A villamosítás és az automatizálás használata a jobb hatásfokú és a fenntarthatóságot jobban segítő energiahálózatok létrehozására – 2/2. rész

A villamosenergia-hálózatot tápláló hagyományos energiaforrások fenntartható, zöld energiaforrásokkal való felváltását villamosításnak (elektrifikálásnak) nevezzük. A sorozat 1. részében a villamosítással kapcsolatos problémákról volt szó, valamint arról, hogy az automatizálás hogyan segítheti a hatékonyságot és a fenntarthatóságot. A 2. részben a LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) és a ZEB (Zero Energy Building) környezetbarát építménybesorolási minősítésekkel foglalkozunk, valamint ezek szerepével a szén-dioxid-kibocsátás csökkentését és a fenntarthatóság javítását illetően.

A LEED (Leadership in Energy and Environmental Design, Vezető hely az energetikai és környezettudatos tervezésben) és a ZEB (Zero Energy Building, Nulla szén-dioxid-kibocsátással járó energiafelhasználású épület) tanúsítvány azt jelenti, hogy aki elnyerte, jelentős erőfeszítéseket tett annak érdekében, hogy segítse a társadalomnak a szén-dioxid-kibocsátás csökkentésére és a fenntarthatóság javítására irányuló törekvését. A LEED és ZEB tanúsítvány megszerzése olyan holisztikus megközelítést igényel, amely ötvözi a fosszilis tüzelőanyagokon alapuló villamosenergia-termelő rendszerek zöld alternatívákra, például fényelektromosságra (PV, photovoltaics), azaz napelemekre való lecserélését megvalósító villamosítást és a korszerű automatizálási és vezérlőrendszereket használó villanyjárműveket (EV, electric vehicle).

Az Amerikai Egyesült Államok Zöld Épületek Tanácsának (USGBC, U.S. Green Building Council) LEED-programja magában foglalja a meglévő épületek és az új építkezések szén-dioxid-mentesítését. A ZEB-erőfeszítéseket az Amerikai Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának az energiafelhasználás hatásfokának javításával és a megújuló energiákkal foglalkozó hivatala (EERE, Energy Efficiency and Renewable Energy) koordinálja. A LEED és a ZEB tanúsítvány megszerzése megköveteli az építészektől és a kivitelezőktől, hogy újfajta megközelítést használjanak az épületek tervezésének, építésének és üzemeltetésének módját illetően. A ZEB-hez képest, amely kizárólag a fogyasztásra összpontosít, a LEED egy tágabb elgondolás, amely a szén-dioxidnak, az energiának, a víznek, a hulladéknak, a szállításnak, az anyagoknak, az egészségnek és a beltéri környezet minőségének a kérdésével is foglalkozik.

A villamosításról és a fenntarthatóság elősegítéséről szóló kétrészes sorozat második része a LEED és a ZEB tanúsítási szintek, valamint a kereskedelmi és ipari épületek tanúsításának megszerzéséhez szükséges feltételek áttekintésével kezdődik, beleértve a ZEB több definíciójának összehasonlítását is. Ezután egy példán keresztül részletesen bemutatja, hogyan használta a Phoenix Contact az automatizálást és a helyszíni napelemes villamosenergia-termelést a LEED Silver és a ZEB tanúsítvány eléréséhez fő épületegyüttesének 70 000 négyzetméteres bővítésénél, beleértve azt is, hogy a vállalat néhány saját terméke hogyan járult hozzá a projekt sikeréhez (1. ábra). A cikk végén vetünk egy gyors pillantást arra, hogy a LEED-épületek hogyan járulhatnak hozzá az ENSZ fenntarthatóságot segítő fejlődési céljaihoz.

