Použití elektrifikace a automatizace k vytvoření účinnějších a udržitelnějších rozvodných sítí – část druhá ze dvou

Nahrazování tradičních energetických zdrojů v rozvodné síti udržitelnými, zelenými zdroji, se nazývá elektrifikace. Část 1 V této sérii byly probrány některé výzvy spojené s elektrifikací společně s tím, jak může automatizace přispět k její účinnosti a udržitelnosti. Tento článek, část 2 ze 2, se bude zabývat certifikáty LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) a autonomní budova (ZEB) a způsobem, jakým mohou snížit emise uhlíku a zlepšit udržitelnost.

Významné úsilí podporující snahu společnosti snížit emise uhlíku a zlepšit udržitelnost představují certifikáty LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) a autonomní budova (ZEB). Získání certifikací LEED a ZEB vyžaduje holistický přístup, který kombinuje elektrifikaci nahrazující energetické systémy založené na fosilních palivech ekologickými alternativami, jako jsou fotovoltaika (PV) a elektrická vozidla (EV) s pokročilými automatizačními a řídicími systémy.

Program LEED Americké rady pro šetrné budovy (USGBC) zahrnuje dekarbonizaci stávajících budov a novou výstavbu. Úsilí o získání certifikace ZEB koordinuje Úřad pro energetickou účinnost a obnovitelné zdroje energie (EERE) Ministerstva energetiky USA. Získání certifikací LEED a ZEB vyžaduje, aby architekti a dodavatelé zaujali nové přístupy ke způsobu návrhu, stavby a provozu budov. Ve srovnání s programem ZEB, který se zaměřuje výhradně na spotřebu energie, představuje standard LEED rozsáhlejší koncepci zabývající se uhlíkem, energií, vodou, odpady, dopravou, materiály, zdravím a kvalitou vnitřního prostředí.

Tento druhý díl ze série dvou článků o elektrifikaci a udržitelnosti začíná pohledem na úrovně certifikace LEED a ZEB a na to, co je potřeba k získání těchto certifikací pro komerční a průmyslové budovy, včetně srovnání několika definic certifikace ZEB. Poté podrobně popisuje příklad, jak společnost Phoenix Contact využila automatizaci a výrobu elektřiny z fotovoltaiky na místě k získání certifikací LEED Silver a ZEB pro přístavbu o rozloze 70 000 čtverečních stop ve svém hlavním areálu, včetně toho, jak k úspěchu projektu přispěly některé vlastní produkty společnosti (obrázek 1). Článek je zakončen pohledem na to, jak mohou budovy LEED přispět k cílům udržitelného rozvoje Organizace spojených národů.

Obrázek 1: Střešní fotovoltaická elektrárna byla klíčovým faktorem umožňujícím tomuto závodu společnosti Phoenix Contact získat certifikace LEED Silver a ZEB. (Zdroj obrázku: Phoenix Contact)

LEED je holistický standard

Standard LEED je komplexní systém, který zohledňuje všechny prvky potřebné k vytvoření vysoce výkonných budov. Certifikace LEED jsou založeny na kreditech nebo bodech udělovaných projektu pomocí podrobných kritérií výkonnosti. Výkonnostní kategorie a jejich relativní důležitost (od nejdůležitější po nejméně důležitou) jsou následující¹:

• Snížení příspěvku ke globální změně klimatu
• Zlepšení individuálního lidského zdraví
• Ochrana a obnova vodních zdrojů
• Ochrana a zlepšení biologické rozmanitosti a ekosystémových služeb
• Podpora udržitelných a obnovitelných materiálových cyklů
• Zvýšení kvality života komunity

Nejzásadnější kritérium, snížení příspěvku ke globální změně klimatu, představuje 35 % všech bodů. Certifikace LEED zahrnuje úrovně Certified (40-49 bodů), Silver (50-59 bodů), Gold (60-79 bodů) a Platinum (80 bodů a více).

U nejnovější verze LEED, v4.1, se většina bodů týká provozního a zabudovaného uhlíku. Provozní uhlík jsou emise oxidu uhličitého (CO₂) generované vytápěním, ventilací a klimatizací (HVAC), osvětlením a dalšími energeticky náročnými systémy budov. Zabudovaný uhlík představuje emise spojené s výrobou stavebních materiálů a se stavebními procesy během celého životního cyklu budovy.

Certifikace LEED je důležitá pro vytvoření ekologičtější společnosti. Budovy tvoří 39 % celosvětových emisí CO₂; 28 % pochází z provozu budov a 11 % ze zabudovaných emisí (obrázek 2). Vzhledem k tomu, že sektor budov je nejvýznamnějším přispěvatelem ke globálním emisím CO₂, byly také vyvinuty speciální programy na podporu rozvoje autonomních budov.

Obrázek 2: Stavební operace plus materiály a konstrukce jsou hlavními přispěvateli globální produkce CO₂. (Zdroj obrázku: New Buildings Institute))

Definice nulové spotřeby energie

Ačkoli se nulová spotřeba energie může zdát jednoduchou koncepcí, má několik definic. Ke třem nejcitovanějším patří program LEED Zero Energy, International Living Future Institute (ILFI) Zero Energy a Zero Code Renewable Energy Procurement Framework (Zero Code) - iniciativa organizace Architecture 2030, která byla přijata jako kalifornský energetický standard pro budovy. V definici „nuly“ existují významné rozdíly.

