Hatékonyabb és fenntarthatóbb elektromos hálózatok létrehozása villamosítással és automatizálással – első rész

A villamosenergia-hálózatot tápláló hagyományos energiaforrások fenntartható, zöld energiaforrásokkal való felváltását villamosításnak (elektrifikálásnak) nevezzük. Ezen kétrészes cikkünk 1. része a villamosítás bizonyos problémáit tárgyalja, valamint azt, hogy az automatizálás hogyan segítheti a hatékonyságot és a fenntarthatóságot. A 2. rész a LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) és a ZEB (Zero Energy Building) környezetbarát építménybesorolási minősítésekkel foglalkozik, valamint ezek szerepével a szén-dioxid-kibocsátás csökkentése és a fenntarthatóság javítását illetően.

A villamosítás az olaj, szén, földgáz és más fosszilis tüzelőanyagok használatával villamosenergiát termelő rendszerek felváltása fotovoltaikus és más környezetbarát technológiákkal, valamint a belső égésű motorral hajtott járművek felváltása elektromos járművekkel. A villamosított rendszerek, valamint az ezeket összekötő, és az intelligens villamos hálózatokat és mikrogrideket működtető automatizált rendszerek fontos struktúrák, amelyek a társadalmat egy fenntarthatóbb és környezetbarátabb jövő felé mozdítják el.

A mai elektromos hálózatot nem nagyszámú elektromos jármű feltöltésének kiszolgálására tervezték, és az intelligens hálózatok a mikrogridekkel együtt várhatóan kritikus fontosságú technológiák lesznek, amelyeknek köszönhetően a belső égésű járművek elektromosakra történő cseréje széleskörűen megvalósulhat. Kalifornia kormányzója nemrégiben rendeletet adott ki, amely előírja, hogy 2035-ig minden új értékesített személygépkocsinak és könnyű tehergépkocsinak zéró károsanyag-kibocsátású járműnek kell lennie. Az intelligens hálózatok és mikrogridek fejlesztőinek a nemzetközi szabványok ijesztő sorának kell megfelelniük, hogy az ilyen jellegű megbízásokat teljesíteni tudják. Az IEEE például az intelligens hálózatokra vonatkozólag több mint 100 jóváhagyott vagy fejlesztés alatt álló szabványt tart nyilván, beleértve az Egyesült Államok Nemzeti Tudományos és Technológiai Intézetének (NIST) az intelligens hálózatok interoperabilitásának keretrendszerében és ütemtervében (Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability) említett több mint 20 IEEE-szabványt is. Az IEEE szabványok mellett a mikrogrideket az ilyen hálózatokra vonatkozó IEC 62898 és más szabványok is szabályozzák.

Ezen írás kétrészes cikksorozatunk első része. Megvizsgálja a villamosítás megvalósításával kapcsolatos problémákat, az elosztott energiaforrások (Distributed Energy Resources – DER) integrálását, az intelligens hálózatok és a mikrogridek közötti hasonlóságokat és különbségeket, valamint azt, hogy az automatizálás hogyan növeli hatékonyságukat és fenntarthatóságukat, beleértve az elektromos járművek általános elterjedésének támogatását. Áttekinti az elosztott energiaforrásokat és azok helyét a világban, majd azzal zárja, hogy megvizsgálja, hogy a közüzemi mikrogridek megjelenésével hogyan mosódik el lassan a határvonal a mikrogridek és az intelligens hálózatok között. Bármilyen megvalósításról legyen is szó, a DigiKey széles palettát kínál ipari automatizálási termékekből a villamosítás és a DER-ek integrációjának támogatására. A második cikk azt vizsgálja, hogy környezetbarát épületeknél hogyan használható a villamosítás és az automatizálás a Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) és a Zero Energy Building (ZEB) tanúsítványok megszerzésére.

Mi az a DER?

Az Észak-Amerikai Villamossági Megbízhatósági Szervezet (North American Electric Reliability Corporation, NERC) meghatározása a következő: „az elosztott energiaforrás (DER) a villamosenergia-elosztórendszer bármely olyan erőforrása, amely villamos energiát termel, és amely nem része a NERC hivatalos meghatározása szerinti nagyfeszültségű villamosenergia-rendszernek (Bulk Electric System, BES)”.

Észak-Amerikában elosztórendszer alatt a 34,5 kV vagy annál kisebb feszültséget szállító, jellemzően az alállomásoktól a végfelhasználókig futó elektromos vezetékeket értik. A nagyfeszültségű villamosenergia-rendszer (Bulk Power System, BPS) magában foglalja a nagy távolságokon át gyakran 100 kV-on felüli feszültséget szállító alállomásra érkező vezetékeket, amelyek összekötik a nagyméretű nagyfeszültségű villamosenergia-termelő létesítményeket az összekötő elemekkel és alállomásokkal (1. ábra).

