Smart grid.pub
advertisement
Informacje ogólne Inteligentne sieci energetyczne Daleko idąca ewolucja w systemach energetycznych Obecnie wykorzystywana sieć energetyczna nie jest w stanie spełnić naszych coraz większych wymagań. Energia odnawialna, wytwarzanie energii na niewielką skalę oraz wiele innych czynników stanowi siłę napędową dla rozwoju sieci inteligentnych przyszłości. Najbardziej zróżnicowaną i najbardziej rozpowszechnioną formą energii jest energia elektryczna, która jest dostępna dla ponad pięciu miliardów osób na całym świecie. Sieci energetyczne, które umożliwiają dostęp do energii elektrycznej, to największe maszyny, jakie kiedykolwiek zbudowano, gdyż nocą są nawet widoczne z kosmosu. Dzisiejsze systemy energetyczne opierają się głównie na działających na dużą skalę elektrowniach wykorzystujących paliwa kopalne, elektrowniach jądrowych i wodnych, które dostarczają energię elektryczną za pomocą tradycyjnych systemów przesyłowych i dystrybucyjnych. Systemy te dobrze służyły całemu światu przez ponad wiek, jednak czasy się zmieniają. Popyt na energię elektryczną szybko rośnie z powodu dynamicznego rozwoju społecznego w wielu częściach świata oraz z powodu tego, że nowoczesna gospodarka cyfrowa w coraz większym stopniu jest uzależniona od energii elektrycznej. Uzależnienie takie zwiększa wymagania w stosunku do dostawców energii, ponieważ ważne jest, aby uniknąć zakłóceń w sieci, które już teraz są kosztowne dla gospodarki. Inteligentne sieci energetyczne Wstęp Jednocześnie społeczeństwa zaczęły rozumieć, że zużycie energii musi wiązać się z mniejszymi emisjami, co umożliwi walkę ze zmianą klimatu. Tradycyjne źródła energii muszą być wykorzystywane w jak najbardziej optymalny sposób, a nowa moc elektryczna musi pochodzić z bardziej zróżnicowanych nietradycyjnych źródeł, w tym z elektrowni wykorzystujących wiatr, energię pływów, energię słoneczną, biomasę i źródła geotermiczne. W ten sposób powstanie więcej bardziej zróżnicowanych źródeł wytwarzania, które stanowią istotne wyzwanie dla systemu energetycznego. Pogoda ma wpływ na dostępność energii wiatrowej i słonecznej, a pojawienie się rozproszonego wytwarzania energii elektrycznej (na przykład małe dachowe panele słoneczne) jeszcze bardziej skomplikuje tę kwestię w związku z koniecznością odbioru i dostarczania energii przez sieci lokalne. Sama sieć energetyczna jest również wykorzystywana w nowy sposób. Zamiast obsługiwać relatywnie mały obszar geograficzny z połączeniem z innymi regionami, głównie w celu zapewnienia niezawodności, sieć jest obecnie wykorzystywana jako nośnik obrotu energią elektryczną na coraz większą odległość. Obecnie wykorzystywana sieć energetyczna nie została zaprojektowana z uwzględnieniem takich zmian i w związku z tym, na dłuższą metę, nie jest w stanie spełniać naszych wymagań. Sieć musi się rozwijać, przy czym musi to być wszechstronny i dalekosiężny rozwój. Wymagane środki obejmują: – wykorzystanie nowych pomysłów projektowych i zaawansowanych materiałów w elementach systemu, takich jak transformatory i wyłączniki, w celu poprawy efektywności, bezpieczeństwa i wydajności operacyjnej; – bardziej rozpowszechnione wykorzystanie urządzeń energoelektronicznych w celu maksymalnego wykorzystania istniejących elementów i większego uodpornienia sieci na zakłócenia; – technologie składowania energii do wykorzystania na wszystkich poziomach w celu zminimalizowania szczytów zapotrzebowania i umożliwienia dołączenia większej liczby odnawialnych źródeł energii; – bardziej elastyczne metody przesyłu i dystrybucji w celu dostosowania sieci do zmian w podaży, zwiększenia wydajności i zoptymalizowania działania systemu; – wydajne systemy monitorowania i kontroli umożliwiające zapobieganie zakłóceniom przed ich wystąpieniem. Termin „inteligentna sieć" odnosi się do wszystkich tych cech, połączonych w system za pomocą technologii komunikacyjnej. A. Rozwój zapotrzebowania na energię i emisje dwutlenku węgla, 2007 - 2030 r. Scenariusz I Działalność bez zmian Rozwiązania technologiczne: wpływ na emisje Scenariusz II Bardziej dynamiczne wdrażanie istniejącej technologii Emisje CO2 Zapotrzebowanie na energię Efektywność energetyczna Źródła odnawialne Biopaliwa Energia jądrowa CCS* *Przechwytywanie i składowanie dwutlenku węgla Źródło: raport IEA World Energy Outlook 2009 Podczas konferencji klimatycznej w Kopenhadze w grudniu 2009 r. światowi liderzy postanowili podjąć działania w celu ograniczenia wzrostu temperatur na świecie do 2ºC do końca wieku w porównaniu z okresem przedindustrialnym. Scenariusz II IEA skierowałby świat na drogę do osiągnięcia tego celu. W celu pomyślnego zastosowania określonych tu rozwiązań technologicznych konieczny będzie jednak znaczny rozwój i dostosowanie sieci energetycznej. Inteligentne sieci energetyczne Wstęp Pike Research, firma zajmująca się badaniami rynku, szacuje, że około 200 mld USD zostanie zainwestowanych w infrastrukturę inteligentnych sieci energetycznych na całym świecie w latach w 2010 do 2015.1 Ponad cztery-piąte tych funduszy zostanie przeznaczonych na obszary, w których firma ABB się specjalizuje, tzn. obszar przesyłu energii elektrycznej, automatyzację podstacji i automatyzację dystrybucji. Międzynarodowa Agencja Energetyczna opracowała strategię na kolejne dwie dekady, która uwzględnia oba te cele poprzez bardziej agresywne zastosowanie szeregu istniejących technologii o niskiej emisji dwutlenku węgla (patrz Rys. A). W tej strategii ponad połowa oszczędności pochodzi z podjęcia środków zwiększania efektywności energetycznej, a jedna piąta ze wzrostu wytwarzania energii odnawialnej. Pełny obraz