Wykorzystanie elektryfikacji i automatyki do tworzenia sprawniejszych i bardziej zrównoważonych sieci energetycznych - część pierwsza z dwóch

Terminem „elektryfikacja” określa się zastępowanie tradycyjnych źródeł zasilania w sieciach energetycznych przez zrównoważone, ekologiczne źródła energii. W tym artykule, który stanowi część 1 z 2, omówiono niektóre wyzwania związane z elektryfikacją oraz sposób, w jaki automatyka może przyczynić się do zwiększania jej sprawności i zrównoważonego rozwoju. W części 2 tej serii omówione zostaną certyfikaty LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) i ZEB (Zero Energy Building) oraz sposób, w jaki mogą one zmniejszyć emisję dwutlenku węgla i przysłużyć się zrównoważonemu rozwojowi.

Elektryfikacja polega na zastąpieniu systemów wykorzystujących do generowania energii elektrycznej takie paliwa kopalne, jak ropa naftowa, węgiel i gaz ziemny, fotowoltaiką (PV) i innymi zielonymi technologiami oraz na zastąpieniu pojazdów z silnikami spalinowymi (ICE) pojazdami elektrycznymi (EV). Systemy zelektryfikowane, a także automatyka, która łączy je wszystkie i wspiera inteligentne sieci i mikrosieci, są ważnymi czynnikami kierującymi społeczeństwo w stronę bardziej zrównoważonej i ekologicznej przyszłości.

Dzisiejsza sieć elektroenergetyczna nie została zaprojektowana do ładowania dużej liczby pojazdów elektrycznych, a przewiduje się, że inteligentne sieci i mikrosieci będą kluczowymi technologiami niezbędnymi do wspierania powszechnego zastępowania pojazdów spalinowych pojazdami elektrycznymi. Gubernator Kalifornii wydał niedawno rozporządzenie, zgodnie z którym do 2035 r. wszystkie nowe samochody osobowe i lekkie samochody dostawcze mają być pojazdami o zerowej emisji (EV). Deweloperzy inteligentnych sieci i mikrosieci muszą spełnić szereg międzynarodowych standardów, aby sprostać tego rodzaju wymaganiom. Na przykład Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników (IEEE) posiada ponad 100 zatwierdzonych lub opracowywanych norm związanych z sieciami inteligentnymi, w tym ponad 20 norm IEEE wymienionych w ramach i planie działania na rzecz interoperacyjności sieci inteligentnych amerykańskiego Narodowego Instytutu Nauki i Technologii (NIST). Oprócz norm IEEE mikrosieci podlegają szeregowi norm IEC 62898, dotyczących mikrosieci i innym normom.

Ten artykuł jest pierwszą z dwóch części. Analizuje on wyzwania związane z wdrażaniem elektryfikacji, integracją rozproszonych zasobów energetycznych (DER), podobieństwami i różnicami między sieciami inteligentnymi a mikrosieciami oraz sposobem, w jaki automatyka zwiększa ich sprawność i zrównoważony rozwój, w tym wspieranie powszechnego zastosowania pojazdów elektrycznych. Rozpoczyna się od zbadania, czym są rozproszone zasoby energetyczne (DER) i gdzie znajdują swoje zastosowania, a kończy się analizą tego, w jaki sposób pojawienie się mikrosieci użyteczności publicznej zaciera różnice między mikrosieciami a sieciami inteligentnymi. Niezależnie od sposobu wdrażania, firma DigiKey dostarcza szeroką gamę produktów automatyki przemysłowej, które wspierają elektryfikację i integrację rozproszonych zasobów energetycznych (DER). Drugi artykuł analizuje, w jaki sposób elektryfikacja i automatyka mogą być wykorzystywane w ekologicznych budynkach w celu uzyskania certyfikatów Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) oraz Zero Energy Building (ZEB).

Czym są rozproszone zasoby energetyczne (DER)?

Definicja North American Electric Reliability Corporation (NERC) brzmi: „rozproszone zasoby energetyczne (DER) to dowolne zasoby w systemie dystrybucyjnym, które wytwarzają energię elektryczną i nie są w inny sposób uwzględnione w formalnej definicji NERC dotyczącej zbiorczego systemu elektroenergetycznego”.

Termin „system dystrybucyjny” w Ameryce Północnej odnosi się do linii elektrycznych o napięciu do 34,5kV, które zazwyczaj biegną od podstacji do użytkowników końcowych. Zbiorczy system energetyczny (BPS) obejmuje linie dochodzące do podstacji, które często przenoszą napięcie powyżej 100kV na duże odległości, łącząc wielkoskalowe obiekty zbiorczego wytwarzania energii elektrycznej z zasobami połączeń międzysystemowych i z podstacjami (ilustracja 1).

