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

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

Certyfikaty Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) oraz Zero Energy Building (ZEB) stanowią potwierdzenie znaczących wysiłków wspierających dążenie społeczeństwa do ograniczenia emisji dwutlenku węgla i poprawy zrównoważonego rozwoju. Uzyskanie certyfikatów LEED oraz ZEB wymaga całościowego podejścia, które łączy elektryfikację, zastępującą systemy energetyczne oparte na paliwach kopalnych ekologicznymi alternatywami, takimi jak fotowoltaika (PV) i pojazdy elektryczne (EV), z zaawansowanymi systemami automatyki i sterowania.

Program LEED amerykańskiej Rady ds. Budownictwa Ekologicznego (USGBC) obejmuje dekarbonizację istniejących budynków i nowego budownictwa. Działania ZEB są koordynowane przez Biuro ds. Sprawności Energetycznej i Energii Odnawialnej (EERE) Departamentu Energetyki Stanów Zjednoczonych. Uzyskanie certyfikatów LEED i ZEB wymaga od architektów i wykonawców nowego podejścia do projektowania, budowy i eksploatacji budynków. W porównaniu z certyfikatem ZEB, który koncentruje się wyłącznie na zużyciu energii, LEED jest bardziej ekspansywną koncepcją, która uwzględnia emisję dwutlenku węgla, energię, wodę, odpady, transport, materiały, zdrowie i jakość środowiska w pomieszczeniach zamkniętych.

Ten drugi z dwóch artykułów na temat elektryfikacji i zrównoważonego rozwoju rozpoczyna się od przyjrzenia się poziomom certyfikacji LEED oraz ZEB, a także wymaganiom koniecznym dla uzyskania tych certyfikatów przez budynki komercyjne i przemysłowe, jak również porównaniu kilku definicji ZEB. Następnie szczegółowo opisano przykładowy sposób, w jaki firma Phoenix Contact wykorzystała automatykę i wytwarzanie energii elektrycznej z fotowoltaiki na miejscu, aby uzyskać certyfikaty LEED Silver i ZEB dla dodatkowego obiektu o powierzchni 70 tysięcy stóp kwadratowych (ok. 6500m2.) na terenie głównego kampusu, a także w jaki sposób niektóre własne produkty firmy przyczyniły się do sukcesu projektu (ilustracja 1). Artykuł kończy się rzutem oka na to, jak budynki z certyfikatem LEED mogą przyczyniać się do osiągnięcia celów zrównoważonego rozwoju, stawianych przez Organizację Narodów Zjednoczonych.

Ilustracja 1: fotowoltaiczna produkcja energii na dachu była kluczowym czynnikiem umożliwiającym zakładowi firmy Phoenix Contact uzyskanie certyfikatów LEED Silver i ZEB. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Wszechstronny certyfikat LEED

LEED to rozbudowany system, który uwzględnia wszystkie elementy potrzebne do tworzenia budynków o wysokich parametrach działania. Certyfikaty LEED opierają się na punktach przyznanych projektowi na podstawie szczegółowych kryteriów dotyczących jego parametrów działania. Kategorie parametrów i ich względna ważność (od najważniejszych do najmniej ważnych) to ¹:

• Zmniejszenie udziału w globalnej zmianie klimatu.
• Poprawa zdrowia osób
• Ochrona i przywracanie zasobów wodnych.
• Ochrona i poprawa różnorodności biologicznej i usług ekosystemowych.
• Promowanie zrównoważonych i regeneracyjnych cykli materiałowych.
• Poprawa jakości życia społeczności.

Najważniejsze kryteria, zmniejszające udział w globalnych zmianach klimatycznych, odpowiadają za 35% wszystkich punktów. Poziomy certyfikacji LEED obejmują certyfikat standardowy (Certified, 40-49 punktów), poziom srebrny (Silver, 50-59 punktów), złoty (Gold, 60-79 punktów) i platynowy (Platinum, 80 i więcej punktów).

W najnowszej wersji 4.1 certyfikacji LEED, większość punktów dotyczy śladu węglowego operacyjnego i wbudowanego. Ślad węglowy operacyjny to emisje dwutlenku węgla (CO2) wytwarzane przez ogrzewanie, wentylację i klimatyzację (HVAC), oświetlenie oraz inne energochłonne systemy budynku. Ślad węglowy wbudowany to emisje związane z produkcją materiałów budowlanych i procesami budowy budynków w całym cyklu istnienia budynku.

