Inteligentne sieci energetyczne
Szacuje się, że globalne zapotrzebowanie na energię będzie rosnąć w tempie około 2,2 procent rocznie. Oznacza to, że obecne globalne zużycie energii wynoszące ponad 20 petawatogodzin wzrośnie do 2030 petawatogodzin w 33 roku. Jednocześnie kładzie się nacisk na efektywniejsze niż kiedykolwiek wykorzystanie energii.
1. Auto w inteligentnej sieci
Inne prognozy przewidują, że do 2050 r. transport pochłonie ponad 10 procent zapotrzebowania na energię elektryczną, głównie ze względu na rosnącą popularność pojazdów elektrycznych i hybrydowych.
jeśli ładowanie akumulatora samochodu elektrycznego nie jest prawidłowo zarządzany lub nie działa samodzielnie, istnieje ryzyko szczytowych obciążeń z powodu zbyt dużej liczby ładowanych akumulatorów w tym samym czasie. Potrzeba rozwiązań pozwalających na ładowanie pojazdów w optymalnym czasie (1).
Klasyczne XX-wieczne systemy elektroenergetyczne, w których energia elektryczna była wytwarzana głównie w elektrowniach centralnych i dostarczana do odbiorców liniami przesyłowymi wysokiego napięcia oraz sieciami dystrybucyjnymi średniego i niskiego napięcia, nie odpowiadają potrzebom nowej ery.
W ostatnich latach obserwujemy również szybki rozwój systemów rozproszonych, małych producentów energii, którzy mogą dzielić się swoimi nadwyżkami z rynkiem. Mają znaczący udział w systemach rozproszonych. odnawialne źródła energii.
Słowniczek inteligentnych sieci
AMI - skrót od Advanced Metering Infrastructure. Oznacza infrastrukturę urządzeń i oprogramowania, które komunikują się z licznikami energii elektrycznej, gromadzą dane o energii i analizują te dane.
generacja rozproszona - wytwarzanie energii przez małe instalacje wytwórcze lub obiekty podłączone bezpośrednio do sieci dystrybucyjnych lub zlokalizowane w systemie elektroenergetycznym odbiorcy (za aparaturą kontrolno-pomiarową), wytwarzające zazwyczaj energię elektryczną z odnawialnych lub nietradycyjnych źródeł energii, często w połączeniu z produkcją ciepła (kogeneracja rozproszona) ). . Sieci generacji rozproszonej mogą obejmować np. prosumentów, spółdzielnie energetyczne, czy elektrownie miejskie.
inteligentny licznik – zdalny licznik energii elektrycznej, który posiada funkcję automatycznego przesyłania danych pomiarowych energii do dostawcy i tym samym daje większe możliwości świadomego korzystania z energii elektrycznej.
Mikroźródło zasilania – mała elektrownia, zwykle wykorzystywana na potrzeby własne. Mikroźródłem mogą być małe domowe elektrownie słoneczne, wodne lub wiatrowe, mikroturbiny na gaz ziemny lub biogaz, jednostki z silnikami na gaz ziemny lub biogaz.
Propozycja – świadomy konsument energii, który wytwarza energię na własne potrzeby np. w mikroźródłach, a niewykorzystaną nadwyżkę sprzedaje do sieci dystrybucyjnej.
Stawki dynamiczne – taryfy uwzględniające dobowe zmiany cen energii.
Obserwowalna czasoprzestrzeń
Rozwiązanie tych problemów (2) wymaga sieci z elastyczną „myślącą” infrastrukturą, która skieruje energię dokładnie tam, gdzie jest potrzebna. Taka decyzja inteligentna sieć energetyczna – inteligentna sieć energetyczna.
2. Wyzwania stojące przed rynkiem energii
Mówiąc ogólnie, smart grid to system elektroenergetyczny, który w inteligentny sposób integruje działania wszystkich uczestników procesów produkcji, przesyłu, dystrybucji i użytkowania w celu dostarczania energii elektrycznej w sposób ekonomiczny, zrównoważony i bezpieczny (3).
Jego głównym założeniem jest powiązanie wszystkich uczestników rynku energii. Sieć łączy elektrownie, dużych i małych oraz odbiorców energii w jednej strukturze. Może istnieć i funkcjonować dzięki dwóm elementom: automatyce zbudowanej na zaawansowanych czujnikach oraz systemowi teleinformatycznemu.
Mówiąc prościej: inteligentna sieć „wie”, gdzie i kiedy pojawia się największe zapotrzebowanie na energię i największe dostawy, i może skierować nadmiar energii tam, gdzie jest najbardziej potrzebny. W rezultacie taka sieć może poprawić wydajność, niezawodność i bezpieczeństwo łańcucha dostaw energii.
