Brug af elektrificering og automatisering til at skabe mere effektive og bæredygtige elnet - del 1 af 2

Udskiftning af traditionelle elnet energikilder med bæredygtige, grønne energikilder kaldes elektrificering. I denne artikel, del 1 af 2, diskuteres nogle af de udfordringer, der er forbundet med elektrificering, samt hvordan automatisering kan bidrage til effektivitet og bæredygtighed. Del 2 af denne serie handler om LEED-certificeringer (Leadership in Energy and Environmental Design) og ZEB-certificeringer (Zero Energy Building), og hvordan de kan reducere CO2-udledningen og forbedre bæredygtigheden.

Elektrificering er udskiftning af systemer, der bruger fossile brændstoffer som olie, kul og naturgas til elproduktion, med solceller og andre grønne teknologier, og erstatning af køretøjer med forbrændingsmotorer med elektriske køretøjer. Elektrificerede systemer plus brugen af automatisering, der binder dem alle sammen og understøtter smart-grid og mikronet, er vigtige faktorer, der bevæger samfundet mod en mere bæredygtig og grønnere fremtid.

Nutidens elnet blev ikke designet til at oplade et stort antal elbiler, og smart-grid og mikronet forventes at blive afgørende teknologier, der er nødvendige for at understøtte den udbredte udskiftning af biler med forbrændingsmotorer med elbiler. I Californien har guvernøren for nylig udstedt en bekendtgørelse, der kræver, at alle nye personbiler og lette lastbiler i 2035 skal være nul-emissionskøretøjer (EV'er). Udviklere af smart-grid og mikronet skal leve op til en lang række internationale standarder for at kunne håndtere denne type opgaver. For eksempel har IEEE over 100 standarder godkendt eller under udvikling, der er relevante for smart-grid, herunder de mere end 20 IEEE-standarder, der er nævnt i det amerikanske nationale institut for videnskab og teknologi (National Institute of Science and Technology / NIST) Framework og Køreplan for Smart-grid-interoperabilitet. Ud over IEEE-standarderne reguleres mikronet af IEC 62898-mikronet-serien og andre standarder.

Denne artikel er den første af to dele. Den ser på udfordringer i forbindelse med implementering af elektrificering, integration af distribuerede energiressourcer (DER’er), ligheder og forskelle mellem smart-grid og mikronet, og hvordan automatisering forbedrer deres effektivitet og bæredygtighed, herunder støtte til den universelle indførelse af elbiler. Den begynder med at dykke ned i, hvad DER'er er, og hvor de passer ind, og slutter med at se på, hvordan fremkomsten af forsyningsmikronet udvisker skellet mellem mikronet og smart-grid. Uanset implementeringen leverer DigiKey en bred vifte af industrielle automatiseringsprodukter, der understøtter elektrificering og DER-integration. Den anden artikel undersøger, hvordan elektrificering og automatisering kan bruges i grønne bygninger til at opnå LEED-certificeringer og ZEB-certificeringer.

Hvad er en DER?

Det nordamerikanske el-pålideligheds selskab (North American Electric Reliability Corporation / NERC) definerer: "en distribueret energiressource (DER) er enhver ressource i distributionssystemet, der producerer elektricitet, og som ikke på anden måde er inkluderet i den formelle NERC-definition af det elektriske bulksystem (Bulk Electric System / BPS)."

I Nordamerika henviser udtrykket distributionssystem til elektriske ledninger, der fører 34,5 kilovolt (kV) eller mindre, der typisk løber fra transformerstationer til slutbrugere. BPS'et omfatter de ledninger, der fører til transformerstationen, og som ofte transporterer 100+ kV over lange afstande og forbinder store elproduktionsanlæg med sammenkoblingsressourcer og transformerstationer (figur 1).

Figur 1: DER'er findes i distributionssystemet (blå); andre vedvarende energiressourcer findes i det overordnede el-system (grøn). (Billedkilde: NERC)

DER'er er alle systemressourcer, der ikke er bulk, herunder produktionsenheder som vindmøller og solcelleanlæg, energilagringsenheder, de fleste batterilagringssystemer (battery energy storage systems / BESS), batteriladere til elbiler - også kaldet el-serviceudstyr til elbiler (Electric Vehicle Service Equipment / EVSE) - og mikronet. DER'er findes både bag elmåleren og direkte på distributionssystemet. Bag måleren omfatter DER-kilder bl.a. solcelleanlæg, BESS, net-tilsluttede elbiler og standby back-up-strømkilder som store dieselgeneratorinstallationer i datacentre og andre steder. Et mikronet er en særlig type DER.