Certyfikacja LEED jest ważna w kształtowaniu bardziej ekologicznego społeczeństwa. Budynki odpowiadają za 39% globalnych emisji CO₂, z czego 28% pochodzi z eksploatacji budynków, a 11% z emisji wbudowanych (ilustracja 2). Ponieważ sektor budowlany w największym stopniu przyczynia się do globalnej emisji CO₂, opracowano również specjalne programy zachęcające do rozwoju budynków o zerowym zużyciu energii.

Ilustracja 2: eksploatacja budynków plus materiały i proces budowy to główne czynniki globalnej produkcji CO₂. (Źródło ilustracji: New Buildings Institute)

Definicja zera

Zerowa energia to z pozoru prosta koncepcja, ale ma kilka definicji. Trzy najczęściej przytaczane to program LEED Zero Energy, definicja Zero Energy opracowana przez International Living Future Institute (ILFI) oraz Zero Code Renewable Energy Procurement Framework (Zero Code) - inicjatywa organizacji Architecture 2030, która została przyjęta jako kalifornijski standard energetyczny budynków. Istnieją znaczne różnice w sposobie definiowania „zera”.

Aby uzyskać certyfikat LEED Zero Energy, budynek musi przez 12 miesięcy mieć zerowy bilans energetyczny, który obejmuje energię wytwarzaną na miejscu i energię zewnętrzną (pozyskiwaną). Spalanie paliw kopalnych na miejscu nie jest zabronione. Całkowite zużycie energii musi obejmować energię odnawialną wytwarzaną na miejscu lub zewnętrznie, lub kompensację emisji dwutlenku węgla.

Certyfikat ILFI Zero Energy jest najbardziej restrykcyjnym standardem. Wymaga on zainstalowania na miejscu źródeł odnawialnych, które pokryją 100% zapotrzebowania budynku na energię. Zabrania się spalania paliw kopalnych, a certyfikacja opiera się na rzeczywistych parametrach działania. Nie dopuszcza się modelowania.

Standard Zero Code jest ukierunkowany szczególnie na nowe budynki komercyjne, instytucjonalne oraz budynki mieszkalne o średniej i dużej wysokości. Definiuje on budynek o zerowej emisji dwutlenku węgla jako taki, który nie wykorzystuje na miejscu paliw kopalnych i produkuje na miejscu lub pozyskuje wystarczającą ilość bezemisyjnej energii odnawialnej lub prawa do emisji, aby zaspokoić operacyjne potrzeby energetyczne budynku. Standard Zero Code wymaga również, aby budynki spełniały normę ASHRAE 90.1-2019 dotyczącą sprawności budynków. Zero Code pozwala na zastosowanie innych standardów efektywności energetycznej, jeżeli skutkują one równą lub wyższą sprawnością energetyczną.

Zastosowanie LEED - wzór do naśladowania

Firma Phoenix Contact zainstalowała niedawno system fotowoltaiczny o mocy 961kW na dachu centrum logistycznego na głównym kampusie firmy w USA. System wytwarza energię wystarczającą do zaspokojenia około 30% zapotrzebowania obiektu, co odpowiada zużyciu energii przez około 160 domów rocznie. Budynek uzyskał certyfikację LEED Silver i Zero Energy.

Zlokalizowany na miejscu system kogeneracji z opalaną gazem ziemnym mikroturbiną o mocy 1MW został zintegrowany z systemem fotowoltaicznym. Centralny system sterowania energią monitoruje w czasie rzeczywistym wydajność instalacji fotowoltaicznej i zużycie energii w budynku. Generator mikroturbinowy jest używany, gdy całkowite zapotrzebowanie na energię przekracza moc wyjściową systemu fotowoltaicznego. Zdarzają się sytuacje, w których system fotowoltaiczny i mikroturbina są wykorzystywane jednocześnie do dostarczania energii elektrycznej do sieci w systemie „net metering”, co przynosi firmie dochód.

