Nutikad energiavõrgud

Ülemaailmne energianõudlus kasvab hinnanguliselt umbes 2,2 protsenti aastas. See tähendab, et praegune üle 20 petavatt-tunnine ülemaailmne energiatarbimine kasvab 2030. aastal 33 petavatt-tunnini. Samal ajal pannakse rõhku energia tõhusamale kasutamisele kui kunagi varem.

1. Automaatne nutikas võrgus

Teised prognoosid ennustavad, et transport tarbib 2050. aastaks enam kui 10 protsenti elektrivajadusest, mis on suuresti tingitud elektri- ja hübriidsõidukite populaarsuse kasvust.

kui elektriauto aku laadimine ei juhita korralikult või ei tööta üldse iseseisvalt, on liiga paljude akude samaaegse laadimise tõttu tippkoormuse oht. Vajadus lahenduste järele, mis võimaldavad sõidukeid optimaalsetel aegadel laadida (1).

Klassikalised XNUMX. sajandi elektrisüsteemid, kus elektrit toodeti valdavalt tsentraalelektrijaamades ja tarniti tarbijateni kõrgepingeliinide ning kesk- ja madalpinge jaotusvõrkude kaudu, ei vasta uue ajastu nõudmistele.

Viimastel aastatel on näha ka hajussüsteemide kiiret arengut, energia väiketootjaid, kes saavad oma ülejääke turuga jagada. Neil on oluline osa hajutatud süsteemides. taastuvad energiaallikad.

Nutivõrkude sõnastik

AMI - lühend sõnadest Advanced Metering Infrastructure. Tähendab elektriarvestitega suhtlevate, energiaandmeid koguvate ja neid analüüsivate seadmete ja tarkvara infrastruktuuri.

hajutatud tootmine - energiatootmine väikeste tootmisseadmete või rajatiste abil, mis on otse jaotusvõrkudega ühendatud või asuvad vastuvõtja elektrisüsteemis (juhtimis- ja mõõteseadmete taga), mis tavaliselt toodavad elektrit taastuvatest või ebatraditsioonilistest energiaallikatest, sageli koos soojuse tootmisega (jaotatud koostootmine). ). . Hajatootmisvõrgud võivad hõlmata näiteks tootjaid, energiaühistuid või munitsipaalelektrijaamu.

tark arvesti – kaugelektriarvesti, mille funktsioon on automaatne energiamõõtmisandmete tarnijale edastamine ja seeläbi rohkem võimalusi elektri teadlikuks kasutamiseks.

Mikro toiteallikas – väike elektrijaam, mida tavaliselt kasutatakse oma tarbeks. Mikroallikaks võivad olla väikesed kodumaised päikese-, hüdro- või tuuleelektrijaamad, maagaasil või biogaasil töötavad mikroturbiinid, maagaasil või biogaasil töötavate mootoritega agregaadid.

Ettepanek – teadlik energiatarbija, kes toodab energiat enda vajadusteks näiteks mikroallikates ja müüb kasutamata jääva ülejäägi jaotusvõrku.

Dünaamilised määrad – tariifid, mis võtavad arvesse energiahindade igapäevaseid muutusi.

Vaadeldav aegruum

Nende probleemide (2) lahendamiseks on vaja paindliku "mõtleva" infrastruktuuriga võrku, mis suunab energia täpselt sinna, kuhu vaja. Selline otsus tark energiavõrk – nutikas elektrivõrk.

2. Energiaturu ees seisvad väljakutsed

Üldiselt on nutikas elektrivõrk elektrisüsteem, mis integreerib nutikalt kõigi tootmis-, ülekande-, jaotamis- ja kasutusprotsessides osalejate tegevused, et tagada elektrienergia säästlik, säästlik ja ohutu (3).

Selle põhieelduseks on side kõigi energiaturul osalejate vahel. Võrk ühendab elektrijaamu, suured ja väikesed ning energiatarbijad ühes struktuuris. See võib eksisteerida ja toimida tänu kahele elemendile: täiustatud anduritele ehitatud automatiseerimine ja IKT-süsteem.

Lihtsamalt öeldes: nutivõrk “teab”, kus ja millal tekib suurim energiavajadus ja suurim varu, ning suudab üleliigse energia suunata sinna, kus seda kõige rohkem vaja on. Selle tulemusena võib selline võrk parandada energiatarneahela tõhusust, töökindlust ja turvalisust.