Smart-grid, mikronet og elektrificering

Et mikronet er en DER, men ikke alle DER'er er mikronet. Fra BPS'ens perspektiv henviser begreberne mikronet og DER til typer af elproduktion eller lagringsressourcer. Begrebet smart-grid henviser til de kommunikations- og kontrolteknologier, som BPS bruger til at sikre en robust og effektiv drift. En anden differentierende faktor er, at mikronet omfatter produktions- og lagringsressourcer samt belastninger. Et smart-grid består primært af produktionsressourcer med lidt lagring, men ingen belastninger. Et smart-grid kan kommunikere med forbrugerne, men de er adskilt fra elnettet.

Elektrificering påvirker mikronet, BPS og smart-grid på forskellige måder. I BPS tilføjes elektrificering til et eksisterende elnet, og hvis det ikke styres korrekt, kan det have utilsigtede negative driftsmæssige konsekvenser. Det er her, smart-grid-teknologien kommer ind i billedet.

Tovejskommunikation og kontrol er det, der primært gør en forskel på et smart-grid. Disse kontrolsystemer omfatter sensorer til overvågning af nettets stabilitet og avancerede målere til overvågning af elforbruget. De bruger også en række kontrollerbare strømafbrydere og strømkvalitetsenheder til at styre elektricitetsstrømmene. Sensorerne er afgørende for at muliggøre større udbredelse af vedvarende energikilder (renewable energy / RE) og elektrificering i BPS og sikre netstabilitet. Derudover understøtter sensorerne og kontrolelementerne hurtigere og mere effektive reaktioner på strømforstyrrelser og muliggør balancering og sikring af nettet, især i spidsbelastningsperioder og med variabel RE-tilgængelighed. Smart-grid-teknologier understøtter også koordinering og integration af mikronet med distributionssystemet og BPS.

Omvendt er et mikronet designet til at rumme elektrificeringsteknologier som RE-kilder, BESS og elbiler. Mikronet og smart-grid kræver automatiserede kontroller, herunder et distribueret energiressource-styringssystem (distributed energy resource management system / DERM system).

DERM'er er en nødvendighed

DERM og automatisering defineres og implementeres forskelligt i smart-grid og mikronet. Et smart-grid omfatter forskellige produktionskilder og elforbrugere spredt over et stort område med et centraliseret kontrolcenter til styring af nettet (figur 2). Grid-håndtering er nøglebegrebet for smart-grid-kontrol i BPS. Eksisterende BPS'er blev designet og bygget, før der opstod behov for at understøtte elektrificeringen, og de kan opleve upålidelig drift, efterhånden som regulerbar (kontrollerbar) fossildrevet produktion i stigende grad erstattes af uforudsigelige (og derfor mindre kontrollerbare) RE-kilder. Derudover vil opladning af et stort antal elbiler for det meste hverken være regulerbar eller direkte kontrollerbart af forsyningsselskabet. Den centraliserede, automatiserede kontrol, som smart-grid-teknologien muliggør, er nødvendig for at kompensere for det faktum, at de RE-kilder, der bruges til elektrificering og opladning af elbiler, ikke er lige så forudsigelige som konventionelle elementer i forsyningsnettet.

Figur 2: En smart-grid er afhængig af automatiserede controllere og DERM'er til styring af nettet i realtid. (Billedkilde: ETAP)

Controllere for smart-grid- og mikronet har brug for information fra forskellige sensorer for at overvåge tilsluttede ressourcer i realtid. Med fremkomsten af elbiler og EVSE bruges controllerne også til at hjælpe med at styre efterspørgsel efter strøm til opladning, og de kan bruge køretøj-til-net kommunikation (vehicle-to-grid / V2G) til at koordinere tilslutningen af elbiler til nettet eller et mikronet for at give inkrementel energilagringskapacitet.

Ud over at overvåge status for tilsluttede ressourcer skal controllere til nettilsluttede mikronet også overvåge status for det lokale forsyningsnet. Koblingsudstyr er en vigtig komponent i smart-grid og mikronet og skal reagere på millisekunder for at sikre robust drift. Koblingsanlæggenes størrelse varierer fra nogle få kilowatt (kW) for små mikronet til flere megawatt (MW) for store mikronet og forsyningsnettet. Ved små mikronet kan koblingsudstyret og controlleren huses i samme skab, hvilket reducerer omkostningerne og gør installationen hurtigere. DERM’er for smart-grid og mikronet omfatter intelligent måling af energiproduktion og energiforbrug, som bruges af cloud-baserede analytik til at maksimere de økonomiske fordele ved DER’er og understøtte høje niveauer af robusthed. DERM'ers nøjagtige arkitektur kan variere for forskellige typer mikronet.

