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能效紅利

對于企業乃至整個經濟體而言，高效使用各種能源的能力，正日益成為至關重要的競爭優勢。新的自動化控制和預測性負載管理系統，不僅能在此發揮重要作用，而且能夠快速收回成本。

*的能源管理、熱能回收利用以及自動化技術將f | glass公司的能耗降低了五分之一左右。

在德國南部古鎮烏爾姆附近的Gardena工廠，在名副其實的高壓環境下，工作以輕快的節奏進行著。每年，這家工廠的93臺注塑機要將9400公噸塑料變成5億個零部件，如修枝剪和手推割草機的手柄等。工廠每星期開工7天，其中周一至周五是三班倒滿負荷生產，而周末則稍微輕松一些，只有少數機器和工人上工。

這是一種非常清晰的模式，而工廠的耗電量也有著同樣的規律。Gardena工廠是富世華集團旗下的公司，在平常工作日，其平均耗電量在2000到2300千瓦之間。周末的耗電量則降至1000或2000千瓦，具體取決于工作量。

這種有規律的需求模式是供電公司所適應的。它知道在一個星期內，用電需求的變化規律，并制定相應的供電計劃。這種模式也反映在供電公司與Gardena工廠的供電合同準則中。一方面，工廠同任何私人家庭一樣必須為用電支付電費。另一方面，供電企業得保證隨時為Gardena工廠提供最高2680千瓦的電能。

但超出這個限值哪怕一次，也會令工廠付出高昂代價。Gardena工廠負責自動化和負載管理的Jürgen Röck解釋道：“供電公司限定了我們在15分鐘時間段內的平均用電量。如果我們在哪怕一個時間段內超出了規定的最大用電量，那么，我們將為此支付高額費用，因為如果那樣的話，供電公司將提高當年余下時間的保證最大供電量，當然，我們也不得不支付相應的費用。”

這樣的事曾在幾年前發生過。那是在復活節假期結束后，Gardena工廠的機器重新開工時，由于機器同時啟動要消耗特別多的電能，因此耗電量在短期內激增至3200千瓦。Gardena工廠想避免再次發生這種事。于是，這家公司決定采用新的負載管理技術。2010年春，工程師在Gardena工廠的變壓器上安裝了9臺西門子Sentron PAC 3200監控裝置。這些裝置可以測定電流、電壓和功率。測量值會被發送給Simatic S7-400控制器，由后者生成當前15分鐘時間段的用電需求預測。其目標顯而易見：平均用電量絕不可超過2680千瓦限值。

身為電氣技術人員，Röck可以隨時查看工廠的當前狀態。只要在他的臺式機上打開西門子Simatic WinCC Powerrate應用即可。他說：“綠色區域表示我們已經用了多少電能，橙色線條表示當前時間段剩余時間內的用電需求預測。因此，我們能立即看出是否有超出最高限值的危險。”

如果過于接近限值，那么，系統將自動作出響應。控制器將逐步降低用電量，直至用電回歸正常范圍。它將按200千瓦一級，逐級降低從過程水（用于冷卻注塑機模具）中回收熱能的系統的功耗。這樣做所導致的短期溫度升高不會構成問題。同樣，用于塑料顆粒的烘干機也可以靈活響應負載管理需求。可以按28千瓦一級，分4級降低其功耗。

許多企業已實現了高效、節能的生產過程——但仍有巨大潛力尚待挖掘。

事實證明，這個控制系統非常有效。自其安裝以來，用電量從未超出規定的最大值。Röck表示：“由于我們已經使用了大量西門子設備，因此，負載管理系統的安裝并未花費多少成本。譬如，我們能夠使用現有的S7通信系統，在西門子控制器之間傳送數據。由于其能降低尖峰負載，這個負載管理系統將在一年內收回成本。”

Gardena工廠打算進一步擴展其能源監控系統。譬如，在不久的將來，Röck將能使用Win CC來持續追蹤壓縮空氣和供熱系統的運行狀況。盡管他不能利用這個工具來左右用電量，但其讀數將為他提供關于可能的管道泄漏或消耗大量電能的泵機的寶貴線索。