K dosažení certifikace LEED Zero Energy musí mít budova nulovou energetickou bilanci po dobu 12 měsíců, včetně výroby energie na místě a externě vyráběné (získané) energie. Spalování fosilních paliv na místě není zakázáno. Celková spotřeba energie se musí skládat z obnovitelné energie vyrobené na místě nebo externě či z uhlíkových kompenzací.

Nejpřísnějším standardem je certifikace Zero Energy institutu ILFI. Vyžaduje, aby místní obnovitelné zdroje pokrývaly 100 % energetické potřeby budovy. Není možné žádné spalování a certifikace je založena na skutečném výkonu. Modelování není povoleno.

Rámec Zero Code se konkrétně zaměřuje na nové komerční, institucionální a středně vysoké až výškové obytné budovy. Definuje budovu s nulovými emisemi uhlíku jako budovu, která na místě nepoužívá žádná fosilní paliva a na místě vyrábí nebo si obstarává dostatek bezuhlíkové obnovitelné energie nebo uhlíkových kreditů pro pokrytí provozních energetických potřeb budovy. Rámec Zero Code také vyžaduje, aby budovy splňovaly normu ASHRAE 90.1-2019 týkající se jejich účinnosti. Rámec Zero Code umožňuje nahrazení jinými normami energetické účinnosti, pokud vedou ke stejné nebo vyšší energetické účinnosti.

Příklad certifikace LEED

Společnost Phoenix Contact nedávno nainstalovala na střechu logistického centra v hlavním areálu společnosti v USA fotovoltaický systém o výkonu 961kW. Systém vyrábí dostatek energie k uspokojení asi 30 % energetických potřeb závodu, což je ekvivalentní spotřebě energie kolem 160 domů za rok. Budova získala certifikace LEED Silver a Zero Energy.

Kogenerační systém s mikroturbínou o výkonu 1 MW spalující zemní plyn na místě byl integrován s fotovoltaickým systémem. Výkon fotovoltaického systému a spotřebu energie budovy v reálném čase monitoruje centrální systém řízení energie. Pokud celková spotřeba energie překročí výkon PV systému, bude nasazen mikroturbínový generátor. V určitých obdobích se fotovoltaický systém a mikroturbína využívají ke společné dodávce elektrické energie do sítě prostřednictvím systému net metering, což společnosti generuje příjem.

Systém byl navržen tak, aby snižoval spotřebu zemního plynu během denního světla a mikroturbínový generátor byl v chodu převážně v noci, čímž se maximalizuje celková energetická účinnost a minimalizuje celková produkce CO₂. V některých dnech je možné snížit spotřebu zemního plynu téměř na nulu. Některé statistiky PV systému zahrnují:

• 2 185 solárních panelů
• 1 214 235 kWh vyrobených ročně
• Snížení stopy o 1 939 279 liber CO₂

Ve velkých instalacích, jako je tato, je k dosažení maximální účinnosti a dostupnosti výroby elektřiny nezbytné nepřetržité monitorování a řízení jednotlivých segmentů PV systému.

Automatizace potřebuje využitelné informace

Efektivní automatizace a řízení elektrifikačních systémů, jako jsou fotovoltaické instalace, vyžaduje rozsáhlé a využitelné informace. Monitorování jednotlivých řetězců PV panelů v reálném čase maximalizuje produkci a podporuje preventivní údržbu. Pokud dojde k neočekávanému výpadku řetězce, znamená to ztrátu tisíců kW výkonu společně s odpovídajícími finančními ztrátami.

Fotovoltaický systém o výkonu 961 kW v hlavním areálu společnosti Phoenix Contact v USA zahrnuje dvanáct měničů se šesti řetězci fotovoltaických panelů napájejících jednotlivé měniče, společně s několika produkty společnosti, počínaje druhou generací měřičů energie EMpro, jako je model 2908286 s montáží na panel. Tyto měřiče jsou určeny k měření a přenosu klíčových energetických parametrů do cloudových platforem podporujích vzdálené monitorování všech prvků systému. Měřiče energie EMpro jsou k dispozici pro různé návrhy energetických systémů, včetně jedno-, dvou- a třífázových instalací a konfigurací. Systém monitoruje řadu prvků systému a provozních podmínek v reálném čase, včetně následujících:

• U měničů se jednotlivě monitoruje stejnosměrný vstupní výkon, střídavý výstupní výkon, činný a jalový výkon, poruchy a provozní stav.
• U jednotlivých PV řetězců se monitoruje proudový a napěťový výstup. Vyhodnocením těchto dat se určí stav řetězce a případné potřeby údržby.
• Teploty panelů jsou monitorovány četnými senzory rozmístěnými po celé instalaci.
• Shromažďují se údaje o povětrnostních podmínkách, jako je rychlost a směr větru, teplota, relativní vlhkost vzduchu a tlak vzduchu.
• Sluneční záření se měří dvěma pyranometry, jedním pod úhlem 10 stupňů, který odpovídá úhlu instalace panelů, a jedním instalovaným vodorovně.
• Ztrátu světla způsobenou prachem a nečistotami na povrchu PV panelů měří senzory znečištění.
• Bezpečnostní monitorování systému zajišťují kamery.