1. ábra: A tetőn elhelyezett napelemek kulcsfontosságú tényezői voltak annak, hogy a Phoenix Contact ezen létesítménye LEED Silver- és ZEB-minősítést érjen el (kép: Phoenix Contact)

A LEED holisztikus szemléletet jelent

A LEED egy átfogó rendszer, amely a nagy teljesítményű épületek létrehozásához szükséges összes elemet figyelembe veszi. A LEED tanúsítványok a projektnek a részletes teljesítményszempontok alapján odaítélt krediteken vagy pontokon alapulnak. A teljesítménykategóriák és azok relatív fontossága (a legfontosabbtól a legkevésbé fontosig) a következő¹:

• a globális éghajlatváltozáshoz való hozzájárulás csökkentése
• az egyéni emberi egészség javítása
• a vízkészletek védelme, illetve helyreállítása
• a biológiai sokféleség és az ökoszisztéma-szolgáltatások védelme és javítása
• a fenntarthatóságot segítő és újratermelődő anyagok ciklusainak előmozdítása
• a közösség életminőségének javítása

A leglényegesebb szempont, a globális éghajlatváltozáshoz való hozzájárulás csökkentése az összes pont 35%-át teszi ki. A LEED tanúsítványok szintjei a következők: Certified (Minősített) (40–49 pont), Silver (Ezüst) (50–59 pont), Gold (Arany) (60–79 pont) és Platinum (Platina) (80 pont fölött).

A LEED legújabb, v4.1-es verziójában a legtöbb pont az üzemeltetéshez kapcsolódó és a járulékos szén-dioxid-kibocsátással kapcsolatos. Az üzemeltetéshez kapcsolódó szén-dioxid-kibocsátás a fűtés, szellőzés és légkondicionálás (HVAC), a világítás és más energiafogyasztó épületrendszerek által előidézett szén-dioxid- (CO₂-) kibocsátás. A járulékos szén-dioxid-kibocsátás az építőanyagok előállításával és az építési folyamatokkal kapcsolatos szén-dioxid-kibocsátás az épület teljes életciklusa során.

A LEED tanúsítás fontos a zöldebb társadalom megteremtése szempontjából. Az épületek felelősek a globális CO₂-kibocsátás 39%-áért, 28%-ot az épületek üzemeltetése, 11%-ot pedig a járulékos szén-dioxid-kibocsátás tesz ki (2. ábra). Mivel az épületszektor járul hozzá a legjelentősebb mértékben a globális CO₂-kibocsátáshoz, speciális programokat is kidolgoztak a nulla szén-dioxid-kibocsátással járó energiafelhasználású épületek fejlesztésének ösztönzésére.

2. ábra: Az építési tevékenységek, valamint az anyagok és az építőipar nagymértékben hozzájárulnak a globális CO₂-termeléshez (kép: new buildings institute)

A nulla meghatározása

A nulla szén-dioxid-kibocsátással járó energiafelhasználás egyszerű fogalomnak tűnik, de több meghatározása is van. A három legtöbbet idézett program a LEED nulla szén-dioxid-kibocsátással járó energiafelhasználási programja, az ILFI (International Living Future Institute, Nemzetközi Élő Jövő Intézet) nulla szén-dioxid-kibocsátással járó energiafelhasználási programja és a Zero Code megújulóenergia-beszerzési keretrendszer (Zero Code), az Architecture 2030 szervezet kezdeményezése, amelyet kaliforniai épületenergetikai szabványként fogadtak el. Jelentős különbségek vannak a „nulla” meghatározásában.

A LEED nulla szén-dioxid-kibocsátással járó energiafelhasználási (Zero Energy) tanúsítás megszerzéséhez az épületnek 12 hónapos átlagban nullás szén-dioxid-kibocsátással járó energiafelhasználási mérleget kell elérnie, beleértve a helyszínen és a külsőleg előállított (beszerzett) energiát is. A fosszilis tüzelőanyagok helyszíni elégetése nem tilos. A teljes fogyasztásnak helyszíni vagy külsőleg előállított megújuló energiából vagy szén-dioxid-kiegyenlítésből kell állnia.