1 ábra: A DER-ek az elosztórendszeren (kék) belül találhatók; egyéb megújuló energiaforrások a nagyfeszültségű villamosenergia-rendszeren (zöld) belül vannak (kép: NERC)

A DER-ek közé tartozik bármely nem nagyfeszültségű rendszererőforrás, beleértve többek között a szélturbinákat és a fotovoltaikus létesítményeket, az energiatároló egységeket, a legtöbb akkumulátoros energiatároló rendszert (BESS), az elektromos járművek akkumulátortöltőit – vagy más néven az elektromos járművek töltését szabályozó eszközöket (EVSE) – és a mikrogrideket. DER-ekkel találkozhatunk a közüzemi fogyasztásmérők mögött de közvetlenül az elosztórendszeren belül is. A fogyasztásmérő mögötti DER-források közé tartoznak a fotovoltaikus tömbök, az akkumulátoros energiatároló rendszerek, a hálózatra csatlakoztatott elektromos járművek és a tartalék áramforrások, például az adatközpontokban és más helyszíneken elhelyezett nagy dízelgenerátorok. A mikrogridek speciális típusú DER-ek.

Intelligens hálózatok, mikrogridek és villamosítás

Minden mikrogrid DER, de nem minden DER mikrogrid. A nagyfeszültségű villamosenergia-rendszer (BPS) szempontjából a mikrogrid és a DER az energiatermelési vagy -tárolási erőforrások egy-egy típusa, intelligens hálózat alatt pedig a BPS által a rugalmas és hatékony működés biztosítása érdekében használt kommunikációs és vezérlési technológiák értendők. Egy másik megkülönböztető tényező, hogy a mikrogridek a termelő és tároló erőforrásokat, valamint a terhelést is magukban foglalják. Az intelligens hálózatok elsősorban termelő erőforrásokból állnak, némi tárolási képességgel, viszont nem tartalmaznak terheléseket. Az intelligens hálózatok képesek kommunikálni a fogyasztókkal, de különálló elemei a közüzemi villamos hálózatnak.

A villamosítás különböző módon érinti a mikrogrideket, a BPS-t és az intelligens hálózatokat. A BPS-nél egy meglévő hálózat villamosításáról van szó, és annak nem megfelelő bevezetése nem szándékolt negatív működési következményekkel járhat. Itt jön képbe az intelligens hálózati technológia.

Az intelligens hálózatok elsődleges megkülönböztető jegyei a kétirányú kommunikáció és a vezérelhetőség. A vezérlőrendszerek közé tartoznak a hálózat stabilitását figyelő érzékelők és a villamosenergia-igényt nyomon követő korszerű mérőműszerek. Tartalmaznak továbbá különféle szabályozható teljesítménykapcsoló és energiaminőség-figyelő eszközöket is, melyekkel a villamosenergia-áramlás irányítható. Az érzékelők kritikusan fontosak a megújuló energiaforrások nagyobb mértékű elterjedését és a BPS villamosításának megvalósítását illetően, valamint a hálózat stabilitásának biztosítása szempontjából. Ezen túlmenően az érzékelőknek és a vezérlőelemeknek köszönhetően a rendszer gyorsabban és hatékonyabban tud reagálni energiaellátási zavarok esetén, és lehetővé teszik a hálózat kiegyensúlyozott és megbízható működését, különösen a csúcsigény időszakaiban és a megújuló energiaforrások változó rendelkezésre állása mellett. Az intelligens hálózatok kiépítésére használt technológiai elemek továbbá lehetővé teszik a mikrogridek koordinált működését és ezen külső alrendszereknek az elosztórendszerbe és a nagyfeszültségű villamosenergia-rendszerbe történő integrálását.

Ezzel szemben a mikrogrideket arra tervezték, hogy különböző villamosítási technológiák, mint például a megújuló energiaforrások, az akkumulátoros energiatároló rendszerek és az elektromos járművek befogadására legyenek alkalmasak. A mikrogrideknél és az intelligens hálózatoknál automatizált vezérlésre, többek között egy elosztott energiaforrás-kezelő (DERM) rendszerre van szükség.