避免負載尖峰。用電需求管理之所以成為工業界的熱門話題，是因為生產過程中的負載尖峰會令工廠付出巨額代價。但在未來，企業將不僅有能力避免異常需求尖峰，而且還能夠利用智能負載管理系統，正好在電網超量供電時使用電能。西門子能源德國業務主管Frank Büchner博士說：“如果將用電密集型生產過程改到供電充足、電價低廉的時段，那么，這將在無形中協助穩定電網。這樣做的企業也能受惠于低廉電價，并且減輕對供電現狀的依賴——它們可以為可持續能源轉型政策的成功作重要貢獻。”

除負載管理之外，企業也越來越多地投資于提高能效的舉措，它們的努力獲得了豐厚回報。據德國聯邦統計局計算，從1990年到2012年期間，德國的能源生產率提高了46%。因此，如今在德國開展經營活動的普通企業，其生產產品或提供服務所需耗用的一次能源已大大減少。德國聯邦政府的目標是到2020年，將能源生產率提高至1990年時的兩倍。

在實現這一目標的過程中，監控系統將扮演重要角色，因為它們可顯示哪些地方存在能源浪費。至關重要的因素是，使用高效組件和系統來回收利用未使用的能量，如廢熱。通過利用這些方式提高效率，企業不僅能減少溫室氣體排放、保護環境，而且有助于保障其自身利益，因為在能源價格不斷上漲的時代，能否最大限度地提高能效，將直接決定一家企業在國際市場上的命運。

在西門子的數十座工廠，譬如一個醫療設備生產基地（上右圖），節能增效技術投資已在短短幾年內收回成本。

對于正向可持續能源供應轉型的德國，情況更是如此。西門子德國*執行官Rudolf Martin Siegers指出：“德國企業支付的電費，已比歐洲平均電價高出24%，更是美國企業的三倍。因此，節能投資絕不是額外開支——相反，這是企業的生存之道。”

盡管如此，這一領域仍有巨大潛力尚待挖掘。據斯圖加特大學生產能效研究所（EEP）、德國工業聯合會（BDI）、德國能源署（dena）和TüV Rheinland于2013年12月首次聯合發布的《德國工業能效指數》稱，企業在提高能效方面的投資依然太少，盡管這些投資能夠創造豐厚利潤。

研究人員對機器生產、金屬冶煉以及塑料和玻璃制品等行業的80家企業進行了調查。斯圖加特大學生產能效研究所的Robert Kasprowicz在報告中稱，“約三分之二的企業打算僅將其投資的不到5%投入能效領域。只有9%的企業計劃將其投資的20%以上用于節能領域。”

這種不情愿的態度，源于許多企業都要求在短短30到36個月內*收回投資，它們并不準備做更長久的投資，盡管大多數情況下，總占有成本分析表明這樣的投資是值得的。在總結這項研究的結果時，Kasprowicz是這樣說的，“人人都在談論節能增效，但實際投入遠遠不夠。”

繼2013年底開展的首次研究之后，參與機構打算每隔6個月發布一份新的研究報告，并根據研究結果，同時結合Ifo經濟研究所計算出的商業氣候指數，計算出能反映能效領域的發展現狀和趨勢的能效指標。

通過充分利用廢熱，可將工業能耗降低12%。

弗勞恩霍夫制造工程和自動化研究所（IPA）的Sylvia Wahren也認為，能效領域的改進空間巨大。Wahren是一位能效專家，她也為企業提供項目顧問服務，她說：“關于能效的討論熱火朝天，然而，大多數企業并未*明白其中的道理。譬如，對140攝氏度以上的廢熱進行回收利用，將獲得多達320拍焦耳的熱能可供使用。這相當于德國工業能耗的12%左右。”在她看來，許多企業采取了成本低、見效快的舉措，如高效照明系統，但卻不愿利用蒸汽輪機或有機蘭金循環來進行廢熱發電。

通過采取節能增效措施，位于柏林的西門子燃氣輪機工廠，每年可節省27萬歐元的能源成本。

而無論如何，后者也是一種可選方案。位于德國Osterweddingen的f|glass公司就是這樣的典型例子。每天，這家公司位于馬格德堡附近的生產工廠要生產出最多700公噸的特種玻璃，其中一些是太陽能行業使用。這座工廠擁有全球現代化程度最高、同時也是能效最高的玻璃生產基地之一。得益于其全自動生產系統、*的能源管理，以及智能熱能回收利用，這座工廠的玻璃生產能耗比類似企業低大約20%。