3. Nutivõrk – põhiskeem

4. Kolm nutikate võrkude valdkonda, eesmärgid ja neist tulenevad eelised

Nutikad võrgud võimaldab kaugjuhtimisega võtta elektriarvestite näitu, jälgida vastuvõtu ja võrgu olekut, samuti energia vastuvõtu profiili, tuvastada ebaseaduslikku energiatarbimist, häireid arvestites ja energiakadusid, distantsilt lahti ühendada/ühendada vastuvõtjat, vahetada tariife, arhiiv ja arve loetud väärtuste ja muude tegevuste eest (4).

Elektrinõudlust on raske täpselt määrata, mistõttu tavaliselt peab süsteem kasutama nn kuumareservi. Hajatootmise (vt Smart Grid Glossary) kasutamine koos Smart Gridiga võib oluliselt vähendada vajadust hoida suuri varusid täielikult töökorras.

Pillar nutikad võrgud on olemas ulatuslik mõõtesüsteem, intelligentne raamatupidamine (5). See hõlmab telekommunikatsioonisüsteeme, mis edastavad mõõtmisandmeid otsustuspunktidesse, aga ka intelligentset teavet, prognoosimise ja otsustusalgoritme.

Esimesed "nutikate" mõõtesüsteemide katsepaigaldised on juba ehitamisel, hõlmates üksikuid linnu või omavalitsusi. Tänu neile saate muuhulgas kehtestada tunnitasu üksikklientidele. See tähendab, et teatud kellaaegadel on sellisel üksikul tarbijal elektri hind madalam, mistõttu tasub sisse lülitada näiteks pesumasin.

Mõnede teadlaste, näiteks Mark Timmi juhitud Saksa Max Plancki Instituudi Göttingenis asuva teadlaste grupi arvates võivad miljonid nutikad arvestid tulevikus luua täiesti autonoomse. isereguleeruv võrk, detsentraliseeritud nagu Internet ja turvaline, kuna see on vastupidav rünnakutele, millega tsentraliseeritud süsteemid kokku puutuvad.

Tugevus paljususest

Taastuvad elektriallikad Väikese ühikuvõimsuse (RES) tõttu on allikad hajutatud. Viimaste hulka kuuluvad alla 50-100 MW ühikuvõimsusega allikad, mis on paigaldatud energia lõpptarbija vahetusse lähedusse.

Praktikas on aga jaotatud allika piirväärtus riigiti väga erinev, näiteks Rootsis on see 1,5 MW, Uus-Meremaal 5 MW, USA-s 5 MW, Ühendkuningriigis 100 MW. .

Piisavalt suure hulga allikatega, mis on hajutatud väikesele elektrisüsteemi alale ja tänu nende pakutavatele võimalustele nutikad võrgud, muutub võimalikuks ja tulusaks ühendada need allikad ühte süsteemi, mida juhib operaator, luues "virtuaalse elektrijaama".

Selle eesmärk on koondada hajutatud tootmine ühte loogiliselt ühendatud süsteemi, suurendades elektritootmise tehnilist ja majanduslikku efektiivsust. Energiatarbijate vahetus läheduses asuv hajatootmine võib kasutada ka kohalikke kütuseressursse, sealhulgas biokütuseid ja taastuvenergiat ning isegi olmejäätmeid.

Virtuaalne elektrijaam ühendab teatud piirkonnas palju erinevaid kohalikke toiteallikaid (hüdro-, tuule-, fotogalvaanilised elektrijaamad, kombineeritud tsükliga turbiinid, mootoriga generaatorid jne) ja energiasalvestit (veepaagid, akud), mida kaugjuhitakse ulatuslik IT võrk.süsteem.

Olulist funktsiooni virtuaalsete elektrijaamade loomisel peaksid täitma energiasalvestid, mis võimaldavad kohandada elektritootmist tarbijanõudluse igapäevaste muutustega. Tavaliselt on sellisteks reservuaarideks patareid või superkondensaatorid; pumbajaamad võivad mängida sarnast rolli.

Energeetiliselt tasakaalustatud ala, mis moodustab virtuaalse elektrijaama, saab kaasaegsete lülitite abil elektrivõrgust eraldada. Selline lüliti kaitseb, teostab mõõtmistöid ja sünkroniseerib süsteemi võrguga.

Maailm muutub targemaks

W nutikad võrgud praegu investeerivad kõik maailma suurimad energiaettevõtted. Euroopas näiteks EDF (Prantsusmaa), RWE (Saksamaa), Iberdrola (Hispaania) ja British Gas (Ühendkuningriik).

6. Nutivõrk ühendab traditsioonilised ja taastuvad allikad

Seda tüüpi süsteemi oluliseks elemendiks on telekommunikatsiooni jaotusvõrk, mis tagab usaldusväärse kahesuunalise IP-edastuse tsentraalsete rakendussüsteemide ja otse elektrisüsteemi lõpus, lõpptarbijate juures asuvate nutikate elektriarvestite vahel.

