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 partea 1 din această serie se prezintă unele dintre provocările asociate electrificării, precum și modul în care automatizarea poate contribui la eficiența și durabilitatea acesteia. Acest articol, partea a doua a din două, 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.

Certificările pentru leadership în proiectarea energetică și de mediu (LEED) și pentru construirea clădirilor cu consum de energie zero (ZEB) implică eforturi semnificative care sprijină dorința societății de a reduce emisiile de carbon și de a îmbunătăți durabilitatea. Obținerea certificărilor LEED și ZEB necesită o abordare holistică care combină electrificarea care înlocuiește sistemele energetice bazate pe combustibili fosili cu alternative ecologice, cum ar fi energia fotovoltaică (PV) și vehiculele electrice (EV) cu sisteme avansate de automatizare și control.

Programul LEED al U.S. Green Building Council (USGBC) include decarbonizarea clădirilor existente și a construcțiilor noi. Eforturile ZEB sunt coordonate de biroul pentru Eficiență energetică și energie regenerabilă (EERE) din cadrul Departamentului de Energie al SUA. Obținerea certificărilor LEED și ZEB impune arhitecților și antreprenorilor să adopte noi abordări în ceea ce privește modul de proiectare, construcție și exploatare a clădirilor. În comparație cu ZEB, care pune accentul doar pe consumul de energie, LEED este un concept mai amplu, care se referă la carbon, energie, apă, deșeuri, transport, materiale, sănătate și calitatea mediului interior.

Acest al doilea articol dintr-o serie de două articole despre electrificare și durabilitate începe prin a analiza nivelurile de certificare LEED și ZEB și ce este necesar pentru a obține aceste certificări pentru clădirile comerciale și industriale, inclusiv o comparație a mai multor definiții ale ZEB. Apoi, se prezintă un exemplu despre modul în care Phoenix Contact a folosit automatizarea și generarea de energie electrică fotovoltaică la fața locului pentru a obține certificarea LEED Silver și ZEB pentru o anexă de 70.000 de metri pătrați în campusul său principal, inclusiv modul în care unele dintre produsele proprii ale companiei au contribuit la succesul proiectului (Figura 1). Articolul se încheie cu o privire asupra modului în care clădirile LEED pot contribui la Obiectivele de Dezvoltare Durabilă ale Națiunilor Unite.

Figura 1: Generarea de energie fotovoltaică pe acoperiș a fost un factor cheie care a permis acestei unități Phoenix Contact să obțină certificările LEED Silver și ZEB. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

LEED este holistic

LEED este un sistem cuprinzător care ia în considerare toate elementele necesare pentru a crea clădiri de înaltă performanță. Certificările LEED se bazează pe credite sau puncte acordate unui proiect pe baza unor criterii de performanță detaliate. Categoriile de performanță și importanța lor relativă (de la cea mai importantă la cea mai puțin importantă) sunt următoarele¹:

• Reducerea contribuției la schimbările climatice globale.
• Îmbunătățirea sănătății umane individuale.
• Protejarea și refacerea resurselor de apă.
• Protejarea și consolidarea biodiversității și a serviciilor ecosistemice.
• Promovarea ciclurilor durabile și regenerative ale materialelor.
• Îmbunătățirea calității vieții în comunitate.

Cel mai important criteriu, reducerea contribuției la schimbările climatice globale, reprezintă 35% din totalul punctelor. Nivelurile de certificare LEED includ Certified (40-49 de puncte), Silver (50-59 de puncte), Gold (60-79 de puncte) și Platinum (80+ puncte).

În cea mai nouă versiune a LEED, v4.1, majoritatea punctelor sunt legate de carbonul operațional și încorporat. Carbonul operațional reprezintă emisiile de dioxid de carbon (CO₂) generate de sistemele de încălzire, ventilație și aer condiționat (HVAC), de iluminat și de alte sisteme de clădiri consumatoare de energie. Carbonul încorporat reprezintă emisiile asociate cu producția de materiale de construcție și cu procesele de construcție a clădirilor de-a lungul întregului ciclu de viață al unei clădiri.