為了實現這樣的能效水平，沿工廠長約700米的生產線部署了3000多個測量點，這些測量點向SIMATIC PCS 7過程控制系統輸送數據，后者則保證全年全天候不間斷地運行。工廠采用的節能增效技術包括，西門子生產的最高發電容量為3200千瓦的蒸汽輪機，它可以將熔爐產生的大部分500攝氏度廢熱轉換為電能。僅這臺輪機的發電量，就能滿足工廠玻璃生產用電需求的四分之一。

競爭力的關鍵要素。工廠的過程控制系統還保證了優化的能源管理。一定程度上歸功于西門子提供的高能效變頻傳動系統，這個過程控制系統能將用電量降至最低。因而，提高能效和削減成本是幫助f | glass公司在全球市場上立于不敗的因素之一。對于玻璃行業，這種類型的解決方案特別有益。同水泥生產、基本化學制品生產和金屬冶煉等行業一樣，玻璃生產行業也是能源密集型行業之一，這些行業的總能耗占德國最終能耗的12%左右。

EEP專家預計，只要采用*的工藝工程技術，到2035年，這些行業則可以將其能耗最多減少14%。他們開展的調查表明，塑料和玻璃生產商已經準備這樣做。這些領域的企業正打算加大對節能增效技術的投資。Siegers指出：“對于這些企業而言，能效扮演著越來越重要的角色。它們已經認識到，能源和資源的使用效率是其競爭力的關鍵要素。”

生產廠房也能為提高能效作出貢獻，西門子在其生產基地證明了這一點。2005年，西門子發起了一個分5階段進行的“節能增效計劃”，首先是“能效檢查”，然后是能源使用情況和節能增效潛力分析，最后是實施和監控已經部署到位的改進措施。西門子樓宇科技的Peter Marburger負責監管這個項目，他說：“通過采取各種各樣的改進措施，包括優化能源采購、改進基礎設施、提高生產作業能效、以及改變工廠工人行為等，不一而足。截至目前，我們已經對大約100座工廠進行了‘能效檢查’，我們還在26座工廠采取了旨在提高能效的舉措。西門子能夠實現其為自身定下的從2006年到2011年將二氧化碳排放量降低20%的目標，這個計劃功不可沒。”

4年收回投資。位于德國克雷費爾德的西門子鐵路技術工廠，是節能增效計劃產生豐厚回報的好例子。在一次性投資約400萬歐元之后，這座工廠的年二氧化碳排放量減少了2300噸，每年節省能源成本近70萬歐元。其所采取的最重要的措施是，安裝了一套燃氣熱電聯產（CHP）設備、一個實現了熱能回收利用的新通風系統、以及一個能源監控系統——它可以記錄工廠的當前能源使用情況，這些記錄可用于考量節能增效項目的績效。得益于這些舉措，其能源成本降低了15%，二氧化碳排放量減少了20%。

在其他工廠，西門子也取得了類似成效。譬如，在位于柏林的西門子燃氣輪機工廠，每年可節省27萬歐元能源成本，減排二氧化碳約1100噸。在巴伐利亞州小鎮Kemnath，節能增效措施每年可幫助西門子的一座醫療設備工廠節省50多萬歐元能源成本，減排二氧化碳約2700噸，減排幅度高達25%左右，遠遠高于西門子最初設定的目標。在大多數這樣的工廠，節能增效技術投資都能在大約4年后收回成本。Marburger總結道：“我們正面臨一種模式的轉變。過去，我們為可持續發展買單，現在，可持續發展為自己買單。”

