" Η βιομηχανία 4.0 (Industry 4.0 – I4.0) θα μπορούσε να συμβάλει στην εξεύρεση νέων τρόπων αντιμετώπισης μεγάλων παγκόσμιων προκλήσεων, όπως η κλιματική αλλαγή, η έλλειψη πρόσβασης στη καθαρή ενέργεια, την οικονομική στασιμότητα αλλά και τη μείωση του ψηφιακού χάσματος.
Ωστόσο, κατανοώντας τις πιθανές ευκαιρίες και τις προκλήσεις που μπορεί να έχει και η βιομηχανία 4.0 για τις χώρες με διάφορα επίπεδα εκβιομηχάνισης είναι απαραίτητο να περιγραφούν τα όρια, τα εμπόδια και τους κινδύνους που μπορεί να θέσει για την αειφόρο και βιώσιμη βιομηχανική ανάπτυξη. H βιομηχανική παραγωγή υφίσταται θεμελιώδη μετασχηματισμό μέσω του Ι4.0
Η διαδικασία αυτή οδηγεί σε ένα όραμα όπου ο φυσικός κόσμος της βιομηχανικής παραγωγής συγχωνεύεται με τον ψηφιακό κόσμο της τεχνολογίας της πληροφορίας, δηλαδή τη δημιουργία μιας ψηφιακής και διασυνδεδεμένης βιομηχανικής παραγωγής, γνωστή ως κυβερνο-φυσικά (cyber–physical) συστήματα. Αυτές οι νέες τεχνολογίες αιχμής προσφέρουν αυξημένη ανάπτυξη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) στη μεταποίηση, μειωμένες εκπομπές, βελτιστοποιημένη χρήση ενέργειας, αυξημένη παραγωγικότητα και εξοικονόμηση κόστους σε μεγάλη κλίμακα.
Η μετάβαση στη βιώσιμη ενέργεια και η βιομηχανία 4.0 έχουν σημαντικά χαρακτηριστικά που μπορούν να διασυνδεθούν για να επιτευχθεί βιώσιμη μετάβαση στην ενέργεια. Τέτοιες ολοκληρωμένες προσεγγίσεις θα μπορούσαν να καθοδηγηθούν από τους στόχους της βιώσιμης ανάπτυξης (ΟΗΕ, 9/2015), οι οποίες παρέχουν σημαντικούς στόχους για την ενέργεια και τη κλιματική δράση.
Η τεχνολογία της καθαρής ενέργειας και τη Ι4.0 επηρεάζονται σημαντικά από τη καινοτομία, εξαρτώνται από την ανάπτυξη νέων κατάλληλων υποδομών και κανονισμών, καθώς και πιθανά νέα επιχειρηματικά μοντέλα.
Η βιομηχανία κατέχει σημαντικό μερίδιο της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας – που ανέρχεται το 2016 σε 54% παγκοσμίως (IEA 2017) – και τα ενεργειακά δίκτυα πρέπει να ανταποκρίνονται στη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας από τους βιομηχανικούς καταναλωτές. Αυτό θα μπορούσε να είναι ένας σημαντικός λόγος για τη μετάβαση προς πιο βιώσιμα ενεργειακά συστήματα και τον ψηφιακό μετασχηματισμό των βιομηχανιών με οφέλη και για τους δύο.
Μια συνολική μετατόπιση της μεταποίησης, της παραγωγής, της ενεργειακής απόδοσης, και της ανανεώσιμης ενέργειας μπορεί να καταγραφεί μέσω δύο οδών ανάπτυξης: α) Μετασχηματισμός και β) υπεκφυγή.
Η μετατροπή προς τη βιομηχανία 4.0 θα περιλαμβάνει τη μετασκευή υφιστάμενων βιομηχανικών συστημάτων με τις τεχνολογίες του Industry 4.0 που θα μπορούσαν να παράσχουν πιο βιώσιμες λύσεις. Τυποποίηση, συνεργασίες, και υπεύθυνες πολιτικές είναι όλοι οι τρόποι που οδηγούν στη μεγιστοποίηση του οικονομικών, κοινωνικών και περιβαλλοντικών δυνατοτήτων της βιομηχανίας 4.0.
Από την άλλη πλευρά, θα παράσχει στις αναπτυσσόμενες χώρες την ευκαιρία να αυξήσουν το μερίδιό τους στην εκβιομηχάνιση χωρίς να επαναλαμβάνονται τα λάθη των παραδοσιακών μονοπατιών ανάπτυξης. Περιοχές (κράτη-περιφέρειες) που είναι λιγότερο αναπτυγμένες μπορούν να γίνουν υποψήφιες για την ανάπτυξη έξυπνων εργοστασίων, αποκεντρωμένων μικροδικτύων, αυτονόμων συστημάτων ΑΠΕ, μονάδων αποθήκευσης ενέργειας, κ.λπ.
