Bruk av grønn elektrifisering og automatisering for å skape mer effektive og bærekraftige strømnett – del én av to

Å erstatte tradisjonelle energikilder i kraftnettet med bærekraftige, grønne kalles grønn elektrifisering. I denne artikkelen, del 1 av 2, diskuteres noen av utfordringene forbundet med grønn elektrifisering sammen med hvordan automatisering kan bidra til yteevne og bærekraft. Del 2 av denne serien vil diskutere lederskap innen energi- og miljødesign (leadership in energy and environmental design – LEED) og nullenergibygg (nullutslippsbygg, eller nullhus, engelsk: zero energy building – ZEB)-sertifiseringer og hvordan de kan redusere karbonutslipp og forbedre bærekraft.

Grønn elektrifisering er erstatning av systemer som bruker fossilt brensel som olje, kull og naturgass for elektrisitetsproduksjon med fotoelektriske solceller (photovoltaics – PV) og andre grønne teknologier, og erstatning av kjøretøyer med forbrenningsmotor (internal combustion engine – ICE) med elektriske kjøretøyer (EV-er). Elektrifiserte systemer, pluss bruken av automatisering som binder dem alle sammen og støtter smarte nett og mikrostrømnett (mikronett), er viktige faktorer som beveger samfunnet mot en mer bærekraftig og grønnere fremtid.

Dagens strømnett var ikke beregnet for å lade et stort antall elbiler, og smarte nett og mikrostrømnett forventes å være kritiske teknologier som trengs for å støtte utbredt utskifting av kjøretøyer med forbrenningsmotor (ICE) med elbiler. I California utstedte guvernøren nylig en presidentordre som krever at innen 2035 skal alt salg av nye biler og lette personbiler være nullutslippskjøretøyer (EV-er). Utviklere av smarte nett og mikrostrømnett må oppfylle en skremmende rekke internasjonale standarder for å takle slike mandater. IEEE har for eksempel over 100 standarder som er godkjent eller under utvikling som er relevante for smarte nett, inkludert de mer enn 20 IEEE-standardene som er navngitt i National Institute of Science and Technology (NIST) Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability. I tillegg til IEEE-standarder er mikrostrømnett underlagt IEC 62898-mikrostrømnettserien og andre standarder.

Denne artikkelen er den første av to deler. Den ser på utfordringer knyttet til implementering av grønn elektrifisering, integrering av distribuerte energiressurser (DER), likhetene og forskjellene mellom smarte nett og mikrostrømnett, og hvordan automatisering forbedrer yteevne og bærekraften, inkludert støtte til universell adopsjon av elbiler. Det begynner med å grave i hva distribuerte energiressurser (DER) er og hvor de passer inn, og lukkes ved å se på hvordan fremveksten av mikrostrømnett for offentlig strømforsyning visker ut skillet mellom mikrostrømnett og smarte nett. Uansett implementering, leverer DigiKey et bredt utvalg av industrielle automatiseringsprodukter som støtter grønn elektrifisering og integrering av distribuerte energiressurser (DER-integrering). Den andre artikkelen undersøker hvordan grønn elektrifisering og automatisering kan brukes i grønne bygninger for å oppnå sertifiseringer innen lederskap innen energi- og miljødesign (LEED) og nullenergibygg (ZEB).

Hva er en distribuert energiressurs (DER)?

Definisjonen fra North American Electric Reliability Corporation (NERC) er: «en distribuert energiressurs (DER) er en hvilken som helst ressurs i distribusjonssystemet som produserer elektrisitet og som ikke på annen måte er inkludert i den formelle NERC-definisjonen av et elkraftsystem.»

Begrepet distribusjonssystem i Nord-Amerika refererer til elektriske ledninger med 34,5 kV (kilovolt) eller mindre som vanligvis går fra transformatorstasjoner til sluttbrukere. Elkraftsystemet (bulk power system – BPS) inkluderer linjene som kommer inn i transformatorstasjonen som ofte bærer over 100 kV over lange avstander, og forbinder store bulkkraftproduksjonsanlegg med sammenkoblingsressurser og transformatorstasjoner (figur 1).