Az ILFI nulla szén-dioxid-kibocsátással járó energiafelhasználási tanúsítás (Zero Energy Certification) a legszigorúbb szabvány. Az épület energiaszükségletének 100%-át helyszíni megújuló energiaforrásokból kell fedezni. Az égetés nem megengedett, és a tanúsítás a tényleges teljesítményen alapul, a modellezés nem megengedett.

A Zero Code kifejezetten az új kereskedelmi, intézményi, valamint a közepes és magasépítésű lakóépületeket célozza. A nulla szén-dioxid-kibocsátású épületet úgy határozza meg, mint olyan épületet, amely nem használ a helyszínen fosszilis tüzelőanyagokat, és a helyszínen termel vagy szerez be annyi szén-dioxid-kibocsátás-mentes megújuló energiát vagy szén-dioxid-kreditet, hogy az az épület működéséhez szükséges energiaszükségletet kielégítse. A Zero Code azt is előírja, hogy az épületeknek meg kell felelniük az épületek hatásfokára vonatkozó ASHRAE 90.1-2019-es szabványnak. A Zero Code lehetővé teszi más energiafelhasználási hatásfokra vonatkozó szabványok helyettesítését, ha azok azonos vagy jobb energiafelhasználási hatásfokot eredményeznek.

A LEED példamutatása

A Phoenix Contact nemrégiben 961 kW-os napelemes rendszert épített ki a vállalat fő amerikai épületegyüttese logisztikai központjának tetején. A rendszer elegendő energiát termel ahhoz, hogy a létesítmény energiaszükségletének mintegy 30%-át fedezze, ami körülbelül 160 háztartás éves fogyasztásának felel meg. Az épület elnyerte a LEED Silver és a Zero Energy tanúsítást.

A helyszíni, földgáztüzelésű, 1 MW-os mikroturbinás kapcsolt energiatermelő rendszert összekapcsolták a napelemes rendszerrel. A központi energiaszabályozó rendszer valós időben figyeli a napelemes erőmű vagy röviden naperőmű teljesítményét és az épület fogyasztását. A mikroturbinás generátort akkor használják, ha az általános energiaigény meghaladja a napelemes rendszer teljesítményét. Van, amikor a napelemes rendszert és a mikroturbinát együttesen használják arra, hogy hálózati mérésen keresztül villamos energiát juttassanak a villamos hálózatba, ami bevételt termel a vállalatnak.

A rendszert úgy tervezték, hogy a nappali órákban csökkentse a földgázfogyasztást, és a mikroturbinás generátort főként éjszaka működtesse, a lehető legjobbra növelve az általános energiafelhasználási hatásfokot, és minimálisra csökkentve a teljes CO₂-kibocsátás mértékét. Egyes napokon a földgázfogyasztás szinte nullára csökkenthető. A napelemes rendszer néhány statisztikai adata:

• 2185 napelem
• 1 214 235 kWh évente
• 1 939 279 fonttal (879 657 kg) kevesebb CO₂-kibocsátás

Az ehhez hasonló nagy naperőművekben a napelemes rendszer egyes szegmenseinek folyamatos felügyeletére és ellenőrzésére van szükség a lehető legjobb hatásfoknak és az energiatermelés lehető legnagyobb rendelkezésre állásának eléréséhez.

Az automatizáláshoz felhasználható adatokra van szükség

A villamosítási rendszerek, például a naperőművek hatékony automatizálása és vezérlése sokrétű és felhasználható adatokat igényel. Az egyes napelempanelláncok valós idejű felügyeletével maximálisra növelhető a termelés, és egyszerűbbé válik a megelőző karbantartás. Ha egy lánc váratlanul leáll, több ezer kW teljesítmény veszhet el, ami komoly pénzügyi veszteséggel jár.

