A fenntarthatóság elősegítése és a rugalmasság növelése az ipari és kereskedelmi létesítményekben mikrohálózatokkal és törpe erőművekkel

A törpe erőművek (DER, distributed energy resources), mint a nap- és szélerőművek, a hő- és villamosenergia-termelést kombináló kapcsolt energiatermelő erőművek (CHP, combined heat and power), az akkumulátoros energiatároló rendszerek (BESS, battery energy storage system), sőt a hagyományos generátorok is jelentősen hozzájárulhatnak a kereskedelmi és ipari létesítményekben a fenntarthatóság elősegítéséhez és a rugalmasság növeléséhez, különösen akkor, ha egy automatizált szabályozórendszerű villamos mikrohálózatban fogják őket össze az energiatermelés, az energiaátvitel, az energiatárolás és a fogyasztás intelligens koordinálása és felügyelete céljából.

A villamos mikrohálózat környezeti és gazdasági előnyeinek maximálisra növeléséhez a szabályozórendszernek valós időben kell összefognia az egyes törpe erőművek működését és fenntartania közöttük a megfelelő egyensúlyt, kezelnie kell az okosterheléseket (például világítás, fűtő-, szellőztető- és légkondicionáló (HVAC, heating, ventilation, and air conditioning) rendszerek, a villanyjárművek töltése és az informatikai berendezések), a múltbeli áramigényadatok alapján előre kell jeleznie a jövőbeli várható terhelést, biztonságosan és jó hatásfokkal kell csatlakoznia a közüzemi hálózathoz, és valós idejű energiaár-adatokkal kell segítenie a keresletre adott reakciókat.

Ez a cikk a villamos mikrohálózatok alkotóelemeit tekinti át, megvizsgálja a különféle villamos mikrohálózatok felépítését, áttekinti a törpe erőművek közüzemi hálózatra kapcsolására vonatkozó követelményeket meghatározó IEEE 1547 és a villamos mikrohálózatok szabályozórendszereinek funkcióiról átfogó műszaki leírást nyújtó IEEE 2030 szabványt, majd megvizsgálja, hogy a villamos mikrohálózatok szabályozórendszerei hogyan segíthetik a fenntarthatóságot, valamint hogyan növelhetik a rugalmasságot és a gazdasági előnyöket, majd végül a villamos mikrohálózatokra vonatkozó kiberbiztonsági szempontok rövid áttekintésével zárul.

A villamos mikrohálózatok felépítése

Kialakításukat és összetevőiket tekintetve a villamos mikrohálózatok sokfélék lehetnek. Ha azt szeretnénk megvizsgálni, hogy villamos mikrohálózatokkal és törpe erőművekkel hogyan segíthető legjobban a fenntarthatóság és növelhető leginkább a rugalmasság, a legjobb a villamos mikrohálózatokat alkotó berendezések és a különböző villamos mikrohálózati architektúrák meghatározásával, valamint néhány példával kezdeni. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma (DoE, Department of Energy) a villamos mikrohálózatot úgy definiálja: „egymással összekapcsolt fogyasztók és törpe erőművek világosan meghúzott villamos határokkal rendelkező csoportja, amely a közüzemi villamos hálózat felől nézve egyetlen szabályozható egységként működik. A villamos mikrohálózatnak megvan az a képessége, hogy rá tud kapcsolódni a közüzemi villamos hálózatra, illetve képes lekapcsolódni arról, így hálózati és sziget üzemmódban is képes működni.”