Certificarea LEED este importantă pentru crearea unei societăți mai ecologice. Clădirile sunt responsabile pentru 39% din emisiile globale de CO₂, dintre care 28% provin din exploatarea clădirilor și 11% din emisiile încorporate (Figura 2). Deoarece sectorul clădirilor este cel mai important contribuitor la emisiile globale de CO₂, au fost dezvoltate și programe speciale pentru a încuraja dezvoltarea clădirilor cu consum de energie zero.

Figura 2: Exploatarea clădirilor, plus materialele și construcțiile, sunt contribuții majore la producția globală de CO₂. (Sursa imaginii: Institutul pentru clădiri noi)

Definirea energiei zero

Conceptul de energie zero pare simplu, dar are mai multe definiții. Cele trei citate cel mai frecvent sunt programul LEED Zero Energy, International Living Future Institute (ILFI) Zero Energy și Zero Code Renewable Energy Procurement Framework (Zero Code) – o inițiativă a organizației Architecture 2030 care a fost adoptată ca standard energetic pentru clădirile din California. Există diferențe semnificative în ceea ce privește modul în care se definește „energia zero”.

Pentru a obține certificarea LEED Zero Energy, o clădire trebuie să aibă un bilanț energetic de zero timp de 12 luni, inclusiv generarea la locație și energia generată din exterior (din surse externe). Arderea combustibililor fosili la locație este interzisă. Consumul total de energie trebuie să fie format din energie regenerabilă generată pe loc sau din surse externe sau din compensații ale valorilor de carbon.

Certificarea ILFI Zero Energy este cel mai restrictiv standard. Acesta prevede ca sursele regenerabile de energie de la locație să asigure 100% din necesarul de energie al clădirii. Nu este permisă combustia, iar certificarea se bazează pe performanța reală; modelarea nu este permisă.

Zero Code vizează în mod special clădirile noi comerciale, instituționale și rezidențiale de înălțime medie și mare. Acesta definește o clădire cu emisii zero de carbon ca fiind o clădire care nu utilizează combustibili fosili la fața locului și care produce la locație sau achiziționează o cantitate suficientă de energie regenerabilă fără emisii de carbon sau de credite de carbon pentru a îndeplini cerințele energetice operaționale ale clădirii. Zero Code prevede, de asemenea, ca clădirile să respecte standardul ASHRAE 90.1-2019 pentru eficiența clădirilor. Zero Code permite înlocuirea altor standarde de eficiență energetică dacă acestea rezultă într-o eficiență energetică egală sau mai mare.

Exemplu de LEEDing

Phoenix Contact a instalat recent un sistem fotovoltaic de 961 de kilowați (kW) pe acoperișul centrului logistic din campusul principal al companiei din SUA. Sistemul generează suficientă energie pentru a satisface aproximativ 30% din necesarul de energie al unității, sau echivalentul consumului de energie a aproximativ 160 de case pe an. Clădirea a obținut certificările LEED Silver și Zero Energy.

Sistemul de cogenerare cu microturbină de 1 MW de la fața locului, alimentat cu gaze naturale, a fost integrat cu sistemul fotovoltaic. Sistemul central de control al energiei monitorizează în timp real producția instalației fotovoltaice și consumul de energie al clădirii. Generatorul cu microturbină este utilizat atunci când cererea totală de energie depășește producția sistemului fotovoltaic. Există momente în care sistemul fotovoltaic și microturbina sunt folosite împreună pentru a furniza energie electrică la rețea prin contorizare netă, generând venituri pentru companie.