3. Inteligentna sieć - schemat podstawowy
4. Trzy obszary inteligentnych sieci, cele i korzyści z nich wynikające
Inteligentne sieci umożliwiają zdalne dokonywanie odczytów liczników energii elektrycznej, monitorowanie stanu odbioru i sieci, a także profilu odbioru energii, identyfikację nielegalnego poboru energii, ingerencji w liczniki i ubytków energii, zdalne rozłączenie/podłączenie odbiorcy, zmianę taryf, archiwum i rachunek za odczytane wartości i inne czynności (4).
Trudno jest dokładnie określić zapotrzebowanie na energię elektryczną, dlatego zwykle system musi korzystać z tzw. gorącej rezerwy. Wykorzystanie generacji rozproszonej (patrz Słowniczek Smart Grid) w połączeniu ze Smart Grid może znacznie zmniejszyć potrzebę utrzymywania dużych rezerw w pełnej sprawności.
Filar inteligentne sieci istnieje rozbudowany system pomiarowy, inteligentna księgowość (5). Obejmuje systemy telekomunikacyjne, które przekazują dane pomiarowe do punktów decyzyjnych, a także inteligentne algorytmy informacyjne, prognostyczne i decyzyjne.
Powstają już pierwsze pilotażowe instalacje „inteligentnych” systemów pomiarowych, obejmujące poszczególne miasta czy gminy. Dzięki nim możesz m.in. wprowadzić stawki godzinowe dla klientów indywidualnych. Oznacza to, że w określonych porach dnia cena prądu dla takiego pojedynczego odbiorcy będzie niższa, dlatego warto włączyć np. pralkę.
Według niektórych naukowców, np. grupy badaczy z niemieckiego Instytutu Maxa Plancka w Getyndze kierowanej przez Marka Timma, miliony inteligentnych liczników mogłyby w przyszłości stworzyć całkowicie autonomiczny sieć samoregulująca, zdecentralizowany jak Internet i bezpieczny, ponieważ jest odporny na ataki, na które narażone są systemy scentralizowane.
Siła z wielości
Odnawialne źródła energii elektrycznej Ze względu na małą moc jednostkową (OZE) są źródłami rozproszonymi. Te ostatnie obejmują źródła o mocy jednostkowej poniżej 50-100 MW, instalowane w bezpośredniej bliskości końcowego odbiorcy energii.
Jednak w praktyce limit dla źródła uznawanego za rozproszone różni się znacznie w zależności od kraju, na przykład Szwecja wynosi 1,5 MW, Nowa Zelandia 5 MW, USA 5 MW, Wielka Brytania 100 MW. .
Przy odpowiednio dużej liczbie źródeł rozproszonych na niewielkim obszarze systemu elektroenergetycznego i dzięki możliwościom, jakie dają inteligentne sieci, staje się możliwe i opłacalne połączenie tych źródeł w jeden system kontrolowany przez operatora, tworząc „wirtualną elektrownię”.
Jej celem jest skupienie generacji rozproszonej w jeden logicznie połączony system, zwiększający efektywność techniczną i ekonomiczną wytwarzania energii elektrycznej. Generacja rozproszona zlokalizowana w bliskiej odległości od odbiorców energii może również wykorzystywać lokalne zasoby paliw, w tym biopaliwa i energię odnawialną, a nawet odpady komunalne.
Wirtualna elektrownia łączy wiele różnych lokalnych źródeł energii na określonym obszarze (elektrownie wodne, wiatrowe, fotowoltaiczne, turbiny pracujące w cyklu kombinowanym, generatory napędzane silnikiem itp.) oraz magazyny energii (zbiorniki na wodę, akumulatory), które są zdalnie sterowane przez rozbudowana sieć informatyczna.
Ważną funkcję w tworzeniu wirtualnych elektrowni powinny pełnić urządzenia magazynujące energię, które pozwalają na dostosowanie wytwarzania energii elektrycznej do dobowych zmian zapotrzebowania odbiorców. Zwykle takimi zbiornikami są baterie lub superkondensatory; Podobną rolę mogą pełnić stacje szczytowo-pompowe.
Zbilansowany energetycznie obszar tworzący wirtualną elektrownię można oddzielić od sieci elektroenergetycznej za pomocą nowoczesnych przełączników. Taki przełącznik zabezpiecza, wykonuje prace pomiarowe i synchronizuje system z siecią.
Świat staje się mądrzejszy
W inteligentne sieci obecnie inwestowane przez wszystkie największe firmy energetyczne na świecie. W Europie na przykład EDF (Francja), RWE (Niemcy), Iberdrola (Hiszpania) i British Gas (Wielka Brytania).
6. Inteligentna sieć łączy źródła tradycyjne i odnawialne
Ważnym elementem tego typu systemu jest telekomunikacyjna sieć dystrybucyjna, która zapewnia niezawodną dwukierunkową transmisję IP pomiędzy centralnymi systemami aplikacyjnymi a inteligentnymi licznikami energii elektrycznej zlokalizowanymi bezpośrednio na końcu systemu elektroenergetycznego, u odbiorców końcowych.
