Elastyczny i dynamiczny system dystrybucyjny oznacza niezawodność dostaw energii dla przemysłu. Oto jak inteligentna sieć będzie zasilać fabrykę.
Na krajowej konwencji National Governors Assciation (amerykańska organizacja zrzeszająca gubernatorów i wyższy personel stanów oraz terytoriów; jest polem wymiany doświadczeń oraz świadczy pomoc zarządczą i techniczną dla gubernatorów) w lutym 2009 r., prezes jednego z ważniejszych dystrybutorów energii wyznał w swoim wystąpieniu, że nie wie, co tak naprawdę oznacza termin „inteligentna sieć” (Smart Grid). To szokujące, jak się wydaje, wyznanie rozgrzeszyło wiele osób w środowisku inżynierskim, które po cichu myślały to samo.
Definicja inteligentnej sieci w każdej części świata jest inna. W USA przyjmuje się, że poniższy zestaw atrybutów występujących wspólnie jest niezbędny, aby określić sieć mianem inteligentnej:
- powinna mieć zdolność do samoczynnej naprawy po wystąpieniu zakłóceń energetycznych,
- powinna umożliwiać aktywne uczestnictwo odbiorców (konsumentów) w zaspokajaniu popytu,
- powinna reagować elastycznie na wystąpienie ataków fizycznych i cybernetycznych (hakerskich),
- powinna dostarczać energię o jakości odpowiadającej potrzebom XXI wieku,
- powinna być dostosowana do wszystkich możliwości wytwórczych i odbiorczych,
- powinna umożliwiać stosowanie nowych produktów, usług i rynków,
- powinna umożliwiać optymalne wykorzystanie zasobów i efektywności operacyjnej.
Komisja Europejska podaje następującą definicję inteligentnej sieci
- elastyczna: spełniająca potrzeby odbiorcy w odpowiedzi na zmiany i wymagania w przyszłości,
- dostępna: połączenia dostępowe powinny być możliwe dla wszystkich użytkowników sieci; w szczególności inteligentna sieć powinna być dostępna dla źródeł energii odnawialnej oraz wysoko efektywnych generatorów lokalnych z zerową lub niską emisją węgla,
- niezawodna: oznacza to, że sieć jest bezpieczna i zapewnia jakość dostarczanej energii; powinna spełniać oczekiwania i wymagania ery cyfrowej i być odporna na zagrożenia i niespodziewane zdarzenia,
- ekonomiczna: osiągana jest wysoka efektywność dzięki innowacyjności, wydajności, zarządzaniu energią i jednakowym regulacjom rynkowym i konkurencyjności.
Jeden z najbardziej głodnych energii rynków na ziemi – Chiny, także tworzy koncepcję inteligentnej sieci. Zgodnie z memorandum wydanym w grudniu 2007 r. przez wspólną amerykańsko-chińską komisję współpracującą nad czystą energią (JUCCCE): „termin inteligentna sieć odnosi się do systemu transmisji i dystrybucji energii elektrycznej, zawierającego elementy tradycyjnej oraz nowoczesnej inżynierii energetycznej, na którą składają się technologie pomiarowe, monitorujące, informatyczne i komunikacyjne, dzięki którym osiąga się lepszą wydajność oraz wsparcie dla szerokiej gamy nowych usług dla odbiorców”. Inteligentna sieć nie jest zdefiniowana przez zastosowane technologie, lecz raczej poprzez to, co potrafi zrobić.
Potrzeba inteligentnej sieci
Energia elektryczna jest najbardziej wszechstronną i najszerzej używaną formą energii na świecie. Ponad 5 miliardów ludzi ma do niej dostęp i liczba ta rośnie. Poziom zużycia, niezawodności i jakości energii elektrycznej został ściśle powiązany z poziomem ekonomicznym regionu czy kraju.
Według przewidywań Międzynarodowej Agencji Energii, światowe zapotrzebowanie na energię elektryczną rośnie dwukrotnie szybciej niż zapotrzebowanie na energię pierwotną. Wskaźnik wzrostu jest największy w Azji. Aby zaspokajać stale wzrastający popyt, trzeba dodawać 1 GW mocy elektrowni i związanej z tym infrastruktury co tydzień przez następne 20 lat. W tym samym czasie społeczeństwa rozwinięte cyfrowo wymagają energii o wyższej jakości i niezawodności. Mówiąc wprost, słaba jakość może powodować znaczące straty ekonomiczne.
Ilustruje to raport Berkley National Laboratory z 2008 r., w którym przedstawiono koszty wynikające z zakłóceń systemu energetycznego w USA szacowane na 80 mld USD, z czego ogromna część (52 mld USD) wynikały z krótkich, chwilowych przerw. Dodatkowo zagrożenia atakami terrorystycznymi zarówno w odniesieniu do infrastruktury fizycznej, jak i cyberzasobów sieci (rozumianych jako zasoby informatyczne, telemetria i sterowanie siecią) zwiększają potrzebę poprawiania odporności, elastyczności i zdolności do samoczynnej naprawy sieci energetycznej.