A Phoenix Contact fő amerikai épületegyüttesén található 961 kW-os napelemes rendszer tizenkét invertert tartalmaz, amelyek mindegyikét hat-hat napelempanellánc táplálja. A rendszer a vállalat számos termékét tartalmazza, kezdve a második generációs EMpro energiamérőkkel, amilyen például panelre szerelt, 2908286 jelű mérő. Ezeket a mérőket úgy tervezték, hogy mérjék és a rendszer összes elemének távfelügyeletét segítő felhőalapú platformokra továbbítsák a kulcsfontosságú energiaparamétereket. EMpro energiamérők különböző kialakítású energiatermelő rendszerekhez kaphatóak, beleértve az egy-, két- és háromfázisú rendszereket és összeállításokat. A rendszer számos rendszerelemet és működési feltételt valós időben figyel, többek között a következőket:

• Az inverterek egyenként figyelik az egyenáramú bemenőteljesítményt, a váltakozó áramú kimenőteljesítményt, a hasznos és a meddő teljesítményt, a hibákat és az üzemállapotot.
• A rendszer figyeli mindegyik napelempanellác áram- és feszültségkimenetét, és ezeket az adatokat értékeli a lánc állapotának és az esetleges karbantartási igényeknek a meghatározásához.
• A panelek hőmérsékletét a szerte a naperőmű területén elhelyezett számos érzékelővel figyelik.
• A rendszer gyűjti az időjárási adatokat is, amilyen például a szélsebesség és a szélirány, a hőmérséklet, a relatív páratartalom és a légnyomás.
• A beeső napsugárzást mérésére két piranométer (napsugárzásmérő) szolgál, az egyik 10°-os szögben, a napelempanelek beállítási szögével egyezően, a másik pedig vízszintesen van elhelyezve.
• A szennyeződésérzékelők a napelempanelek felületére lerakódott por és szennyeződés okozta fényveszteséget mérik.
• A rendszer biztonsági felügyelete kamerákkal van megoldva.

A rendszerben adatgyűjtőkre és csatlakozókra is szükség van. A vállalat vezeték nélküli Radioline moduljai, például a 2901541 jelű típus, az RS-485 protokollt használva vezeték nélkül kommunikálnak a napelemmodul hőmérséklet- és szennyeződésérzékelőivel. Más esetekben az ethernetes áramellátást (Power over Ethernet, PoE) használják az áramellátás és az adattovábbítás egyszerre történő megvalósítására. A behatolás elleni védelemről az FL mGuard 1000 sorozatú biztonsági útválasztók gondoskodhatnak. Ilyen például a 1153079 jelű típus, amely tűzfalas védelmet és felhasználókezelést kínál.

Mindezek összekapcsolásához olyan vezérlőegységre van szükség, mint a Phoenix Contact 1069208 jelű, DIN-sínre szerelhető eszköze, amely a vállalat PLCnext technikáján alapul (3. ábra). Valamilyen be- és kimeneti (I/O) modullal, például az 2702783 jelű típussal párosítva a vezérlőegység összegyűjti az érzékelőhálózatból származó adatokat, és továbbítja azokat egy felhőszolgáltatónak. Ezenkívül egy ipari számítógépen a Phoenix Contact Solarworx szoftvere fut. A mellékelt szoftvereszközök és könyvtárak támogatják a napenergia-ágazat által elfogadott kommunikációs protokollokat és szabványokat. A rendszer lehetővé teszi a napelemes rendszer működésének testreszabott automatizálását és képi megjelenítését, és kompatibilis a harmadik felektől származó szoftvercsomagokkal, amelyek képesek a teljesítmény optimalizálása érdekében a múltbeli és a valós idejű adatok elemzésére. A könyvtárak olyan funkcionális blokkokat tartalmaznak, amelyek megfelelnek a programozható vezérlőegységekre vonatkozó IEC 61131 szabvány követelményeinek.

