Využití elektrifikace a automatizace k vytvoření účinnějších a udržitelnějších energetických sítí – první část ze dvou

Nahrazení tradičních energetických zdrojů v rozvodné síti udržitelnými, zelenými zdroji se nazývá elektrifikace. V tomto článku, 1. část ze 2, jsou probírány některé problémy spojené s elektrifikací společně s tím, jak může automatizace pomoci při její účinnosti a udržitelnosti. 2. část této série se bude zabývat certifikačními systémy Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) a Autonomní budovy (ZEB) a způsobem, jakým mohou snížit emise uhlíku a zlepšit udržitelnost.

Elektrifikace je nahrazení systémů, které využívají k výrobě elektřiny fosilní paliva, jako je ropa, uhlí a zemní plyn, fotovoltaikou (PV) a dalšími zelenými technologiemi a nahrazením vozidel se spalovacím motorem (ICE) elektrickými vozidly (EV). Elektrifikované systémy jsou společně automatizací, která je vzájemně spojuje a podporuje chytré sítě a mikrosítě, důležitými faktory posouvajícími společnost směrem k udržitelnější a zelenější budoucnosti.

Vzhledem k tomu, že dnešní elektrická síť nebyla navržena pro nabíjení velkého počtu EV se očekává, že inteligentní sítě a mikrosítě se stanou kritickými technologiemi potřebnými k podpoře širokého nahrazování vozidel se spalovacím motorem elektrickými vozidly. V Kalifornii guvernér nedávno vydal exekutivní příkaz požadující, aby do roku 2035 byly všechny nové automobily a osobní lehké nákladní vozy prodávané jako vozidla s nulovými emisemi (EV). Aby se vývojáři inteligentních sítí a mikrosítí vypořádali s těmito druhy mandátů, musejí splnit skličující řadu mezinárodních standardů. Například organizace IEEE má více než 100 norem schválených nebo ve vývoji, které souvisejí s inteligentními sítěmi, včetně více než 20 norem IEEE uvedených v rámci a plánu Národního institutu vědy a technologie (NIST) pro interoperabilitu inteligentních sítí. Kromě norem organizace IEEE se mikrosítě řídí normou řady IEC 62898 a dalšími normami.

Tento článek je první ze dvou částí. Zabývá se výzvami souvisejícími s implementací elektrifikace, integrací distribuovaných energetických zdrojů (DER), podobnostmi a rozdíly mezi inteligentními sítěmi a mikrosítěmi a tím, jak automatizace zvyšuje jejich účinnost a udržitelnost, včetně podpory univerzálního přijetí elektrických vozidel. Začíná náhledem do definice zdrojů DER a jejich aplikací a končí pojednáním o tom, jak vznik užitkových mikrosítí stírá rozdíl mezi mikrosítěmi a inteligentními sítěmi. Společnost DigiKey širokou škálu produktů průmyslové automatizace podporujících elektrifikaci a integraci zdrojů DER pro jakoukoli implementaci. Druhý článek zkoumá způsob, jakým lze elektrifikaci a automatizaci využívat v zelených budovách k dosažení certifikací Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) a Autonomní budova (ZEB).

Co je to zdroj DER?

Definice organice NERC (North American Electric Reliability Corporation) (NERC): „Distribuovaný zdroj energie (DER) je jakýkoli zdroj v distribuční soustavě, který vyrábí elektřinu a není jinak zahrnut do formální definice přenosové soustavy (BES) podle organizace NERC.“

Termín distribuční systém v Severní Americe se týká elektrických vedení o napětí 34,5 kV nebo nižším, které obvykle vedou z rozvoden ke koncovým uživatelům. Elektrizační soustava (BPS - bulk power system) zahrnuje vedení přicházející do rozvodny, která často přenášejí napětí 100+ kV na dlouhé vzdálenosti a spojují velkokapacitní zařízení na výrobu elektřiny s propojovacími prostředky a rozvodnami (obrázek 1).

Obrázek 1: zdroje DER se nacházejí v distribuční soustavě (modrá); ostatní obnovitelné zdroje energie se nacházejí v elektrizační soustavě (zelená). (Zdroj obrázku: NERC)

Zdroje DER představují jakýkoli nehromadný systémový zdroj, včetně výrobních jednotek, jako jsou větrné turbíny a fotovoltaické instalace, jednotky na ukládání energie, většina systémů na ukládání energie z baterií (BESS), nabíječky baterií pro elektromobily ,které se též nazývají servisní zařízení pro elektromobily (EVSE) – a mikrosítě. Zdroje DER existují za elektroměrem i přímo na distribuční soustavě. Zdroje DER za měřičem zahrnují fotovoltaická pole, BESS, elektrická vozidla připojená k síti a záložní záložní zdroje energie, jako jsou velké instalace dieselových generátorů v datových centrech a na dalších místech. Mikrosíť je zvláštním typem zdroje DER.