Innym znaczącym aspektem jest wpływ na środowisko. Dwutlenek węgla (CO2) jest odpowiedzialny za 8% efektu cieplarnianego, a producenci energii są największymi pojedynczymi emiterami CO2. Skandaliczne jest to, że 40% emisji CO2 z elektrowni pochodzi z tradycyjnych elektrowni.
Aby zredukować emisję spalin pochodzących ze spalania węgla i ropy, a jednocześnie spełnić rosnące globalne zapotrzebowanie na energię elektryczną, niezbędne jest wykorzystanie źródeł odnawialnych, zwiększanie wydajności, reagowanie na zapotrzebowanie na energię i ochrona środowiska. Jednakże zwiększenie udziału źródeł energii odnawialnych niesie ze sobą nowe wyzwania, między innymi zwiększoną niepewność dostaw, czy też dodatkowe wymagania wobec i tak już obciążonych sieci przesyłowych, wynikające z odległości geograficznych od źródeł wiatrowych i solarnych.
Nowe wymagania mogą zostać spełnione tylko poprzez transformację istniejących sieci, które w większości zostały zaprojektowane i stworzone dekady temu i mają już widoczne objawy starzenia się i niedopasowania wobec zwiększających się wymagań. W branży zwiększa się przyzwolenie, także wśród rządów krajowych, że inteligentna sieć jest odpowiedzią na powyższe wyzwania.
Ten trend jest legitymizowany przez przeznaczenie – do końca 2009 r. – ponad 4 mld USD rządowych grantów na badania i rozwój, instalacje doświadczalne i zastosowania przemysłowe technologii inteligentnej sieci oraz powiązanych standardów. Unia Europejska i Chiny także zapowiadają znaczące inicjatywy wspierające badania nad technologiami inteligentnej sieci.
Wyzwania stawiane inteligentnej sieci
Główne wyzwania stojące wobec inteligentnej sieci – „robić więcej za mniej”, zwiększać efektywność, dostępność i bezpieczeństwo przy jednoczesnej ochronie środowiska – zależeć będą od kombinacji czujników, komunikacji, informacji i technologii sterowania, tak by uczynić całą sieć inteligentniejszą.
Wśród najpilniejszych wyzwań technologicznych można wymienić:
- ekonomiczne tworzenie pojemnej sieci przy minimalizowaniu wpływu na środowisko,
- zwiększenie wykorzystania zasobów – przy kontroli i zarządzaniu przepływem energii,
- zarządzanie i sterowanie przepływem energii tak, aby redukować straty energii oraz potrzeby w szczytach, zarówno w sieciach transmisyjnych, jak i dystrybucyjnych,
- połączenie źródeł energii odnawialnej pochodzących z lokalnych i dalekich lokalizacji do sieci i zarządzanie okresowymi generatorami,
- integrowanie i optymalizacja akumulatorów energii, aby redukować zapotrzebowanie na przepustowość sieci,
- integrowanie mobilnych odbiorników (np. ładowanie pojazdów), aby redukować obciążenia sieci i wykorzystywanie ich jako zasobów,
- redukcja ryzyka „blackoutów” oraz w przypadku ich wystąpienia wykrywanie i izolowanie zakłóceń w systemach oraz szybkie przywracanie usług,
- zarządzanie zachowaniami klientów, aby zmniejszać obciążenia sieci i optymalizować wykorzystanie zasobów.
Komponenty technologii inteligentnej sieci
Inteligentna sieć składa się z technologii podzielonych na cztery kategorie, które razem tworzą jej funkcjonalność. Podstawą jest fizyczna warstwa, analogicznie do mięśni w ludzkim ciele, tam gdzie energia jest konwertowana, przesyłana, magazynowana i konsumowana; warstwa czujników i aktuatorów odpowiada nerwom czuciowym i ruchowym, które odbierają sygnały ze środowiska i sterują mięśniami; warstwa komunikacji odpowiadająca nerwom przesyłającym i transmitującym sygnały z otoczenia i do mięśni; oraz mechanizmy decyzyjne odpowiadające ludzkiemu mózgowi.
Warstwa mechanizmów decyzyjnych składa się z programów komputerowych działających na przekaźniku, inteligentnym urządzeniu elektronicznym, automatyce podstacji, centrum sterowania lub informatycznym systemie zarządzania (Back Office). Programy te przetwarzają informacje z czujników lub systemów komunikacyjnych i informatycznych, tworząc albo dyrektywy dla sterowników, albo informacje wspierające procesy podejmowania decyzji biznesowych. Nie można nie docenić wagi systemów wspomagających decyzje i pracę aktuatorów w inteligentnej sieci. Bez komponentów sterowania zmieniających stan sieci na bardziej wydajną i niezawodną wszelkie zbierane i przesyłane dane będą miały znikomą wartość.