DERM-ek nélkül nem megy

A DERM-eket és az automatizálást különbözőképpen definiálják és valósítják meg az intelligens hálózatoknál és a mikrogrideknél. Az intelligens hálózat különböző, nagy területen elhelyezkedő áramtermelő forrásokból és villamosenergia-felhasználókból áll, a hálózat irányítására szolgáló központi irányító központtal (2. ábra). A hálózatirányítás egyik kulcseleme a BPS rendszer intelligens működésének. A meglévő BPS rendszereket még azelőtt tervezték és építették, hogy szükség lett volna a villamosítás támogatására, és megbízhatóságuk romolhat, mivel a fosszilis tüzelőanyagokból származó, elosztható (szabályozható) áramtermelés helyébe egyre inkább kiszámíthatatlan (és ezért kevésbé szabályozható) megújuló energiaforrások lépnek. Ezen túlmenően nagyszámú elektromos jármű töltése többnyire nem elosztható, és a közműszolgáltató által közvetlenül nem szabályozható. Az intelligens hálózati technológia által lehetővé tett központosított, automatizált vezérlésnek kell ellensúlyoznia azt, hogy a villamosításhoz és az elektromos járművek töltéséhez használt megújuló energiaforrások nem annyira kiszámíthatóak, mint a hagyományos közüzemi hálózati elemek.

2. ábra: Intelligens hálózatoknál a valós idejű hálózatirányítás automatizált vezérlők és DERM-ek segítségével valósul meg (kép: ETAP)

Az intelligens hálózatok és mikrogridek vezérlőinek különböző érzékelőktől származó információkra van szükségük, hogy valós időben követi tudják a csatlakoztatott erőforrások állapotát. Az elektromos járművek és a töltésüket szabályozó eszközök (EVSE-k) megjelenésével a vezérlők az energiaigényt is kiszolgálják töltéskor, és a jármű-hálózat (V2G) kapcsolat segítségével kiegészítő energiatárolási kapacitás biztosíthatnak az elektromos járműveknek a közműhálózathoz vagy mikrogridhez való csatlakoztatásával.

A csatlakoztatott erőforrások állapotának nyomon követése mellett a hálózatra kapcsolt mikrogridek vezérlőinek a helyi közműhálózat állapotát is figyelniük kell. Az intelligens hálózatok és mikrogridek alapvető alkotórészei a kapcsolóberendezések, amelyeknek milliszekundumon belül kell reagálniuk a hatékony működés biztosításához. A kapcsolóberendezések a kisméretű mikrogridek néhány kilowattos egységeitől kezdve a nagy mikrogrideknél és a közműhálózaton használt több megawattos berendezésekig terjednek. Kis mikrogrideknél a kapcsolóberendezés és a vezérlő egy közös szekrényben is elhelyezhető, ami csökkenti a költségeket és gyorsítja a telepítést. Az elosztott erőforrások intelligens hálózatok és mikrogridek általi kezelése magába foglalja az energiatermelés és az energiafogyasztás intelligens mérését, amit felhőalapú elemzéssel támogatnak az elosztott erőforrások gazdasági előnyeinek maximalizálásához és a magas szintű rugalmasság biztosításához. Az elosztott energiaforrás-kezelő rendszerek pontos felépítése eltérő lehet a mikrogridek különböző fajtáinál.

Mikrogridek típusai

A mikrogridek alkalmazásuk és felépítésük alapján osztályozhatók. Alapvetően három mikrogrid-architektúra létezik: a távoli, valamint a hálózatba és a hálózatra kapcsolt típusok. A távoli típusú mikrogridek nevüknek megfelelően távoli helyeken, például szigeteken vagy messzi bányászati és mezőgazdasági üzemekben találhatók. Ezeket hálózaton kívüli mikrogrideknek is nevezik, és fizikailag el vannak választva a közüzemi nagyfeszültségű villamosenergia-rendszertől. Teljesen önellátónak kell lenniük.

A hálózatba kapcsolt vagy egymásba ágyazott mikrogridek olyan hálózatok, amelyek több különálló DER-ből vagy mikrogridből állnak, és egy közös közüzemi elosztórendszerhez csatlakoznak. Általában egy központi felügyeleti rendszer irányítása alatt állnak, amely egyensúlyban tartja a mikrogrid működésének igényeit és a szélesebb közüzemi hálózat kiszolgálását. A vezérlő gyakran fontossági hierarchiát rendel a mikrogridekhez és a DER-ekhez, hogy biztosítsa a legkritikusabb elemek védelmét. A hálózatba kapcsolt mikrogridek példái közé tartoznak a közösségi mikrogridek, az intelligens városok és az újonnan elterjedőben lévő közüzemi mikrogridek.

