Mikrosieci zmniejszają wrażliwość zakładów przemysłowych na przerwy w dostawie energii elektrycznej, których skutki mogą być dotkliwe finansowo.
Dziś w Ameryce Północnej działa więcej mikrosieci energetycznych niż w jakimkolwiek regionie świata. Głównymi odbiorcami energii, adaptującymi tę technologię, są firmy z branży przemysłu produkcyjnego. Ponieważ coraz więcej zakładów produkcyjnych poszukuje możliwości jak najmniejszego uzależnienia od sieci zakładów energetycznych oraz wykorzystania energii odnawialnej do swojego działania, mikrosieci oraz układy zasilania awaryjnego stają się coraz popularniejsze w przemyśle.
Według badań firmy Navigant dotyczących mikrosieci1 „mikrosieci komercyjne i przemysłowe (commercial and industrial – C&I) są gotowe do rozrastania się w szybszym tempie niż jakakolwiek inna forma mikrosieci, ponieważ centra danych, centra handlowe, ośrodki wypoczynkowe, zakłady produkcyjne oraz inne firmy przechodzą na tę technologię”.
Producenci napotykają na tej drodze wiele problemów: zobowiązania w stosunku do klientów, planowanie napraw i modernizacji infrastruktury, utrzymywanie odpowiednich warunków BHP oraz realizacja celów dotyczących ochrony środowiska. Ponadto firmy te stają w obliczu całej gamy zupełnie nowych wyzwań, które pojawiły się dopiero niedawno. Są to:
- obostrzenia związane z pandemią COVID-19,
- taryfy wynikające z międzynarodowych sporów handlowych,
- problemy związane z czynnikami ESG (environmental, social and governance; środowisko, społeczna odpowiedzialność i ład korporacyjny), ważnymi dla inwestorów,
- Przerwy w dostawie energii elektrycznej spowodowane zjawiskami atmosferycznymi, wypadkami, awarią sprzętu lub innymi przyczynami.
Analiza danych dotyczących awarii zasilania w USA, wykonana przez firmę Climate Central2 pokazuje, że od roku 2000 nastąpił wzrost o 67% liczby głównych awarii zasilania spowodowanych zjawiskami pogodowymi. Dwie trzecie stanów USA doświadczyło zaś w ostatnich latach wzrostu liczby awarii zasilania spowodowanych ekstremalnymi warunkami atmosferycznymi.
Zakłócenia w dostawie energii elektrycznej mają znaczny wpływ na firmy produkcyjne. Nawet małe wahania jakości energii mogą spowodować przestoje linii produkcyjnych i w konsekwencji kosztowne opóźnienia dostaw produktów do klientów. Coraz większe wykorzystywanie zautomatyzowanych technologii montażowych, technologii sztucznej inteligencji (AI) oraz druku 3D sprawia, że bezprzerwowe, odporne na zakłócenia zasilanie zakładów w energię elektryczną staje się bardzo ważne. Niedawne badania wykazały, że ponad jedna czwarta firm produkcyjnych doświadczyła przerwy w dostawie energii elektrycznej przynajmniej raz w miesiącu, natomiast 58% firm zgłosiło przerwę zasilania trwającą ponad godzinę.
Dla dużych przedsiębiorstw produkcyjnych koszty przestoju trwającego tylko jedną godzinę mogą łatwo osiągnąć 5 mln USD. Takie zakłócenia w produkcji powodują efekt domina poza fabryką i mogą nawet dotyczyć łańcucha dostaw, logistyki oraz firm, które są uzależnione od bardzo szybkich dostaw produktów.
Tak więc producenci muszą wyjść naprzeciw tym wszystkim wyzwaniom, jednocześnie spełniając oczekiwania ciągłego obniżania kosztów przez firmy.
Mikrosieci oferują producentom elastyczną platformę, która usunie wszystkie opisane problemy. Platforma ta zapewni niezawodne zasilanie zakładów w energię elektryczną, umożliwi produkcję energii odnawialnej dla celów zrównoważonego rozwoju, kontrolowanie kosztów energii oraz przyciąganie inwestorów i klientów, którzy chcą, aby producenci stale podnosili poprzeczkę w kwestii czynników ESG, na podstawie których ocenia się daną firmę. Mikrosieć może pomóc w kontrolowaniu produkcji i zużycia energii elektrycznej oraz stabilności jej kosztów.
Mikrosieć spełnia potrzeby
Do skonfigurowania najlepszego mikrosystemu energetycznego dla organizacji istnieje kilka dostępnych opcji. Niektóre z najlepiej znanych komponentów takiego mikrosystemu to:
Panele fotowoltaiczne (PV). Mogą one zostać zainstalowane na dachach i konstrukcjach lub na gruncie, a następnie połączone z inwerterami AC, akumulatorami oraz innymi elementami infrastruktury elektrycznej, tworzącej mikrosieć elektroenergetyczną. Energia generowana przez te panele może być następnie rozprowadzania i magazynowana w bateriach akumulatorów lub włączona do systemu zasilającego, obejmującego inne źródła energii, takie jak generatory i wiatraki, w którym napięcie stałe DC jest przekształcane w napięcie zmienne AC za pomocą inwerterów (falowników).
Podczas przerwy w dostawie energii z zakładu energetycznego dana fabryka może dalej pracować, wykorzystując energię elektryczną generowaną ze słońca w ciągu dnia oraz magazynować nadmiar tej energii w bateriach, co umożliwi kontynuowanie produkcji w nocy. Mikrosieć obejmująca panele fotowoltaiczne oraz baterie akumulatorów może też przynieść zakładowi przemysłowemu oszczędności kosztów, ponieważ w godzinach szczytu energetycznego pobierana jest energia z paneli czy baterii, natomiast w pozostałych godzinach, gdy energia od dostawcy zewnętrznego jest tańsza, następuje przełączanie na sieć zewnętrzną.