Przyjęcie systemu zasilania energią elektryczną ma zasadnicze znaczenie dla powodzenia tej strategii z dwóch powodów. Po pierwsze, sektor wytwarzania energii elektrycznej posiada największy udział w emisji dwutlenku węgla spowodowanej przez człowieka i jest odpowiedzialny za ponad 40 procent globalnej emisji dwutlenku węgla związanej z energią elektryczną. Po drugie, zużycie energii elektrycznej wzrasta niemal dwa razy szybciej niż ogólne zużycie energii, w związku z czym kwestia ograniczenia emisji związanej z wytwarzaniem staje się coraz bardziej nagląca. Zgodnie z obecnymi politykami i tendencjami, oczekuje się, że globalne zapotrzebowanie na energię elektryczną wzrośnie o 40 procent do 2030 r., czemu będzie towarzyszyć wzrost emisji dwutlenku węgla.2 Konsensus naukowy przewiduje, że wzrost emisji w takim stopniu będzie miał prawdopodobnie znaczny wpływ na gospodarkę, środowisko i społeczeństwo.3 Czynnikami stymulującymi zapotrzebowanie na energię są: wzrost populacji i rosnące standardy życia na rynkach wschodzących, które będą nadal przyczyniały się do zwiększania zużycia energii. Wyzwanie stanowi przerwanie relacji między wzrostem gospodarczym a zapotrzebowaniem na energię oraz związku miedzy ener- B. Inteligentna sieć energetyczna może ustabilizować zapotrzebowanie szczytowe ograniczając koszty i emisje Zapotrzebowanie na energię Zapotrzebowanie na energię w tradycyjnej sieci energetycznej Zapotrzebowanie na energię w inteligentnej sieci energetycznej. Mniejsze wartości szczytowe zapotrzebowania przekładają się na mniejszą liczbę potrzebnych elektrowni. Czas W inteligentnej sieci energetycznej technologia reagująca na popyt przenosi część zapotrzebowania na okres, w którym energia jest tańsza. W tradycyjnej sieci energetycznej wzrost zużycia o określonych porach dnia jest częściowo pokrywany przez włączenie elektrowni znajdujących się w stanie gotowości. Podejście takie jest kosztowne i niewydajne, podobnie jak jazda samochodem po mieście z ciągłym ruszaniem i zatrzymywaniem się, która wiąże się z większym zużyciem paliwa niż jazda ze stałą prędkością na dłuższych odcinkach. W inteligentnej sieci energetycznej wymiana danych między użytkownikami i dostawcami pozwala na rozłożenie wykorzystania energii elektrycznej na dłuższy okres, zmniejszając wartości szczytowe zapotrzebowania i ograniczając liczbę elektrowni potrzebnych do pokrycia zapotrzebowania. Inteligentne sieci energetyczne Wstęp Zmiana sposobu zarządzania energią elektryczną Ograniczenie emisji u źródła jest tylko jednym ze sposobów obniżenia poziomów CO2. Jak pokazuje analiza Międzynarodowej Agencji Energetycznej, poprawa efektywności energetycznej stanowi jak dotąd najważniejszą metodę na obniżenia podstawowego zużycia energii. Wykorzystywanie energii w bardziej wydajny sposób stanowi główny cel przyszłego systemu elektrycznego i wymaga zastosowania technologii wydajnych energetycznie na każdym etapie, począwszy od wytwarzania, przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej, aż po jej końcowe wykorzystanie w obiektach przemysłowych, handlowych i mieszkalnych. Poza obniżaniem zużycia, inteligentna sieć energetyczna przyszłości musi być w stanie obniżać poziomy wartości szczytowej zapotrzebowania poprzez bardziej równomierne rozkładanie zużycia w ciągu dnia. W ten sposób możliwe będzie zmniejszenie ilości mocy rezerwowych utrzymywanych w stanie gotowości w celu pokrycia maksymalnych poziomów zużycia, a dostawcy energii uzyskają elastyczność potrzebną do zarządzania nagłymi zmianami w dostawie energii elektrycznej z coraz większej liczby elektrowni odnawialnych. Takie rozwiązanie będzie wymagało wprowadzenia kilku istotnych zmian w sposobie zarządzania dostawą i zapotrzebowaniem. Energia elektryczna to prawdopodobnie najbardziej nietrwały towar — musi on zostać zużyty natychmiast po jego wytworzeniu. Dodatkowo, musi on zostać wytworzony w momencie, w którym jest wymagany. Obecnie zapotrzebowanie nie jest odpowiednio kontrolowane: dostawcy zwiększają produkcję energii elektrycznej, gdy wzrasta na nią popyt (np. gdy ludzie wracają do domu wieczorem i włączają światło, gotują, oglądają telewizję itp.) i zmniejszają produkcję, gdy zapotrzebowanie maleje. W inteligentnej sieci energetycznej, zapotrzebowanie będzie zarządzane w bardziej aktywny sposób, umożliwiając operatorom sieci energetycznej na równoważenie zapotrzebowania z dostawą w łatwiejszy sposób. Aby to umożliwić, odbiorcy końcowi energii elektrycznej muszą mieć dostęp do funkcji monitorujących i kontrolujących, które dostarczają odbiorcom indywidualnym szczegółowych informacji na temat tego, w jaki sposób i kiedy wykorzystują energię elektryczną oraz tego, w jaki sposób mogą aktywnie przyczynić się do ograniczenia zapotrzebowania szczytowego. Komunikacja w czasie rzeczywistym między dostawcami i odbiorcami energii elektrycznej umożliwi użytkownikom bezpośrednią reakcję na zmieniające się warunki i ceny, chociaż czasem mogą oni zezwolić dostawcy na ograniczenie ich zużycia korzystając z określonych urządzeń, aby mieć pewność, że zapotrzebowanie nie przekracza dostępnej energii elektrycznej. Stanowi to istotę zjawiska określanego przez branżę dostawców energii jako „reakcja na zapotrzebowanie”, którego celem jest wyrównanie zapotrzebowania szczytowego poprzez przeniesienie przez odbiorów nieistotnego zużycia energii na okresy pozaszczytowe (patrz Rys. B). Wystarczy teraz sprawdzić, w jakim zakresie taka bezpośrednia, dwustronna komunikacja będzie wykorzystywana i w jakim stopniu przyczyni się ona do ograniczenia wartości szczytowych zapotrzebowania, gdyż podstawowa technologia