Εξετάζοντας τον ρόλο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο παγκόσμιο ενεργειακό σύστημα σήμερα, υπάρχει ακόμα πολύς δρόμος να επιτύχουν πιο βιώσιμα ενεργειακά συστήματα: Το 2016, πάνω από το 79% της παγκόσμιας τελικής καταναλισκόμενης ενέργειας καλύπτονταν από ορυκτά καύσιμα.
Το μερίδιο των ΑΠΕ εκτός της βιομάζας ήταν ίσο με 10,4% (εικόνα 1). Κατά συνέπεια, ο τομέας της ενέργειας εξακολουθεί να παραμένει η κύρια πηγή εκπομπής επιβλαβών αερίων της κλιματικής αλλαγής που αντιπροσωπεύουν περίπου τα δύο τρίτα των παγκόσμιων εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου θερμοκηπίου.
Εικόνα 1. Eκτιμώμενο μερίδιο ΑΠΕ στη συνολική τελική παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας για το 2016. (Πηγή: REN21. 2018.Renewables 2018 Global Status Report,Paris: REN21 Secretariat).Ωστόσο, η ανάπτυξη των ΑΠΕ έχει σημειώσει τεράστια ανάπτυξη κατά την τελευταία δεκαετία, με υψηλούς ετήσιους ρυθμούς αύξησης περί 45% στα φωτοβολταϊκά και 24% στα αιολικά από το 1990.
Ωστόσο, η ενσωμάτωση της ανανεώσιμης ενέργειας στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας δεν έρχεται χωρίς προκλήσεις, ιδίως όσον αφορά την ισορροπία του φορτίου και τη διαχείριση της πολυπλοκότητας ενός συστήματος που αντί για μερικές μεγάλες συμβατικές μονάδες παραγωγής ενέργειας περιλαμβάνει ένα πλήθος αποκεντρωμένων μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ. Οι ψηφιακές τεχνολογίες μπορούν να παίξουν σημαντικό ρόλο για την αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων.
Ο μετασχηματισμός του ενεργειακού τομέα μέσω της ανάπτυξης μονάδων παραγωγής καθαρής ενέργειας αλλά και τεχνολογιών ορθολογικής χρήσης και εξοικονόμησης της και ο ψηφιακός μετασχηματισμός της βιομηχανίας θα αλλάξουν ουσιαστικά τον τρόπο που οι άνθρωποι ζουν, καταναλώνουν, παράγουν και εμπορεύονται. Αυτοί οι δύο σημαντικοί μετασχηματισμοί είναι ταυτόχρονοι και αλληλένδετοι αλλά επιδιώκονται σε διαφορετικές πολιτικές ατζέντες και με διαφορετικούς ρυθμούς και προτεραιότητες ανά τον κόσμο.
Εικόνα 2. Δημιουργώντας έξυπνα εργοστάσια τμήματα του ενεργειακού συστήματος (Πηγή: UNIDO (2017). Accelerating clean energy through Industry 4.0: manufacturing the next revolution. Nagasawa, T., Pillay, C., Beier, G., Fritzsche, K., Pougel, F., Takama, T., The, K., Bobashev, I. A report of the United Nations Industrial Development Organization, Vienna, Austria.).Τα τελευταία χρόνια, η ψηφιοποίηση των ενεργειακών συστημάτων έχει λάβει μεγάλη έκταση. Εξελίξεις στις τεχνολογίες της πληροφορίας και των επικοινωνιών, διάδοση της πρόσβασης στο διαδίκτυο και μέσω κινητών τηλεφώνων και η ανάπτυξη της τεχνολογίας blockchain έδωσαν ευκαιρίες για νέες προσεγγίσεις και επιχειρηματικά μοντέλα που μπορούν να επιφέρουν σημαντικές επιπτώσεις στον ενεργειακό τομέα.
Οι ψηφιακές τεχνολογίες θα μπορούσαν να προσφέρουν λύσεις στις προκλήσεις της ενσωμάτωσης της ανανεώσιμης ενέργειας πηγές σε μικρά και μεγάλα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας που απαιτούν νέες προσεγγίσεις στη διαχείριση του δικτύου.