Inteligentní sítě, mikrosítě a elektrifikace

Mikrosíť je zdroj DER, avšak nikoli všechny zdroje DER jsou mikrosítě. Z pohledu elektrizační soustavy (BPS) se pojmy mikrosíť a zdroj DER vztahují k typům zdrojů pro výrobu nebo skladování energie. Pojem chytrá síť označuje komunikační a řídicí technologie používané soustavou BPS k zajištění odolného a efektivního provozu. Dalším rozlišovacím faktorem je skutečnost, že mikrosítě zahrnují generování a ukládání zdrojů plus zatížení. Inteligentní síť se skládá především z výrobních zdrojů, s určitým úložištěm, ale bez zátěže. Inteligentní síť může komunikovat se zátěžemi, které jsou však od sítě odděleny.

Elektrifikace ovlivňuje mikrosítě, soustavu BPS a inteligentní sítě různými způsoby. V soustavě BPS se elektrifikace přidává do stávající sítě a pokud není správně řízena, může mít nezamýšlené negativní provozní důsledky. Zde přichází na řadu technologie chytré sítě.

Obousměrná komunikace a řízení jsou primárním rozlišovacím znakem inteligentních sítí. Tyto řídicí systémy zahrnují senzory pro monitorování stability sítě a pokročilé měřiče na sledování poptávky po elektřině. Používají také řadu ovladatelných zařízení pro přepínání a kvalitu napájení pro řízení toků elektřiny. Senzory jsou zásadní pro umožnění většího pronikání obnovitelných zdrojů energie (RE) a elektrifikace do soustavy BPS a zajišťují stabilitu sítě. Senzory a ovládací prvky dále podporují rychlejší a efektivnější reakce na rušivé vlivy přenosu výkonu a umožňují vyvážení a zabezpečení sítě, zejména v obdobích špiček a při proměnlivé dostupnosti obnovitelných zdrojů energie (RE). Technologie inteligentní sítě také podporují koordinaci a integraci mikrosítí s distribuční soustavou a BPS.

Naopak mikrosíť je navržena tak, aby vyhovovala elektrifikačním technologiím, jako jsou zdroje RE, BESS a EV. Mikrosítě a inteligentní sítě vyžadují automatizované řízení, včetně systému řízení distribuovaných energetických zdrojů (DERM).

Systémy DERM jsou nutností

Systémy DERM a automatizace jsou v inteligentních sítích a mikrosítích definovány a implementovány odlišně. Inteligentní sítě zahrnují různé výrobní zdroje a uživatele elektrické energie rozmístěné v široké oblasti s centralizovaným řídicím centrem sítě (obrázek 2). Řízení sítě je klíčovým konceptem pro řízení inteligentní sítě v soustavě BPS. Jelikož byly stávající soustavy BPS navrženy a vybudovány dříve, než vznikla potřeba podporovat elektrifikaci, mohou čelit nespolehlivému provozu, protože expediční (kontrolovatelná) výroba na fosilní paliva je stále více nahrazována nepředvídatelnými (a tedy méně kontrolovatelnými) obnovitelnými zdroji energie. Navíc nabíjení velkého množství elektrických vozidel bude ve většině případů neexpedovatelné a bez možnosti přímého ovládání energetickou společností. Kompenzace skutečnosti, že zdroje obnovitelné energie používané pro elektrifikaci a nabíjení elektromobilů nejsou tak předvídatelné jako prvky konvenční rozvodné sítě, vyžaduje centralizované, automatizované řízení podporované technologií inteligentních sítí.

Obrázek 2: inteligentní síť se při řízení sítě v reálném čase opírá o automatizované regulátory a systémy DERM. (Zdroj obrázku: ETAP)

Inteligentní sítě a mikrosíťové ovladače potřebují informace z různých senzorů pro monitorování připojených zdrojů v reálném čase. S nástupem elektrických vozidel a vybavení EVSE se řídicí jednotky používají také jako pomoc při správě spotřeby energie během nabíjení. Pomocí komunikace mezi vozidlem a sítí (V2G) mohou koordinovat připojení EV k síti nebo mikrosíti a poskytovat tak přírůstkovou kapacitu na ukládání energie.

Kromě monitorování stavu připojených zdrojů musí řídicí jednotky připojených mikrosítí také sledovat stav místní rozvodné sítě. Základní součástí inteligentních sítí a mikrosítí je rozvodné zařízení, které musí reagovat v milisekundách, aby byl zajištěn robustní provoz. Velikosti rozvodných zařízení jsou různé od několika kilowattů (kW) pro malé mikrosítě až po několik megawattů (MW) pro velké mikrosítě a rozvodnou síť. Rozvodné zařízení a řídicí jednotka mohou být u malých mikrosítí umístěny ve společné skříni, což snižuje náklady a urychluje instalaci. Inteligentní sítě a systémy DERM mikrosítí zahrnují inteligentní měření výroby a spotřeby energie, které cloudová analytika využívá k maximalizaci ekonomických výhod zdrojů DER a k podpoře vysoké úrovně odolnosti. Přesná architektura systémů DERM se může lišit pro různé druhy mikrosítí.