Sistemul a fost proiectat pentru a reduce consumul de gaze naturale în timpul zilei și pentru a asigura funcționarea generatorului cu microturbină mai ales pe timp de noapte, maximizând eficiența energetică generală și minimizând generarea totală de CO₂. În unele zile, este posibil să se reducă consumul de gaze naturale aproape de zero. Unele statistici ale sistemului fotovoltaic includ:

• 2.185 de panouri solare
• 1.214.235 kWh generați anual
• Reducerea amprentei de CO₂ cu 1.939.279 de kilograme

Monitorizarea și controlul continuu al segmentelor individuale ale sistemului fotovoltaic în instalații mari precum aceasta sunt necesare pentru a obține o eficiență și o disponibilitate maximă a producției de energie.

Automatizarea are nevoie de informații pe baza cărora se pot lua măsuri

Automatizarea și controlul eficient al sistemelor de electrificare, cum ar fi instalațiile fotovoltaice, necesită informații detaliate și utilizabile. Monitorizarea în timp real a fiecărui șir de panouri fotovoltaice maximizează producția și susține întreținerea preventivă. În cazul în care un șir se întrerupe în mod neașteptat, acesta ar putea pierde mii de kW de energie, cu pierderile monetare aferente.

Sistemul fotovoltaic de 961 kW din campusul principal al Phoenix Contact din SUA include douăsprezece invertoare cu șase șiruri de panouri fotovoltaice care alimentează fiecare invertor și încorporează mai multe produse ale companiei, începând cu contoarele de energie EMpro de a doua generație, cum ar fi contorul de panou 2908286. Aceste contoare sunt concepute să măsoare și să transmită parametrii energetici cheie către platformele bazate pe cloud care permit monitorizarea de la distanță a tuturor elementelor sistemului. Contoarele de energie EMpro sunt disponibile pentru diferite modele de sisteme de alimentare, inclusiv pentru instalații și configurații monofazate, bifazate și trifazate. Sistemul monitorizează în timp real numeroase elemente ale sistemului și condiții operaționale, inclusiv:

• Invertoarele sunt monitorizate individual pentru puterea de intrare c.c., puterea de ieșire c.a., puterea activă și reactivă, defecțiunile și starea de funcționare.
• Fiecare șir fotovoltaic este monitorizat în ceea ce privește curentul și tensiunea de ieșire. Aceste date sunt evaluate pentru a determina starea de funcționare a șirurilor și eventualele nevoi de întreținere.
• Temperaturile panourilor sunt monitorizate cu ajutorul a numeroși senzori răspândiți în întreaga instalație.
• Sunt colectate informații despre condițiile meteorologice, cum ar fi viteza și direcția vântului, temperatura, umiditatea relativă și presiunea atmosferică.
• Radiația solară este măsurată cu ajutorul a două piranometre, unul la un unghi de 10 grade, care corespunde unghiului de instalare a panourilor, și unul instalat pe orizontală.
• Senzorii de murdărie măsoară pierderea de lumină cauzată de praful și murdăria de pe suprafața panourilor fotovoltaice.
• Camerele de luat vederi asigură monitorizarea securității sistemului.

De asemenea, sistemul are nevoie de înregistratoare de date și de interfețe. De exemplu, modulele wireless Radioline ale companiei, cum ar fi modelul 2901541, comunică prin conexiune wireless cu senzorii de temperatură și de murdărire a modulelor fotovoltaice folosind protocolul RS-485, fără cabluri. În alte cazuri, se utilizează Power over Ethernet (PoE) pentru a transmite energie și date în același timp. Protecția împotriva intruziunilor poate fi asigurată de routerele de securitate FL mGuard 1000 Series, cum ar fi modelul 1153079, care oferă securitate firewall și gestionarea utilizatorilor.