Praegu maailma suurim telekommunikatsioonivõrkude vajadustele Smart Grid oma riikide suurimatelt energiaoperaatoritelt – nagu LightSquared (USA) või EnergyAustralia (Austraalia) – toodetakse Wimaxi juhtmevaba tehnoloogia abil.

Lisaks hõlmab Poolas Energa Operator SA nutivõrgu lahutamatuks osaks oleva AMI (Advanced Metering Infrastructure) süsteemi esimene ja üks suuremaid kavandatud juurutused andmeedastuseks Wimaxi süsteemi kasutamist.

Wimaxi lahenduse oluline eelis võrreldes teiste energeetikasektoris andmeedastuseks kasutatavate tehnoloogiatega, näiteks PLC-ga, on see, et hädaolukorras pole vaja terveid elektriliinide lõike välja lülitada.

7. Energiapüramiid Euroopas

Hiina valitsus on välja töötanud suure pikaajalise plaani veesüsteemidesse investeerimiseks, maapiirkondade ülekandevõrkude ja infrastruktuuri uuendamiseks ja laiendamiseks ning nutikad võrgud. Hiina State Grid Corporation plaanib need kasutusele võtta 2030. aastaks.

Jaapani elektritööstuse föderatsioon plaanib valitsuse toetusel 2020. aastaks välja töötada päikeseenergial töötava nutika võrgu. Praegu rakendatakse Saksamaal riiklikku programmi nutikate võrkude elektroonikaenergia testimiseks.

EL riikidesse luuakse energia “supervõrk”, mille kaudu hakatakse jaotama taastuvenergiat peamiselt tuuleparkidest. Erinevalt traditsioonilistest võrkudest ei põhine see mitte vahelduvvoolul, vaid alalisvoolul (DC).

Euroopa fondidest rahastati projektiga seotud teadus- ja koolitusprogrammi MEDOW, mis koondab ülikoole ja energiatööstuse esindajaid. MEDOW on lühend ingliskeelsest nimetusest "Multi-terminal DC Grid For Offshore Wind".

Koolitusprogramm kestab eeldatavasti 2017. aasta märtsini. Loomine taastuvenergia võrgud Mandri mastaabis ja tõhus ühendamine olemasolevate võrkudega (6) on mõistlik taastuvenergia eripära tõttu, mida iseloomustavad perioodilised võimsuse ülejäägid või nappused.

Heli poolsaarel tegutsev programm Smart Peninsula on Poola energeetikas hästi tuntud. Just siin on Energa juurutanud riigi esimesed proovikauglugemissüsteemid ja omab projekti jaoks sobivat tehnilist infrastruktuuri, mida täiendatakse veelgi.

Seda kohta ei valitud juhuslikult. Seda piirkonda iseloomustavad energiatarbimise suured kõikumised (suvel tarbimine suur, talvel palju vähem), mis tekitab energeetikainseneridele täiendava väljakutse.

Rakendatavat süsteemi peaks iseloomustama mitte ainult kõrge töökindlus, vaid ka paindlikkus klienditeeninduses, võimaldades optimeerida energiatarbimist, muuta elektritariife ning kasutada tekkivaid alternatiivseid energiaallikaid (fotogalvaanilised paneelid, väikesed tuulikud jne).

Viimasel ajal on ilmunud ka info, et Polskie Sieci Energetyczne soovib salvestada energiat võimsatesse akudesse, mille võimsus on vähemalt 2 MW. Operaator kavatseb ehitada Poolasse energiasalvestid, mis toetavad elektrivõrku, tagades varustuse järjepidevuse, kui taastuvad energiaallikad (RES) lakkavad töötamast tuule puudumise tõttu või pimeduse saabudes. Laost saadav elekter läheb siis võrku.

Lahenduse katsetamine võiks alata kahe aasta jooksul. Mitteametlikel andmetel pakuvad Hitachi jaapanlased võimsate akukonteinerite testimiseks PSE-d. Üks selline liitiumioonaku on võimeline andma 1 MW võimsust.

Laod võivad ka vähendada tavapäraste elektrijaamade laiendamise vajadust tulevikus. Tuulepargid, mida iseloomustab võimsuse suur varieeruvus (olenevalt ilmastikutingimustest), sunnivad traditsioonilist energiat säilitama võimsusreservi, nii et tuulikuid saab igal ajal asendada või täiendada vähendatud võimsusega.

Operaatorid üle Euroopa investeerivad energia salvestamisse. Hiljuti käivitasid britid meie kontinendi suurima seda tüüpi installatsiooni. Londoni lähedal Leighton Buzzardis asuv rajatis suudab salvestada kuni 10 MWh energiat ja tarnida 6 MW võimsust.