Samochodowe parkingowe wiaty fotowoltaiczne. Co prawda wiaty na parkingach zasadniczo chronią pojazdy przed deszczem, śniegiem czy gradem, jednak mogą być także dobrym miejscem do generowania energii odnawialnej dla zakładu.
Zakładowe generatory wiatrowe. Wytwarzanie energii elektrycznej z wiatru może być połączone z akumulatorowym systemem magazynowania energii (battery energy storage system – BESS). Daje to firmie przemysłowej solidną opcję generowania energii oraz jest ważnym czynnikiem, który pomaga organizacjom realizować swoje cele związane ze zrównoważonym rozwojem.
Magazynowanie energii w bateriach akumulatorów oraz zasilacze bezprzerwowe UPS. System BESS magazynuje energię w bateriach akumulatorów. Może on być kluczowym komponentem w systemie mikrosieci, działając jak bufor energetyczny, gdy przerwy w generowaniu energii odnawialnej powodują większe obciążenie sieci zewnętrznej.
Bateria akumulatorów połączona z bezprzerwowym zasilaczem awaryjnym (UPS) tworzy system, który może być wykorzystany do zasilania wrażliwych komputerowych systemów sterowania oraz serwerów w centrach danych. System UPS dostarcza energię elektryczną o prawidłowym i stabilnym napięciu oraz posiada zabezpieczenia, tak więc systemy informatyczne oraz systemy sterowania w zakładzie mogą działać bez zakłóceń.
Generatory awaryjne. Konwencjonalne systemy generatorów energii elektrycznej mogą stanowić niezawodne źródło zasilania dla fabryki podczas nieplanowanych przerw w dostawie energii z zewnątrz. Generatory te mogą być połączone z bateriami akumulatorów oraz źródłami energii odnawialnej, tworząc kompleksowe rozwiązanie mikrosieci zakładowej.
Ogniwa paliwowe. Jeśli jakiś zakład przemysłowy ma niezawodny dostęp do gazu ziemnego, biogazu czy wodoru, to ogniwa paliwowe są dla niego świetną opcją generowania energii elektrycznej. Ogniwa paliwowe mogą generować energię w sposób ciągły, także w sytuacjach, gdy energia z wiatru, słońca, akumulatorów czy innych źródeł jest niedostępna.
Ponadto ogniwa paliwowe emitują około połowę ilości gazu cieplarnianego w porównaniu ze scentralizowaną generacją energii elektrycznej. Nie emitują dosłownie w ogóle tlenku węgla, związków ołowiu, ozonu troposferycznego, cząsteczek materii, dwutlenku azotu i dwutlenku siarki – czyli sześciu najbardziej powszechnych źródeł zanieczyszczenia powietrza. Oferują również wysoki stopień przewidywalności kosztów, czyniąc możliwym oszacowanie kosztów energii w długim okresie czasu, w odróżnieniu od kosztów ponoszonych na rzecz zakładu energetycznego, ponieważ cena dostarczanej energii jest niepewna i raczej wzrasta co roku.
Układy sterowania w mikrosieciach. Sterowanie mikrosiecią musi być adaptowalne, zależąc od dostaw energii z sieci zewnętrznej, wskaźników czasu użytkowania, umów na energię zapotrzebowaną z lokalnym zakładem energetycznym oraz arbitrażu, podczas gdy istnieje wolny rynek sprzedaży nadwyżek energii.
Solidny system sterowania mikrosiecią będzie reagował na zmienne warunki w czasie niemal rzeczywistym oraz dostarczał wymaganą elastyczność w celu uwzględnienia strategii dynamicznej optymalizacji oraz rozrostu i zmian z przyszłymi opcjami rozrostu i energii.
Podsumowanie
Mikrosieci energetyczne mogą pomóc firmom produkcyjnym sprostać wyzwaniom, jakie napotykają w dzisiejszych czasach.
Dobrze zaprojektowana mikrosieć może zarówno stanowić efektywne źródło taniej energii, jak i przynosić korzyści w zakresie niezawodności i odporności na zakłócenia zasilania kluczowej infrastruktury zakładu. Mikrosieć z solidnym sterowaniem oraz aktualizowanymi cyberzabezpieczeniami wspiera elastyczność operacyjną, jednocześnie umożliwiając przewidywanie kosztów zoptymalizowanych zarówno pod względem efektywności, jak i zrównoważonego rozwoju.
Inwestycja w mikrosieć energetyczną może być dla firmy przemysłowej zabezpieczeniem stałego rozrostu, osiągnięcia sukcesu oraz wprowadzania innowacji. Zakłócenia w dostawach energii powodują przerwanie produkcji oraz stratę czasu i pieniędzy, zaś mikrosieć może temu zapobiec.
1 https://microgridknowledge.com/ci-microgrids/
2 https://assets.climatecentral.org/pdfs/PowerOutages.pdf
Brent Tracy jest głównym specjalistą od sektora produkcyjnego w firmie Duke Energy Sustainable Solutions. Jest to filia firmy Duke Energy, która obsługuje firmy z sektora publicznego i prywatnego, organizacje rządowe oraz instytucje edukacyjne w całych Stanach Zjednoczonych. Brent Tracy jest inżynierem, którego kariera skoncentrowała się na tworzeniu oszczędności energii i ulepszeń operacyjnych dla projektów handlowych i przemysłowych.
