Emise, energie a pece pro tepelné zpracování
Na webu jsem objevil zajímavou prezentaci od firmy Ipsen a porovnání uhlíkové stopy mezi klasickými víceúčelovými pecemi pro cementaci, průběžnými pecemi, a vakuovými pecemi s nízkotlakou cementací, v jednokomorové a multi-komorové verzi
To nejzásadnější, co z prezentace plyne je to, že pokud máme elektricky topenou pec, abychom mohli analyzovat jejich podíl na znečišťování ovzduší, musíme uvažovat s celostátním energetickým mixem a jeho uhlíkovou stopou. Na výše uvedeném obrázku je porovnání pecí Ipsen Atlas M a XL, vytápěných plynem nebo elektrikou, průběžných pecí, a vakuových pecí jednokomorových a vícekomorových. Graf je uveden pro energetický mix s emisemi 350 g CO2/kWh.
Jak je tomu ale u nás? Emisní faktory jsou u nás publikovány na stránkách MPO. Za rok 2021 to bylo tedy 390 g CO2/1kWh.
Pokud ale chceme investovat do nějakého typu pece, popřípadě se vrhnout na rekonstrukci pecí existujících, nezajímá nás minulost, ale budoucnost. Jak to ale bude v České republice?
Opět na stránkách MPO lze najít predikci energetického mixu pro Českou republiku. Ta vypadá následovně:
https://www.energetikainfo.cz/download/e-noviny/energetika/61209_maf-cz-21.pdf
Cíle jsou ambiciózní. V roce 2040 bychom měli být na 90 gCO2/ 1 kWh.
Jak je to ale s emisními povolenkami? Výchozím bodem pro tuto úvahu je tvrzení, že kdo tvoří a vypouští CO2, musí zaplatit. I když dnes je tomu tak, že za znečištění zaplatí výrobce energie, agresivita green dealu neochabuje, a je proto pravděpodobné, že se blíží doba, kdy kalírny, jako zdroj znečišťování, budou platit za uhlíkovou stopu taky, tentokrát již podruhé. Ne proto, že energii vyrábí, ale protože energii spotřebovávají. Stejně tak ale to dopadne na naftové motory, na benzínové motory, na vytápění v domech apod.
Princip emisní povolenky je v tom, že si můžeme koupit odpustek za vypouštění 1 tuny CO2 za cenu povolenky. Jaká ta cena je? V době, když jsem tento výpočet prováděl byla zhruba 80 €.
https://forbes.cz/emisni-povolenky-pro-zacatecniky-jak-funguji-a-proc-jejich-cena-roste/
Abych tedy mohl nějaký smysluplný výpočet provést, stanovil jsem si ještě pro začátek ceny za zemní plyn, a ceny za elektrickou energii. Vyšel jsem z publikovaných zdrojů EU pro elektrickou energii a zemní plyn za Q1 2022.
Výchozí ceny pro výpočet pro Českou republiku jsou tedy:
Elektřina 11,28 c€/1kWh = 2,87 CZK/kWh
Zemní plyn 5,43 c€/1kWh = 1,38 CZK/1kWh
Kurz: 25,5 CZK/€
Další roky jsem pak tyto ceny navýšil každoročně o 5% až do roku 2040, což je podstatně méně než-li stávající inflace.
K čemu jsem došel? U víceúčelových pecí jsem započetl energii jak na vlastní pec, tak i energie na ENDO atmosféru. Jako referenční jsem vzal pece Ipsen TQF7 – G a TQF7 – E, ke kterým mám k dispozici historická data spotřeby a ENDO generátor ENE-20 od firmy Elterma. Generátor je elektricky vytápěný, atmosféra zemní plyn/vzduch. Kapacita 50 m3/hod ENDO. Uvažoval jsem, že napájí 3 SQ pece najednou.
Případ 1 – Víceúčelová pec Ipsen TQF – G, plynem topená, s ENDO. Průměrná spotřeba 90 kW ze zemního plynu, 6 kW elektrické energie. Hodnoty jsou vypočteny jako měsíční odběr pece dělený počtem operačních hodin, tedy hodin, použitých pro výrobu. V tomto čísle jsou zahrnuty tedy i energie na nevýrobní hodiny. Pec odebírá zhruba 12 m3/h ENDO.
Případ 2 – Víceúčelová pec Ipsen TQF – E, plynem elektricky, s ENDO. Průměrná spotřeba 60 kW elektrické energie. Hodnoty jsou vypočteny jako měsíční odběr pece dělený počtem operačních hodin, tedy hodin, použitých pro výrobu. V tomto čísle jsou zahrnuty tedy i energie na nevýrobní hodiny. Pec odebírá zhruba 12 m3/h ENDO
Případ 3 – jednokomorová vakuová pec po rozměru 600x900x600 mm, s odběrem 50 kW elektrické energie v průměru, výpočet proveden opět z měsíčního odpočtu a z počtu operativních hodin.
U všech pecí jsem vypočetl i množství CO2 za rok a k tomu množství jsem započetl náklady na emisní povolenky v hodnotě 80 € za kus.