jest już dostępna. Wyzwania energii odnawialnej Międzynarodowa Agencja Energetyczna przewiduje, że globalna produkcja energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych znacznie wzrośnie do 2030 r. dzięki łącznym inwestycjom na poziomie 5,5 biliona USD,4 co stanowi około połowę wszystkich inwestycji w produkcję energii elektrycznej w tym okresie. Podczas gdy korzyść ekologiczna z ograniczenia uzależnienia od paliw kopalnych jest oczywista, włączenie dużych ilości energii odnawialnej i wytwarzania energii na niewielką skalę stanowi duże wyzwane dla stabilności i dostępności energii elektrycznej. Największe wyzwanie związane jest z przerywanym charakterem energii odnawialnej. Chociaż elektrownie wodne zapewniają bardzo przewidywalne dostawy energii elektrycznej, dostępność większości zasobów odnawialnych jest nieprzewidywalna. Wytwarzanie energii elektrycznej na farmach wiatrowych charakteryzuje się okresami o wysokiej wydajności, po których następuje chwilowy zastój w przypadku bezwietrznej pogody, natomiast wydajność elektrowni słonecznych maleje w przypadku zachmurzenia i w nocy (parz Rys. C). Co więcej, nie istnieje żaden powszechnie dostępny, praktyczny i przystępny sposób przechowywania dużych ilości energii elektrycznej wyprodukowanej w okresach niskiego zapotrzebowania, co oznacza, że energia niewykorzystana w momencie jej wytworzenia zostaje zmarnowana. Najbardziej opłacalną metodą przechowywania jest pompowanie wody pod górę do zapór. Metoda ta dostępna jest jednak wyłącznie w rejonach górzystych, gdzie możliwe jest wytwarzanie energii wodnej. Przerwy w dostawie energii elektrycznej, nawet krótkotrwałe, wiążą się z dużymi stratami dla firm, wynikającymi z utraconego czasu produkcji oraz dodatkowych kosztów energii poniesionych w związku z przywróceniem normalnych warunków działania. W raporcie 5 z 2005 r. oszacowano, że zastoje i przerwy w dostawie energii elektrycznej w Stanach Zjednoczonych kosztowały gospodarkę krajową około 80 mld USD rocznie. Spore straty na poziomie 57 mld USD dotknęły sektor handlowy, gdzie każda przerwa ma wpływ na dużą liczbę konsumentów. Sektor przemysłowy doznał strat szacowanych na 20 mld USD. W sektorze tym zakłócenia miały wpływ na mniejszą liczbę indywidualnych Inteligentne sieci energetyczne Wstęp odbiorców, jednak każdy z nich poniósł większe koszty indywidualne. Dodatkowe problemy wynikają z obniżenia jakości energii elektrycznej, udarów napięciowych i zapadów napięcia, które mogą mieć wpływ na pracę urządzeń elektrycznych, a nawet trwale uszkodzić kosztowny sprzęt. W związku z tym dostawcy energii w pełni zdają sobie sprawę z tego, jak istotne jest utrzymanie niezawodnych dostaw energii elektrycznej wysokiej jakości i zadają sobie wiele trudu, aby zapewnić nieprzerwane dostawy. Dodanie dużych ilości energii odnawialnej niekoniecznie oznacza więcej przerw w dostawie energii elektrycznej, jednak będzie to oznaczało więcej inwestycji w technologie inteligentnych sieci energetycznych, które umożliwiają szybkie i skuteczne powstrzymanie rozprzestrzeniania się zakłóceń i ich naprawę w systemie energetycznym. „Samonaprawiająca się” sieć energetyczna zyska większe znaczenie, jeżeli gospodarka światowa będzie w coraz większym stopniu uzależniona od energii elektrycznej. Kolejnym wyzwaniem energii odnawialnej jest położenie jej źródeł. Wielkie źródła, położone z dala od brzegu lub na pustyni, często znajdują się z dala od centrum zapotrzebowania, podczas gdy wytwórcy na niewielką skalę często prowadzą działalność na obszarach słabo uprzemysłowionych lub mieszkalnych, gdzie brak jest lokalnych sieci dystrybucyjnych do poboru i dostawy energii elektrycznej. W porównaniu z wysoce przewidywalną wydajnością bardziej tradycyjnych elektrowni, z których większość znajduje się w pobliżu społeczności, które obsługują, energia odnawialna wydaje się mniej doskonała. Jednak wiele technologii potrzebnych do sprostania wyzwaniom stosowania energii odnawialnej jest już używanych, podczas gdy inne są właśnie opracowywane. Wraz z wytwarzaniem coraz większej ilości energii odnawialnej, sieć energetyczna rozwija się, aby ją wykorzystać i zapewnić niezawodne dostawy energii elektrycznej, które pokrywają zapotrzebowanie w sposób trwały. Pojazdy elektryczne i składowanie Szersze wykorzystywanie pojazdów elektrycznych może znacznie ograniczyć emisję gazów cieplarnianych w sektorze transportu. Wielkość ograniczenia byłaby uzależniona od paliw zużywanych do wytworzenia energii elektrycznej przez nie wykorzystywanej. W Wielkiej Brytanii emisje dwutlenku węgla wynikające ze stosowania pojazdów elektrycznych byłyby o 40 procent mniejsze od tych pochodzących z pojazdów tradycyjnych,6 podczas gdy potencjał redukcji emisji dwutlenku węgla w wyniku zastosowania pojazdów elektrycznych w Chinach, gdzie wytwarzanie energii elektrycznej jest bardziej uzależnione od paliw kopalnianych, wyniósłby obecnie zaledwie około 19 procent.7 C. Odnawialne źródła energii wiążą się ze specjalnymi wyzwaniami, którym należy sprostać poprzez wykorzystanie technologii. Wyzwania Rozwiązania technologiczne: Nadmierna dostawa energii wiatrowej i słonecznej w korzystnych warunkach pogodowych Nagły spadek lub wzrost w dostawie energii elektrycznej Dostarczanie energii elektrycznej ze źródeł wiatrowych i słonecznych Zmiana ceny energii elektrycznej w oparciu o jej dostępność lub niedobór Szeroko dostępne Rozwijające się Pojawiające się Wzajemne połączenia między sieciami energetycznymi umożliwiają eksport nadmiernej dostawy lub import nadwyżki energii elektrycznej z innych regionów w przypadku spadku zasilania Składowanie umożliwia