Ilustracja 1: rozproszone zasoby energetyczne (DER) znajdują się w systemie dystrybucyjnym (kolor niebieski). Inne zasoby energii odnawialnych znajdują się w zbiorczym systemie energetycznym (kolor zielony). (Źródło obrazu: NERC)

Rozproszone zasoby energetyczne (DER) to wszelkie niemasowe zasoby systemowe, w tym jednostki wytwórcze, takie jak turbiny wiatrowe, instalacje fotowoltaiczne, jednostki magazynowania energii, większość bateryjnych systemów magazynowania energii (BESS), ładowarki baterii pojazdów elektrycznych - zwane również urządzeniami do obsługi pojazdów elektrycznych (EVSE) - oraz mikrosieci. Rozproszone zasoby energetyczne (DER) znajdują się zarówno za licznikiem, jak i bezpośrednio w systemie dystrybucyjnym. Rozproszone źródła energii (DER) za licznikiem obejmują panele fotowoltaiczne, bateryjne systemy magazynowania energii (BESS), podłączane do sieci pojazdy elektryczne (EV) i rezerwowe źródła zasilania, takie jak duże instalacje generatorów dieslowskich w ośrodkach przetwarzania danych i innych obiektach. Mikrosieci są szczególnym rodzajem rozproszonych zasobów energetycznych (DER).

Sieci inteligentne, mikrosieci i elektryfikacja

Mikrosieci są rozproszonymi zasobami energetycznymi (DER), ale nie wszystkie zasoby DER są mikrosieciami. Z perspektywy zbiorczych systemów elektroenergetycznych, terminy mikrosieć i rozproszone zasoby energetyczne (DER) odnoszą się do zasobów związanych z wytwarzaniem i magazynowaniem energii. Termin sieć inteligentna odnosi się do technologii komunikacji i sterowania wykorzystywanych przez zbiorcze systemy elektroenergetyczne (BPS) w celu zapewnienia odpornego i sprawnego działania. Innym czynnikiem różnicującym jest to, że mikrosieci obejmują zasoby wytwarzające i magazynujące, a także odbiorniki. Sieć inteligentna składa się głównie z zasobów wytwarzających, z pewną ilością zasobów magazynujących, ale bez odbiorników. Sieć inteligentna może komunikować się z odbiornikami, ale są one oddzielone od sieci.

Elektryfikacja oddziałuje na mikrosieci, zbiorcze systemy elektroenergetyczne (BPS) i sieci inteligentne na różne sposoby. W zbiorczych systemach elektroenergetycznych (BPS) elektryfikacja jest dodawana do istniejącej sieci i jeśli nie będzie właściwie zarządzana, może mieć niezamierzone negatywne konsekwencje operacyjne. Właśnie tu z pomocą przychodzi technologia sieci inteligentnych.

Dwukierunkowa komunikacja i sterowanie są głównym wyróżnikiem sieci inteligentnych. Wspomniane systemy sterowania zawierają czujniki monitorujące stabilność sieci i zaawansowane liczniki monitorujące zapotrzebowanie na energię elektryczną. Wykorzystują również różnorodne sterowane urządzenia przełączające i zapewniające jakość energii w celu zarządzania przepływami energii elektrycznej. Czujniki mają kluczowe znaczenie dla umożliwienia większej penetracji go przenikania odnawialnych źródeł energii (RE) i elektryfikacji do zbiorczych systemów elektroenergetycznych (BPS) oraz zapewnienia stabilności sieci. Ponadto czujniki i elementy sterujące umożliwiają szybsze i skuteczniejsze reagowanie na zaburzenia mocy oraz umożliwiają równoważenie i zabezpieczanie sieci energetycznej, zwłaszcza w okresach szczytowego zapotrzebowania i przy zmiennej dostępności odnawialnych źródeł energii. Technologie sieci inteligentnych wspierają również koordynację i integrację mikrosieci z systemem dystrybucyjnym i zbiorczym systemem elektroenergetycznym (BPS).

Z drugiej strony, mikrosieci są projektowane z myślą o technologiach elektryfikacji, takich jak źródła energii odnawialnej, bateryjne systemy magazynowania energii (BESS) i pojazdy elektryczne (EV). Mikrosieci i sieci inteligentne wymagają automatyki sterowania, w tym systemu zarządzania rozproszonymi zasobami energetycznymi (DERM).

