Älykkäät energiaverkot

Globaalin energian kysynnän arvioidaan kasvavan noin 2,2 prosenttia vuodessa. Tämä tarkoittaa, että nykyinen yli 20 petawattitunnin globaali energiankulutus nousee 2030 petawattituntiin vuonna 33. Samalla panostetaan energian tehokkaampaan käyttöön kuin koskaan ennen.

1. Auto in smart grid

Muut ennusteet ennustavat, että liikenne kuluttaa yli 2050 prosenttia sähköntarpeesta vuoteen 10 mennessä, mikä johtuu suurelta osin sähkö- ja hybridiajoneuvojen kasvavasta suosiosta.

Jos sähköauton akun lataus sitä ei hallita kunnolla tai se ei toimi ollenkaan itsestään, on olemassa huippukuormituksen vaara, koska lataat liian monta akkua samanaikaisesti. Tarve ratkaisuille, jotka mahdollistavat ajoneuvojen lataamisen optimaalisesti (1).

Klassiset XNUMX-luvun voimajärjestelmät, joissa sähköä tuotettiin pääosin keskusvoimalaitoksissa ja toimitettiin kuluttajille suurjännitejohtojen sekä keski- ja pienjännitejakeluverkkojen kautta, eivät sovellu uuden aikakauden vaatimuksiin.

Viime vuosina on myös nähtävissä hajautettujen järjestelmien nopeaa kehitystä, pieniä energiantuottajia, jotka voivat jakaa ylijäämänsä markkinoiden kanssa. Heillä on merkittävä osuus hajautetuissa järjestelmissä. uusiutuvat energianlähteet.

Sanasto älykkäistä sähköverkoista

AMI - lyhenne sanoista Advanced Metering Infrastructure. Tarkoittaa laitteiden ja ohjelmistojen infrastruktuuria, jotka kommunikoivat sähkömittareiden kanssa, keräävät energiatietoja ja analysoivat näitä tietoja.

Hajautettu sukupolvi - energiantuotanto pienillä tuotantolaitoksilla tai laitoksilla, jotka on liitetty suoraan jakeluverkkoon tai sijaitsevat vastaanottajan sähköjärjestelmässä (ohjaus- ja mittauslaitteiden takana), jotka yleensä tuottavat sähköä uusiutuvista tai ei-perinteisistä energialähteistä, usein yhdessä lämmöntuotannon kanssa (hajautettu yhteistuotanto). ). . Hajautettuja tuotantoverkkoja voivat olla esimerkiksi tuottajakuluttajat, energiaosuuskunnat tai kunnalliset voimalaitokset.

älykäs mittari – etäsähkömittari, joka välittää automaattisesti energianmittaustiedot toimittajalle ja tarjoaa siten enemmän mahdollisuuksia sähkön tietoiseen käyttöön.

Mikrovirtalähde – pieni voimalaitos, jota käytetään yleensä omaan kulutukseen. Mikrolähteenä voivat olla pienet kotimaiset aurinko-, vesi- tai tuulivoimalat, maakaasulla tai biokaasulla toimivat mikroturbiinit, maakaasulla tai biokaasulla toimivat yksiköt.

Ehdotus – tietoinen energiankuluttaja, joka tuottaa energiaa omiin tarpeisiinsa esimerkiksi mikrolähteissä ja myy käyttämättömän ylijäämän jakeluverkkoon.

Dynaamiset hinnat – tariffit, joissa otetaan huomioon energian hintojen päivittäiset muutokset.

Havaittavissa oleva aika-avaruus

Näiden ongelmien ratkaiseminen (2) edellyttää verkkoa, jossa on joustava "ajattelu"-infrastruktuuri, joka ohjaa energiaa juuri sinne, missä sitä tarvitaan. Sellainen päätös älykäs energiaverkko – älykäs sähköverkko.

2. Energiamarkkinoiden haasteet

Yleisesti ottaen älyverkko on sähköjärjestelmä, joka yhdistää älykkäästi kaikkien tuotanto-, siirto-, jakelu- ja käyttöprosessien osallistujien toiminnot sähkön tuottamiseksi taloudellisesti, kestävästi ja turvallisesti (3).