wykorzystanie nadwyżki energii elektrycznej w mniej korzystnych warunkach pogodowych Technologie przesyłowe zapewniają, że nagłe zmiany zapotrzebowania nie mają wpływu na jakość dostawy energii elektrycznej Technologia informacyjna umożliwia dostawcom zarządzanie wahaniami poprzez prognozowanie zdolności planowania dostawy i zapotrzebowania i automatyczne dostosowanie produkcji energii elektrycznej Technologie „reagujące na zapotrzebowanie" umożliwiają odbiorcom automatyczne dostosowanie własnego zużycia Czas Coraz szersze wykorzystywanie źródeł energii elektrycznej uzależnionych od warunków pogodowych wprowadzi zmiany w dostawie i jakości energii elektrycznej w sieci. Wiele technologii potrzebnych aby sprostać wyzwaniom stosowania energii odnawialnej na dużą skalę jest już używanych, podczas gdy inne są właśnie opracowywane. Inteligentne sieci energetyczne Wstęp Jeżeli jednak pojazdy elektryczne zostaną rozpowszechnione, będą one miały wpływ na sieć energii elektrycznej. Na przykład gdyby 20 procent wszystkich nowych pojazdów stanowiły pojazdy elektryczne (co może wydarzyć się w ciągu kolejnych 10 lat w wysoce zmotywowanych miejscowościach w południowej Kalifornii), 8 9 ładowanie tych pojazdów może stanowić do 2 procent łącznego zapotrzebowania na energię elektryczną. nej jako zapasowego źródła energii elektrycznej. Większość samochodów jest używanych przez jedną lub dwie godzinny dziennie, a przez pozostały czas stoją nieużywane. Punkty ładowania pojazdów elektrycznych są coraz bardziej dostępne, jednak aby wykorzystać pełny potencjał tych pojazdów, konieczne jest udoskonalenie technologii. Należy znacznie obniżyć koszt akumulatorów samochodowych i wybudować więcej punktów ładowania. Dostawcy mogą potencjalnie wykorzystywać akumulatory zaparkowanych pojazdów elektrycznych podłączonych do sieci energetycznej do składowania nadmiernej ilości energii elektrycznej. Z drugiej strony, w przypadku niedoboru energii elektrycznej, pojazdy elektryczne mogą dostarczać szybko dostępną energię rezerwową w celu pokrycia wzrostów zapotrzebowania — zmniejszając tym samym nacisk na dostawców zobowiązanych do zapewnienia mocy rezerwowej i zapewniając korzyści finansowe właścicielom pojazdów. W przypadku tworzenia bardziej inteligentnych sieci energetycznych, szczególnie interesujący jest pomysł wykorzystywania pojazdów elektrycznych do składowania nadwyżki energii elektrycz- Nie wiadomo, czy taki scenariusz zostanie zrealizowany, jednak sam pomysł wzbudza zainteresowanie, gdyż udostępnia kilka innych metod składowania energii elektrycznej na dużą skalę. D. Przyszłościowy system energii elektrycznej musi spełniać cztery wymagania dotyczące społeczeństwa Zdolność Produkcyjna Zrównoważony rozwój Wydajność Niezawodność Międzynarodowa Agencja Energetyczna oczekuje, że zapotrzebowanie na energię elektryczną wzrośnie niemal dwukrotnie do 2030 r. Będzie to wiązało się z koniecznością budowania co tydzień jednej elektrowni o mocy 1 GW i powiązanej infrastruktury sieci energetycznej przez kolejne 20 lat. Zwiększanie mocy produkcyjnych za pomocą obecnego koszyka energetycznego zdominowanego przez paliwa kopalne przyczyniłoby się do wzrostu emisji CO2. Przyszłościowa sieć energetyczna musi wykorzystywać alternatywne formy wytwarzania energii, w szczególności źródła energii odnawialnej. Międzynarodowa Agencja Energetyczna twierdzi, że bardziej efektywne wykorzystywanie energii ma większy potencjał w zakresie ograniczenia emisji dwutlenku węgla w ciągu najbliższych 20 lat, niż wszystkie inne możliwości razem wzięte. Przyszłościowa sieć energetyczna musi pomóc odbiorcom wykorzystywać pobieraną energię elektryczną w większym zakresie. Zakłócenia w dostawie energii elektrycznej są kosztowne (80 mld USD rocznie w samych Stanach Zjednoczonych10) Coraz większe zapotrzebowanie i stosowanie źródeł energii odnawialnej uzależnionych od warunków pogodowych stanowią wyzwania dla stabilności, którym należy sprostać. Inteligentne sieci energetyczne Rozwiązania ABB Przyszłościowa sieć energetyczna będzie udoskonaloną wersją obecnej sieci, z bardziej obszernymi systemami monitorowania i komunikacji, nowymi wzajemnymi połączeniami, dwukierunkowym przepływem energii i informacji, obiektami składowania energii elektrycznej i dużą częścią rozproszonego i odnawialnego wytwarzania energii. System będzie wysoce zautomatyzowany, aby zapewnić dostępność niezawodnych, wydajnych energetycznie dostaw energii elektrycznej do odbiorców przemysłowych, handlowych i indywidualnych na żądanie. Zgodnie z wizją ABB, inteligentna sieć energetyczna ma być inteligentnym systemem opartym na standardach ogólno branżowych, który zapewnia stałą, bezpieczną i zrównoważoną ekologicznie energię elektryczną. System będzie mógł przekraczać granice krajowe i międzynarodowe, dzięki czemu systemy energii elektrycznej z regionów sąsiadujących będą mogły prowadzić handel energią. Będzie też wyposażony w szybko reagujące system monitorowania i kontroli, które automatycznie powstrzymają rozprzestrzenianie się i naprawią awarię, aby zapewnić dostępność energii elektrycznej wysokiej jakości dla odbiorców, utrzymując równowagę między dostawą a zapotrzebowaniem. Wizja ta jest obecnie stosowana w praktyce. Na przykład, Dania, gdzie 20 procent energii elektrycznej pochodzi z wiatru, jest w stanie obsługiwać stabilną sieć energetyczną poprzez wykorzystanie połączeń wysokonapięciowego prądu stałego z sieciami sąsiadującej Norwegii, Szwecji i Niemiec – wszystkie te sieci obsługuje ABB. Dania eksportuje nadwyżkę energii elektrycznej za pomocą tych wzajemnych połączeń i importuje energię elektryczną w