Inteligentne sieci energetyczne
Inne z kolei prognozy przewidują, że do 2050 r. transport będzie pochłaniał ponad 10 procent zapotrzebowania na energię elektryczną, przede wszystkim ze względu na wzrost popularności samochodów elektrycznych i hybrydowych.
Jeśli ładowanie baterii pojazdów elektrycznych będzie zarządzane niewłaściwie lub w ogóle zostanie puszczone samopas, istnieje niebezpieczeństwo występowania obciążeń szczytowych, wywołanych przez jednoczesne ładowanie zbyt wielu baterii. Potrzeba rozwiązań pozwalających na ładowanie pojazdów w optymalnym czasie (1).
Klasyczne systemy energetyczne XX wieku, w których energia elektryczna była wytwarzana w przeważającej mierze w centralnych elektrowniach i dostarczana do użytkowników za pomocą linii przesyłowych wysokiego napięcia oraz sieci rozdzielczych średniego i niskiego napięcia, nie bardzo sobie radzą z wymogami nowych czasów.
W ostatnich latach możemy też zaobserwować szybki rozwój systemów rozproszonych, małych producentów energii, którzy mogą nadwyżkami podzielić się z rynkiem. Istotny udział w systemach rozproszonych mają odnawialne źródła energii elektrycznej.
AMI - skrót od Advanced Metering Infrastructure (zaawansowana infrastruktura pomiarowa). Oznacza infrastrukturę obejmującą urządzenia i oprogramowanie, które umożliwiają komunikację z licznikami prądu, zebranie danych o zużyciu energii oraz analizę tych danych.
Generacja rozproszona - wytwarzanie energii przez małe jednostki lub obiekty wytwórcze, przyłączone bezpośrednio do sieci rozdzielczych lub zlokalizowane w sieci elektroenergetycznej odbiorcy (za urządzeniami kontrolno- -pomiarowymi), zwykle produkujące energię elektryczną ze źródeł energii odnawialnych lub niekonwencjonalnych, często w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła (kogeneracja rozproszona). Do sieci generacji rozproszonej należeć mogą np. prosumenci, kooperatywy energetyczne czy elektrownie komunalne.
Inteligentny licznik - zdalny licznik energii elektrycznej, mający funkcję automatycznego przesyłania danych pomiarowych o zużyciu energii do dostawcy, i tym samym oferujący więcej możliwości świadomego użytkowania prądu.
Mikroźródło energii - jednostka produkcji energii elektrycznej o niewielkiej mocy, służącej zazwyczaj na potrzeby własne. Mikroźródłem mogą być małe przydomowe elektrownie słoneczne, wodne lub wiatrowe, mikroturbiny na gaz ziemny lub biogaz, agregaty z silnikami na gaz ziemny lub biogaz.
Prosument - świadomy konsument energii, który wytwarza ją na potrzeby własne, np. w mikroźródłach, a niewykorzystane nadwyżki sprzedaje do sieci dystrybucyjnej.
Taryfy dynamiczne - taryfy uwzględniające dzienne zmiany cen energii.
Obserwowalna czasoprzestrzeń
Uporanie się z tymi wyzwaniami (2) wymaga sieci o elastycznej, "myślącej" infrastrukturze, która kierowałaby energię dokładnie tam, gdzie jest ona potrzebna. Takim rozwiązaniem jest inteligentna sieć energetyczna - smart grid.
Najogólniej, smart grid to system elektroenergetyczny, który integruje w sposób inteligentny działania wszystkich uczestników procesów generacji, transmisji, dystrybucji i użytkowania, wszystko po to, aby dostarczać energię elektryczną w sposób ekonomiczny, trwały i bezpieczny (3).
Głównym założeniem jest w nim komunikacja między wszystkimi uczestnikami rynku energii. Sieć integruje elektrownie, duże i małe, oraz odbiorców energii w jedną strukturę. Może istnieć i funkcjonować dzięki dwóm elementom: automatyce zbudowanej na zaawansowanych czujnikach oraz systemowi teleinformatycznemu.
Mówiąc w uproszczeniu: smart grid "wie", gdzie i kiedy powstaje największy popyt na energię i największa na nią podaż, i potrafi skierować nadwyżki energii w miejsca, gdzie jest najbardziej potrzebna. Dzięki temu sieć taka może zwiększyć efektywność, niezawodność i bezpieczeństwo łańcucha dostaw energii.
Sieci inteligentne pozwalają na zdalny odczyt liczników energii elektrycznej, obserwację stanu odbioru oraz sieci, a także profilu odbioru energii, wykrycie nielegalnych poborów energii, ingerencji w liczniki oraz strat energetycznych, zdalne odłączenie/podłączenie odbiorcy, przełączanie taryf, archiwizację oraz fakturowanie odczytanych wartości i inne działania (4).
Dokładne określenie zapotrzebowania na energię elektryczną jest trudne, dlatego zwykle system musi korzystać z tzw. gorącej rezerwy. Wykorzystanie generacji rozproszonej (patrz: Słowniczek smart grid) w połączeniu ze smart grid może w znacznym stopniu ograniczyć konieczność utrzymywania dużych rezerw w pełnej gotowości.