Sen päälähtökohtana on yhteys kaikkien energiamarkkinoiden toimijoiden välillä. Verkko yhdistää voimalaitokset, suuret ja pienet, ja energiankuluttajat samassa rakenteessa. Se voi olla olemassa ja toimia kahden elementin ansiosta: edistyneille antureille rakennettu automaatio ja ICT-järjestelmä.

Yksinkertaisesti sanottuna: älyverkko "tietää", missä ja milloin suurin energian tarve ja suurin tarjonta syntyy, ja pystyy ohjaamaan ylimääräisen energian sinne, missä sitä eniten tarvitaan. Tämän seurauksena tällainen verkko voi parantaa energian toimitusketjun tehokkuutta, luotettavuutta ja turvallisuutta.

3. Älykäs verkko - perusjärjestelmä

4. Älyverkkojen kolme aluetta, tavoitteet ja niistä johtuvat hyödyt

Älykkäät verkot voit etänä ottaa sähkömittareiden lukemia, valvoa vastaanoton ja verkon tilaa sekä energian vastaanottoprofiilia, tunnistaa laitonta energiankulutusta, häiriöitä mittareissa ja energiahäviöitä, katkaista / kytkeä vastaanottaja etäyhteydellä, vaihtaa tariffia, arkisto ja lasku luetuista arvoista ja muista toiminnoista (4).

Sähköntarpeen tarkka määrittäminen on vaikeaa, joten yleensä järjestelmässä on käytettävä ns. kuumareserviä. Hajautetun tuotannon (katso Smart Grid Glossary) käyttö yhdessä Smart Gridin kanssa voi merkittävästi vähentää tarvetta pitää suuret reservit täysin toimintakunnossa.

napa älykkäät verkot käytössä on laaja mittausjärjestelmä, älykäs kirjanpito (5). Se sisältää tietoliikennejärjestelmiä, jotka välittävät mittaustietoja päätöspisteisiin, sekä älykkäitä tietoja, ennusteita ja päätöksentekoalgoritmeja.

Ensimmäiset "älykkäiden" mittausjärjestelmien pilottiasennukset ovat jo rakenteilla, ja ne kattavat yksittäiset kaupungit tai kunnat. Niiden ansiosta voit syöttää muun muassa yksittäisten asiakkaiden tuntihinnat. Tämä tarkoittaa, että tiettyinä vuorokaudenaikoina sähkön hinta tällaiselle yksittäiselle kuluttajalle on alhaisempi, joten esimerkiksi pesukone kannattaa kytkeä päälle.

Joidenkin tutkijoiden, kuten Mark Timmin johtaman saksalaisen Max Planck -instituutin Göttingenissä sijaitsevan tutkijaryhmän mukaan miljoonat älykkäät mittarit voisivat tulevaisuudessa luoda täysin autonomisen itsesäätyvä verkko, hajautettu kuten Internet, ja turvallinen, koska se kestää hyökkäyksiä, joille keskitetyt järjestelmät altistuvat.

Vahvuuksia moninaisuudesta

Uusiutuvat sähkönlähteet Pienen yksikkökapasiteetin (RES) vuoksi lähteet ovat hajautettuja. Jälkimmäiset sisältävät energian loppukuluttajan välittömään läheisyyteen asennettuja lähteitä, joiden yksikköteho on alle 50-100 MW.

Käytännössä hajautettuna lähteenä pidettävän lähteen raja vaihtelee kuitenkin suuresti maittain, esimerkiksi Ruotsi on 1,5 MW, Uusi-Seelanti 5 MW, USA 5 MW, Iso-Britannia 100 MW. .

Riittävän suurella määrällä lähteitä hajallaan pienelle sähköjärjestelmän alueelle ja niiden tarjoamien mahdollisuuksien ansiosta älykkäät verkot, on mahdollista ja kannattavaa yhdistää nämä lähteet yhdeksi operaattorin hallitsemaksi järjestelmäksi, jolloin luodaan "virtuaalinen voimalaitos".