Systém také potřebuje dataloggery (měřicí ústředny) a rozhraní. Například bezdrátové moduly společnosti Radioline, jako je model 2901541, bezdrátově komunikují se senzory teploty a znečištění PV modulu pomocí protokolu RS-485 bez kabelů. V ostatních případech se pro přenos energie a dat současně používá napájení přes Ethernet (PoE). Ochranu proti vniknutí lze zajistit pomocí bezpečnostních routerů řady FL mGuard 1000, jako je model 1153079, které poskytují zabezpečení brány firewall a správu uživatelů.

K propojení všeho dohromady je třeba řídicí jednotka, jako je model 1069208 s montáží na lištu DIN od společnosti Phoenix Contact, který je založený na technologii PLCnext této společnosti (obrázek 3). Při spárování se vstupně/výstupním modulem (I/O), jakým je model 2702783, agreguje řídicí jednotka data ze sítě senzorů a předává je poskytovateli cloudových služeb. Na průmyslovém počítači navíc běží software Solarworx společnosti Phoenix Contact. Zahrnuté softwarové nástroje a knihovny podporují komunikační protokoly a standardy přijímané v solárním odvětví. Systém umožňuje přizpůsobenou automatizaci a vizualizaci provozu PV systému a je kompatibilní se softwarovými balíčky třetích stran, které mohou k optimalizaci výkonu analyzovat historická data a data v reálném čase. Knihovny obsahují funkční bloky, které splňují požadavky normy IEC 61131 pro programovatelné automaty.

Obrázek 3: Řídicí jednotka s montáží na lištu DIN vhodná pro rozsáhlé PV systémy. (Zdroj obrázku: Phoenix Contact)

Řízení dodávek je posledním prvkem elektrifikační skládačky pro integraci distribuovaných zdrojů energie (DER), jako jsou PV pole, do rozvodné sítě. Řídicí jednotky PGS od společnosti Phoenix Contact mohou v místech připojení k síti monitorovat úrovně napětí a jalového výkonu a určovat požadované řídicí hodnoty pro měniče k podpoře řízení dodávky energie do sítí středního a vysokého napětí.

Standard LEED a udržitelný rozvoj

Organizace spojených národů (OSN) určila 17 cílů udržitelného rozvoje² (SDG), jejichž cílem je do roku 2030 ukončit světovou chudobu. Podle rady USGBC může elektrifikace a automatizace v budovách s certifikací LEED přispět ke splnění 11 ze 17 těchto cílů, včetně následujících:

Cíl 3: Zdraví a kvalitní život

Cíl 6: Pitná voda a kanalizace

Cíl 7: Dostupná a čistá energie

Cíl 8: Podpora trvalého, inkluzivního a udržitelného hospodářského růstu, plné a produktivní zaměstnanosti a důstojné práce pro všechny

Cíl 9: Vybudování odolné infrastruktury, podpora inkluzivního a udržitelného průmyslu a podpora inovací

Cíl 10: Snížení nerovnosti v rámci zemí a mezi nimi

Cíl 11: Udržitelná města a obce

Cíl 12: Odpovědná výroba a spotřeba

Cíl 13: Klimatická opatření

Cíl 15: Ochrana, obnova a podpora udržitelného využívání suchozemských ekosystémů, udržitelné obhospodařování lesů, boj proti desertifikaci a zastavení a zvrácení degradace půdy a ztráta biologické rozmanitosti

Cíl 17: Posílení prostředků implementace a oživení globálního partnerství pro udržitelný rozvoj

K udržitelnější společnosti mohou přispět také firemní strategie. Například získání certifikací LEED Silver and Zero Energy společností Phoenix Contact pro její logistické centrum pro Ameriku bylo jednou z částí původního cíle společnosti dosáhnout uhlíkové neutrality ve všech svých pobočkách po celém světě. Dalším cílem společnosti je vytvořit do roku 2030 klimaticky zcela neutrální řetězec přidané hodnoty.

Závěr

Sektor stavebnictví je nejvýznamnějším přispěvatelem globální produkce CO₂. Certifikace LEED a ZEB jsou důležitými nástroji pro měření úspěšnosti používání elektrifikace a automatizace k vytváření efektivnějších a udržitelnějších budov. Jak je zde ukázáno, velkokapacitní fotovoltaická zařízení integrovaná s místní kogenerační kapacitou mohou přispět k ekologičtější společnosti. Budovy s certifikací LEED podporují také dosažení sedmnácti cílů udržitelného rozvoje OSN a cíle odstranění celosvětové chudoby do roku 2030.

Reference:

1. Systém hodnocení LEED, Rada pro šetrné budovy
2. Cíle udržitelného rozvoje, Organizace spojených národů