燃燒吧，效率

不論是廢鋼回收利用，還是針對傳統熱風爐工藝，西門子技術正在幫助降低煉鋼廠的能耗。其結果是：節約資源、減少排放、合理降低運營成本。

電弧煉鋼爐。幾乎每一棟建筑物和每一輛汽車都需要使用鋼材。全球年鋼產量達15億噸以上。

一臺威力無比的電弧煉鋼爐內，一場風暴正在肆虐。每隔幾秒鐘，就會發出震耳欲聾的爆炸聲和嘶嘶作響的嘈雜音。火紅的鋼水在爐內沸騰翻滾，猶如涌動的火山巖漿。直徑與檢修孔蓋厚度差不多的石墨電極，以高壓形式向電弧煉鋼爐內輸入電能，燃起熊熊烈焰，使爐內溫度達到1540攝氏度以上，令廢鋼熔化，煉成新鋼。這類電爐的耗電量往往比一座小城鎮還大。不過，利用常規熱風爐來冶煉鐵礦石的傳統煉鋼工藝，也要消耗大量能源。在超過1400攝氏度的高溫下工作，這種高度堪比高層建筑的煉鋼爐，可以利用鐵礦石、煤炭、焦炭等原料，冶煉出生鐵，以供進一步加熱精煉成鋼材。

因而不足為奇的是，除了為輪船、汽車、鐵路和橋梁等提供基本材料外，鋼鐵工業也會因耗用電能和煤炭而產生大量的二氧化碳。位于奧地利林茨的西門子奧鋼聯鋼鐵科技有限公司的煉鋼和ECO解決方案技術與創新管理部門主管Alexander Fleischanderl博士表示：“煉鋼廠排放的二氧化碳，占全球二氧化碳總排放量的6.7%。”然而，他不愿將煉鋼廠視為環境的敵人，因為用鋼鐵制成的產品也是*的節能工具。譬如，風電機組、太陽能發電系統和高效燃氣輪機等都離不開鋼鐵部件。此外，最近幾十年，鋼鐵制造商已經降低了能耗，從而大大減少了二氧化碳的排放量。Fleischanderl指出：“在歐洲，50年前，生產一噸成品，要耗用大約30千兆焦耳能量，1990年，這個數字為24千兆焦耳。如今，每噸成品的能耗已降至不足18千兆焦耳。現在，一座產能為500萬公噸最終產品的一般綜合煉鋼廠，每年要排放約800萬噸二氧化碳，比1960年減少了37%。”

不過，仍有尚需改進之處。這主要是因為大部分廢熱都未能得到利用。Markus Dorndorf博士是西門子電爐煉鋼業務部的研發主管，他說：“煉鋼耗用的能源，有近三分之一是從溫度高達1400攝氏度左右的電弧爐，以煙氣排放的形式被浪費了。”但如果將這些廢熱用于驅動蒸汽輪機，那么，由此生產的電能，可以滿足10%的用電需求。為此，Stahlwerk Thüringer GmbH——一家坐落于埃爾富特以南約60公里處的電爐煉鋼廠——請西門子設計并提供了一個通過在熱源與蒸汽輪機之間安裝熔鹽儲罐，來保證穩定供應電能的能量回收系統。

上圖：西門子提供的全新電弧爐，利用了過程廢氣來預熱廢鋼以供熔煉。這可將能耗降低20%以上。
下圖：巨型石墨電極將廢鋼加熱至1540攝氏度，將之煉成新的優質鋼材。

如果利用過程廢熱來預熱廢鋼，還可以大幅降低二氧化碳的排放量——西門子新打造的Simetal EAF Quantum電弧煉鋼爐，便采用了這樣的技術。目前，西門子正在墨西哥為鋼鐵制造商TYASA公司建造的*座此種類型的高性能煉鋼爐，計劃于2014年上半年投入運行。相比于傳統解決方案，EAF Quantum電弧煉鋼爐的能耗會降低20%。除此之外，相比于傳統電弧煉鋼爐，它還具備諸多其他優點，包括冶煉周期更短、熔化電極使用壽命更長，以及攤銷期限更短等。