Τα αποκαλούμενα έξυπνα δίκτυα που εξυπηρετούν το σκοπό αυτό. Ο όρος αναφέρεται σε δίκτυα που αξιοποιούν τις δυνατότητες της τεχνολογίας της πληροφορίας και των επικοινωνιών για τη παρακολούθηση και την αποτελεσματική διαχείριση της παραγωγής, της μεταφοράς/διανομής και της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας από διαφορετικές – ενδεχομένως αποκεντρωμένες – πηγές ηλεκτρικής ενέργειας που να ανταποκρίνονται στις μεταβαλλόμενες απαιτήσεις της ηλεκτρικής ενέργειας των τελικών χρηστών.
Τέτοια δίκτυα θα μπορούσαν να παρέχουν την ευελιξία που είναι απαραίτητη για την ενσωμάτωση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως η αιολική και η ηλιακή, στο ηλεκτρικό δίκτυο σε μεγάλη κλίμακα.
Μια άλλη ψηφιακή προσέγγιση που σχετίζεται με την κατανεμημένη παραγωγή ενέργειας είναι τα Virtual Power Plants (VPP-Εικονικοί σταθμοί παραγωγής). Οι VPP είναι ετερογενείς συμμαχίες κατανεμημένων ενεργειακών πόρων, που γενικά αποτελούνται από οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, συστήματα αποθήκευσης, ευέλικτα φορτία και μικρή συμβατική ισχύ που είναι σε θέση να διαπραγματεύονται διμερείς συμβάσεις εκ των προτέρων πριν από τη συμμετοχή τους στον ημερήσιο ενεργειακό προγραμματισμό. Οι VPP συνήθως έχουν κεντρική ή διανεμημένη βάση σε επίπεδο cloud και κάνουν χρήση των συσκευών Internet of Things και άλλων ψηφιακών τεχνολογιών.
Aπό αναλύσεις και προσομοιώσεις που έχουν πραγματοποιηθεί εξάγεται το συμπέρασμα ότι ο συνδυασμός των VPP θα επιτρέψει την αποκλειστική χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο μέλλον. Οι μεγάλες βιομηχανίες έχουν ήδη αναλάβει την ανάπτυξη λύσεων για εικονικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής (cloud-based energy management).
Ο συνδυασμός των δύο τάσεων, της βιώσιμης ενέργειας και της βιομηχανίας 4.0, είναι μια νέα προσέγγιση. Ωστόσο, υπάρχουν αρκετές ευκαιρίες για το πώς μπορούν να ενσωματωθούν οι έννοιες της αειφόρου ενέργειας σε ένα ψηφιακό εργοστάσιο. Απαιτείται σύνδεση των λειτουργικών δεδομένων του εργοστασίου με το ενεργειακό σύστημα για τον εντοπισμό του σημερινού επιπέδου ανανεώσιμης ενέργειας σε αυτό ή της τιμής της αγοράς έτσι ώστε η παραγωγή ενέργειας και η κατανάλωση ενέργειας να μπορούν να συγκλίνουν.
Ορισμένες από αυτές τις προσεγγίσεις μπορούν να υπαχθούν στην κατηγορία της αποθήκευσης ενέργειας. Oι δυνατότητες ενεργειακής αποθήκευσης είναι πολύ σημαντικές για την εξασφάλιση ασφάλειας προμήθειας και ευελιξίας του δικτύου. Η αποθήκευση επιτρέπει επίσης την αποτελεσματικότερη χρήση της υπάρχουσας υποδομής, ενδεικτικά, μειώνοντας τα φορτία αιχμής.
Για μερικές βιομηχανίες με υψηλά θερμικά φορτία ή διαδικασίες με ατμό στην παραγωγή τους, η έννοια Power–to–Heat (ισχύς σε θερμότητα) μπορεί να έχει ιδιαίτερη σημασία. Το Power-to-Heat ουσιαστικά σημαίνει ότι το πλεόνασμα της ανανεώσιμης και της χαμηλής κόστους ενέργειας μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια (π.χ. ατμός) που μπορούν να αποθηκευτούν ή να χρησιμοποιηθούν απευθείας (συνήθως αντικαθιστώντας προσωρινά τη θέρμανση με φυσικό αέριο/πετρέλαιο).