Bilde 1: Distribuerte energiressurser (DER) finnes i distribusjonssystemet (blått); andre fornybare energiressurser er i elkraftsystem (grønt). (Bildekilde: NERC)

Distribuerte energiressurser (DER) er alle ikke-bulk-systemressurser, inkludert generasjonsenheter som vindturbiner og solcelleinstallasjoner, energilagringsenheter, de fleste batterilagringssystemer (BESS), EV-batteriladere – også kalt elektrisk kjøretøyserviceutstyr (electric vehicle service equipment – EVSE) – og mikrostrømnett. Distribuerte energiressurser (DER) finnes bak elmåleren / strømmåleren så vel som direkte på distribusjonssystemet. Bak måleren, består distribuerte energiressurs-kilder (DER-kilder) av installasjoner som solcelleanlegg, batterilagringssystemer (BESS), nettilkoblede elbiler og reservekraftkilder som store dieselgenerator på datasentre og andre steder. Et mikrostrømnett er en spesiell type distribuert energiressurs (DER).

Smarte strømnett, mikrostrømnett og grønn elektrifisering

Et mikrostrømnett er et distribuert energiressurs (DER), men ikke alle distribuerte energiressurser (DER) er mikrostrømnett. Fra perspektivet til elkraftsystemet (BPS) refererer begrepene mikrostrømnett og distribuerte energiressurser (DER) til typer kraftproduksjon eller lagringsressurser. Begrepet smartnett refererer til kommunikasjons- og styringteknologiene som brukes av elkraftsystemet (BPS) for å sikre spenstig og effektiv drift. En annen differensierende faktor er at inkluderer genererings- og lagringsressurser pluss belastninger. Et smart rutenett består hovedsakelig av generasjonsressurser, med noe lagring, men ingen last. Det smarte nettet kan kommunisere med laster, men de er atskilt fra nettet.

Grønn elektrifisering påvirker mikrostrømnett, elkraftsystemet (BPS) og smarte nett på forskjellige måter. I elkraftsystemet (BPS) legges grønn elektrifisering til et eksisterende nett, og hvis det ikke administreres riktig, kan det få utilsiktede negative driftskonsekvenser. Det er her smartnett-teknologi kommer inn.

Toveiskommunikasjon og styring er den primære differensiatoren for smarte nett. Disse styringssystemene inkluderer sensorer for å overvåke stabiliteten til nettet og avanserte målere for å overvåke strømforbruket. De bruker også en rekke styringserbare strømbrytere og strømkvalitetsenheter for å administrere strømflyt. Sensorene er kritiske for å muliggjøre større penetrasjon av fornybare energikilder (RE) og grønn elektrifisering inn i elkraftsystemet (BPS) og sikre nettstabilitet. I tillegg støtter sensorene og styringselementene raskere og mer effektive responser på strømforstyrrelser og muliggjør balansering og sikring av nettet, spesielt i perioder med høy etterspørsel og med variabel RE-tilgjengelighet. Smarte nett-teknologier støtter også koordinering og integrering av mikrostrømnett med distribusjonssystemet og elkraftsystemet (BPS).

Motsatt er et mikrostrømnett konstruert for å imøtekomme elektrifiseringsteknologier som fornybare energikilder, BESS og elbiler. Mikrostrømnett og smarte nett krever automatiserte styringer, inkludert et distribuert energiressursstyringssystem (distributed energy resource management – DERM).