Sen tavoitteena on keskittää hajautettu tuotanto yhdeksi loogisesti yhdistettyyn järjestelmään, mikä lisää sähköntuotannon teknistä ja taloudellista tehokkuutta. Energiankuluttajien välittömässä läheisyydessä sijaitseva hajautettu tuotanto voi käyttää myös paikallisia polttoaineresursseja, kuten biopolttoaineita ja uusiutuvaa energiaa, ja jopa yhdyskuntajätettä.

Virtuaalinen voimalaitos yhdistää tietyllä alueella useita erilaisia ​​paikallisia voimalähteitä (vesi-, tuuli-, aurinkovoimalat, kombiturbiinit, moottorikäyttöiset generaattorit jne.) ja energian varastointia (vesisäiliöt, akut), joita kauko-ohjataan laaja IT-verkko.järjestelmä.

Tärkeä tehtävä virtuaalisten voimalaitosten luomisessa tulisi olla energian varastointilaitteilla, joiden avulla voit mukauttaa sähköntuotantoa päivittäisiin kulutuskysynnän muutoksiin. Yleensä tällaiset säiliöt ovat akkuja tai superkondensaattoreita; pumppuvarastoilla voi olla samanlainen rooli.

Energeettisesti tasapainoinen alue, joka muodostaa virtuaalisen voimalaitoksen, voidaan erottaa sähköverkosta nykyaikaisilla kytkimillä. Tällainen kytkin suojaa, suorittaa mittaustyötä ja synkronoi järjestelmän verkon kanssa.

Maailma on tulossa älykkäämmäksi

W älykkäät verkot tällä hetkellä kaikki maailman suurimmat energiayhtiöt investoivat. Euroopassa esimerkiksi EDF (Ranska), RWE (Saksa), Iberdrola (Espanja) ja British Gas (UK).

6. Älykäs sähköverkko yhdistää perinteiset ja uusiutuvat energialähteet

Tärkeä elementti tämän tyyppisessä järjestelmässä on tietoliikenteen jakeluverkko, joka tarjoaa luotettavan kaksisuuntaisen IP-siirron keskussovellusjärjestelmien ja suoraan sähköjärjestelmän päässä, loppukäyttäjien luona sijaitsevien älykkäiden sähkömittareiden välillä.

Tällä hetkellä maailman suurin tietoliikenneverkkojen tarpeisiin Älykäs sähköverkko omien maidensa suurimmilta energiatoimijoilta, kuten LightSquaredilta (USA) tai EnergyAustralialta (Australia), tuotetaan langattomalla Wimax-tekniikalla.

Lisäksi Puolan ensimmäinen ja yksi suurimmista Energa Operator SA:n älyverkkoon kuuluvan AMI-järjestelmän (Advanced Metering Infrastructure) suunnitelluista toteutuksista sisältää Wimax-järjestelmän käytön tiedonsiirrossa.

Wimax-ratkaisun tärkeä etu verrattuna muihin energia-alalla tiedonsiirtoteknologioihin, kuten PLC:hen, on se, ettei hätätilanteessa tarvitse sammuttaa kokonaisia ​​voimalinjoja.

7. Energiapyramidi Euroopassa

Kiinan hallitus on kehittänyt laajan pitkän aikavälin suunnitelman investoida vesijärjestelmiin, parantaa ja laajentaa siirtoverkkoja ja infrastruktuuria maaseutualueilla. älykkäät verkot. Kiinan valtion grid Corporation aikoo ottaa ne käyttöön vuoteen 2030 mennessä.

Japan Electricity Industry Federation aikoo kehittää aurinkovoimalla toimivan älykkään verkon vuoteen 2020 mennessä valtion tuella. Saksassa ollaan parhaillaan toteuttamassa valtiollista ohjelmaa älykkäiden verkkojen elektronisen energian testaamiseksi.

EU-maihin luodaan energian "superverkko", jonka kautta uusiutuvaa energiaa jaetaan pääasiassa tuulivoimaloista. Toisin kuin perinteiset verkot, se ei perustu vaihtovirtaan, vaan tasavirtaan (DC).

Eurooppalaisilla varoilla rahoitettiin hankekohtaista tutkimus- ja koulutusohjelmaa MEDOW, joka kokoaa yhteen yliopistot ja energiateollisuuden edustajat. MEDOW on lyhenne englanninkielisestä nimestä "Multi-terminal DC Grid For Offshore Wind".

