Utilizarea electrificării și automatizării pentru a crea rețele electrice mai eficiente și mai durabile – Partea a doua din două

Înlocuirea surselor tradiționale de energie din rețeaua electrică cu surse de energie durabilă și ecologică se numește electrificare. În acest articol, partea 1 din 2, se prezintă unele dintre provocările asociate electrificării, precum și modul în care automatizarea poate contribui la eficiența și durabilitatea acesteia. Partea a doua a acestei serii va discuta despre certificările pentru leadership în proiectarea energetică și de mediu (LEED) și pentru construirea clădirilor cu consum de energie zero (ZEB), precum și despre modul în care acestea pot reduce emisiile de dioxid de carbon și pot îmbunătăți durabilitatea.

Electrificarea reprezintă înlocuirea sistemelor care utilizează combustibili fosili, cum ar fi petrolul, cărbunele și gazele naturale pentru producerea de energie electrică, cu sisteme fotovoltaice (PV) și alte tehnologii ecologice, precum și înlocuirea vehiculelor cu motor cu ardere internă (ICE) cu vehicule electrice (EV). Sistemele electrificate, plus utilizarea automatizării care le leagă între ele și care sprijină rețelele inteligente și micro-rețelele, sunt factori importanți care ajută societatea să se îndrepte spre un viitor mai durabil și mai ecologic.

Rețeaua electrică actuală nu a fost concepută pentru a încărca un număr mare de vehicule electrice, iar rețelele inteligente și micro-rețelele vor fi tehnologiile esențiale necesare pentru a sprijini înlocuirea pe scară largă a vehiculelor cu motor cu ardere internă cu vehicule electrice. În California, guvernatorul a emis recent un ordin executiv prin care se cere ca, până în 2035, toate vânzările de autoturisme și camionete noi să fie reprezentate de vehicule cu emisii zero (EV). Dezvoltatorii de rețele inteligente și de micro-rețele trebuie să respecte o serie impresionantă de standarde internaționale pentru a face față acestor tipuri de mandate. De exemplu, IEEE are peste 100 de standarde aprobate sau în curs de elaborare relevante pentru rețelele inteligente, inclusiv cele peste 20 de standarde IEEE menționate în cadrul și foaia de parcurs pentru interoperabilitatea rețelelor inteligente ale Institutului Național de Știință și Tehnologie (NIST). Pe lângă standardele IEEE, micro-rețelele sunt reglementate de seria IEC 62898 pentru micro-rețele și de alte standarde.

Articolul de față este primul dintr-o serie de două articole. Acesta analizează provocările legate de implementarea electrificării, integrarea resurselor energetice distribuite (DER), asemănările și diferențele dintre rețelele inteligente și micro-rețele și modul în care automatizarea le sporește eficiența și durabilitatea, inclusiv sprijinirea adoptării universale a vehiculelor electrice. Articolul începe prin a analiza ce sunt și unde se încadrează DER-urile și se încheie printr-o analiză a modului în care apariția micro-rețelelor de utilități estompează distincția dintre micro-rețele și rețelele inteligente. Oricare ar fi implementarea, DigiKey furnizează o gamă largă de produse de automatizare industrială care sprijină electrificarea și integrarea DER. Cel de-al doilea articol analizează modul în care electrificarea și automatizarea pot fi utilizate în clădirile ecologice pentru a obține certificările pentru leadership în proiectarea energetică și de mediu (LEED) și pentru construirea clădirilor cu consum de energie zero (ZEB).

Ce este un DER?

Definiția de la North American Electric Reliability Corporation (NERC) este următoarea: „o resursă energetică distribuită (DER) este orice resursă din sistemul de distribuție care produce energie electrică și care nu este inclusă în definiția oficială a NERC a sistemului de energie electrică în masă”.

În America de Nord, termenul „sistem de distribuție” se referă la liniile electrice cu o tensiune de 34,5 kilovolți (kV) sau mai mică, care pornesc de obicei de la substații până la utilizatorii finali. Sistemul de energie electrică în masă (BPS) include liniile care intră în substație și care, adesea, transportă peste 100 kV pe distanțe lungi, conectând instalațiile de producție de energie electrică în masă la scară largă cu resursele de interconectare și substațiile (Figura 1).