przypadku wytworzenia przez farmy wiatrowe zbyt małej ilości energii elektrycznej. Kolejnym przykładem jest sposób wykorzystywania przez dostawców ostatnich udoskonaleń technologii informatycznych i komunikacyjnych do przetwarzania szczegółowych najświeższych informacji na temat stanu sieci w tysiącach punktów sieci energetycznej. Dane te pozwalają odbiorcom odgrywać aktywną rolę w sieci, umożliwiając im podejmowanie świadomych decyzji na temat tego, w jaki sposób i kiedy wykorzystują energię elektryczną, a nawet pomagając im w wytwarzaniu własnej energii elektrycznej i wprowadzaniu nadwyżek energii z powrotem do systemu. Chociaż w pełni inteligentna sieć energetyczna nadal stanowi wizję przyszłościową, technologie i standardy, które będą potrzebne, są już od kilku lat przedmiotem badań ABB, a wiele z nich jest już używanych. Posiadając szeroki zakres technologii energetycznych i automatyzacji, ABB przyjmuje pozycję lidera w dostarczaniu zintegrowanych rozwiązań dla rozwoju inteligentnej sieci energetycznej. Poniżej przedstawiono kilka technologii ABB, które są już używane i sprawiają, że wizja inteligentnej sieci energetycznej zaczyna się urzeczywistniać. Zoptymalizowane wytwarzanie energii Wydajność wytwarzania energii elektrycznej znacznie różni się w zależności od stosowanych paliw i technologii. W tradycyjnych elektrowniach opalanych węglem, 30 do 35 procent zużywanego paliwa jest przetwarzane na energię elektryczną. W elektrociepłowniach, które używają różnych paliw i udostępniają wytwarzane ciepło pobliskim budynkom, wydajność może sięgać 85 procent. Znaczne zwiększenie wydajności jest możliwe poprzez optymalizację funkcjonowania i systemów pomocniczych we wszystkich rodzajach elektrowni, wykorzystując w tym celu zaawansowane systemy kontroli i urządzenia wydajne energetycznie. ABB jest liderem rynku i technologii w zakresie większości takich systemów pomocniczych, które mogą obniżyć zużycie energii przez istniejące obiekty o 10 do 30 procent, Rozwój bardziej inteligentnych systemów energetycznych, ze szczegółowymi danymi na temat zużycia i bardziej dokładne prognozowanie energii odnawialnej pomoże elektrowniom w lepszy sposób wykorzystać istniejące moce wytwórcze. Systemy kontroli w elektrowniach mogą obecnie pomóc nawet dużym wytwórcom szybciej zareagować na zmiany zapotrzebowania i zmniejszyć uzależnienie dostawców od mniej wydajnych mocy rezerwowych wykorzystywanych do pokrycia wzrostu zapotrzebowania. Zarządzanie sieciami i rozległe monitorowanie Stosowane przez ABB technologie zarządzania siecią i komunikacji z dostawcami energii umożliwiają rozwój inteligentnych sieci energetycznych poprzez zapewnienie zarządzania w czasie rzeczywistym sieciami przesyłowymi, sieciami dystrybucyjnymi, elektrowniami i rynkami obrotu energią. W 2009 r. w ramach takiego rozwiązania sieci przesyłowe i dystrybucyjne w stanie Karnataka na południu Indii zostały połączone w jeden system. Audyt energetyczny i systemy fakturowania dla 16 mln odbiorców są obecnie dostępne na jednej platformie. Technologie te służą do gromadzenia, przesyłania, przechowywania, analizowania i niezawodnego przekazywania istotnych danych z tysięcy punktów informacyjnych z sieci energii elektrycznej i dużych obszarów geograficznych. Integracja źródeł energii odnawialnej na dużą skalę, regulacja dwukierunkowych sieci dystrybucyjnych, przesyłanie energii dalekiego zasięgu oraz stosowanie pojazdów elektrycznych i punktów ładowania byłyby niemożliwie bez tych technologii. Rozległe monitorowanie poprawia wydajność systemów zarządzania sieciami poprzez zwiększenie obszaru widocznego dla systemów. Komunikacja satelitarna umożliwia szybki dostęp do informacji z sąsiadujących sieci energetycznych i wykorzystywanie ich w celu zapobiegania powstawaniu rozległych awarii. Inteligentne sieci energetyczne Rozwiązania ABB [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Zoptymalizowane wytwarzanie energii Zarządzanie siecią Automatyczne podstacje Systemy FACTS i składowanie energii Wysokonapięciowe systemy przesyłania prądu stałego (HVDC) Infrastruktura dla pojazdów elektrycznych Systemy zarządzania energią Budynki aktywne Automatyczne podstacje Podstacje monitorują, chronią i kontrolują przesył i dystrybucję energii elektrycznej. W przyszłości, te niezbędne instalacje będą wymagały coraz bardziej zaawansowanych systemów komunikacji, aby umożliwić wymianę danych między różnymi częściami sieci energetycznej, koordynować przepływ energii elektrycznej i dostarczyć energię elektryczną do odbiorców w niezawodny i wydajny sposób. Firma ABB pomagała przy opracowywaniu i wdrażaniu systemu IEC 61850, który stanowi pierwszy globalny standard komunikacji dla sprzętu podstacji i istotny przełom w technologii automatyzacji podstacji. Umożliwia komunikację w czasie rzeczywistym miedzy urządzeniami podstacji, bez względu na producenta, w związku z czym jest kluczowym elementem rozwoju inteligentnej sieci energetycznej. Firma ABB dostarczyła setki systemów IEC 61850 oraz tysiące produktów dla nowych i zmodernizowanych instalacji w ponad 60 krajach, zwiększając wydajność, sprawność i niezawodność działania podstacji. Obejmuje to pierwszą na świecie podstację obsługiwaną przez wielu dostawców zgodną z normą IEC 61850, jak również podstacje obsługujące największe na świecie elektrownie wodne: Itaipu w Brazylii oraz Zaporę Trzech Przełomów w Chinach. Systemy FACTS i składowanie energii Systemy FACTS (elastyczne systemy przesyłu prądu przemiennego) to ogólny termin dla technologii, które dramatycznie zwiększają wydajność istniejących linii przesyłowych, utrzymując lub nawet poprawiając