System zaprojektowano tak, aby ograniczał zużycie gazu ziemnego w czasie dostępności światła dziennego i uruchamiał generator mikroturbinowy głównie w nocy, maksymalizując ogólną sprawność energetyczną i minimalizując całkowite wytwarzanie CO₂. W niektóre dni możliwe jest zmniejszenie zużycia gazu ziemnego niemal do zera. Oto niektóre dane statystyczne systemu fotowoltaicznego:

• 2185 paneli słonecznych
• Produkcja roczna 1.214.235kWh
• Redukcja śladu CO₂ około 880 ton (1.939.279 funtów)

Ciągłe monitorowanie i sterowanie poszczególnymi segmentami systemu fotowoltaicznego w tak dużych instalacjach jest niezbędne do osiągnięcia maksymalnej sprawności i dostępności produkcji energii.

Do działania automatyka wymaga informacji

Skuteczna automatyka i sterowanie systemami elektryfikacji, takimi jak instalacje fotowoltaiczne, wymaga obszernych i możliwych do wykorzystania informacji. Monitorowanie w czasie rzeczywistym każdego stringu paneli fotowoltaicznych maksymalizuje produkcję i wspiera konserwację zapobiegawczą. Jeżeli string niespodziewanie ulegnie awarii, można stracić tysiące kW mocy, co pociąga za sobą wymierne straty pieniężne.

System fotowoltaiczny o mocy 961kW na głównym kampusie firmy Phoenix Contact w USA zawiera dwanaście przemienników obsługujących po sześć stringów paneli fotowoltaicznych zasilających każdy z nich i obejmuje szereg produktów firmy, jak na przykład liczniki energii EMpro drugiej generacji 2908286 do montażu tablicowego. Liczniki te przeznaczone są do pomiaru kluczowych parametrów energii i przesyłania ich do platform chmurowych, które umożliwiają zdalne monitorowanie wszystkich elementów systemu. Liczniki energii EMpro są dostępne dla różnych wersji systemów elektroenergetycznych, w tym dla instalacji i konfiguracji jedno-, dwu- i trójfazowych. System monitoruje w czasie rzeczywistym wiele elementów systemu i warunków pracy, m.in.:

• Przemienniki są indywidualnie monitorowane pod kątem mocy wejściowej prądu stałego, mocy wyjściowej prądu zmiennego, mocy czynnej i biernej, usterek i statusu operacyjnego.
• Każdy string fotowoltaiczny jest monitorowany pod kątem prądu i napięcia wyjściowego. Dane te są oceniane w celu określenia kondycji stringów i ewentualnych potrzeb w zakresie konserwacji.
• Temperatury paneli są monitorowane za pomocą licznych czujników rozmieszczonych w całej instalacji.
• Gromadzone są informacje o warunkach pogodowych, takich jak prędkość i kierunek wiatru, temperatura, wilgotność względna i ciśnienie powietrza.
• Irradiancja słoneczna mierzona jest za pomocą dwóch piranometrów, jednego ustawionego pod kątem 10 stopni, odpowiadającym kątowi montażu paneli i jednego zainstalowanego poziomo.
• Czujniki zabrudzenia mierzą utratę światła spowodowaną kurzem i brudem na powierzchni paneli fotowoltaicznych.
• Kamery zapewniają monitoring bezpieczeństwa systemu.

System potrzebuje również rejestratorów danych i interfejsów. Przykładowo bezprzewodowe moduły Radioline firmy, takie jak model 2901541, komunikują się bezprzewodowo z czujnikami temperatury i zabrudzenia modułu fotowoltaicznego za pomocą protokołu RS-485 bez użycia kabli. W innych przypadkach do jednoczesnego przesyłania zasilania i danych wykorzystuje się technologię zasilania przez Ethernet (PoE). Ochronę przed włamaniami zapewniają routery zabezpieczające serii FL mGuard 1000, takie jak model 1153079, które zapewniają ochronę firewall i zarządzanie użytkownikami.

Do połączenia tego wszystkiego potrzebny jest kontroler, na przykład przeznaczony do montażu na szynie DIN model 1069208 firmy Phoenix Contact, oparty na jej własnej technologii PLCnext (ilustracja 3). Po sparowaniu z modułem wejścia-wyjścia (I/O), na przykład model 2702783, kontroler agreguje dane z sieci czujników i przesyła je do dostawcy usług w chmurze. Ponadto na komputerze przemysłowym działa oprogramowanie Solarworx firmy Phoenix Contact. Dołączone oprogramowanie narzędziowe i biblioteki obsługują protokoły komunikacyjne oraz standardy stosowane w branży fotowoltaicznej. System umożliwia spersonalizowaną automatykę i wizualizację działania systemu fotowoltaicznego oraz jest kompatybilny z pakietami oprogramowania innych firm, które mogą analizować dane historyczne i dostępne w czasie rzeczywistym w celu optymalizacji parametrów działania. Biblioteki zawierają bloki funkcjonalne spełniające wymagania normy IEC 61131 dla kontrolerów programowanych.

