Halverad energiförbrukning med nytt optimeringsverktyg
Inom PiiA-projektet Optimera har forskare vid Chalmers utvecklat ett verktyg som hjälper industrier att styra sina processer bättre och att uppnå ökad effektivitet. Optimeringsverktyget har använts på Stora Ensos massabruk och tester visar att bruket kan halvera energiförbrukningen och samtidigt öka produktionen med 30 procent. I framtiden kan verktyget även användas inom andra industrier, vilket öppnar upp för bredare tillämpningar och stora energibesparingar för så väl industrisektorn som samhället.
Inom en typisk processindustri finns det tusentals reglerloopar och inom dem finns regulatorer som styr fabrikens processer – allt från temperaturer till flöden. Inom det PiiA-finansierade projektet Optimera – Optimerade CTMP processer utvecklar forskare vid Chalmers, i nära samarbete med Stora Enso, ett verktyg som ska ge en snabb överblick över fabrikens reglerloopar så att industrins processer kan styras ännu bättre och minska energiförbrukningen.
Det digitala verktyget samlar in data och ger personalen på fabriken rekommendationer om vilka loopar de behöver se över. Med kunskap om hur reglerlooparna fungerar kan de optimeras både individuellt och tillsammans och därmed optimera hela styrningen.
– Styrningen i en industri blir bara så bra som delarna i den, säger Veronica Olesen, universitetslektor vid Chalmers tekniska högskola och projektledare för Optimera. Även om en styrning fungerar bra i stort så kan vi med verktyget gå in på detaljnivå för att optimera styrningen och därmed spara stora mängder energi.
Stora Enso – först ut med att använda optimeringsverktyget
Forskarna inom projektet har genomfört studier vid Stora Ensos massabruk i Skoghall för att utveckla optimeringsverktyget. Resultatet visar att bruket kan spara 25 till 50 GWh per år med det nya verktyget, vilket skulle innebära en halverad energiförbrukning.
Men resultaten av optimeringen visade sig ha fler fördelar. Produktionen kunde ökas med 30 procent och samtidigt ge en lägre energiförbrukning. Med optimeringsverktyget och mjukvarusensorer kan tillverkare även mäta kvaliteter som inte tidigare gick att genomföra och på så sätt skapa jämnare produktkvalitet. Tillverkningen fick 50 procent minskad kvalitetsvariation av massaegenskaper som fiberlängd, spet och freeness.
– Vi ser stor potential att verktyget kan bidra till jämnare och mer energieffektiv produktion, inte bara av pappersmassa, utan på sikt även i andra industrier, säger Veronica Olesen.
Reglerteknik – en nyckel till den gröna, digital omställningen
Reglerteknik handlar om att automatiskt få en process att bete sig på ett önskat sätt. Den kallas ibland för den dolda tekniken, då den finns överallt utan att vi lägger märke till den; i allt från farthållaren i din bil till kaffebryggaren som stängs av efter en halvtimme. Regler- och styrteknik är en grundförutsättning för automation och AI inom industrisektorn, vilket kan bidra stora besparingar och miljövinster för såväl företag som samhället.
– Svenska industrier är oftast mycket effektiva, berättar Veronica. Men när vi har genomfört analyser i processindustrin blir många förvånade över hur mycket förbättringar det fortfarande finns kvar att göra och hur mycket besparingar det kan leda till. Det visar hur fortsatt optimering kan bidra till så väl ekonomiska besparingar som till den hållbara omställningen.
20 års forskning ligger bakom projektets optimeringsverktyg som kommer att kunna användas i olika typer av industrier för att effektivisera processer. Analysen kallas för Control Performance Assessment (CPA). Projektets studier visar att nära 85 procent av reglerlooparna i ett massabruk kan optimeras för att förbättra energieffektiviteten hos en raffinör.
I de första studierna har forskarna analyserat raffinören i massabruk. Nästa steg är att undersöka hur verktyget fungerar i hela fabriken. Målet framöver är att lägga in modeller för att skapa en digital tvilling för att ge ännu bättre analys av anläggningen och hur den kan optimeras.
– Industrin spelar en avgörande roll i klimatomställningen och här har Sverige en central plats, säger Malin Rosqvist, programchef på PiiA. Med en industri i framkant och världsledande forskning har Sverige goda förutsättningar att leda industrins hållbara, digitala omställning. Men för att nå dit behöver vi kraftsamla och satsa mer medel på viktiga forskningsprojekt så som Optimera. Deras verktyg har en stor internationell potential och kan bli betydelsefullt för både ekonomi och miljö i länder där skogsindustrin är en viktig näring som till exempel Kanada och Sverige.
Så fungerar optimeringsverktyget
Raffinören är hjärtat i massabrukets tillverkningsprocess och det är även den del som förbrukar mest energi i fabriken. Mjuka sensorer placeras vid olika mätpunkter i raffinören och det digitala verktyget tar emot data från mätpunkterna, genomför analyser, så som CPA, och ger operatören information och rekommendationer. En webbapplikation visualiserar data, likt ett trafikljus, som visar delar av systemet i tillverkningsprocessen som till exempel jobbar för hårt, för lite eller med fel typ av intervall. Den informationen kan sedan användas för att förbättra och optimera produktionen på olika sätt, till exempel minska energiförbrukning eller höja produktionstakten.
Den största komplexiteten i systemet är det som kallas regelmotorn, det som är själva navet i “trafikljuset” och avgör vilken färg som ska visas för de olika regulatorerna i tillverkningsprocessen. Svårigheten är att utifrån mätdata kunna se om en regulator arbetar optimalt och hur den påverkas av andra regulatorer i omgivningen. Om en regulator hamnar inom intervallen för reglerna anses den vara röd (titta på med hög prioritet), orange (titta på med lägre prioritet), grön (allt funkar bra) eller grå (kan inte analyseras).
Verktyget ger underlag för energi- och massakvalitetsoptimering, produktionsplanering, optimering av den totala elenergianvändningen, regulatortrimning i ett systemperspektiv samt analys av systemstörningars påverkan genom processen.
Om PiiA – Processindustriell IT & Automation
PiiA är processindustrins strategiska innovationsprogram som stöttar industrins gröna och digitala omställning med IndTech – tekniken som gör industrin smartare och mer hållbar. PiiA stärker Sverige genom processindustriell digitalisering och automation i världsklass. Programmet samordnar ansökningar om finansiering av innovationsprojekt, stödjer forskning, analyserar industrins behov, för samman forskare och branschens aktörer för att industrin ska få tillgång till avancerade IT- och automationslösningar och bli konkurrenskraftiga på världsmarknaden. PiiA är finansierat av Vinnova, Formas och Energimyndigheten och koordineras av RISE. Läs mer om hur PiiA arbetar för industrins digitala och hållbara omställning: sip-piia.se