Figura 1: DER există în sistemul de distribuție (albastru); alte resurse de energie regenerabilă se află în sistemul de energie electrică în masă (verde). (Sursa imaginii: NERC)

DER reprezintă orice resursă de sistem care nu este în masă, inclusiv unitățile de generare, cum ar fi turbinele eoliene și instalațiile fotovoltaice, unitățile de stocare a energiei, majoritatea sistemelor de stocare a energiei în baterii (SEEB), încărcătoarele de baterii pentru vehicule electrice – denumite și echipamente de service pentru vehicule electrice (EVSE) – și micro-rețelele. DER există atât în spatele contorului de utilități, cât și direct în sistemul de distribuție. În spatele contorului, sursele DER includ rețele fotovoltaice, SSEB, vehicule electrice conectate la rețeaua electrică și surse de energie de rezervă, cum ar fi instalațiile mari de generatoare diesel din centrele de date și alte locații. O micro-rețea este un tip special de DER.

Rețele inteligente, micro-rețele și electrificare

O micro-rețea este un DER, dar nu toate DER-urile sunt micro-rețele. Din perspectiva BPS, termenii micro-rețea și DER se referă la tipuri de resurse de generare sau de stocare a energiei electrice. Termenul „rețea inteligentă” se referă la tehnologiile de comunicare și control utilizate de BPS pentru a asigura o funcționare rezistentă și eficientă. Un alt factor de diferențiere este faptul că micro-rețelele includ resurse de generare și de stocare, precum și sarcini. O rețea inteligentă este compusă în principal din resurse de generare, cu unele resurse de stocare, dar fără sarcini. Rețeaua inteligentă poate comunica cu sarcinile, dar acestea sunt separate de rețea.

Electrificarea afectează micro-rețelele, BPS și rețelele inteligente în moduri diferite. În cadrul BPS, electrificarea se adaugă la o rețea existentă și, dacă nu este gestionată corespunzător, poate avea consecințe operaționale negative nedorite. Aici intervine tehnologia rețelelor inteligente.

Comunicațiile și controlul bidirecțional reprezintă principalul diferențiator al rețelelor inteligente. Aceste sisteme de control includ senzori pentru monitorizarea stabilității rețelei și contoare avansate pentru monitorizarea cererii de energie electrică. De asemenea, acestea utilizează o varietate de dispozitive controlabile de comutare a puterii și de calitate a energiei electrice pentru a gestiona fluxurile de electricitate. Senzorii sunt esențiali pentru a permite o mai mare pătrundere a surselor de energie regenerabilă (RE) și electrificarea în BPS și pentru a asigura stabilitatea rețelei. În plus, senzorii și elementele de control susțin reacții mai rapide și mai eficiente la perturbațiile de energie și permit echilibrarea și securizarea rețelei, în special în perioadele de vârf ale cererii și în condițiile unei disponibilități variabile a energiei regenerabile. De asemenea, tehnologiile de rețele inteligente sprijină coordonarea și integrarea micro-rețelelor cu sistemul de distribuție și cu BPS.

În schimb, o micro-rețea este concepută pentru a găzdui tehnologii de electrificare, cum ar fi sursele de energie regenerabilă, SSEB și vehiculele electrice. Micro-rețelele și rețelele inteligente necesită controale automatizate, inclusiv un sistem de gestionare a resurselor energetice distribuite (DERM).