將煙氣用作資源。采用熱風爐工藝，在將鐵礦石煉成生鐵的過程中，也可以大大減少溫室氣體的排放量。要挖掘減排潛力，燒結工藝首當其沖。燒結是將鐵礦石、諸如焦炭或煤炭等燃料以及助熔劑等的混合物放到爐床上，并從上方加熱，從而使之固結。Fleischanderl說：“在一座普通煉鐵廠，這道工藝每小時會產生超過100萬立方米的煙氣，這些氣體中含有因不*燃燒而生成的一氧化碳及其他污染物。”但借助西門子的“選擇性煙氣再循環（SWGR）”技術，可將多達50%的煙氣送回燒結工藝。然后，一氧化碳將被再一次用作燃料，從而將焦炭的需求量和二氧化碳的排放量降低10%左右。產生的煙氣越少，所需的煙氣凈化成本就越低。短短幾年來，在奧地利林茨的奧鋼聯集團旗下的燒結廠以及其他地方，SWGR已經取得了不俗的成效。此外，結合使用曾為Fleischanderl贏得西門子“2013年度發明家大獎”的西門子MEROS煙氣凈化技術，林茨燒結廠還清除了多達99%的污染物（包括硫氧化物、氮氧化物、重金屬和諸如二惡英等有機化合物）或將之轉化為無害物質。譬如，MEROS系統使用了氫氧化鈣及其他物質，將二氧化硫轉化為石膏，而重金屬和二惡英，則被封存于諸如平爐焦炭（HOK）或活性焦炭等干燥吸附劑中。將所需吸附劑高速吹入煙氣流中，然后用水噴淋添加劑與煙氣的混合物，使其溫度降至90攝氏度左右。Fleischanderl表示：“這樣做能加快預期的化學反應。”然后，分離出顆粒物質，由于這些物質依然含有活性添加劑，因此可以多次將之重復循環到煙氣流中。西門子已經在奧地利和中國建造了三套MEROS設備，并且接到訂單要在土耳其提供1套，在意大利提供4套MEROS設備。

MEROS煙氣凈化技術，可從煉鋼廠廢氣中清除多達99%的污染物。

在接下來的工序中，將利用熱風爐把鐵燒結礦和助熔劑熔煉成生鐵，以供煉鋼之用。這個過程也會產生廢氣，直接將之燒掉是可恥的做法。要知道，這些可燃燒的過程廢氣含有大量一氧化碳。如今，通常的做法是將之輸入燃氣發電設備用于發電，目前其發電效率不足40%。無論如何，這些廢氣的利用率可以進一步提高。Fleischanderl說：“借助生物發酵技術，可以利用細菌，將一氧化碳轉化為乙醇及其他有價值的工業化學品。”為此，西門子與Lanza-Tech公司展開了合作。Lanza-Tech公司是美國一家從事氣體發酵技術的公司。利用可燃燒的過程廢氣來生產生物乙醇，可以實現60%以上的效率，并且不會對農作物種植構成競爭。目前已在中國建成一個示范系統，并投入運行。

用礦渣生產水泥。哪怕是礦渣——一種高爐煉鐵的副產品，也蘊含著巨大的潛力有待挖掘。在全球范圍內，每年要產生將近4億公噸礦渣。傳統工藝的做法是將溫度高達約1500攝氏度、還在嘶嘶作響的礦渣分離并倒入裝有冷水的水槽中。由此形成的粒狀物料主要用于生產水泥。但采用西門子新研制的一項技術，可以在干燥狀態下將礦渣粒化，從而可以從中回收大量熱能。Fleischanderl指出：“這種干式粒化工藝，采用空氣來冷卻礦渣。將礦渣放到轉盤中，僅靠離心力作用，將之粒化。”

可以通過多種途徑重復利用過程廢氣——譬如，用于發電或用作燃料。

在這個過程中，冷卻空氣的溫度將升高至600攝氏度左右。接下來，如果讓這些空氣流經熱交換器，那么，其中蘊含的熱能可以被用來產生水蒸汽，后者可以被直接用作熱源甚至用于發電。采用這種方法，可以從每公噸高爐礦渣中回收約1.5千兆焦耳能量，或者生產400多度電能。若以熱風爐而論，依據熱風爐的大小，這代表著1萬到3萬千瓦的發電容量。這樣一來，便無需花費不菲的成本來處理冷卻水，以及建造成本高昂的冷卻塔。此外，粒狀物料也不必進行烘干處理。對于每一公噸礦渣，這又能節約至少130度電能。鑒于這些優點，目前西門子正計劃與奧鋼聯集團合作在林茨建造一個示范系統。