Druhy mikrosítí

Mikrosítě lze klasifikovat podle jejich aplikací a architektury. Mikrosítě mohou mít tři architektury: vzdálené, síťové a připojené k síti. Vzdálené mikrosítě jsou na místech, jako jsou ostrovy nebo odlehlé těžařské a zemědělské provozy. Nazývají se také mimosíťové mikrosítě a jsou fyzicky odděleny od všech užitkových soustav BPS. Musí být zcela soběstačné.

Síťové nebo vnořené mikrosítě jsou složeny z několika samostatných zdrojů DER nebo mikrosítí připojených ke společnému distribučnímu systému. Obvykle jsou řízeny centralizovaným dohledovým systémem, který vyvažuje potřeby provozu mikrosítě s podporou širší rozvodné sítě. Řídicí jednotka často přiřazuje hierarchii důležitosti mikrosítím a zdrojům DER, aby zajistila ochranu nejkritičtějších prvků. Aplikace připojených mikrosítí zahrnují komunitní mikrosítě, chytrá města a nově vznikající kategorii užitkových mikrosítí.

Připojené mikrosítě jsou podkategorií mikrosítí připojených k síti. Všechny mikrosítě připojené k síti jsou fyzicky připojeny k distribuční síti a mají spínací zařízení v bodě společné vazby (PCC), kde je realizováno k připojení k distribuční síti. Při běžném provozu je k distribuční síti připojena zapojená mikrosíť. Může poskytovat služby do sítě, jako je regulace frekvence a napětí, podpora činného a jalového výkonu a reakce na poptávku za účelem omezení imitace kapacity.

Mikrosíť není připojena k veřejné distribuční síti v ostrovním provozu. K ostrovnímu provozu může dojít v důsledku poruchy v distribuční síti nebo z jiných důvodů, jako je údržba. Při přechodu z ostrovního provozu na provoz připojený k síti musí tyto mikrosítě před opětovným připojením detekovat frekvenci distribuce a synchronizovat provoz.

Existuje mnoho aplikací mikrosítí, včetně kampusů, nemocnic, lékařských center, komerčních instalací, komunit a průmyslových zařízení. Nejnovější kategorií aplikací jsou užitkové mikrosítě (obrázek 3).

Obrázek 3: mikrosítě jsou často kategorizovány podle jejich použití. (Zdroj obrázku: Siemens)

Stírání hranice

Nasazují se užitkové mikrosítě, které stírají hranici mezi inteligentními sítěmi a mikrosítěmi. V tomto procesu se definice zdroje DER mění z distribuovaného na vyhrazený zdroj energie. Užitkové mikrosítě jsou navrženy tak, aby omezovaly výpadky dodávky energie v důsledku extrémních povětrnostních jevů, požárů a dalších nepředvídaných výzev. U stávajících architektur jsou během extrémních událostí velké části sítě odpojovány z důvodu bezpečnosti.

Důležitým a nešťastným dopadem těchto neplánovaných a rozsáhlých výpadků napájení je odrazování od používání elektrických vozidel. Užitkové mikrosítě jsou považovány za klíč k širokému přijímání elektrických vozidel. Užitkové mikrosítě jsou navrhovány a instalovány po celých USA. Například společnost Southern California Edison (SCE) navrhla vývoj veřejných mikrosítí s bezpečným vypínáním, které pomáhají udržovat co nejširší dostupnost elektrické energie během požárů. Ostatní energetické společnosti označují novou síťovou architekturu jako komunitní mikrosítě (obrázek 4).

Obrázek 4: užitkové mikrosítě mohou zahrnovat širokou škálu prostředků rozmístěných v relativně rozsáhlých geografických oblastech a stírat hranice mezi tradičními mikrosítěmi a inteligentními sítěmi. (Zdroj obrázku: Edison International)

Schopnost ostrovního provozu užitkových mikrosítí je klíčem ke zlepšení dostupnosti elektrické energie na podrobnější úrovni, než je v současnosti možné. Očekává se, že tento druh provozu bude nasazen v široké škále velikostí mikrosítí od kompletních obytných komunit až po veřejné instituce, včetně škol a dalších strategických míst, jako jsou hasičské stanice, zdravotní střediska a evakuační centra. Klíčovou součástí návrhů většiny těchto komunitních mikrosítí jsou instalace vybavení EVSE. Podle původních záměrů bude vybavení EVSE podporovat připojení elektrických vozidel k síti jako dalších záložních zdrojů energie, a také za účelem jejich nabíjení.

Závěr

Elektrifikace je nezbytná pro zajištění udržitelnějších energetických sítí a pro snížení emisí CO₂. Mnoho elektrifikačních technologií, například fotovoltaická energie a elektromobily, nejsou tak předvídatelné jako tradiční zdroje, které nahrazují. To znamená, že elektrifikace musí být podporována pokročilými senzorovými sítěmi a automatizovanými řídicími systémy v inteligentních sítích a mikrosítích.