Habár a villamos mikrohálózat ezen meghatározása teljesen egyértelmű, az ilyen rendszerek kiépítésekor számos villamosmikrohálózat-kategória, működési mód és lehetséges alrendszer közül lehet választani, és ha a fenntarthatóságot a lehető legnagyobb mértékben segítő és maximálisan rugalmas villamos mikrohálózatot szeretnénk létrehozni, számos felépítésbeli és üzemeltetési döntés meghozatalára van szükség. Az egyik fontos szempont az automatizálás. Ilyen automatizált alrendszerek például a következők (1. ábra):

• a villamos mikrohálózaton belüli áramtermelés, beleértve a különböző típusú törpe erőművekből és kapcsolt energiatermelő erőművekből álló rendszereket
• áramelosztó hálózatok
• akkumulátoros energiatároló rendszerek
• terhelések, például fűtő-, szellőztető- és légkondicionáló (HVAC) rendszerek és az ipari létesítményekben működő gépek és motorok
• villanyjárművek töltése és a jármű és a villamos hálózat közötti (V2G, vehicle-to-grid) kapcsolatok kezelése
• a villamos mikrohálózatok szabályozó- és kapcsolóberendezései
• a közüzemi villamos hálózatra kapcsolódó rendszerek megfelelő kapcsolódását lehetővé tevő összekötőelemek

1. ábra: Egy villamos mikrohálózat különféle törpe erőműveket, kapcsolt energiatermelő erőműveket és fogyasztókat tartalmazhat (ábra: Schneider Electric)

A villamos mikrohálózatok kategóriái

A villamos mikrohálózatokat aszerint lehet kategorizálni, hogy a közüzemi villamos hálózatra vannak-e kapcsolva vagy nem:

A legelterjedtebbek a közüzemi villamos hálózatra nem kapcsolódó, létesítmények által irányított rendszerek. Ide tartoznak a kereskedelmi közüzemi hálózat által el nem látott távoli területek, például bányák, ipari területek, hegyvidéki házak és katonai bázisok.

Távoli helyeken léteznek a közüzemi villamos hálózatra nem kapcsolódó, közösségi irányítású rendszerek is. Ilyenek a távoli falvak, szigetek és közösségek villamos hálózatai. Míg a létesítmények által irányított villamos mikrohálózatokat egyetlen szervezet irányítja, a közösségi villamos mikrohálózatoknak felhasználók egy-egy csoportjának igényeit kell kielégíteniük, ezért ezeknél bonyolultabb irányító- és szabályozórendszerekre lehet szükség.

A közüzemi villamos hálózatra kapcsolt létesítményeknek egyetlen tulajdonosuk van, és ezeket a rendszereket a megbízhatóság javítására használják olyan területeken, ahol a közüzemi hálózat megbízhatatlan, és áramra van szükség, vagy ha a közüzemi hálózat tehermentesítését és a villamos mikrohálózat általi egyéb szolgáltatások nyújtását gazdaságilag ösztönzik. Ilyenek lehetnek egyes kórházak, adatközpontok, folyamatos üzemű feldolgozóüzemek és más nagy rendelkezésre állást megkövetelő létesítmények.

A közüzemi villamos hálózatra kapcsolt közösségek esetében több energiafelhasználó és energiatermelő csatlakozik a közüzemi hálózatra, amely egyetlen egységként kezeli őket. Ide tartoznak az üzleti vagy egyetemi épületegyüttesek, a falvak és a kisvárosok. Ezek sokféle típusú energiafelhasználót, energiatermelőt és energiatároló létesítményt tartalmazhatnak, és nagyon bonyolult szabályozást igényelhetnek.

A villamos mikrohálózatok olykor szigetként működnek

A villamos mikrohálózatot alkotó összetevők tárgyalása mellett említsük meg, hogy a villamos mikrohálózatnak az Amerikai Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma általi meghatározásában szerepel az is, hogy a villamos mikrohálózat „hálózati és sziget üzemmódban is képes működni”. Ezen üzemmódok egyértelműen meg vannak határozva, a megvalósításuk viszont összetettebb, és ezzel több IEEE szabvány is foglalkozik.