DERM-urile sunt o necesitate

DERM-urile și automatizarea sunt definite și implementate în mod diferit în rețelele inteligente și în micro-rețele. Rețelele inteligente includ diverse surse de generare și utilizatori de energie electrică răspândiți pe o suprafață mare, cu un centru de control centralizat pentru gestionarea rețelei (Figura 2). Gestionarea rețelei este conceptul-cheie pentru controlul rețelelor inteligente în BPS. BPS-urile existente au fost proiectate și construite înainte de a fi nevoie ca acestea să susțină electrificarea, iar acestea pot avea o funcționare nesigură pe măsură ce producția dispecerizabilă (controlabilă) pe bază de combustibili fosili este înlocuită din ce în ce mai mult de surse de energie regenerabilă imprevizibile (și, prin urmare, mai puțin controlabile). În plus, încărcarea unui număr mare de vehicule electrice va fi în mare parte nedispecerizabilă și nu va putea fi controlată în mod direct de către utilitate. Controlul centralizat și automatizat permis de tehnologia rețelelor inteligente este necesar pentru a compensa faptul că sursele de energie regenerabilă utilizate pentru electrificarea și încărcarea vehiculelor electrice nu sunt la fel de previzibile ca elementele convenționale ale rețelelor de utilități.

Figura 2: O rețea inteligentă se bazează pe controlere automatizate și pe DERM-uri pentru gestionarea în timp real a rețelei. (Sursa imaginii: ETAP)

Controlerele rețelelor inteligente și ale micro-rețelelor au nevoie de informații de la diverși senzori pentru a monitoriza în timp real resursele conectate. Odată cu apariția vehiculelor electrice și a EVSE, controlerele sunt, de asemenea, utilizate pentru a ajuta la gestionarea cererilor de energie pentru încărcare și pot utiliza comunicațiile de la vehicul la rețea (V2G) pentru a coordona conectarea vehiculelor electrice la rețea sau la o micro-rețea pentru a furniza o capacitate suplimentară de stocare a energiei.

Pe lângă monitorizarea stării resurselor conectate, controlerele pentru micro-rețelele conectate la rețeaua electrică trebuie să monitorizeze și starea rețelei locale de utilități. Aparatajul de comutație este o componentă esențială a rețelelor inteligente și a micro-rețelelor și trebuie să răspundă în milisecunde pentru a asigura o funcționare robustă. Dimensiunile aparatajelor de comutație variază de la câțiva kilowați (kW) pentru micro-rețelele mici până la mai mulți megawați (MW) pentru micro-rețelele mari și rețeaua de utilități. În cazul micro-rețelelor mici, aparatajul de comutație și controlerul pot fi în același dulap, reducând costurile și accelerând instalarea. DERM-urile pentru rețeaua inteligentă și micro-rețele includ contorizarea inteligentă a producției și consumului de energie, care este utilizată prin analize bazate pe cloud pentru a maximiza beneficiile economice ale DER și pentru a susține niveluri ridicate de reziliență. Arhitecturile exacte ale DERM-urilor pot varia în funcție de diferitele tipuri de micro-rețele.

Varietăți de micro-rețele

Micro-rețelele pot fi clasificate în funcție de aplicațiile și arhitectura lor. Cele trei arhitecturi de micro-rețele sunt: la distanță, în rețea și conectate la rețeaua electrică. Micro-rețelele la distanță se află în locuri precum insulele sau în exploatările miniere și agricole îndepărtate. Acestea se mai numesc și micro-rețele în afara rețelei electriceși sunt separate fizic de orice BPS al utilităților. Trebuie să fie complet independente.

Micro-rețelele interconectate sau micro-rețelele grupate sunt rețele formate din mai multe DER-uri individuale sau micro-rețele conectate la un sistem comun de distribuție a utilităților. De obicei, acestea sunt controlate de un sistem de supraveghere centralizat care echilibrează nevoile de funcționare a micro-rețelei cu cele ale rețelei de utilități mai largi. Controlerul atribuie adesea o ierarhie a importanței micro-rețelelor și DER-urilor pentru a se asigura că elementele cele mai critice sunt protejate. Aplicațiile pentru micro-rețele legate în rețea includ micro-rețele comunitare, orașele inteligente și categoria emergentă a micro-rețelelor de utilități.