Obecnie największe na świecie sieci telekomunikacyjne dla potrzeb Smart Grid od największych operatorów energetycznych w ich krajach - takich jak LightSquared (USA) czy EnergyAustralia (Australia) - są produkowane z wykorzystaniem technologii bezprzewodowej Wimax.
Ponadto pierwsze i jedno z największych planowanych w Polsce wdrożeń systemu AMI (Advanced Metering Infrastructure), będącego integralną częścią inteligentnej sieci Energa Operator SA, wiąże się z wykorzystaniem do transmisji danych systemu Wimax.
Istotną zaletą rozwiązania Wimax w porównaniu z innymi technologiami wykorzystywanymi w energetyce do transmisji danych, takimi jak PLC, jest brak konieczności wyłączania całych odcinków linii energetycznych w sytuacji awaryjnej.
7. Piramida energetyczna w Europie
Chiński rząd opracował duży długoterminowy plan inwestycji w systemy wodne, modernizację i rozbudowę sieci przesyłowych i infrastruktury na obszarach wiejskich oraz inteligentne sieci. Chiński State Grid Corporation planuje je wprowadzić do 2030 roku.
Japońska Federacja Przemysłu Energetycznego planuje do 2020 r. opracować inteligentną sieć zasilaną energią słoneczną przy wsparciu rządu. Obecnie w Niemczech realizowany jest państwowy program testowania energii elektronicznej dla inteligentnych sieci.
W krajach UE powstanie „supersieć” energetyczna, poprzez którą będzie dystrybuowana energia odnawialna, głównie z farm wiatrowych. W przeciwieństwie do tradycyjnych sieci będzie ona oparta nie na przemiennym, ale na stałym prądzie elektrycznym (DC).
Fundusze europejskie sfinansowały związany z projektem program badawczo-szkoleniowy MEDOW, który skupia uczelnie wyższe oraz przedstawicieli branży energetycznej. MEDOW to skrót od angielskiej nazwy „Multi-terminal DC Grid For Offshore Wind”.
Program szkoleniowy ma potrwać do marca 2017 r. kreacja sieci energii odnawialnej w skali kontynentalnej i wydajne połączenie z istniejącymi sieciami (6) ma sens ze względu na specyfikę energii odnawialnej, która charakteryzuje się okresowymi nadwyżkami lub niedoborami mocy.
Działający na Półwyspie Helskim program Smart Peninsula jest dobrze znany w polskiej energetyce. To tutaj Energa wdrożyła pierwsze w kraju próbne systemy zdalnego odczytu oraz posiada odpowiednią infrastrukturę techniczną dla projektu, który będzie dalej modernizowany.
To miejsce nie zostało wybrane przypadkowo. Obszar ten charakteryzuje się dużymi wahaniami zużycia energii (duże zużycie latem, znacznie mniejsze zimą), co stwarza dodatkowe wyzwanie dla energetyków.
Wdrożony system powinien charakteryzować się nie tylko wysoką niezawodnością, ale również elastycznością w obsłudze klienta, pozwalającą na optymalizację zużycia energii, zmianę taryf energii elektrycznej oraz wykorzystanie pojawiających się alternatywnych źródeł energii (panele fotowoltaiczne, małe turbiny wiatrowe itp.).
Ostatnio pojawiły się również informacje, że Polskie Sieci Energetyczne chcą magazynować energię w mocnych bateriach o mocy co najmniej 2 MW. Operator planuje budowę w Polsce magazynów energii, które będą wspierać sieć energetyczną, zapewniając ciągłość dostaw, gdy odnawialne źródła energii (OZE) przestaną działać z powodu braku wiatru lub po zmroku. Energia elektryczna z magazynu trafi następnie do sieci.
Testowanie rozwiązania mogłoby rozpocząć się w ciągu dwóch lat. Według nieoficjalnych informacji Japończycy z Hitachi oferują PSE testowanie potężnych pojemników na baterie. Jedna taka bateria litowo-jonowa jest w stanie dostarczyć 1 MW mocy.
Magazyny mogą również ograniczyć w przyszłości potrzebę rozbudowy konwencjonalnych elektrowni. Farmy wiatrowe, które charakteryzują się dużą zmiennością mocy (w zależności od warunków meteorologicznych), wymuszają na tradycyjnej energetyce utrzymywanie rezerwy mocy, dzięki czemu wiatraki można w każdej chwili wymienić lub uzupełnić o zmniejszoną moc.
Operatorzy w całej Europie inwestują w magazynowanie energii. Niedawno Brytyjczycy uruchomili największą tego typu instalację na naszym kontynencie. Obiekt w Leighton Buzzard pod Londynem jest w stanie magazynować do 10 MWh energii i dostarczać 6 MW mocy.