stabilność i niezawodność systemu energetycznego. Systemy te usprawniają przesyłanie energii dalekiego zasięgu usuwając „wąskie gardła” i bezpiecznie zasilają sieć nieciągłymi źródłami energii, takimi jak energia wiatrowa i słoneczna. Instalacje FACTS mają istotny wkład w rozwój bardziej inteligentnych sieci energetycznych. Oprócz stabilizacji prądu i napięcia, najnowsza technologia FACTS opracowana przez ABB zapewnia możliwość składowania energii, co jest istotną funkcją, gdy energia odnawialna staje się coraz większą częścią koszyka energetycznego. Wielkoskalowe składowanie (do 50 MW na godzinę lub większe) może wyrównać nieregularną produkcję elektrowni odnawialnych i zapewnić awaryjne zasilanie po przerwie w dostawie energii. Firma ABB dostarczyła ponad połowę instalacji FACTS na świecie (ponad 700). Wykorzystanie istniejących mocy w bardziej wydajny i bezpieczny sposób przekłada się na zrównoważoną i niezawodną sieć. Wysokonapięciowy prąd stały (HVDC) Wprowadzony przez ABB w latach 50. XX w. wysokonapięciowy prąd stały to rewolucyjna technologia przesyłowa, która stanie się coraz bardziej istotna w miarę rozwoju inteligentnych sieci energe- Inteligentne sieci energetyczne Rozwiązania ABB tycznych. Dzięki HVDC dostawcy energii poprawiają niezawodność instalacji łącząc sąsiadujące sieci (nawet działające na innych częstotliwościach) i prowadząc wymianę handlową energii elektrycznej. Technologia ta zapewnia również, że energia z nieciągłych źródeł energii odnawialnych jest podawana do sieci przy wysokim napięciu, co utrzymuje stabilność zasilania energią. Dodatkowo systemy HVDC mogą przesyłać w wydajny sposób duże ilości energii na długich dystansach, sprawiając, że jest to idealna technologia dostarczania energii z odległych źródeł do ośrodków zapotrzebowania. W taki sposób farmy wiatrowe i elektrownie wodne w odległych regionach górskich stają się wykonalne z ekonomicznego punktu widzenia. Duże miasta, takie jak Los Angeles, São Paulo, Szanghaj i Delhi wykorzystują już systemy HVDC do dostarczania energii elektrycznej, często ze źródeł odległych o tysiące kilometrów z wyjątkową wydajnością i minimalnym wpływem na środowisko. Infrastruktura dla pojazdów elektrycznych ABB opracowuje technologie przygotowujące inteligentne sieci energetyczne do obsługi pojazdów elektrycznych i zapewnia praktyczne rozwiązania ładowania spełniające potrzeby właścicieli samochodów, dostawców usług i operatorów sieci. Moduły ładujące dla mieszkańców muszą zapewniać wydajną usługę o małej mocy polegającą na ładowaniu akumulatorów przez noc, przy minimalnym wpływie na sieć i przy opłacalnych kosztach. Takie moduły są obecnie dostępne, ale standardy wdrożenia na szeroką skalę są wciąż opracowywane, uwzględniając kompatybilność z wszystkimi typami pojazdów. Publiczne punkty ładowania muszą być wydajne i powinny umożliwiać naładowanie akumulatora w kilka godzin — np. gdy kierowca znajduje się w pracy. Punkty te muszą również obejmować systemy uwierzytelniania użytkownika i/lub systemy płatności. Superszybkie ładowanie zapewni odpowiednik tankowania pojazdów elektrycznych na autostradzie, ładując akumulator w kilka minut. Firma ABB zainstalowała podstawowe stacje ładowania w Skandynawii, które są obecnie w fazie rozwoju w celu uwzględnienia bardziej zaawansowanych funkcji komunikacyjnych. Systemy zarządzania energią W sieci przyszłości coraz większa ilość użytkowników energii elektrycznej stanie się producentami instalując dachowe panele słoneczne lub małe turbiny wiatrowe. Obecnie, jedyni użytkownicy, którzy w znaczący sposób mogą brać udział w rynku energii elektrycznej to zakłady przemysłowe wykorzystujące duże ilości energii, posiadające własne elektrownie. Oprogramowanie zarządzania energią, takie jak np. ABB cpmPlus Energy Manager, pomaga spółkom przemysłowym zarządzać zużyciem energii w celu zapewnienia maksymalnej wydajności i oszczędności. Możliwości ograniczenia kosztów są największe, jeśli zarówno pobór energii elektrycznej, jak i jej ceny zmieniają się w czasie, co jest typowe w przemyśle przetwórczym w warunkach wolnego rynku energii elektrycznej. Oprogramowanie określa koszt elektryczności i pomaga operatorom zakładów zaplanowanie zużycia energii elektrycznej poza godzinami szczytu. System koordynuje kupno i sprzedaż energii elektrycznej z własnymi mocami wytwórczymi, a następnie planuje generowanie elektryczności w godzinach szczytu, gdy energia elektryczna jest najdroższa, aby zapewnić dodatkowe oszczędności. Budynki aktywne Na budynki handlowe i mieszkalne przypada około 38% światowego zapotrzebowania odbiorców końcowych na energię, głównie do ogrzewania i chłodzenia oraz zasilania urządzeń elektrycznych. Zużycie energii elektrycznej w budynkach można ograniczyć za pomocą technologii wydajnych energetycznie, takich jak inteligentne systemy kontrolne dostosowujące ogrzewanie, oświetlenie i zużycie energii przez urządzenia elektryczne do rzeczywistych wymogów. W tych obszarach produkty i systemy ABB mogą zapewnić oszczędności rzędu 30–60 procent. Obecnie takie inteligentne systemy obsługi budynków działają niezależnie od sieci energetycznej. W bardziej inteligentnych systemach będą współdziałać z siecią, zapewniając odbiorcom większą kontrolę nad zużywaną ilością energii elektrycznej, jak również czasem jej zużycia. Na przykład: klienci będą mogli skonfigurować systemy automatyki w budynkach w taki sposób, aby ogrzewanie było zmniejszane podczas okresów szczytowego zapotrzebowania lub mogą upoważnić stronę trzecią lub własne moduły produkcyjne do podjęcia takich działań. Pomoże to klientom ograniczyć rachunki za energię