Micro-rețelele legate în rețea sunt o subcategorie a micro-rețelelor conectate la rețeaua electrică. Toate micro-rețelele conectate la rețeaua electrică sunt conectate fizic la rețeaua de distribuție și au un dispozitiv de comutare în punctul de cuplare comună (PCC), unde are loc conectarea la rețeaua de distribuție. În timpul funcționării normale, o micro-rețea conectată la rețeaua electrică este conectată la rețeaua de distribuție. Aceasta poate furniza servicii pentru rețeaua electrică, cum ar fi reglarea frecvenței și a tensiunii, susținerea puterii reale și reactive și răspunsul la cerere pentru a atenua imitarea capacității.

Micro-rețeaua nu este conectată la rețeaua de distribuție a utilităților în cazul unei funcționări în regim insular. Funcționarea în regim insular poate avea loc din cauza unei întreruperi în rețeaua de distribuție sau pentru alte necesități, cum ar fi întreținerea. Atunci când trec de la funcționarea în regim insular la cea conectată la rețeaua electrică, aceste micro-rețele trebuie să detecteze frecvența de distribuție și să sincronizeze funcționarea înainte de reconectare.

Există numeroase aplicații pentru micro-rețele, inclusiv campusuri, spitale și centre medicale, instalații comerciale, comunități și instalații industriale. Cea mai nouă categorie de aplicații este reprezentată de micro-rețelele de utilități (Figura 3).

Figura 3: Micro-rețelele sunt adesea clasificate în funcție de aplicația lor. (Sursa imaginii: Siemens)

Estomparea granițelor

Există micro-rețele de utilități în curs de implementare, care estompează granița dintre rețelele inteligente și micro-rețele. În cadrul acestui proces, definiția unui DER se schimbă de la o resursă energetică distribuită la o resursă energetică dedicată. Micro-rețelele de utilități sunt concepute pentru a reduce întreruperile de energie electrică cauzate de fenomene meteorologice extreme, incendii și alte provocări neprevăzute. În cadrul arhitecturilor de rețea existente, secțiuni mari ale rețelei sunt scoase de sub tensiune pentru siguranță în timpul unor evenimente extreme.

Un impact important și nefericit al acestor pene de curent neprogramate și extinse este acela că descurajează utilizarea vehiculelor electrice. Micro-rețelele de utilități sunt considerate esențiale pentru adoptarea pe scară largă a vehiculelor electrice. Micro-rețelele de utilități sunt propuse și implementate pe întreg teritoriul SUA. De exemplu, Southern California Edison (SCE) a propus dezvoltarea de micro-rețele pentru întreruperea alimentării cu energie electrică în scopuri de siguranță publică pentru a contribui la menținerea disponibilității energiei electrice la o scară cât mai largă în timpul incendiilor de vegetație. Alte utilități se referă la noua arhitectură de rețea sub denumirea de micro-rețele comunitare (Figura 4).

Figura 4: Micro-rețelele de utilități pot include o gamă largă de active răspândite pe zone geografice relativ extinse și estompează granița dintre micro-rețelele tradiționale și rețelele inteligente. (Sursa imaginii: Edison International)

Capacitatea micro-rețelelor de utilități de a funcționa în regim insular este esențială pentru îmbunătățirea disponibilității energiei electrice la un nivel mai granular decât este posibil în prezent. Se preconizează că se vor implementa într-o gamă largă de dimensiuni ale micro-rețelelor, de la comunități rezidențiale complete la locuri publice, inclusiv școli și alte locații strategice, cum ar fi stațiile de pompieri, centrele medicale și centrele de evacuare. Instalațiile EVSE reprezintă o parte esențială a proiectelor pentru majoritatea acestor micro-rețele comunitare. Așa cum se preconizează, EVSE va sprijini conectarea la rețeaua electrică a vehiculelor electrice ca surse suplimentare de energie de rezervă, precum și pentru încărcarea acestora.

Concluzie

Electrificarea este necesară pentru a asigura rețele electrice mai durabile și pentru a determina reducerea emisiilor de CO₂. Multe dintre tehnologiile de electrificare, cum ar fi energia fotovoltaică și vehiculele electrice, nu sunt la fel de previzibile ca resursele tradiționale pe care le înlocuiesc. Aceasta înseamnă că electrificarea trebuie să fie susținută de rețele de senzori avansați și de sisteme de control automatizate în rețele inteligente și micro-rețele.