Pentru a lega toate acestea la un loc este nevoie de un controler, cum ar fi modelul 1069208 de la Phoenix Contact cu montare pe șină DIN, bazat pe tehnologia PLCnext a companiei (Figura 3). Atunci când este asociat cu un modul de intrare/ieșire (I/O), cum ar fi modelul 2702783, controlerul agregă datele din rețeaua de senzori și le transmite către un furnizor de servicii cloud. În plus, un PC industrial rulează software-ul Solarworx de la Phoenix Contact. Instrumentele software și bibliotecile incluse susțin protocoalele și standardele de comunicare adoptate de industria solară. Sistemul permite automatizarea și vizualizarea personalizată a funcționării sistemului fotovoltaic și este compatibil cu pachete software de la terți care pot analiza datele istorice și în timp real pentru optimizarea performanței. Bibliotecile includ blocuri funcționale care îndeplinesc cerințele standardului IEC 61131 pentru controlere programabile.

Figura 3: Controler cu montare pe șină DIN, potrivit pentru sistemele de generare fotovoltaică la scară largă. (Sursa imaginii: Phoenix Contact)

Sistemul de control al alimentării este ultima piesă din puzzle-ul electrificării pentru integrarea resurselor energetice distribuite (DER), cum ar fi panourile fotovoltaice, în rețeaua electrică. Controlerele PGS de la Phoenix Contact pot monitoriza nivelurile de tensiune și de putere reactivă la punctele de conectare la rețea și pot determina valorile de control necesare pentru invertoare, pentru a sprijini gestionarea alimentării cu energie în rețelele de medie și înaltă tensiune.

LEED și dezvoltarea durabilă

Organizația Națiunilor Unite (ONU) a identificat 17 obiective de dezvoltare durabilă² (ODD-uri) menite să pună capăt sărăciei la nivel mondial până în 2030. Potrivit USGBC, electrificarea și automatizarea inerente clădirilor LEED pot contribui la îndeplinirea a 11 din cele 17 ODD-uri, printre care:

Obiectivul 3: Sănătate și bunăstare

Obiectivul 6: Apă curată și salubritate

Obiectivul 7: Energie curată și la prețuri accesibile

Obiectivul 8: Promovarea unei creșteri economice susținute, incluzive și durabile, a ocupării depline și productive a forței de muncă și a muncii decente pentru toți

Obiectivul 9: Construirea unei infrastructuri rezistente, promovarea unei industrializări incluzive și durabile și încurajarea inovării

Obiectivul 10: Reducerea inegalităților în interiorul și între țări

Obiectivul 11: Orașe și comunități durabile

Obiectivul 12: Consum și producție responsabile

Obiectivul 13: Acțiuni climatice

Obiectivul 15: Protejarea, refacerea și promovarea utilizării durabile a ecosistemelor terestre, gestionarea durabilă a pădurilor, combaterea deșertificării și stoparea și inversarea degradării terenurilor și a pierderii biodiversității

Obiectivul 17: Consolidarea mijloacelor de punere în aplicare și revitalizarea Parteneriatului mondial pentru dezvoltare durabilă

Strategiile corporative pot contribui, de asemenea, la o societate mai durabilă. De exemplu, obținerea de către Phoenix Contact a certificărilor LEED Silver și Zero Energy pentru centrul său logistic din America a fost o parte a obiectivului inițial al companiei de a atinge neutralitatea în ceea ce privește emisiile de carbon în toate locațiile sale din întreaga lume. Următorul obiectiv al companiei este de a crea un lanț de valoare adăugată complet neutru din punct de vedere climatic până în 2030.

Concluzie

Sectorul construcțiilor este cel mai important contribuitor la producția globală de CO₂. Certificările LEED și ZEB sunt instrumente importante pentru măsurarea succesului utilizării electrificării și automatizării pentru a construi clădiri mai eficiente și mai durabile. După cum s-a arătat, instalațiile de energie fotovoltaică la scară largă integrate cu o capacitate de cogenerare la locație pot contribui la o societate mai ecologică. De asemenea, clădirile certificate LEED susțin realizarea celor 17 ODD-uri ale ONU și a obiectivului de eliminare a sărăciei la nivel mondial până în 2030.

Referințe:

1. Sistemul de rating LEED, Green Building Council
2. Obiectivele de Dezvoltare Durabilă, Organizația Națiunilor Unite