Az IEEE 1547-2018, Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems (A törpe erőművek villamosenergia-rendszerekre kapcsolására vonatkozó szabvány) a törpe erőművek közüzemi villamos hálózatra kapcsolására és együttműködési képességeire vonatkozó műszaki követelményeket részletezi. Az IEEE 1547 egy folyamatosan fejlesztett szabvány, melynek korábbi változatait kevés törpe erőmű meglétére dolgozták ki, és nem vették figyelembe a törpe erőműveknek a nagyfeszültségű villamosenergia-rendszerre gyakorolt lehetséges összesített területi hatását. Az IEEE 1547-2018 az átviteli rendszerek nagyobb megbízhatósága érdekében szigorúbb követelményeket vezetett be a feszültség- és frekvenciaszabályozásra, valamint a generátorok zárlati áthidalóképességére vonatkozóan. (Zárlati áthidalóképesség: azt biztosítja, hogy a generátorok rövid idejű feszültségesés esetén a hálózatra kapcsolva maradjanak.) A szabvány nemrégiben az 1547a-2020 módosítással egészült ki, amely a rendellenes üzemi teljesítményre vonatkozó előírásokat tartalmaz.

Az IEEE 2030.74 szerint a villamos mikrohálózat szabályozóberendezésének a következő funkciókat kell tudnia: két stabil (steady state, SS) üzemmód és négyféle átmeneti (transiton, T) üzemmód (2. ábra):

• SS1: Stabilan hálózatra kapcsolt üzemmódban a villamos mikrohálózat a közüzemi hálózatra kapcsolódik. A villamos mikrohálózat alrendszereinek szabályozásával a szabályozórendszer különböző szolgáltatásokon keresztül segíteni tudja a közüzemi hálózat működését, például csúcsidőkön belüli terheléscsökkentéssel, frekvenciaszabályozással, a meddő teljesítmény kompenzálásával és a közüzemi hálózatba leadott teljesítmény változási sebességének kezeléssel.
• SS2: Stabil sziget vagy „szigetüzemű” üzemmód, amikor a villamos mikrohálózat le van választva a közüzemi hálózatról, és elszigetelten működik. A szabályozórendszernek az a feladata, hogy megteremtse az egyensúlyt a terhelések áramfelvétele és a villamos mikrohálózat által termelt energia között, valamint a villamos mikrohálózat stabil működésének fenntartása érdekében szabályozza a megtermelt energia tárolását.
• T1: Tervezett átmenet hálózatra kapcsolt üzemmódból szigetüzemű üzemmódba. Még akkor is lehetnek gazdasági vagy üzemeltetési ösztönzők a szigetüzemű üzemmódra való átállásra, ha a közüzemi hálózat képes szolgáltatni a szükséges villamosenergia-ellátást. Ezenkívül ez az üzemmód a villamos mikrohálózat működésének tesztelésére is használható.
• T2: Nem tervezett átmenet hálózatra kapcsolt üzemmódból szigetüzemű üzemmódba. Ez szinte teljesen megegyezik például az adatközpontokban lévő szünetmentes tápegységek működésével, és gyakori a közüzemi hálózat meghibásodásakor. A villamos mikrohálózat zökkenőmentesen leválik a közüzemi hálózatról, és független villamosenergia-ellátó hálózatként működik.
• T3: Szigetüzemű rendszer visszakapcsolódása a közüzemi hálózatra. Ez egy összetett műszaki eljárás, amelynek során a villamos mikrohálózaton belül egy „hálózati jelformáló” generátor érzékeli a közüzemi hálózat áramának frekvenciáját és fázisszögét, és a visszakapcsolódás előtt pontosan összehangolja a villamos mikrohálózatot a közüzemi hálózattal.
• T4: Az energiaellátás önálló helyreállítása (black start) hálózatösszeomlás esetén szigetüzemű üzemmódban. Ebben az esetben a villamos mikrohálózat leállt, le kell választani a közüzemi hálózatról, majd újra kell indítani szigetüzemű üzemmódban. Ez a helyzet bekövetkezhet olyan váratlan áramkimaradás esetén, amelyet a villamos mikrohálózat szabályozórendszere nem képes stabil T2 átmenetként kezelni, vagy olyankor válhat szükségessé, ha a szigetnek nem elegendő a villamosenergia-termelése vagy nincs elegendő tárolt villamosenergia-tartaléka ahhoz, hogy továbbra is ellássa az összes terhelést, és le kell kapcsolnia az összes nem létfontosságú terhelést, mielőtt a generátort visszakapcsolná a (villamos mikro)hálózatra. Ezenkívül az újracsatlakozás előtt a villamos mikrohálózaton belüli akkumulátoros energiatároló rendszerek mindegyikét legalább részben fel kell tölteni.