Distribuert energiressursstyringssystem (DERM) er et must

Distribuert energiressursstyringssystem (DERM) og automatisering er definert og implementert forskjellig i smarte nett og mikrostrømnett. Smarte nett inkluderer ulike generasjonskilder og strømbrukere spredt over et bredt område med et sentralisert styringsenter for nettadministrasjon (figur 2). Nettadministrasjon er nøkkelkonseptet for smart nettstyring i elkraftsystemet (BPS). Eksisterende elkraftsystemer (BPS) ble utviklet og bygget før det var behov for å støtte grønn elektrifisering, og de kan oppleve upålitelig drift, ettersom distribuerbar (styrinsbar/kontrollerbar) fossil brenseldrevet produksjon i økende grad erstattes av uforutsigbare (og derfor mindre kontrollerbare) RE-kilder. I tillegg vil lading av et stort antall elbiler for det meste være ikke-forsendelsesbar og ikke direkte kontrollerbar av strømselskapet / kraftselskapet. Den sentraliserte, automatiserte styringen som aktiveres av smart nett-teknologi, er nødvendig for å kompensere for det faktum at fornybare energikilder som brukes til grønn elektrifisering og lading av elbiler, ikke er like forutsigbare som konvensjonelle nettelementer.

Bilde 2: Et smartnett er avhengig av automatiserte styringer og distribuerte energiressursstyringssystemer (DERM) for nettadministrasjon i sanntid. (Bildekilde: ETAP)

Styringer av smartnett av mikrostrømnett trenger informasjon fra ulike sensorer for å overvåke tilkoblede ressurser i sanntid. Med bruk av elbiler og EVSE brukes styringene også til å hjelpe til med å håndtere strømkravene til lading, og de kan bruke kjøretøy-til-nett-kommunikasjon (V2G) til å koordinere tilkoblingen av elbiler til nettet eller et mikrostrømnett for å gi inkrementell energilagringskapasitet.

I tillegg til å overvåke statusen til tilkoblede ressurser, må styringer for nettilkoblede mikrostrømnett også overvåke statusen til det lokale strømnettet. Bryterutstyr er en viktig komponent i smarte nett og mikrostrømnett og må reagere i løpet av millisekunder for å sikre robust drift. Bryteranlegg varierer fra noen få kilowatt (kW) for små mikrostrømnett til flere megawatt (MW) for store mikrostrømnett og strømnettet. Koblingsutstyret og styringen kan være i samme kabinett for små mikrostrømnett, noe som reduserer kostnadene og øker hastigheten på installasjonen. Smartnett og mikrostrømnett-DERM innbefatter intelligent måling av energiproduksjon og energiforbruk som brukes av skybaserte analyser for å maksimere de økonomiske fordelene ved distribuerte energiressurser (DER) og støtte høye nivåer av robusthet. De nøyaktige arkitekturene til distribuerte energiressursstyringssystemer (DERM) kan variere for forskjellige varianter av mikrostrømnett.

Varianter av mikrostrømnett

Mikrostrømnett kan klassifiseres etter deres applikasjoner og arkitektur. De tre arkitekturene for mikrostrømnett er eksterne, nettverkstilkoblet og nettilkoblet. Eksterne mikrostrømnett er på steder som øyer eller ekstern gruvedrift og landbruksdrift. De kalles også mikrostrømnett utenfor strømnettet og er fysisk adskilt fra alle elkraftsystem (BPS). De må være helt selvforsynt.

Nettverkstilkoblede mikrostrømnett er nettverk av flere individuelle distribuerte energiressurser (DER) eller mikrostrømnett koblet til et felles distribusjonssystem. De styres vanligvis av et sentralisert overvåkingssystem som balanserer behovene til mikrostrømnettdriften med støtte for det større strømnettet. Styringen (styreenheten) tilordner ofte et viktig hierarki til mikrostrømnettet og distribuerte energiressursene (DER) for å sikre at de mest kritiske elementene er beskyttet. Utrustninger for nettverkstilkoblede mikrostrømnett inkluderer mikrostrømnett for offentlig strømforsyning, smarte byer og den fremvoksende kategorien av mikrostrømnett for offentlig strømforsyning.