Koulutusohjelman odotetaan jatkuvan maaliskuuhun 2017 saakka. Luominen uusiutuvan energian verkkoja mantereen mittakaavassa ja tehokas liittäminen olemassa oleviin verkkoihin (6) on järkevää uusiutuvan energian erityispiirteiden vuoksi, joille on ominaista kapasiteetin ajoittainen yli- tai puute.

Helin niemimaalla toimiva Smart Peninsula -ohjelma tunnetaan hyvin Puolan energiateollisuudessa. Juuri täällä Energa on ottanut käyttöön maan ensimmäiset koekäyttöiset etälukujärjestelmät ja sillä on asianmukainen tekninen infrastruktuuri projektille, jota päivitetään edelleen.

Tätä paikkaa ei valittu sattumalta. Tälle alueelle on ominaista energiankulutuksen suuret vaihtelut (suuri kulutus kesällä, paljon vähemmän talvella), mikä luo lisähaastetta energiainsinööreille.

Toteutettavalle järjestelmälle tulee olla ominaista korkean luotettavuuden lisäksi myös asiakaspalvelun joustavuus, joka mahdollistaa energiankulutuksen optimoinnin, sähkön hintojen muuttamisen ja uusien vaihtoehtoisten energialähteiden (aurinkosähköpaneelit, pienet tuuliturbiinit jne.) käytön.

Äskettäin on myös ilmestynyt tietoa, että Polskie Sieci Energetyczne haluaa varastoida energiaa tehokkaisiin akkuihin, joiden kapasiteetti on vähintään 2 MW. Operaattori suunnittelee rakentavansa Puolaan energiavarastoja, jotka tukevat sähköverkkoa ja varmistavat toimitusten jatkuvuuden, kun uusiutuvat energialähteet (RES) lakkaavat toimimasta tuulen puutteen vuoksi tai pimeän tullessa. Varastosta tuleva sähkö menee sitten verkkoon.

Ratkaisun testaus voidaan aloittaa kahden vuoden sisällä. Epävirallisten tietojen mukaan Hitachin japanilaiset tarjoavat PSE:tä testaamaan tehokkaita akkusäiliöitä. Yksi tällainen litiumioniakku pystyy tuottamaan 1 MW tehoa.

Varastot voivat myös vähentää tarvetta laajentaa perinteisiä voimalaitoksia tulevaisuudessa. Tuulipuistot, joille on ominaista suuri tehon vaihtelu (riippuen sääolosuhteista), pakottavat perinteisen energian ylläpitämään tehoreserviä, jotta tuulimyllyjä voidaan milloin tahansa korvata tai täydentää pienemmällä teholla.

Toimijat kaikkialla Euroopassa investoivat energian varastointiin. Äskettäin britit lanseerasivat mantereellamme suurimman tämäntyyppisen asennuksen. Lontoon lähellä sijaitseva Leighton Buzzardin laitos pystyy varastoimaan jopa 10 MWh energiaa ja toimittamaan 6 MW tehoa.

Hänen takanaan ovat S&C Electric, Samsung sekä UK Power Networks ja Younicos. Syyskuussa 2014 jälkimmäinen yhtiö rakensi ensimmäisen kaupallisen energiavaraston Euroopassa. Se otettiin käyttöön Schwerinissä, Saksassa, ja sen kapasiteetti on 5 MW.

Asiakirja ”Smart Grid Projects Outlook 2014” sisältää 459 vuodesta 2002 lähtien toteutettua hanketta, joissa uusien teknologioiden, ICT- (teleinformaatio) valmiuksien käyttö vaikutti ”älyverkon” luomiseen.

On huomattava, että huomioon otettiin hankkeet, joissa vähintään yksi EU:n jäsenvaltio osallistui (oli kumppani) (7). Tämä nostaa raportin kattamien maiden lukumäärän 47:ään.

Näihin hankkeisiin on tähän mennessä osoitettu 3,15 miljardia euroa, vaikka 48 prosenttia niistä on vielä kesken. T&K-projektit kuluttavat tällä hetkellä 830 miljoonaa euroa ja testaus- ja toteutuskustannukset 2,32 miljardia euroa.