3. ábra: Egy nagyméretű napelemes energiatermelő rendszerekhez használható, DIN-sínre szerelhető vezérlőegység (kép: Phoenix Contact)

Az elosztott energiaforrások (DER, distributed energy resources), például a napelemes rendszerek villamos hálózatba kapcsolásához szükséges villamossági kirakós játék utolsó darabja a betáplálásszabályozás. A Phoenix Contact PGS vezérlőegységei képesek figyelni a hálózati csatlakozási pontokon a feszültség- és meddőteljesítmény-szinteket, és meghatározni az inverterek számára a közép- és nagyfeszültségű hálózatokba való betáplálás kezeléséhez szükséges szabályozási értékeket.

A LEED és a fenntarthatóságot segítő fejlődés

Az Egyesült Nemzetek Szervezete (ENSZ) 17 fenntarthatóságot segítő fejlődési célt² (SDG, Sustainable Development Goal) határozott meg, amelyek célja, hogy 2030-ra felszámolják a globális szegénységet. Az Amerikai Egyesült Államok Zöld Épületek Tanácsa (USGBC) szerint a LEED-épületekben rejlő villamosítás és automatizálás hozzájárulhat a 17 fenntarthatóságot segítő fejlődési cél közül 11-nek a megvalósításához. Ezek a következők:

3. cél: Egészség és jólét

6. cél: Tiszta víz és higiénia

7. cél: Megfizethető és tiszta energia

8. cél: Fenntartható, mindenre kiterjedő és a fenntarthatóságot segítő gazdasági növekedés, teljes és termelékeny foglalkoztatás, valamint a tisztességes munka elősegítése mindenki számára

9. cél: Rugalmas infrastruktúra kiépítése, a mindenre kiterjedő és a fenntarthatóságot segítő iparosítás előmozdítása és az újítások ösztönzése

10. cél: Az országokon belüli és országok közötti egyenlőtlenségek csökkentése

11. cél: A fenntarthatóságot segítő városok és közösségek

12. cél: Felelős fogyasztás és termelés

13. cél: Az éghajlatváltozás elleni fellépés

15. cél: A szárazföldi ökoszisztémák védelme, helyreállítása és fenntarthatóságot segítő használatának előmozdítása, a fenntarthatóságot segítő erdőgazdálkodás, az elsivatagosodás elleni küzdelem, valamint a talajromlásnak és a biológiai sokféleség csökkenésének megállítása és visszafordítása

17. cél: A végrehajtási eszközök megerősítése és a fenntarthatóságot segítő fejlődésre irányuló globális partnerség újjáélesztése

A vállalati stratégiák hozzájárulhatnak a fenntarthatóságot jobban szem előtt tartó és segítő társadalom kialakításához is. Például a Phoenix Contact amerikai logisztikai központja esetében a LEED Silver és a Zero Energy tanúsítvány megszerzése az egyik része volt annak a kezdeti célnak, hogy a vállalat világszerte minden telephelyén szén-dioxid-semlegességet érjen el. A vállalat következő célja, hogy 2030-ig teljesen klímasemleges értékteremtési láncot hozzon létre.

Összegzés

Az építőipar járul hozzá a legjelentősebb mértékben a globális CO₂-termeléshez. A LEED és a ZEB tanúsítványok fontos eszközök a jobb hatásfokú és a fenntarthatóságot jobban segítő épületek létrehozását célzó villamosítás és automatizálás sikerének mérésére. Amint az látható, a nagyméretű naperőművek a hálózatra kapcsolt helyi energiatermelő kapacitással együtt hozzájárulhatnak a környezetbarátabb társadalom megteremtéséhez. A LEED tanúsítvánnyal rendelkező épületek az ENSZ tizenhét fenntarthatóságot segítő fejlődési céljának elérését és a globális szegénység 2030-ig történő felszámolását is támogatják.

Felhasznált forrásanyagok:

1. LEED rating system (LEED minősítési rendszer), Green Building Council
2. Sustainable Development Goals (A fenntarthatóságot segítő fejlődési célok), ENSZ