A hálózatba kapcsolt mikrogridek egyik alkategóriája a hálózatra kapcsolt mikrogrideknek. Minden hálózatra kapcsolt mikrogrid fizikailag kapcsolódik az elosztóhálózathoz, és a villamos hálózati csatlakozási pontnál (point of common coupling, PCC) egy kapcsolóberendezéssel rendelkezik. Normál üzemmódban a hálózatra kapcsolt mikrogrid az elosztóhálózathoz csatlakozik. Frekvencia- és feszültségszabályozással, a valós és meddő teljesítmény kompenzálásával, valamint csúcsidőkön belül a kapacitáslimitek enyhítése érdekében az energiaigényre való reagálással tudja segíteni a közüzemi hálózat működését.

Szigetüzemben a mikrogrid nem csatlakozik a közüzemi elosztóhálózathoz. Szigetüzemű működésre az elosztóhálózatban bekövetkező zavarok vagy egyéb szükségletek, például karbantartás miatt kerülhet sor. A szigetüzemből a hálózatra kapcsolt üzemmódba való áttéréskor ezeknek a mikrogrideknek érzékelniük kell az elosztórendszer frekvenciáját, és visszakapcsolódásuk előtt szinkronizálniuk kell vele a működésüket.

Számos ilyen mikrogrid létezik, többek között egyetemek, kórházak és orvosi központok, kereskedelmi létesítmények, közösségek és ipari létesítmények rendszerei. A legújabb alkalmazási kategóriát jelentik a közüzemi mikrogridek (3. ábra).

3. ábra: A mikrogrideket gyakran az alkalmazásuk alapján kategorizálják (kép: Siemens)

A határvonal elmosódik

Napjainkban egyre több közüzemi mikrogrid telepítésére kerül sor, aminek köszönhetően lassan elmosódik a határ az intelligens hálózatok és a mikrogridek között. Ezen folyamat során az elosztott energiaforrás átalakul dedikált energiaforrássá. A közüzemi mikrogrideket arra tervezték, hogy csökkentsék a szélsőséges időjárási események, erdőtüzek és más előre nem látható problémák miatti áramkimaradásokat. Szélsőséges események esetén a villamoshálózati architektúrák nagy részei a biztonság érdekében áramtalanításra kerülnek.

Az ilyen előre nem látott és széleskörű áramkimaradások egyik fontos és sajnálatos hatása, hogy eltántorítják a felhasználókat az elektromos járművek használatától. A közüzemi mikrogridekre jelenleg úgy tekintenek mint az elektromos járművek széles körű elterjedésének kulcsára. A közüzemi mikrogrideket az Egyesült Államokban már javasolják és telepítik. A Southern California Edison (SCE) például javaslatot tett közérdekű biztonsági áramleállító mikrogridek kifejlesztésére (Public Safety Power Shutoff Microgrids), hogy erdőtüzek esetén a lehető legszélesebb körben fenntartsák a villamos energia rendelkezésre állását. Más közműszolgáltatók az új hálózati architektúrát közösségi mikrogridként emlegetik (4. ábra).

4. ábra: Közüzemi mikrogrideket viszonylag nagy földrajzi területekre kiterjedő, széleskörű erőforrás-típusok alkothatnak, és megjelenésükkel lassan elmosódik a határ a hagyományos mikrogridek és az intelligens hálózatok között (kép: Edison International)

A közüzemi mikrogridek szigetüzemű működésre való képességének köszönhetően a villamosenergia-ellátás a jelenleginél „felaprózottabban” is biztosítható. Várhatóan igen különböző méretű ilyen típusú mikrogrid hálózatok telepítésére kerül majd sor, a teljes lakóközösségektől kezdve a nyilvános helyekig, beleértve az iskolákat és más stratégiai fontosságú helyeket, például a tűzoltóállomásokat, és az egészségügyi és evakuációs központokat. A legtöbb ilyen közösségi mikrogrid megépítésekor egyik alapvető részét képezik az elektromos járművek töltését szabályozó eszközök és berendezések (EVSE). Az elképzelések szerint az EVSE-k biztosítani tudják majd az elektromos járművek hálózathoz való csatlakoztatását, valamint további tartalék energiaforrást jelentenek majd az ilyen járművek töltésekor.

Összegzés

Fenntarthatóbb energiahálózatok biztosításához és a CO₂-kibocsátás csökkentéséhez villamosításra van szükség. Számos villamosítási technológia, például a napelemes energia és az elektromos járművek kevésbé kiszámíthatóak az általuk felváltott hagyományos erőforrásoknál. Ez azt jelenti, hogy a villamosítást intelligens hálózatokba és mikrogridekbe épített fejlett érzékelőhálózatokkal és automatizált vezérlőrendszerekkel szükséges támogatni.