Systemy zarządzania rozproszonymi zasobami energetycznymi (DERM) są niezbędne

Systemy zarządzania rozproszonymi zasobami energetycznymi (DERM) i automatyka są definiowane oraz wdrażane w inny sposób w sieciach inteligentnych i mikrosieciach. Sieci inteligentne obejmują zróżnicowane źródła wytwarzania i użytkowników energii elektrycznej rozrzuconych na dużym obszarze z centrum sterowania do zarządzania siecią (ilustracja 2). Zarządzanie siecią jest kluczowym pojęciem sterowania siecią inteligentną w ramach zbiorczego systemu elektroenergetycznego (BPS). Istniejące zbiorcze systemy energetyczne (BPS) zostały zaprojektowane i zbudowane zanim pojawiła się potrzeba wsparcia elektryfikacji i mogą działać w sposób zawodny, ponieważ dyspozycyjne (kontrolowane) wytwarzanie energii z paliw kopalnych jest coraz częściej zastępowane przez nieprzewidywalne (a zatem mniej kontrolowane) źródła energii odnawialnych. Ponadto ładowanie dużej liczby pojazdów elektrycznych będzie w większości podlegać kontroli dyspozytorni mocy, a zatem również kontroli ze strony przedsiębiorstwa energetycznego. Scentralizowana, zautomatyzowana kontrola, możliwa dzięki technologii sieci inteligentnych jest potrzebna do kompensacji faktu, że źródła energii odnawialnej wykorzystywane do elektryfikacji i ładowania pojazdów elektrycznych nie są tak przewidywalne, jak konwencjonalne elementy sieci energetycznej.

Ilustracja 2: sieć inteligentna opiera się na automatycznych kontrolerach i systemach zarządzania rozproszonymi zasobami energetycznymi (DERM) do zarządzania siecią w czasie rzeczywistym. (Źródło ilustracji: ETAP)

Kontrolery sieci inteligentnych i mikrosieci potrzebują informacji z różnych czujników do monitorowania podłączonych zasobów w czasie rzeczywistym. Wraz z pojawieniem się pojazdów elektrycznych (EV) i urządzeń do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE), kontrolery są również wykorzystywane do zarządzania zapotrzebowaniem na moc ładowania i mogą wykorzystywać układ komunikacyjny pojazd-sieć (V2G) do koordynowania podłączania pojazdów elektrycznych do sieci lub mikrosieci w celu zapewnienia przyrostowej pojemności magazynowania energii.

Oprócz monitorowania stanu podłączonych zasobów, kontrolery przeznaczone dla mikrosieci podłączonych do sieci energetycznej muszą również monitorować stan lokalnej sieci energetycznej. Aparatura rozdzielcza jest istotnym komponentem sieci inteligentnych oraz mikrosieci i musi reagować w ciągu milisekund, aby zapewnić niezawodne działanie. Moce aparatury rozdzielczej wahają się od kilku kilowatów (kW) dla małych mikrosieci do wielu megawatów (MW) dla dużych mikrosieci i sieci energetycznej. W przypadku małych mikrosieci aparatura rozdzielcza i kontroler mogą znajdować się w tej samej szafie, co obniża koszty i przyspiesza instalację. Systemy zarządzania rozproszonymi zasobami energetycznymi (DERM) dla sieci inteligentnych i mikrosieci obejmują inteligentny pomiar produkcji i zużycia energii, który jest wykorzystywany przez analitykę opartą na chmurze, w celu zmaksymalizowania korzyści ekonomicznych z rozproszonych zasobów energetycznych (DER) i wspierania wysokiego poziomu odporności. Architektura systemów zarządzania rozproszonymi zasobami energetycznymi (DERM) może się różnić dla różnych mikrosieci.

Odmiany mikrosieci

Mikrosieci można klasyfikować według ich zastosowań i architektury. Występują trzy architektury mikrosieci: sieci odległe, połączone w sieć i podłączone do sieci energetycznej. Mikrosieci odległe znajdują się w miejscach takich jak wyspy lub odległe zakłady górnicze i gospodarstwa rolne. Są one również nazywane mikrosieciami bez połączenia z siecią energetyczną i są fizycznie oddzielone od jakiejkolwiek zbiorczej sieci energetycznej (BPS). Muszą być całkowicie samowystarczalne.

Mikrosieci połączone w sieć lub zagnieżdżone mikrosieci to sieci złożone z kilku indywidualnych rozproszonych zasobów energetycznych (DER) lub mikrosieci podłączonych do wspólnego, publicznego systemu dystrybucji. Zazwyczaj są one kontrolowane przez scentralizowany układ nadzorujący, który równoważy potrzeby działania mikrosieci z obsługą szerszej sieci energetycznej. Kontroler często przypisuje hierarchię ważności do mikrosieci i rozproszonych zasobów energetycznych (DER), aby zapewnić ochronę najważniejszym elementom. Zastosowania dla mikrosieci połączonych w sieć obejmują mikrosieci lokalnych społeczności, miasta inteligentne i wyłaniającą się kategorię mikrosieci użyteczności publicznej.