Tema selja taga on S&C Electric, Samsung, aga ka UK Power Networks ja Younicos. Viimane ettevõte ehitas 2014. aasta septembris Euroopas esimese kaubandusliku energiasalvesti. See käivitati Saksamaal Schwerinis ja selle võimsus on 5 MW.

Dokument "Smart Grid Projects Outlook 2014" sisaldab 459 alates 2002. aastast ellu viidud projekti, milles uute tehnoloogiate kasutamine, IKT (teleinfo) võimalused aitasid kaasa "targa võrgu" loomisele.

Tuleb märkida, et arvesse võeti projekte, milles osales (oli partneriks) vähemalt üks EL liikmesriik (7). See suurendab aruandes käsitletud riikide arvu 47-ni.

Nende projektide jaoks on seni eraldatud 3,15 miljardit eurot, kuigi 48 protsenti neist on veel lõpetamata. Teadus- ja arendusprojektidele kulub praegu 830 miljonit eurot, katsetamine ja juurutamine aga 2,32 miljardit eurot.

Nende hulgas investeerib elaniku kohta kõige rohkem Taani. Prantsusmaal ja Ühendkuningriigis on seevastu kõige suurema eelarvega projektid, keskmiselt 5 miljonit eurot projekti kohta.

Nende riikidega võrreldes läks Ida-Euroopa riikidel palju kehvemini. Aruande kohaselt toodavad nad kõigi nende projektide kogueelarvest vaid 1 protsendi. Teostatud projektide arvu järgi on esiviisikus: Saksamaa, Taani, Itaalia, Hispaania ja Prantsusmaa. Poola sai edetabelis 18. koha.

Meist edestas Šveits, järgnes Iirimaa. Targa võrgu loosungi all rakendatakse ambitsioonikaid, peaaegu revolutsioonilisi lahendusi mitmel pool üle maailma. plaanib elektrisüsteemi moderniseerida.

Üks parimaid näiteid on Ontario Smart Infrastructure Project (2030), mis on koostatud viimastel aastatel ja mille eeldatav kestus on kuni 8 aastat.

8. Kavandage nutika võrgu kasutuselevõttu Kanadas Ontario provintsis.

Energiaviirused?

Siiski, kui energiavõrk muutuda nagu Internet, peate arvestama, et see võib seista silmitsi samade ohtudega, millega seisame silmitsi tänapäevastes arvutivõrkudes.

9. Energiavõrkudes töötamiseks mõeldud robotid

F-Secure Laboratories hoiatas hiljuti uue keerulise ohu eest tööstusteenuste süsteemidele, sealhulgas elektrivõrkudele. Seda nimetatakse Havexiks ja see kasutab arvutite nakatamiseks äärmiselt arenenud uut tehnikat.

Havexil on kaks põhikomponenti. Esimene on Trooja tarkvara, mida kasutatakse rünnatava süsteemi kaugjuhtimiseks. Teine element on PHP-server.

Trooja hobuse ühendasid ründajad APCS/SCADA tarkvaraga, mis vastutab tehnoloogiliste ja tootmisprotsesside edenemise jälgimise eest. Ohvrid laadivad sellised programmid alla spetsiaalsetelt saitidelt, olles ohust teadlikud.

Havexi ohvriteks langesid eelkõige Euroopa institutsioonid ja tööstuslahendustega tegelevad ettevõtted. Osa Havexi koodist viitab sellele, et selle loojad võivad lisaks tootmisprotsesside andmete varastamise soovile ka nende kulgu mõjutada.

10. Nutivõrkude alad

Selle pahavara autorid tundsid erilist huvi energiavõrkude vastu. Võimalik, et see on tulevane element nutikas elektrisüsteem ka robotid.

Hiljuti töötasid Michigani tehnikaülikooli teadlased välja robotmudeli (9), mis tarnib energiat kohtadesse, mida mõjutavad elektrikatkestused, näiteks loodusõnnetuste tõttu.

Seda tüüpi masinad võiksid päästetööde tõhusamaks läbiviimiseks taastada näiteks telekommunikatsiooni infrastruktuuri (tornid ja tugijaamad) voolu. Robotid on autonoomsed, nad valivad ise parima tee sihtkohta.

Neil võivad olla patareid pardal või päikesepaneelid. Nad saavad üksteist toita. Tähendus ja funktsioonid nutikad võrgud minna energiast palju kaugemale (10).

Sel viisil loodud taristut saab kasutada uue mobiilse tuleviku nutika elu loomiseks, mis põhineb tipptehnoloogiatel. Seni võime vaid ette kujutada seda tüüpi lahenduste eeliseid (aga ka puudusi).