Mikronet-varianter

Mikronet kan klassificeres efter deres anvendelse og arkitektur. De tre mikronet-arkitekturer er fjerntliggende, netværksforbundne og nettilsluttede. Fjerntliggende mikronet er på steder som øer eller fjerntliggende minedrift og landbrug. De kaldes også off-grid mikronet og er fysisk adskilt fra ethvert forsyningsselskabs BPS. De skal være helt selvforsynende.

Netværksbaserede eller indlejrede mikronet er netværk af flere individuelle DER'er eller mikronet, der er forbundet til et fælles distributionssystem. De styres normalt af et centraliseret overvågningssystem, der afbalancerer mikronettets behov med støtte til det større forsyningsnet. Controlleren tildeler ofte mikronettene og DER'erne et hierarki af vigtighed for at sikre, at de mest kritiske elementer er beskyttet. Anvendelsesmulighederne for netværksbaserede mikronet omfatter mikronet i lokalsamfund, intelligente byer og den nye kategori af mikronet i forsyningsselskaber.

Netværksbaserede mikronet er en underkategori af nettilsluttede mikronet. Alle nettilsluttede mikronet er fysisk forbundet til distributionsnettet, og de har en koblingsenhed ved det fælles koblingspunkt (point of common coupling / PCC) imellem mikronettet og distributionsnettet. Under normal drift er et nettilsluttet mikronet forbundet til distributionsnettet. Det kan levere tjenester til nettet, såsom frekvens- og spændingsregulering, understøttelse af real og reaktiv effekt og efterspørgselsrespons for at afbøde mangel på kapacitet.

Mikronettet er ikke forbundet til forsyningsselskabets distributionsnet i en ø-drift. Overgang til ø-drift kan opstå på grund af en afbrydelse i distributionsnettet eller af andre årsager som f.eks. vedligeholdelse. Når disse mikronet overgår fra ø-drift til nettilsluttet drift, skal de registrere distributionens frekvens og synkronisere driften, før de tilsluttes igen.

Der er mange anvendelsesmuligheder for mikronet, herunder campusser, hospitaler og lægecentre, kommercielle installationer, lokalsamfund og industrianlæg. Den nyeste anvendelseskategori er forsyningsmikronet (figur 3).

Figur 3: Mikronet kategoriseres ofte efter deres anvendelse. (Billedkilde: Siemens)

Udviskning af grænsen

Mikronetværker er ved at blive implementeret, der udvisker grænsen mellem smart-grid og mikronetværker. I løbet af processen ændres definitionen af en DER fra en distribueret energiressource til en dedikeret energiressource. Mikronet er designet til at reducere strømafbrydelser som følge af ekstreme vejrforhold, skovbrande og andre uforudsete udfordringer. Med de eksisterende netarkitekturer er store dele af nettet uden strøm af hensyn til sikkerheden under ekstreme hændelser.

En vigtig og uheldig konsekvens af disse uplanlagte og omfattende strømafbrydelser er, at de modvirker brugen af elbiler. Forsyningsmikronet ses som en nøgle til udbredelse af elbiler. For eksempel har det californiske elselskab, Southern California Edison (SCE), foreslået udviklingen af mikronet til strømafbrydelse for offentlig sikkerhed (Public Safety Power Shutoff Microgrids) for at hjælpe med at opretholde så bredt som muligt tilgængeligheden af elforsyningen under skovbrande. Andre forsyningsselskaber kalder den nye netarkitektur for fællesskabsmikronet (figur 4).

Figur 4: Mikronet til forsyningsselskaber kan omfatte en lang række aktiver spredt over relativt store geografiske områder og udviske grænsen mellem traditionelle mikronet og smart-grid. (Billedkilde: Edison International)

Mikronettets ø-kapacitet er nøglen til at forbedre elektricitetstilgængeligheden på et mere granulært niveau, end det er muligt i dag. Det forventes at blive implementeret i en bred vifte af mikronetstørrelser, fra komplette boligområder til offentlige steder, herunder skoler og andre strategiske steder som brandstationer, lægecentre og evakueringscentre. EVSE-installationer er en afgørende del af designet i de fleste af disse mikronet. EVSE'en vil understøtte nettilslutningen af elbiler som ekstra kilder til backup-strøm samt til opladning af elbiler.

Konklusion

Elektrificering er nødvendig for at sikre mere bæredygtige elnet og fremme reduktioner i udledningen af CO₂. Mange elektrificeringsteknologier som energi fra solceller og elbiler er ikke så forudsigelige som de traditionelle ressourcer, de erstatter. Det betyder, at elektrificeringen skal understøttes af avancerede sensornetværk og automatiserede kontrolsystemer i smart-grid og mikronet.