrát v elektrických pecích.

Tyto technologie navíc nabízí další výhody, jako je např. zlepšení ekonomické produktivity, lepší kvalita výrobků a také zlepšení pracovních podmínek. Elektrický ohřev dokáže rychle dosáhnout vysokých teplot: např. 2 000 stupňů Celsia (°C) za dvě sekundy. Kromě toho lze toto teplo aplikovat velmi cíleně, např. pro povrchové kalení, což umožňuje výrobu s přidanou hodnotou. Tyto technologie umožňují plně automatizovanou výrobu, kompatibilní s průmyslem 4.0, což vede ke kompaktnějšímu strojovému vybavení továren.

2. obrázek: Elektrifikace průmyslových procesů ohřevu má výhody, které přesahují jejich energetickou účinnost a potenciál dekarbonizace (zdroj: Univerzita v Hannoveru).

Výhody nad rámec výroby

Na systémové úrovni usnadňuje elektrický ohřev reakci na poptávku a umožňuje průmyslu aktivněji se podílet na trhu s elektřinou, snižuje náklady na energii a zároveň usnadňuje hlubší integraci obnovitelných zdrojů energie.

Elektrifikace také přispívá k cirkulární ekonomice, neboť snižuje materiálové ztráty, způsobené oxidací v pecích. Typicky se ve fosilních hořácích ztrácí 2-4% materiálu, zatímco v elektrických pecích to je pod 1%. Procentní rozdíl se jeví jako malý, ale může být velmi významný při zohlednění vlivu materiálu, který byl ztracen v tepelném procesu, na životní prostředí.

Pro ilustraci, výrobce keramických dlaždic ve Španělsku ušetřil přechodem na indukční ohřev 75% celkové energie. Doba ohřevu se navíc zkrátila ze čtyř hodin na jednu hodinu, což zvyšuje produktivitu procesu. Ve Velké Británii ušetřil výrobce nápojů přechodem na infračervený ohřev 10 000 GBP ročně. Kromě toho nová pec ušetřila prostor v továrně tím, že umožnila jedinou studenou vyplachovací linku jak pro džusy, tak pro sycené nápoje.

Technický potenciál

Elektrický ohřev nabízí širokou škálu technologií, které lze použít v různých průmyslových odvětvích. Některé technologie lze použít kdekoli v průmyslu, jiné, jako je indukční tavení nebo obloukové pece, jsou spíše záležitostí jednoho odvětví, jak je uvedeno v následující tabulce.

3. obrázek: Aplikační matice osmi technologií elektrického ohřevu ve 24 průmyslových odvětvích (zdroj: EPRI)

To ukazuje, že elektrifikace může být primárně použita pro výrobu s přidanou hodnotou dílů z kovu nebo keramiky, výrobků z pryže a plastu, a strojů včetně oprav.

Evropský energetický potenciál

V současné době je využití fosilních energií v průmyslu EU okolo 150 Mtoe (milionů tun ekvivalentu ropy) ročně. V nedávné studii, kterou zadal European Copper Institute s EPRI, se potenciál elektrifikace s využitím šesti technologií elektrického ohřevu odhaduje na zhruba třetinu spotřeby fosilních energií v průmyslu. To technicky znamená úsporný potenciál fosilních paliv ve výši 51 Mtoe/rok. S přihlédnutím k výše uvedenému zlepšení efektivity konečného užití by taková změna zdroje energie vedla k nové poptávce po elektrické energii ve výši 252 TWh/rok. V plně dekarbonizovaném systému elektrické energie vede tato elektrifikace ke každoročnímu snížení emisí skleníkových plynů o 107 milionů tun CO2.

Šest studovaných technologií elektrického ohřevu je zaměřeno především na dekarbonizaci vysokoteplotních procesů, u nichž jsou možnosti nízkouhlíkových alternativ omezeny. Zbývající využití fosilních paliv cílí na aplikace s nižší teplotou, jako je výroba páry, kde existuje více alternativ. Takové procesy vyžadují teploty mezi 120 a 260 °C, kde lze alternativně využít tepelná čerpadla a solární technologie.

Závěr: Politická agenda pro elektrifikaci

Závěrem můžeme konstatovat, že elektrifikace průmyslových procesů dokáže průmyslu nabídnout řadu výhod také v EU. Je i v souladu se zásadami balíčku EU Čistá Energie.

Aby bylo možné tento potenciál využít, vyžaduje elektrifikace kombinaci uznání v různých politických nástrojích EU, pobídek k rozvoji inovativních procesů a kroků ke zvýšení povědomí o technologiích elektrického ohřevu. Následujících sedm bodů, vypracovaných společností Ecofys, která je součástí Navigant, by mohlo být základem politické agendy pro elektrifikaci:

  1. Uznávání elektrifikace ohřevu, založené na obnovitelných zdrojích energie, ve strategii EU pro ohřev a chlazení.
  2. Příspěvek k úsporám energie v rámci směrnice o energetické účinnosti.
  3. Zahrnutí výslovného zaměření na možnosti nahrazení fosilních paliv obnovitelnou elektřinou v průmyslových vysokoteplotních procesech v kontextu směrnice o obnovitelných zdrojích energie.
  4. Definování pokynů pro elektrifikaci ohřevu v referenčních dokumentech nejlepších dostupných technologií (BAT).
  5. Usnadnění rozvoje inovativních procesů elektrifikace využitím výzkumu.
  6. Podpora sdílení znalostí vytvořením kompetenční sítě.
  7. Demonstrace potenciálu nových technologií elektrifikace prostřednictvím pilotních a demonstračních projektů.