ábra: Az IEEE 2030.74 szabvány előírja, hogy a villamos mikrohálózat szabályozórendszerének képesnek kell lennie két állandósult állapot és az ezen állapotok közötti négyféle átmenet megvalósítására (ábra: National Rural Electric Cooperative Association (Amerikai Országos Vidéki Elektromos Szövetkezetek Szövetsége))

Villamos mikrohálózatok kialakítása

A törpe erőművek és terhelések majdnem annyi kombinációja hozható létre, mint ahány villamos mikrohálózat már működik a világon, az automatizált szabályozórendszerek és a kapcsolóberendezések viszont mindegyiküknél közös elemek. Az olyan nagy villamos mikrohálózatokban, mint amilyen a fenti 1. ábrán látható, gyakran egy központi vezérlőteremben helyezik el ezeket a törpe erőművek és a fogyasztók elosztott kapcsolóberendezéseiként, a közüzemi hálózatra kapcsolt rendszerek esetében pedig egy olyan alállomásban találhatók, amely a villamos mikrohálózat és a közüzemi hálózat közötti kapcsolóberendezés feladatát látja el.

A villamos mikrohálózat szabályozóberendezésének a megfelelő működéshez adatokra van szüksége, és a rugalmasság maximalizálása és a fenntarthatóság minél jobb elősegítése érdekében gyorsnak kell lennie. A szabályozóberendezések érzékelők hálózatát használják a törpe erőművek és a terhelések működésének valós idejű nyomon követésére. A közüzemi hálózatra kapcsolt villamos mikrohálózatoknál a szabályozóberendezés a helyi közüzemi hálózat állapotát is figyeli. A szabályozóberendezés bármilyen rendellenesség esetén ezredmásodperceken belül reagál, és parancsot küld a kapcsolódó törpe erőműveknek, terheléseknek és a kapcsolóberendezésnek.

A kapcsolóberendezések mérete a néhány kW-os eszközöktől a több MW-os berendezésekig terjed, melyeknek néhány ezredmásodpercen belül reagálniuk kell a szabályozóberendezés parancsaira, mert ellenkező esetben súlyos hibaállapotok léphetnek fel. Egyes kapcsolóberendezések önállóan működő okosmegszakítókkal vannak ellátva, amelyek egy további védelmi szintet képeznek.

Kisebb létesítményeknél a szabályozóberendezést és a kapcsolóberendezést kombinált formában tartalmazhatja egyetlen, olykor energiaszabályozó központnak (ECC, energy control center) is nevezett berendezés. Az energiaszabályozó központok előre bekábelezve, összeszerelve és gyárilag tesztelve kaphatóak. Az energiaszabályozó központok leegyszerűsítik és felgyorsítják a villamos mikrohálózatok kiépítését, és több áramellátó rendszert is képesek kezelni, beleértve a közüzemi hálózatot és a törpe erőműveket is, és megadható a terhelések fontossági sorrendje. A Schneider Electric az épületek villamos mikrohálózataihoz például az ECC 1600/2500 energiaszabályozó központ termékcsaládot kínálja (3. ábra). Az ECC 1600/2500 termékcsalád néhány jellemzője:

• Megrendelés szerint beállítható 100 kW és 750 kW közötti teljesítmény, és a termék optimalizálható meglévő és új épületekhez is.
• Többféle törpe erőművel kompatibilis, például napelemes, akkumulátoros energiatároló, szél-, gáz- és dízelgenerátoros rendszerekkel.
• Az energiaszabályozó központ védelmet nyújt az áramkimaradásokkal szemben, beleértve a napelemes energia használatát, kombinálva azt egy alapvető áramforrással, például egy tartalék generátorral vagy egy akkumulátoros energiatároló rendszerrel.
• Az automatikus intelligens mérésnek köszönhetően követhető az energia minősége, a fogyasztás és a törpe erőművek áramtermelése.
• 1600–2500 A közötti áramelosztó sínnel rendelkező kapcsolóberendezés.
• Felhőalapú elemzés a rugalmasságnak és a törpe erőművekre fordított beruházások megtérülésének a maximalizálása érdekében

