Енергийна ефективност в автомобилостроенето – част 2

В първата част на статията, публикувана в бр. 3/2020 на сп. Енерджи ревю, разгледахме основните консуматори на енергия при производството на автомобили – боядисването (27-50%), отоплението, вентилацията и климатизацията (11-20%), осветлението (14-15%), генерирането на сгъстен въздух (9-14%), заваряването (9-11%) и манипулирането с материали/инструменти (7-8%). Внимание бе отделено и на някои общи мерки за подобряване на енергийната ефективност в сектора. 

В продължение на темата, в настоящото издание ще обсъдим възможностите за редуциране на енергопотреблението в бояджийските цехове, както и някои решения за оползотворяване на отпадната топлина, отделяща се от високо-, средно- и нискотемпературни производствени процеси в автомобилостроенето.

Възможности за бояджийския цех

Чрез изменения в състава на боята и в процеса на сушенето й производителите на автомобили успяват да елиминират нанасянето на грунд, което води до редуциране на капиталовите разходи за бояджийския цех и намаляване на енергопотреблението поради липсата на съответното оборудване за тази дейност – кабина, пещ, системи за смесване и циркулация на боята и др. Към основния слой се прибавя добавка, която изпълнява функцията на грунд и осигурява устойчивост на напукване и UV бариера за последващото електрофорезно боядисване (E-coat). Установено е, че този подход позволява спестяване на 30% от пространство и капиталови разходи.

Допълнителни икономии са възможни чрез елиминиране на процеса на песъкоструйна обработка след нанасяне на първичното покритие.

Ключов фактор за намаляване на енергоконсумацията на бояджийския цех е максималното опростяване на процесите. Много от производителите на автомобили смятат, че ефективен начин за това е осигуряването на възможност за нанасяне на поредния слой боя, преди предходният да е изсъхнал. По този начин се редуцира не само потреблението на енергия, но се ограничават и емисиите на летливи органични съединения и въглероден диоксид. Две от водещите компании в световен мащаб проучват процес, включващ само един етап на сушене след нанасяне на три слоя боя. По този начин продължителността на процеса на боядисване и размерът на цеха могат да се намалят наполовина, като същевременно се гарантира издръжливостта и доброто качество на крайния продукт.

Обект на проучвания са и алтернативни технологии за сушене. Инфрачервеното сушене ускорява процеса и позволява редуциране на размера на кабината за боядисване и увеличаване на производителността. Ултравиолетовото сушене също понижава потреблението на енергия за боядисване благодарение на по-ниската температура и съкратеното време за протичане на процеса. Понастоящем UV сушенето се използва за боядисване на пластмасови автомобилни части. По-високите разходи за внедряването на тази технология обаче частично компенсират предимствата й в сравнение с конвенционалния метод. Това прави инфрачервеното сушене по-атрактивната стратегия за увеличаване на енергийната ефективност. Хибридно технологично решение, използващо инфрачервена пещ за зоната на нагряване и конвективна пещ за зоната на същинско сушене, се счита за една от най-добрите стратегии за постигане на оптимално качество на крайния продукт и редуциране на потреблението на електроенергия.

При процесите с потапяне, като предварително третиране и електрофорезно боядисване, технологията за преобръщане на обработваните детайли допринася за съществено ограничаване на консумацията на енергия и въздействията върху околната среда от производствения процес. Чрез използване на конвейери, позволяващи накланяне, завъртане и потапяне на тялото на автомобила, се реализират ползи като по-добро качество на боядисване, по-голям капацитет на линията, скъсяване на производствената линия, отделяне на по-малки количества отпадъчни води и утайки, както и намален обем на ваните (т. е. по-ниско потребление на енергия за изпомпване). С внедряването на тази технология могат да бъдат спестени приблизително 10% от разходите за линиите за електрофорезно боядисване и 20% от разходите за линиите за предварително третиране.

Сухите скрубери са сочени като ключова възможност за енергийна ефективност и устойчивост при събирането на излишъка от боя в кабините. Според едно проучване тази технология печели все повече популярност при замяна на конвенционалните мокри скрубери, именно заради потенциала за редуциране на енергоконсумацията, емисиите на въглероден диоксид и прахови частици, както и потреблението на вода в кабината. Сухите скрубери използват пластмасов филтър, защитен от слой калциев карбонат, даващ възможността за улавяне на излишните частици боя. В резултат на процеса се генерира твърд отпадък, подобен на варовик, който се събира, рециклира и продава, което го определя като възможност за реализиране на допълнителни приходи за производителите на автомобили. Алтернативни сухи системи за отстраняване на излишната боя използват набор от филтри, изработени от лесни за подменяне картони, и високо напрежение вместо филтри за отделянето на излишъка от боя. Производител, внедрил тази технология, докладва за до 60% по-ниско потребление на енергия и до 80% намалена консумация на вода.