Za nim stoją S&C Electric, Samsung, a także UK Power Networks i Younicos. We wrześniu 2014 roku ta ostatnia firma zbudowała pierwszy komercyjny magazyn energii w Europie. Został uruchomiony w Schwerin w Niemczech i ma moc 5 MW.
Dokument „Smart Grid Projects Outlook 2014” zawiera 459 projektów realizowanych od 2002 roku, w których wykorzystanie nowych technologii, zdolności teleinformatycznych (teleinformatycznych) przyczyniło się do powstania „smart grid”.
Należy zauważyć, że uwzględniono projekty, w których uczestniczyło (było partnerem) co najmniej jedno państwo członkowskie UE (7). To zwiększa liczbę krajów objętych raportem do 47.
Do tej pory na te projekty przeznaczono 3,15 mld euro, choć 48% z nich nie zostało jeszcze ukończonych. Projekty badawczo-rozwojowe pochłaniają obecnie 830 mln euro, a testowanie i wdrażanie kosztuje 2,32 mld euro.
Wśród nich, per capita, najwięcej inwestuje Dania. Z kolei Francja i Wielka Brytania realizują projekty o najwyższych budżetach, średnio 5 mln euro na projekt.
W porównaniu z tymi krajami znacznie gorzej wypadły kraje Europy Wschodniej. Według raportu generują one tylko 1 proc. całkowitego budżetu wszystkich tych projektów. Pod względem liczby zrealizowanych projektów w pierwszej piątce znalazły się: Niemcy, Dania, Włochy, Hiszpania i Francja. Polska zajęła 18. miejsce w rankingu.
Wyprzedziła nas Szwajcaria, a za nią Irlandia. Pod hasłem smart grid w wielu miejscach na świecie wdrażane są ambitne, niemal rewolucyjne rozwiązania. plany modernizacji systemu elektroenergetycznego,.
Jednym z najlepszych przykładów jest Ontario Smart Infrastructure Project (2030), który został przygotowany w ostatnich latach i ma szacowany czas trwania do 8 lat.
8. Plan wdrożenia Smart Grid w kanadyjskiej prowincji Ontario.
Wirusy energetyczne?
Jeśli jednak sieć energetyczna stać się jak Internet, trzeba liczyć się z tym, że może stanąć w obliczu tych samych zagrożeń, z jakimi spotykamy się w nowoczesnych sieciach komputerowych.
9. Roboty przeznaczone do pracy w sieciach energetycznych
Laboratoria F-Secure ostrzegły niedawno przed nowym złożonym zagrożeniem dla systemów usług przemysłowych, w tym sieci energetycznych. Nazywa się Havex i wykorzystuje niezwykle zaawansowaną nową technikę do infekowania komputerów.
Havex ma dwa główne składniki. Pierwszym z nich jest oprogramowanie trojańskie, które służy do zdalnego kontrolowania atakowanego systemu. Drugim elementem jest serwer PHP.
Koń trojański został podpięty przez atakujących do oprogramowania APCS/SCADA odpowiedzialnego za monitorowanie przebiegu procesów technologicznych i produkcyjnych. Ofiary pobierają takie programy z wyspecjalizowanych witryn, nieświadome zagrożenia.
Ofiarami Havexu padły przede wszystkim europejskie instytucje i firmy zajmujące się rozwiązaniami przemysłowymi. Część kodu Havex sugeruje, że jego twórcy, oprócz chęci kradzieży danych o procesach produkcyjnych, mogli również wpływać na ich przebieg.
10. Obszary inteligentnych sieci
Autorzy tego szkodliwego oprogramowania byli szczególnie zainteresowani sieciami energetycznymi. Prawdopodobnie przyszły element inteligentny system zasilania roboty też.
Niedawno naukowcy z Michigan Technological University opracowali model robota (9), który dostarcza energię do miejsc dotkniętych przerwami w dostawie prądu, na przykład spowodowanymi klęskami żywiołowymi.
Maszyny tego typu mogłyby np. przywracać zasilanie infrastruktury telekomunikacyjnej (wieże i stacje bazowe) w celu sprawniejszego prowadzenia akcji ratowniczych. Roboty są autonomiczne, same wybierają najlepszą drogę do celu.
Mogą mieć baterie na pokładzie lub panele słoneczne. Mogą się wzajemnie karmić. Znaczenie i funkcje inteligentne sieci wyjdź daleko poza energię (10).
Stworzona w ten sposób infrastruktura może posłużyć do stworzenia nowego mobilnego inteligentnego życia przyszłości, opartego na najnowocześniejszych technologiach. Na razie możemy sobie tylko wyobrazić zalety (ale i wady) tego typu rozwiązania.