Mikrosieci połączone w sieć są podkategorią mikrosieci podłączonych do sieci energetycznej. Wszystkie mikrosieci podłączone do sieci energetycznej są fizycznie połączone z siecią dystrybucyjną i posiadają urządzenie przełączające we wspólnym punkcie połączenia z siecią publiczną (PCC), gdzie następuje połączenie z siecią dystrybucyjną. Podczas normalnej pracy mikrosieć podłączona do sieci energetycznej pozostaje podłączona do sieci dystrybucyjnej. Może ona świadczyć usługi dla sieci energetycznej, takie jak regulacja częstotliwości i napięcia, obsługa mocy czynnej i biernej oraz reagowanie na zapotrzebowanie w celu przeciwdziałania ograniczeniom wydajności.

W trybie pracy wyspowej mikrosieć nie jest podłączona do sieci dystrybucyjnej. Przejście na pracę wyspową może wystąpić z powodu zakłóceń w sieci dystrybucyjnej lub ze względu na inne potrzeby, takie jak konserwacje. Podczas przejścia z pracy wyspowej do pracy podłączonej do sieci energetycznej, omawiane mikrosieci muszą zmierzyć częstotliwość sieci dystrybucyjnej i zsynchronizować działanie przed ponownym podłączeniem.

Istnieje wiele zastosowań mikrosieci, na przykład w kampusach, szpitalach i centrach medycznych, instalacjach komercyjnych, lokalnych społecznościach i obiektach przemysłowych. Najnowszą kategorią zastosowań są mikrosieci użyteczności publicznej (ilustracja 3).

Ilustracja 3: mikrosieci często dzielą się na kategorie odpowiadające ich zastosowaniom. (Źródło ilustracji: Siemens)

Zacieranie granicy

Pojawiają się mikrosieci użyteczności publicznej, które zacierają linię podziału między sieciami inteligentnymi i mikrosieciami. W tym procesie definicja DER zmienia się z rozproszonych zasobów energetycznych na dedykowane zasoby energetyczne. Mikrosieci użyteczności publicznej zostały zaprojektowane w celu ograniczenia zaników zasilania spowodowanych ekstremalnymi zjawiskami pogodowymi, pożarami lasów i innymi nieprzewidzianymi wyzwaniami. W istniejących architekturach sieci, duże fragmenty sieci są odłączane od zasilania w celu zapewnienia bezpieczeństwa podczas ekstremalnych zdarzeń.

Ważnym i niekorzystnym oddziaływaniem tych nieplanowanych i rozległych zaników zasilania jest zniechęcenie do korzystania z pojazdów elektrycznych. Mikrosieci użyteczności publicznej są postrzegane jako klucz do upowszechnienia pojazdów elektrycznych. Mikrosieci użyteczności publicznej są proponowane i wdrażane w całych Stanach Zjednoczonych. Na przykład firma Southern California Edison (SCE) zaproponowała rozwój bezpiecznych mikrosieci publicznych na wypadek odcięcia dostaw prądu, aby pomóc w utrzymaniu dostępności energii elektrycznej w jak najszerszym zakresie podczas pożarów lasów. Inne zakłady energetyczne określają nową architekturę sieci mianem mikrosieci społeczności lokalnych (ilustracja 4).

Ilustracja 4: mikrosieci użyteczności publicznej mogą obejmować szeroki zakres zasobów rozrzuconych na stosunkowo rozległych obszarach geograficznych i zacierać granicę między tradycyjnymi mikrosieciami a sieciami inteligentnymi. (Źródło ilustracji: Edison International)

Zdolność mikrosieci użyteczności publicznej do pracy wyspowej jest kluczem do poprawy dostępności energii elektrycznej na bardziej lokalnym poziomie, niż jest to obecnie możliwe. Przewiduje się, że mikrosieci będą wdrażane w szerokim zakresie rozmiarów, od kompletnych wspólnot mieszkaniowych po miejsca publiczne, w tym szkoły i inne strategiczne lokalizacje, takie jak remizy strażackie, placówki medyczne i centra ewakuacyjne. Urządzenia do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE) są kluczową częścią projektów większości omawianych mikrosieci lokalnych. Zgodnie z założeniami, urządzenia do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE) będą wspierać podłączanie pojazdów elektrycznych do sieci energetycznej jako dodatkowych źródeł zasilania rezerwowego, a także w celu ładowania pojazdów elektrycznych.

Podsumowanie

Elektryfikacja jest niezbędna do zapewnienia bardziej zrównoważonych sieci energetycznych i ograniczenia emisji CO₂. Wiele technologii elektryfikacji, takich jak energia fotowoltaiczna i pojazdy elektryczne, nie jest tak przewidywalnych, jak tradycyjne zasoby, które są przez nie zastępowane. Oznacza to, że elektryfikacja musi być wspierana przez zaawansowane sieci czujników i zautomatyzowane systemy sterowania w sieciach inteligentnych i mikrosieciach.