Niistä Tanska sijoittaa eniten henkeä kohti. Ranska ja Iso-Britannia puolestaan ​​toteuttavat hankkeita suurimmalla budjetilla, keskimäärin 5 miljoonaa euroa projektia kohden.

Näihin maihin verrattuna Itä-Euroopan maat menestyivät paljon huonommin. Raportin mukaan ne tuottavat vain yhden prosentin kaikkien näiden hankkeiden kokonaisbudjetista. Toteutettujen hankkeiden lukumäärän perusteella viisi parasta ovat: Saksa, Tanska, Italia, Espanja ja Ranska. Puola sijoittui sarjassa 1.

Sveitsi oli meitä edellä ja sen jälkeen Irlanti. Älykkään verkon iskulauseen alla toteutetaan kunnianhimoisia, lähes vallankumouksellisia ratkaisuja monin paikoin ympäri maailmaa. suunnittelee sähköjärjestelmän modernisointia.

Yksi parhaista esimerkeistä on Ontario Smart Infrastructure Project (2030), joka on valmisteltu viime vuosina ja jonka arvioitu kesto on jopa 8 vuotta.

8. Suunnittele Smart Gridin käyttöönottoa Kanadan Ontarion provinssissa.

Energiavirukset?

Kuitenkin, jos energiaverkko Internetin kaltaiseksi, sinun on otettava huomioon, että se voi kohdata samoja uhkia, joita kohtaamme nykyaikaisissa tietokoneverkoissa.

9. Robotit, jotka on suunniteltu toimimaan energiaverkoissa

F-Securen laboratoriot varoittivat äskettäin uudesta monimutkaisesta uhasta teollisuuden palvelujärjestelmille, mukaan lukien sähköverkot. Sitä kutsutaan nimellä Havex ja se käyttää erittäin kehittynyttä uutta tekniikkaa tietokoneiden tartuttamiseen.

Havexilla on kaksi pääkomponenttia. Ensimmäinen on troijalainen ohjelmisto, jota käytetään hyökkäyksen kohteena olevan järjestelmän etähallintaan. Toinen elementti on PHP-palvelin.

Hyökkääjät liittivät Troijan hevosen APCS/SCADA-ohjelmistoon, joka on vastuussa teknisten ja tuotantoprosessien edistymisen seurannasta. Uhrit lataavat tällaisia ​​ohjelmia erikoistuneilta sivustoilta tietämättään uhasta.

Havexin uhrit olivat ensisijaisesti eurooppalaisia ​​instituutioita ja teollisuusratkaisuihin osallistuvia yrityksiä. Osa Havex-koodista viittaa siihen, että sen luojat voisivat sen lisäksi, että he haluavat varastaa tietoja tuotantoprosesseista, myös vaikuttaa niiden kulkuun.

10. Älykkäiden verkkojen alueet

Tämän haittaohjelman tekijät olivat erityisen kiinnostuneita energiaverkoista. Mahdollisesti tulevaisuuden elementti älykäs sähköjärjestelmä myös robotit.

Äskettäin Michiganin teknillisen yliopiston tutkijat ovat kehittäneet robottimallin (9), joka toimittaa energiaa sähkökatkosten, kuten luonnonkatastrofien, kärsimiin paikkoihin.

Tämän tyyppiset koneet voisivat esimerkiksi palauttaa virran tietoliikenneinfrastruktuuriin (tornit ja tukiasemat), jotta pelastustoimet voidaan suorittaa tehokkaammin. Robotit ovat itsenäisiä, he itse valitsevat parhaan tien määränpäähänsä.

Niissä voi olla paristoja tai aurinkopaneeleja. He voivat ruokkia toisiaan. Merkitys ja toiminnot älykkäät verkot menevät paljon energiaa pidemmälle (10).

Näin luodulla infrastruktuurilla voidaan luoda tulevaisuuden uusi mobiili älykäs elämä, joka perustuu huipputeknologioihin. Toistaiseksi voimme vain kuvitella tämäntyyppisten ratkaisujen edut (mutta myös haitat).