Ilustracja 3: kontroler montowany na szynie DIN odpowiedni do dużych, fotowoltaicznych systemów wytwarzania energii. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Sterowanie wprowadzaniem prądu do sieci energetycznej jest ostatnim elementem układanki elektryfikacji, służącym integracji rozproszonych zasobów energetycznych (DER), takich jak panele fotowoltaiczne, z siecią. Kontrolery PGS firmy Phoenix Contact umożliwiają monitorowanie poziomów napięcia i mocy biernej w punktach przyłączenia do sieci oraz określanie wymaganych wartości regulacyjnych dla przemienników w celu wspomagania zarządzania wprowadzaniem energii do sieci średniego i wysokiego napięcia.

LEED i zrównoważony rozwój

Organizacja Narodów Zjednoczonych (ONZ) określiła 17 celów zrównoważonego rozwoju² (SDG), których zadaniem jest wyeliminowanie światowego ubóstwa do roku 2030. Według USGBC elektryfikacja i automatyka są nieodłącznie związane z budynkami z certyfikatem LEED i mogą przyczynić się do osiągnięcia 11 z 17 celów zrównoważonego rozwoju, w tym:

Cel 3: dobre zdrowie i samopoczucie

Cel 6: czysta woda i udogodnienia sanitarne

Cel 7: przystępna cenowo i czysta energia

Cel 8: promowanie trwałego, włączającego i zrównoważonego wzrostu gospodarczego, pełnego i produktywnego zatrudnienia oraz godnej pracy dla wszystkich

Cel 9: budowanie odpornej infrastruktury, promowanie inkluzywnej i zrównoważonej industrializacji oraz wspieranie innowacji

Cel 10: zmniejszenie nierówności w obrębie krajów i pomiędzy nimi

Cel 11: zrównoważone miasta i społeczności

Cel 12: odpowiedzialna konsumpcja i produkcja

Cel 13: działania klimatyczne

Cel 15: ochrona, przywracanie i promowanie zrównoważonego użytkowania ekosystemów lądowych, zrównoważona gospodarka leśna, walka z pustynnieniem oraz powstrzymywanie i odwracanie degradacji gleby oraz utraty różnorodności biologicznej

Cel 17: wzmocnienie środków wdrażania i ożywienie globalnego partnerstwa na rzecz zrównoważonego rozwoju

Strategie korporacyjne mogą również przyczyniać się do stworzenia bardziej zrównoważonego społeczeństwa. Na przykład uzyskanie przez firmę Phoenix Contact certyfikatów LEED Silver i Zero Energy dla jej centrum logistycznego na obie Ameryki było jednym z elementów pierwotnego celu firmy, jakim jest osiągnięcie neutralności pod względem emisji dwutlenku węgla we wszystkich jej lokalizacjach na całym świecie. Kolejnym celem firmy jest stworzenie całkowicie neutralnego klimatycznie łańcucha wartości dodanej do roku 2030.

Podsumowanie

Sektor budowlany ma największy udział w światowej produkcji CO₂. Certyfikaty LEED i ZEB są ważnymi narzędziami do pomiaru skuteczności wykorzystania elektryfikacji i automatyki w celu konstruowania budynków o wyższej sprawności i bardziej zrównoważonym korzystaniu ze środowiska. Wielkoskalowe instalacje fotowoltaiczne zintegrowane z lokalną mocą kogeneracyjną mogą mieć wkład w tworzenie bardziej ekologicznego społeczeństwa. Budynki z certyfikatem LEED wspierają także osiągnięcie siedemnastu celów zrównoważonego rozwoju ONZ oraz celu wyeliminowania globalnego ubóstwa do 2030 roku.

Bibliografia:

1. System oceny LEED, Green Building Council
2. Cele Zrównoważonego Rozwoju, Organizacja Narodów Zjednoczonych