Една от мерките за намаляване на количеството използвана енергия в бояджийския цех е и прилагането на по-енергийно ефективен горивен процес за отстраняване на летливите органични съединения (ЛОС). Твърди се, че използването на нетермична плазма в комбинация с катализатори предлага съществени предимства, благодарение на възможността за работа при по-благоприятни условия, например ниска температура и атмосферно налягане. Алтернативните стратегии за енергийна ефективност на процеса на отстраняване на ЛОС включват преосмисляне на потока отработени газове като ресурс, чието енергийно съдържание може да бъде оползотворено в бояджийския цех до определена степен. В последните няколко години един от водещите производители на автомобили проучва възможността за оползотворяване на абсорбираните ЛОС за захранване на твърдооксидни горивни клетки (solid-oxide fuel cell, SOFC) с цел генериране на електроенергия.

Оползотворяване на топлинната енергия

Управлението и оползотворяването на топлинната енергия са сред основните подходи за реализирането на по-ефективен производствен процес. Източници на отпадна топлина в автомобилостроенето са високо-, средно- и нискотемпературни индустриални топлинни системи (пещи, сушилни и котли) и техните димни газове, сгъстен въздух, вентилационни и хладилни инсталации. За оползотворяването на тази отпадна топлина в заводите от автомобилния сектор могат да се използват различни съоръжения – топлообменници, пасивни подгреватели и термопомпи. Изборът на решение за оползотворяване на топлината зависи от температурния диапазон, предвиденото приложение (нагряване или охлаждане) и необходимия работен флуид.

Поради високите температури в цеховете за металообработка (вариращи между 430 и 750°C), за оползотворяване на топлинната енергия могат да се използват само специализирани топлообменници. Жизнеспособна алтернатива за енергийни спестявания е и използването на отпадната топлина от котелните инсталации за производство на пара и гореща вода. Тази отпадна топлинна енергия може да се оползотвори чрез възстановяване на топлосъдържанието от димните газове или на топлината от питателната вода, предварително подгряване на горивния въздух или комбинация от трите техники. Най-разпространената стратегия включва използването на икономайзери за предварително подгряване на питателната вода.

Оползотворяването на отпадна топлина от средно- и нискотемпературните процеси в предприятията може да се осъществи чрез регенеративни топлообменници и пасивни въздушни подгреватели (пластинчати или топлинни тръби). Поради възможността за възстановяване не само на топлина, но и на влага, и отчитайки значимостта на контрола върху влагосъдържанието в рамките на производствената площадка, прилагането на регенеративни топлообменници с хигроскопичен материал се явява особено атрактивно решение за бояджийския цех.

Друга стратегия за оползотворяване на отпадна топлина в среднотемпературния диапазон, отделяща се от пещи, сушилни и др., е за получаването на гореща вода, която впоследствие да се използва за отопление на помещения, като технологична топлинна енергия или за охлаждане. По този начин ще се редуцира общата консумация на природен газ и електроенергия на автомобилния завод. Целесъобразността на възстановяването на отпадна топлина от пещи и сушилни трябва да оценява за всеки конкретен случай, в зависимост от използваната боя и разтворител, както и от наличното топлосъдържание. Това се дължи на факта, че топлинните потоци от тези системи съдържат ЛОС и следователно не могат да бъдат използвани за получаване на гореща вода без да е нужно да се инсталират топлообменници, което е свързано с допълнителни разходи.

Алтернативно решение за оползотворяване на нискотемпературната отпадна топлина в заводите от сектора на автомобилостроенето е използването на термопомпи. Интересът към технологията се дължи на възможността за ефективно оползотворяване на отпадната топлина и едновременно осигуряване на подгряване и охлаждане, което е необходимо при процеса на боядисване. Термопомпите могат да преобразуват наличната отпадна топлина до постигане на желаната температура за даден процес. Значимостта на контрола на температурата и влажността на подавания въздух при боядисване с материали на водна и прахова основа прави термопомпите особено атрактивни. Способността им да изпаряват водата от боята при ниска температура и влажност елиминира необходимостта от охлаждане след боядисване (т. нар. flash-off процес, при който разредителят на боята трябва да се изпари бързо), което води до икономии.

Като най-големия консуматор на електроенергия в автомобилостроенето бояджийският цех предлага възможност за постигане на забележителни икономически ползи посредством оползотворяване на нискотемпературната отпадна топлина. С топлинната енергия на отработените газове от кабините за боядисване например може да се третира въздухът за климатизация на помещенията. Преди оползотворяването на тази топлина отработените газове трябва да се пречистят от замърсители като маслена мъгла, частици и др.

Температурата на сгъстения въздух веднага след получаването му е висока – между 80 и 170°C. Преди да бъде подаден в разпределителната система, сгъстеният въздух трябва да се охлади с въздух или вода. Отделящата се от процеса топлина с температура между 45 и 50°C може да се използва за различни приложения – отопление на помещения, получаване на гореща вода, подгряване на питателната вода за котелните инсталации и осигуряване на топлинна енергия за термопомпи.