Aby warstwa decyzyjna mogła pracować, dane z urządzeń podłączonych do sieci muszą być transmitowane do sterowników – zwykle zlokalizowanych w centrach sterowania siecią – gdzie są przetwarzane, zanim zostaną przesłane z powrotem do urządzeń w formie rozkazów sterujących.
Wszystko to realizowane jest przez warstwę komunikacyjną i informatyczną, które niezawodnie i bezpiecznie transmitują informacje do miejsc, w których są potrzebne. Jednakże bezpośrednia komunikacja typu „urządzenie-urządzenia” (np. pomiędzy kontrolerami lub IED – Intelligent Electronic Device – jest dość powszechna, gdyż funkcjonalność czasu rzeczywistego można uzyskać tylko poprzez bezpośrednie połączenie urządzeń.
Interoperacyjność i bezpieczeństwo są bardzo ważne dla zapewnienia wszechobecnej komunikacji pomiędzy systemami posługującymi się różnymi mediami i topologiami, aby wykorzystać urządzenia plug-and-play, które mogą być automatycznie konfigurowane po podłączeniu do sieci.
Artykuł pod redakcją Andrzeja Sobczaka
Dr inż. Bartosz Wojszczyk, globalny dyrektor ds. Rozwiązań Technicznych Sieci Inteligentnych GE Energy
Inteligentne sieci energetyczne XXI wieku, znane również pod nazwą Smart Grid, trudno zdefiniować ze względu na ich specyfikę w zależności od kraju, w którym powstają, czy też czynników i wartości pożądanych przez operatorów lub firmy energetyczne. Mówiąc o inteligentnych sieciach, mam na myśli całą sieć z wszystkimi jej elementami, począwszy od wytwarzania (generacji), poprzez jego przesył i rozdział, aż do bezpośrednich jego odbiorców (firmy, sektor przemysłowy, czy też odbiorców indywidualnych). Co więcej, Smart Grid obejmuje również wdrażanie zaawansowanych technologii i aplikacji, takich jak: adaptacyjna automatyka zabezpieczeniowa (Adaptive Protection), zaawansowana automatyka przeciwawaryjna i poawaryjna (Wide Area Monitoring and Control – WAMC), obszarowa synchronizacja próbkowania (PMU), dynamiczne zarządzanie i integracja sterowania sieciami energetycznymi (Dynamic Rating and Condition Based Performance), aktywne zarządzanie popytem i generacja w sieciach rozdzielczych i odbioru końcowego (Demand Response), przyłączanie I zarządzanie rozproszonymi źródłami energii elektrycznej, zarządzanie mikrosieciami (microgrids), diagnostyka w czasie rzeczywistym urządzeń energetycznych (Asset Optimazation), inteligentne liczniki do pomiaru energii elektrycznej (AMI), sieci telekomunikacyjne, zestaw aplikacji związanych z bezpieczeństwem cyfrowym i przetwarzaniem danych itp. Wszystkie te technologie, odpowiednio zaprojektowane i wdrożone, przyczyniają się do wzmocnienia największych zalet inteligentnych sieci, takich jak stabilność i niezawodność pracy sieci elektroenergetycznych, bezpieczeństwo dostaw energii elektrycznej (z uwzględnieniem bezpieczeństwa cybernetycznego), dostępność przyłączania odnawialnych źródeł energii elektrycznej, zwiększenie oszczędności energii elektrycznej efektywności operacyjnej, i aktywne uczestnictwo odbiorców w zaspokajaniu popytu.
Ważnym aspektem inteligentnych sieci energetycznych jest wdrażanie kompleksowych rozwiązań dla przyłączanych firm, szczególnie rozległych systemów przemysłowych. Kompleksowe rozwiązania powinny uwzględniać technologie związane z oprogramowaniem oraz nowoczesnymi i zaawansowanymi aplikacjami, takimi jak: niezależny system zarządzania energii, zawansowane adaptacyjne systemy ochronne, (tzw. self-healing), monitoring i zarządzanie w czasie rzeczywistym oraz narzędzia umożliwiające przewidywanie i skuteczne zarządzanie kondycją sieci w zależności od obciążenia, czy też występujących awarii. Zastosowanie takich rozwiązań umożliwi nie tylko elastyczne dostosowanie przyłączanych systemów do istniejącej sieci, ale przede wszystkim poprawi ich stabilność, elastyczność i efektywność, co w przypadku dużych systemów przemysłowych ma niebagatelne znaczenie.
Poza wartością techniczną, inteligentne sieci energetyczne powinny również dostarczyć wartość dodaną dla firmy wdrażającej Smart Grid, biznesu, czy też środowiska naturalnego.