A co z toho vyšlo? Nejhůře z hlediska emisí je na tom samozřejmě pec topená plynem. Její emise v roce 2022 jsou sice nižší jak emise z elektricky vytápěné pece, protože ale energetický mix má sestupnou tendenci až do roku 2040, u vytápění zemním plynem se tento pokles emisí netýká. Ty budou po celou dobu životnosti pece konstantní. Pro výpočet jsem uvažoval pro zemní plyn s hodnotou 220 g CO2/kWh. Mírný pokles je zapříčiněn pouze vlivem podílu elektrické energie, použité na vytápění olejové lázně, Endo generátoru a dalšího příslušenství.
U elektricky topené pece je výsledek ale podstatně výhodnější. Tak jak klesají emise energetického mixu, klesá i uhlíková stopa elektricky topené pece. Klesá i podíl nákladů na emisní povolenky.
Nejlepšího výsledku docilujeme pro vakuové pece. Jednak proto, že mají prokazatelně vyšší účinnost ohřevu a nižší spotřebu energie, pro kalení ale můžeme využívat pouze bezemisní dusík nebo pro cementaci LPC nauhličující plyny se zanedbatelným množstvím CO2. Pokud bychom ale investovali do vícekomorové vakuové pece, pak výsledek bude ještě lepší. V našem případě, spotřeba 50 kW hodinově je vázána na provoz pece, kdy komora je vždy ochlazena na pokojovou teplotu. U více komorových pecí topná komora zůstává na teplotě, a v tom případě ušetříme další kW na dotápění pece i vsázky.
Ve svém důsledku to odpovídá závěrům z prezentace firmy Ipsen. Čím lepší jsou hodnoty z energetického mixu, tím roste i výhodnost řešení elektricky topených pecí. A pokud se týká trendu, jednoznačně green deal nás bude tlačit do vakuových technologií včetně nízkotlaké cementace a nitrocementace. Ať již s kalením v proudu plynu nebo do oleje.
Jak je to ale s náklady na energie a emisní povolenky? Z hlediska emisí nám vyšlo hodnocení dle výše uvedeného grafu. Nejmenší emise produkuje vakuové tepelné zpracování. Na druhém místě se umisťuje elektricky topená víceúčelová pec a na posledním pak plynem topená pec.
Pořadí dle emisí Pořadí dle nákladů na energie Pořadí dle emisních povolenek
Vezmeme-li ale v úvahu náklady na energie, ať již elektriku nebo plyn, hodnocení vychází trochu jinak. Nejnižší náklady sice vykazuje vakuová pec, víceúčelová pec plynem topená ale se k tomuto velmi blíží.
Nejvyšší náklady na energie jsou u elektricky topené pece. Samozřejmě je otázkou, jak se budou vyvíjet ceny energií v tom dnešním chaosu, nicméně ve všech případech počítám s tím, že cena za 1 kWh plynu bude i nadále ve stejném poměru k elektrické energii jako dnes. Tedy 1,38/2,87 = 48%. Cena plynu bude tedy ve výši 48% ceny elektrické energie.
V tomto výpočtu ale nejsou započteny náklady na emisní povolenky. Při přepočtu 80 € za 1 tunu CO2 to dává tento graf. Přesně kopíruje graf se emisemi v kg CO2 za hodinu provozu pece.
Pokud obě hodnoty sečteme, pak se dostáváme ke konečnému výsledku. Nejnákladnější je elektricky topená víceúčelová pec, ale hned těsně za ní je plynem topená pec.
Jednoznačným vítězem je tedy vakuová pec.
Jaký je tedy závěr? Na semináři SecoWarwick 4.2 zhruba před měsíce, Dan Herring, Heat Treat Doctor, definoval budoucí trendy v tepelném zpracování.
Budoucnosti našeho oboru? Jaká bude?
Především bude jiná. S EV končí jedna éra tepelného zpracování. Ta další budoucnost bude závislá na tom, kam se posune elektromobilita, letecký a kosmický průmysl, stejně tak průmysl obranný … je to ale spíše myšleno jako „útočný“. To, co je ale Danem zmíněno mnohokrát, vše se bude točit kolem vakua. Vakuové kalení v plynu, do oleje, LPC, LPN, plasma, brazing, AM technologie. Je to jedna z mála cest, jak zajistit cestu k ekologii i ke vstřícnosti.
Co k tomu říci? Tepelné zpracování dnes čelí velkým výzvám, především ve vztahu k elektromobilitě. Současně ale působí zcela totální destrukce energetického trhu. Nejenom ale v negativním smyslu. Řada starých, neefektivních kapacit, musí z trhu vymizet, a to právě díky cenám energií nebo neekologičnosti. A pokud někdo dnes uvažuje o investicích, tak musí vzít v úvahu výše uvedené faktory. A protože takováto investice musí být konkurence schopná dalších 20 let, tedy po dobu odepisování zařízení, musí brát v úvahu zvyšující se tlak na emise a uhlíkovou stopu, a současně i na úspory energie. Takže jak říká Janusz Kowalewski z firmy Ipsen USA, vzhůru do udivujícího světa vakuových pecí.
9. listopadu 2022
Jiří Stanislav