Μια παρόμοια προσέγγιση, η οποία αναπτύσσεται επί του παρόντος στην Ευρώπη, είναι η Power–to–Gas. Εδώ το πλεόνασμα ανανεώσιμης ενέργειας χρησιμοποιείται για την παραγωγή αερίου – συνήθως μεθανίου ή υδρογόνου. Η απόδοση του Power-to-Heat είναι υψηλότερη σε σχέση με το Power-to-Gas, αλλά η τελευταία έχει δύο μεγάλα πλεονεκτήματα: μπορεί να χρησιμοποιηθεί για αποθήκευση σε μεγάλη κλίμακα και το αέριο μπορεί εύκολα να μετατραπεί ξανά σε ηλεκτρισμό αργότερα. Το concept Power-to-Gas μπορεί να είναι μια ιδιαίτερα κατάλληλη επιλογή τα λίγα εργοστάσια με υπάρχουσα υποδομή υδρογόνου.
Η απόκριση ζήτησης (demand response) είναι μια ιδέα που αντιμετωπίζει τη χρονική ευελιξία της κατανάλωσης ενέργειας, γι ‘αυτό το λόγο η Power-to-Heat θεωρείται επίσης ως προσέγγιση απόκρισης ζήτησης. H απόκριση ζήτησης μπορεί να χαρακτηριστεί ως περικοπή φορτίου, αύξηση φορτίου και μετατόπιση φορτίου. Στη βιομηχανία είναι ιδιαίτερα σημαντικό για την ευέλικτη, αλλά και τις ενεργοβόρες διαδικασίες (όπως η χημική ηλεκτρόλυση). Ο γενικός στόχος είναι οι φάσεις παραγωγής να συμβαδίζουν χρονικά με τη διαθεσιμότητα της φθηνής ηλεκτρικής ενέργειας στην αγορά ενέργειας (λόγω πλεονάσματος ανανεώσιμων πηγών ενέργειας) όποτε είναι δυνατόν.
Όλες οι προαναφερθείσες προσεγγίσεις μπορούν να συμβάλουν στην προώθηση της καθαρής ενέργειας στο βιομηχανικό τομέα.
Εικόνα 3. Βιομηχανική παραγωγή όταν η ενέργεια είναι φθηνή. (Πηγή: Sauer, A. 2015. “Energieeffizienz und Industrie 4.0 – Energieeffizienz durch Digitalisierung in der Prozessindustrie: Chancen und Herausforderungen.” Innovationsforum Energiewende. Available at: http:// publica.fraunhofer.de/eprints/urn_nbn_ de_0011-n-3703827.pdf)Το νέο κύμα βιομηχανικής επανάστασης, που συχνά αναφέρεται ως βιομηχανία 4.0 ή 4η βιομηχανική επανάσταση, αναμένεται να έχει σημαντικό αντίκτυπο στις βιομηχανίες, τις οικονομίες και τα πρότυπα του τρόπου ζωής σε όλο τον κόσμο. Αυτή η διαδικασία περικλείει τη σύγκρουση του φυσικού κόσμου της βιομηχανικής παραγωγής με τον ψηφιακό κόσμο της τεχνολογίας των πληροφοριών.
Η διασύνδεση και η ευελιξία των τεχνολογιών της βιομηχανίας 4.0 θα μπορούσε να συνεπάγεται διάφορες ευκαιρίες για τη στήριξη της μετάβασης σε βιώσιμα ενεργειακά συστήματα. Οι ψηφιακές τεχνολογίες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτιστοποίηση της παραγωγής και να βελτιώσουν την ενεργειακή τους αποδοτικότητα.
Επιπλέον, η βιομηχανία 4.0 θα μπορούσε να ανοίξει νέα ευκαιρίες για την ενθάρρυνση της ανάπτυξης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, π.χ. όταν οι εταιρείες να εναρμονίσουν τους κύκλους παραγωγής τους με τους χρόνους παραγωγής των ΑΠΕ ώστε να εναρμονίζεται καλύτερα η παραγωγή με τη κατανάλωση ενέργειας. Με αυτόν τον τρόπο, η βιομηχανία 4.0 μπορεί να βοηθήσει στην αντιμετώπιση των σημαντικών διακυμάνσεων της ενέργειας στη διάρκεια του 24ώρου.
Η αειφορία είναι σπάνια ο πρωταρχικός στόχος για τη βελτιστοποίηση των βιομηχανικών παραγωγικών διαδικασιών, αλλά μάλλον μια ωφέλιμη παρενέργεια. Μια πιο συνειδητή προσέγγιση στη δημιουργία συνεργιών μεταξύ της Ι 4.0 και της καθαρής ενέργειας θα μπορούσε να προωθήσει την αξιοποίηση ακόμη ανεκμετάλλευτων πλεονεκτημάτων.
Άρθρο του Κ. Γκαράκη – Ενεργειακού Μηχανικού, MSc, MA