elektryczną, jak również zwiększy ogólną wydajność systemu. W celu zapewnienia pełnej integracji z siecią energetyczną budynki muszą być wyposażone w mierniki umożliwiające gromadzenie dokładniejszych danych o zużyciu energii elektrycznej i komunikujące się z automatycznymi systemami dystrybucyjnymi dostawcy lub rozwiązaniami zarządzania siecią. ABB posiada mały udział w rynku mierników inteligentnych: w Niemczech jest właścicielem marki Striebel & John, a w lipcu 2010 r. firma ogłosiła zakup udziałów mniejszościowy w amerykańskiej spółce Trilliant Inc., która dostarcza oprogramowania umożliwiające integrację urządzeń domowych z siecią energetyczną. Inteligentne sieci energetyczne Projekty wspierające ewolucję sieci energetycznych Firma ABB dostarczyła dużą liczbę instalacji zwiększających wydajność istniejących systemów energetycznych. Pozwala to dostarczyć większą ilość energii, w tym więcej energii odnawialnej, do większej ilości odbiorców w bardziej niezawodny i wydajny sposób, łącząc wytwórców energii z siecią, łącząc sieci ze sobą, zwiększając w ten sposób ogólną moc, wydajność i stabilność całej sieci. Jednakże projekty dostarczone do tej pory to tylko część całej historii. Na całym świecie ABB pracuje również nad ponad 20 projektami pilotowymi w celu przetestowania nowych rozwiązań i zbadania sposobu działania istniejących rozwiązań na dużą skalę. Te projekty zawierają analizę wszystkich aspektów sieci inteligentnych: od składowania energii, przez zarządzanie siecią, mierzenie i komunikację, aż po systemy automatyki dystrybucji i automatyki domowej. Boulder, Colorado: Wdrożenie inteligentnej sieci energetycznej W 2010 r. firma ABB zakupiła spółkę Ventyx, wiodącego dostawcę oprogramowania przemysłowego w sektorach takich jak energia, dostawcy energii i komunikacja. Zakup uzupełnia ofertę rozwiązań zarządzania energią ABB i połączone rozwiązania informatyczne obu spółek są przydatne w wielu zastosowaniach sektora energetycznego, zwłaszcza przy tworzeniu inteligentnych sieci energetycznych. Oprogramowanie Ventyx jest centralnym elementem sieci SmartGridCity w mieście Boulder w stanie Colorado (95 000 mieszkańców), która została uruchomiona w 2009 r. Sieć SmartGridCity jest pierwszym na świecie pełnym i całkowicie funkcjonalnym projektem demonstracyjnym inteligentnych sieci energetycznych, według spółki Xcel Energy, amerykańskiego dostawcy, który ją zaprojektował i wdrożył. Inne rozwiązania Ventyx, takie jak oprogramowanie prognozujące obciążenie, mogą pomóc sieciom energetycznym w integracji dużych ilości nieprzewidywalnej energii odnawialnej, takiej jak energia wiatrowa i słoneczna. Projekt demonstracyjny w mieście Boulder jest również miejscem testów „wirtualnych elektrowni” — innowacyjnego oprogramowania w precyzyjny sposób śledzącego i gromadzącego dane o popycie i lokalnej produkcji energii, np. z paneli słonecznych i turbin wiatrowych. Informacje dostępne w czasie rzeczywistym zapewniają dostawcom nowe wirtualne źródło energii i są wydajnym narzędziem w zarządzaniu skomplikowaną strukturą inteligentnej sieci energetycznej. Oprogramowanie obsługujące sieć SmartGridCity potwierdza niektóre teorie inteligentnych sieci energetycznych dotyczące ograniczenia przerw dostaw energii elektrycznej w systemie dystrybucyjnym oraz wartość monitorowania stanu sieci w czasie rzeczywistym. Pierwsze wyniki pokazują, że technologia inteligentnej sieci energetycznej pomaga spółce Xcel Energy przewidzieć awarię urządzeń i pozwala na proaktywną naprawę przed wystąpieniem przerw w dostawie energii. Spółka Xcel Energy oczekuje, że sieć SmartGridCity osiągnie ambitne cele, takie jak: – 55% ograniczenie szczytowego popytu na energię elektryczną wśród odbiorców indywidualnych i – 10% ograniczenie zużycia energii – 30% ograniczenie strat w dystrybucji energii elektrycznej ograniczenie całkowitego wskaźnika emisji CO2 (carbon footprint) Sztokholm, Szwecja: Małoinwazyjny rozwój w sercu miasta ABB współpracuje z fińskim dostawcą, firmą Fortum, nad projektem badań i rozwoju, którego celem jest test koncepcji elastycznej sieci energetycznej o małej emisji w regionie Królewskiego Portu Morskiego Sztokholmu, byłego obszaru przemysłowego, który jest obecnie jednym z największych w Europie obszarów rewitalizacji miejskiej. Ponad 300 km światłowodów łączy około 50 000 odbiorców prywatnych, komercyjnych i lekkie zakłady przemysłowe z tą automatyczną siecią, która zapewnia znacznie większą interakcję pomiędzy klientami i dostawcą energii. Dane przekazywane w czasie rzeczywistym zapewniają klientom wgląd i kontrolę nad zużyciem energii i pozwala spółce Xcel na przekierowanie energii elektrycznej wokół zablokowanych linii i znacznie szybszą identyfikację i reakcję na przerwy w dostawie prądu. Deweloperzy odnawiający tę część szwedzkiej stolicy zamierzają stworzyć dzielnicę mieszkalną i handlową, w której wykorzystywane będą czyste technologie zapewniające wysoką jakość życia, przy małym wpływie na środowisko. Głównym priorytetem tego projektu jest najlepsze możliwe wykorzystanie zasobów naturalnych, w tym energii odnawialnej. Jedno z kluczowych zastosowań oprogramowania Ventyx zapewnia dostawcom i operatorom sieci informacje pozwalające na lepsze dopasowanie wytwarzania energii elektrycznej do zużycia, nawet na poziomie gospodarstwa domowego. Generując w czasie rzeczywistym informacje o popycie na energię elektryczną, cenach i dostępności, oprogramowanie Ventyx pozwala dostawcom na zastosowanie praktycznego modelu biznesowego generującego dochody z sieci inteligentnych i handlu emisjami. ABB i Fortum współpracują ze sobą, aby stworzyć sieć