在轉爐——外形類似湯釜的巨型容器——中，從熱風爐出來的生鐵與廢鋼、助熔劑、合金添加劑以及氧氣等混合，被煉成目標鋼種。針對這道工藝，西門子工程師也開發了相應的節能技術，并且這項節能技術甚至有助于提高煉鋼的靈活性。得益于Jet Process技術，轉爐不僅能冶煉生鐵，還能冶煉更大量的廢鋼，并且冶煉效率也比以前更高。在這個過程中，通過位于底部的風口（噴嘴），將煤炭、氧氣和石灰石等爐料加入熔化的生鐵中，同時，通過噴槍從頂部射入溫度高達1300攝氏度左右的富氧熱空氣。位于林茨的西門子奧鋼聯鋼鐵科技有限公司的Gerald Wimmer博士是這項技術的開發者之一，他說：“相比于傳統轉爐，這項技術能夠更加均勻地攪拌各種爐料，從而使碳更有效地轉化為二氧化碳。”此外，轉化過程中釋放的熱能，被回收用于煉鋼熔池，而不是隨廢氣消散掉。

上圖：廢鋼在特殊高爐中熔化。下圖：基于ESP技術的帶鋼生產非常高效。下圖：煉鋼專家和發明家Alexander Fleischanderl博士。

從高爐到軋制鋼板。近幾年，西門子掌握了一項非常高效、節能的技術，可用于加工剛煉好的鋼水，譬如，將之軋制成鋼板。這項名為“Arvedi ESP（無頭帶鋼生產）”的技術，由意大利鋼鐵制造商Arvedi公司開發。現行的慣常做法是，將從鋼水直接鑄出的熾熱鋼帶不作剪切，而是臨時存放并冷卻。與此不同，這項技術卻是立即進行下一步加工。西門子林茨*Andreas Jungbauer解釋道：“從板坯澆鑄，到帶鋼軋制，再到生產出帶卷，整個過程在一條連貫的生產線上不間斷地進行。”歸功于這項工藝，軋制設備在重新將鋼帶加熱至所需的1200攝氏度，以進行軋制時，僅需稍事加熱即可。實際上，這可將有關能耗最多降低45%。相比于傳統設備，這項技術還可將二氧化碳排放量最多降低39%，同時將營運成本削減37%。此外，無頭帶鋼生產不會因剪切帶鋼而產生廢料。目前，意大利克雷莫納的一座鋼鐵廠正在使用西門子的這項技術。西門子為中國的兩座鋼鐵廠提供的無頭帶鋼生產系統，也有望于2015年投產。

最后，在整個鋼鐵制造過程中，自動化系統能夠節約大量能源。Fleischanderl說：“過去10年，我們一直著眼于提高產量和加快生產速度。然而現在，出現了嚴重的產能過剩，煉鋼廠利用率往往只有70%或80%。”西門子提供的“Green Button”系列解決方案，可幫助多個工業領域在當前利用率的基礎上，優化工業過程的能效。

譬如，可以為除塵設備自動減速，或關閉暫時不需要使用的泵和風扇。據初步的實地測試表明，這樣的舉措，可將有關能耗降低多達40%。Fleischanderl指出，Precon便是一個這樣的例子。Precon是一個自動化解決方案，可優化用來凈化轉爐煙氣的靜電除塵器的電源供給。他說：“如果鋼鐵行業為節約能源、原材料以及最大限度減排，而采用當前市場上的所有西門子技術，那么，事實上，這將是你所能做的一切。這樣做，既可提高經濟效益，又切實可行。”

未來，風電場和太陽能電站提供的氫氣和電能，將在鋼鐵冶煉領域發揮重要作用。

他堅信，只有通過向可再生能源轉型，才能取得更大的突破。譬如，可以利用風電場或太陽能電站提供的電能，來滿足電弧爐的用電需求。此外，利用可再生能源生產的氫氣，也可以取代生鐵冶煉過程中使用的大量煤炭和焦炭。

同這些原料一樣，氫氣既是一種燃料，也是一種化學還原劑，可以與鐵礦石中的氧化鐵進行氧化反應。采用這樣的爐料，煉鋼廠煙囪里冒出來的將不再是二氧化碳，而只是水蒸汽。當然，要實現這一點，首先必須有數量足夠的氫氣可用。不過，按照Fleischanderl的說法，只要再過幾十年，這將成為現實。他認為，煉鋼廠的轉爐工藝不是大問題。他補充道：“我們已經為此做好了充分準備。”

Andrea Hoferichter