Nettverkstilkoblede mikrostrømnett er en underkategori av nettverkstilkoblede mikrostrømnett. Alle nett-tilkoblede mikrostrømnett er fysisk koblet til distribusjonsnettet, og de har en bryteranordning ved punktet for felles kobling (point of common coupling – PCC) der tilkoblingen til distribusjonsnettet skjer. Under normal drift er et gittertilkoblet mikrostrømnett koblet til distribusjonsnettet. Det kan tilby tjenester til nettet, for eksempel frekvens- og spenningsregulering, reell og reaktiv strømstøtte og etterspørselsrespons for å redusere kapasitetsimitasjoner.

Mikrostrømnettet er ikke koblet til det allmene forsyningsdistribusjonsnettet i en øy-drift. Øy-drift kan oppstå på grunn av en forstyrrelse i distribusjonsnettet eller for andre behov som vedlikehold. Disse mikrostrømnettene må registrere distribusjonsfrekvensen og synkronisere operasjonen før de kobles til på nytt når de overføres fra en øy til nettilkoblet operasjon.

Det er mange bruksområder for mikrostrømnett, som for eksempel studiesteder, sykehus og medisinske sentre, kommersielle installasjoner, lokalsamfunn og industrianlegg. Den nyeste utrustningskategorien er mikrostrømnett for offentlig strømforsyning (figur 3).

Bilde 3: Mikrostrømnett kategoriseres ofte etter bruksområde. (Bildekilde: Siemens)

Visker ut linjene

Mikrostrømnett som igangsettes visker ut linjene mellom offentlig strømforsyning og smarte nett og mikrostrømnett. I prosessen endres definisjonen av et distribuert energiressurs (DER) fra en distribuert energiressurs til en dedikert energiressurs. Mikrostrømnett for offentlig strømforsyning er utformet for å redusere strømbrudd på grunn av ekstreme værforhold, skogbranner og andre uforutsette utfordringer. Med eksisterende nettarkitekturer blir store deler av nettet deaktivert for sikkerhet under ekstreme hendelser.

En viktig og uheldig effekt av de ikke-planlagte og omfattende strømbruddene er å fraråde bruk av elbiler. Mikrostrømnett for offentlig strømforsyning blir sett på som en nøkkel til utbredt bruk av elbiler. Southern California Edison (SCE) har for eksempel foreslått utvikling av mikrostrømnett for offentlig strømforsyning ved strømbrudd (Public Safety Power Shutoff Microgrids) for å bidra til å opprettholde tilgjengeligheten på elektrisitet så mye som mulig under skogbranner. Andre verktøy refererer til den nye rutenettarkitekturen som fellesskaps-mikrostrømnett (bilde 4).

Bilde 4: Mikrostrømnett for offentlig strømforsyning kan inkludere et bredt spekter av ressurser spredt over relativt store geografiske områder og sløre linjen mellom tradisjonelle mikrostrømnett og smarte nett. (Bildekilde: Edison International)

Forsyningsmikrostrømnetts evne til øy-drift er nøkkelen til å forbedre strømtilgjengeligheten på et mer detaljert nivå enn det som er mulig for øyeblikket. Det forventes å bli distribuert i et bredt spekter av mikrostrømnettstørrelser, fra komplette boligsamfunn til offentlige steder, inkludert skoler og andre strategiske steder som brannstasjoner, medisinske sentre og evakueringssentre. EVSE-installasjoner er en viktig del av utformingen av de fleste av disse mikrostrømnettene i samfunnene. Som tenkt, vil EVSE støtte nettilkobling av elbiler som ekstra kilder til reservekraft, så vel som for lading av elbiler.

Konklusjon

Elektrifisering er nødvendig for å sikre mer bærekraftige strømnett og redusere CO₂-utslipp. Mange grønne elektrifiseringsteknologier som solenergi og elbiler er ikke like forutsigbare som de tradisjonelle ressursene de erstatter. Det betyr at elektrifisering må støttes med avanserte sensornettverk og automatiserte styringssystemer i smarte nett og mikrostrømnett.