energetyczną, która zapewni, że energia wytworzona w dzielnicy (ze źródeł takich jak dachowe panele słoneczne i mikroturbiny wiatrowe) będzie mogła zostać wprowadzona do sieci energetycznej w celu wykorzystania lokalnie w domach i firmach. Twórcy projektu mają również nadzieję, że uda się zapewnić punkty ładowania pojazdów elektrycznych umożliwiające ładowanie akumulatorów lub zwrot energii do sieci w razie potrzeby. Inteligentne sieci energetyczne Projekty wspierające ewolucję sieci energetycznych Pod względem skali, projekt Królewski Port Morski stanowi wielki krok w stronę rozwoju bardziej inteligentnej i elastycznej miejskiej sieci energetycznej, która może zintegrować rozproszone źródła energii odnawialnej. W nowej dzielnicy będzie 10 000 mieszkań i 30 000 pomieszczeń biurowych. Łodzie znajdujące się na nadbrzeżu będą mogły używać połączeń elektrycznych z instalacją na lądzie, podobną do zainstalowanej przez ABB w porcie w Göteborgu, aby nie musiały używać prądnic pokładowych podczas dokowania. Oprócz wykorzystania wygenerowanej energii odnawialnej i obsługi pojazdów elektrycznych, Fortum i ABB zamierzają stworzyć w Sztokholmie społeczność „aktywnych” odbiorców. Oznacza to wyposażenie budynków mieszkalnych i komercyjnych w technologię zarządzania energią umożliwiające odbiorcom monitorowanie i kontrolę sposobu wykorzystania energii. Celem jest ograniczenie do minimum strat i różnic zużycia energii podczas dnia, unikając okresów szczytowego popytu, jeżeli jest to możliwe. W maju 2010 r. firma ABB ogłosiła podpisanie podobnej umowy dotyczącej stolicy Finlandii — Helsinek. ABB, lokalny dostawca energii Helsingin Energia oraz Nokia Siemens Networks razem zaprojektują i zainstalują inteligentną sieć energetyczną w nowej dzielnicy Kalasatama. Friedrichshafen, Niemcy: Dokładniejsze równoważenie podaży i popytu W celu rozwoju określonych technologii inteligentnych sieci energetycznych ABB współpracuje z partnerami specjalizującymi się w technologiach komunikacyjnych i informatycznych. W jednym z takich projektów ABB łączy swoje doświadczenie w dziedzinie technologii energetyki i automatyki z firmą T-Systems specjalizującą się w komunikacji, będącą spółką zależną Deutsche Telekom. Celem współpracy jest opracowanie technologii, które zapewnią odbiorcom i wytwórcom energii elektrycznej informacje, których potrzebują, w formie którą mogą wykorzystać, aby zmienić sposób, w jaki korzystają z systemu dostaw energii elektrycznej. Centrum projektu znajduje się w mieście Friedrichshafen na południu Niemiec. Firm ABB i T-Systems uzupełniają się wzajemnie. Doświadczenie ABB w przesyle i dystrybucji energii, systemach zarządzania i handlu energią oraz wiedza firmy T-Systems dotycząca komunikacji szerokopasmowej oraz systemów rozliczeń telekomunikacyjnych pozwolą odbiorcom i producentom energii elektrycznej zrównoważyć popyt i podaż w bardziej zrównoważony sposób. Elastyczne taryfy odzwierciedlające popyt w czasie rzeczywistym, w połączeniu z bardziej wyrafinowanymi funkcjami kontroli urządzeń, które umożliwiają odbiorcom skorzystanie z tańszej energii elektrycznej, w lepszym stopniu wykorzystają istniejące zasoby i źródła energii takie jak energia wiatrowa i słoneczna, które są mniej przewidywalne niż tradycyjne elektrownie. Dokładniejsze równoważenie podaży i popytu oraz lepsze wykorzystanie odnawialnych źródeł energii jest niezbędne, jeżeli mają zostać osiągnięte ambitne cele redukcji emisji dwutlenku węgla określone w wielu krajach. Niektórzy obserwatorzy branży przewidują, że udział energii odnawialnej w Niemczech osiągnie 35% do roku 2020. Tak wysoki poziom wytwarzania energii odnawialnej zwiększy stopień skomplikowania systemów dystrybucji energii elektrycznej, powodując zmienne poziomy energii, które będą musiały być dokładnie kontrolowane. Bez dokładnej kontroli system będzie działał niewydajnie lub z przerwami. Wprowadzenie bardziej zaawansowanych systemów komunikacji i automatyki w systemach energetycznych — dzięki tworzeniu bardziej inteligentnych sieci energetycznych — pomoże ustabilizować podaż, wykorzystując energię odnawialną oraz działania na rzecz walki ze zmianami klimatu. Inteligentne sieci energetyczne Dalsza lektura Treści udostępnione przez ABB: www.abb.com/smartgrids www.abb.com >> About ABB >> History >> ABB technologies www.abb.com >> About ABB >> Technology >> Publications >> ABB Review >> ABB Review 1/2010 www.ventyx.com >> News >> Smart Grid News Inne: Amerykański Departament Energii www.oe.energy.gov >> Our Work >> Smart Grid >> The Smart Grid: An Introduction Unia Europejska www.smartgrids.eu >> What is a SmartGrid? >> Benefits 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Pike Research, December 2009. See: http://www.pikeresearch.com/newsroom/smart-grid-investment-to-total-200-billion-worldwide-by-2015 International Energy Agency, 2009. World Energy Outlook. Intergovernmental Panel on Climate Change, 2007. The Fourth Assessment Report. International Energy Agency, 2009. World Energy Outlook. Lawrence Berkeley National Laboratory, February 2005 UK Department for Transport, 2008. Investigation into the scope for the transport sector to switch to electric vehicles and plug-in hybrid vehicles. McKinsey and Co., 2008. China Charges Up: The Electric Vehicle Opportunity. McKinsey and Co., 2009. Electrifying cars: How three industries will evolve. McKinsey Quarterly More general predictions suggest that 10 percent of new vehicles in 2020 will be electric. Multiple sources, 2009: CS Investment Bank, Boston Consulting, Renault-Nissan, Roland Berger Lawrence Berkeley National Laboratory (February 2005)