3. ábra: Az energiaszabályozó központok egyetlen berendezésben egyesítik a villamos mikrohálózat szabályozóberendezését (balra) és a kapcsolóberendezést (jobbra) (kép: Schneider Electric)

Megbízható és biztonságos energia

A kiberbiztonság az energiabiztonságra és a rugalmasságra esetében is fontos szempont. A Nemzetközi Energiaügynökség (IEA, International Energy Agency) meghatározása szerint az energiabiztonság „az energiaforrások megfizethető áron való folyamatos rendelkezésre állása”, és a villamos mikrohálózatok jelentősen hozzájárulhatnak az alacsony költségű, megbízható és rugalmas energiaellátás biztosításához.

A kommunikáció alapvető szükséglet a villamos mikrohálózatoknál. Ez alatt a felhővel és esetleg a teljesítmény optimalizálása céljából a helyi közüzemi hálózattal való kommunikáció értendő. Ezenkívül a jellegzetes villamos mikrohálózatok esetén az azt alkotó különböző törpe erőművek és fogyasztók különböző gyártóktól származnak, és eltérő kommunikációs protokollokat és technikákat használnak. Szinte minden villamos mikrohálózatnak része az internetkapcsolat és a vezeték nélküli technikák (például a wifi), amelyek használata elengedhetetlen az előnyök maximális kihasználásához. Emellett ez lehetővé tesz kiegészítő funkciókat is, például az időjárás-előrejelzési adatok, valamint a tüzelőanyag- és energiaárak valós időben történő gyűjtését.

A kiberbiztonság megteremtése összetett feladat. A kiberbiztonsági sebezhetőségek elhárításához a biztonságos hardver mellett házirendekre, eljárásokra és emberi odafigyelésre is szükség van. Ezek a sebezhetőségek lehetővé teszik a támadók számára, hogy érzékeny hálózatokhoz és kényes adatokhoz férjenek hozzá, sőt illetéktelenül módosíthatják akár még a vezérlőszoftvert is, aminek eredményeként sérülhet a villamos mikrohálózat működése. A terrorizmus csak egyike az aggodalomra okot adó tényezőknek, de ezenfelül számolni kell a versenytársakkal és a lelkiismeretlen alkalmazottakkal is. Emellett a kezelők is hibázhatnak, a hálózatok elavult szoftvereiben létezhetnek ismeretlen kiskapuk és így tovább (4. ábra). A kiberbiztonságra nem elég utólag gondolni. Ahhoz, hogy kellően hatékony legyen, már a kezdetektől fogva bele kell venni a villamos mikrohálózat hardverének, szoftverének és a folyamatok minden részletének tervezésébe.

4. ábra: A villamos mikrohálózatok kezelőinek emberi hibái, valamint a folyamatok és a fizikai biztonság hiányosságaiból eredő sebezhetőségek mind támadási felületet jelenthetnek (kép: Schneider Electric)

Összegzés

A villamos mikrohálózatok a fenntarthatóságot segítő energiaellátásnak és az energiaellátás rugalmasságának maximálisra növelése érdekében számos törpe erőművet és terhelést fognak össze egyetlen rendszerbe. Az egyedi energia- és csatlakozási igények kielégítésére sokféle villamos mikrohálózati architektúra létezik. A villamos mikrohálózatok növekvő számának és a törpe erőművek nagyobb elterjedésének köszönhetően a villamosenergia-rendszerek összekapcsolására vonatkozó szabvány (IEEE 1547) is fejlődött, és egyre nagyobb hangsúlyt fektet a villamos mikrohálózatok kiberbiztonságára.