Filarem sieci smart grid jest rozbudowany system pomiarowy, smart metering (5). Zawiera on systemy telekomunikacyjne, przekazujące dane pomiarowe do punktów decyzyjnych, oraz inteligentne algorytmy informacyjne, prognostyczne i decyzyjne.
Powstają już pierwsze pilotażowe instalacje "inteligentnych" systemów pomiarowych, obejmujące pojedyncze miasteczka czy gminy. Dzięki nim można m.in. wprowadzić godzinowe rozliczanie dla indywidualnych klientów. Oznacza to, że w pewnych porach dnia cena prądu dla takiego pojedynczego klienta będzie niższa, w związku z czym wówczas warto, by włączył np. pralkę.
Według niektórych naukowców, np. grupy badaczy z niemieckiego Instytutu Maksa Plancka w Getyndze pod kierownictwem Marka Timmego, miliony inteligentnych liczników mogą w przyszłości tworzyć całkowicie autonomiczną samoregulującą się sieć, zdecentralizowaną niczym Internet i bezpieczną, bo odporną na ataki, na jakie narażone są scentralizowane systemy.
Moc z wielości
Odnawialne źródła energii elektrycznej (OZE) ze względu na swoją niewielką moc jednostkową należą do źródeł rozproszonych. Te ostatnie definiowane są jako źródła o mocy jednostkowej mniejszej niż 50-100 MW, instalowane blisko końcowego odbiorcy energii.
W praktyce jednak graniczna wartość mocy źródła traktowanego jako rozproszone jest bardzo zróżnicowana w zależności od kraju, np. w Szwecji wynosi ona 1,5 MW, w Nowej Zelandii 5 MW, w USA 5 MW, a w Wielkiej Brytanii 100 MW.
Przy odpowiednio dużej ilości źródeł rozproszonych na niewielkim obszarze systemu elektroenergetycznego oraz dzięki możliwościom, jakie dają sieci smart grid, możliwe i opłacalne staje się połączenie tych źródeł w jeden zarządzany przez operatora system, tworzący "wirtualną elektrownię".
Jej celem jest skoncentrowanie generacji rozproszonej w jeden, logicznie połączony system, zwiększający efektywność techniczną i ekonomiczną wytwarzania energii elektrycznej. Generacja rozproszona, położona w bezpośrednim sąsiedztwie odbiorców energii, może wykorzystywać również lokalne zasoby paliw, w tym biopaliw i energii ze źródeł odnawialnych, a nawet odpady komunalne.
Wirtualna elektrownia łączy ze sobą na określonym obszarze wiele różnych lokalnych źródeł energii elektrycznej (elektrownie wodne, wiatrowe, fotowoltaiczne, turbiny gazowo-parowe, generatory napędzane silnikami itp.) oraz zasobniki energii elektrycznej (zbiorniki wodne, akumulatory), które sterowane są zdalnie za pomocą rozbudowanego systemu informatycznego.
Ważną funkcję w tworzeniu wirtualnych elektrowni powinno spełniać magazynowanie energii pozwalające dostosować wytwarzanie energii elektrycznej do dobowych zmian zapotrzebowania odbiorców. Zwykle zasobniki takie to baterie akumulatorów lub superkondensatory; podobną rolę odgrywać mogą także elektrownie szczytowo-pompowe.
Zbilansowany energetycznie obszar tworzący wirtualną elektrownię może być wydzielony z systemu elektroenergetycznego za pomocą nowoczesnych wyłączników. Wyłącznik taki zabezpiecza, wykonuje prace pomiarowe i synchronizuje system z siecią.
Świat coraz bardziej smart
W sieci smart grid inwestują obecnie wszystkie największe firmy energetyczne na świecie. W Europie np. EDF (Francja), RWE (Niemcy), Iberdrola (Hiszpania) i British Gas (Wielka Brytania).
Ważnym elementem systemów tego typu jest dystrybucyjna sieć telekomunikacyjna zapewniająca niezawodną dwukierunkową transmisję IP między centralnymi systemami aplikacyjnymi a inteligentnymi licznikami energii elektrycznej, znajdującymi się bezpośrednio na końcu sieci energetycznej, u klientów końcowych.
Obecnie największe na świecie sieci telekomunikacyjne na potrzeby smart grid u największych operatorów energetycznych w swoich krajach - takich jak LightSquared (USA) czy EnergyAustralia (Australia) - wykonane są w technologii bezprzewodowej Wimax.
Również pierwsze i jedno z największych planowanych w Polsce wdrożeń systemu AMI (Advanced Metering Infrastructure), będącego istotną częścią smart grid u operatora Energa Operator SA, zakłada wykorzystanie systemu Wimax do przesyłu danych.
Istotną zaletą rozwiązania Wimax w stosunku do innych technologii stosowanych w energetyce do przesyłu danych, takich jak PLC, jest brak konieczności wyłączania całych odcinków linii energetycznej w przypadku sytuacji awaryjnych.
Chiński rząd opracował duży, długoterminowy plan inwestycji w systemy wodne, modernizację i rozbudowę sieci przesyłowych oraz infrastruktury na obszarach wiejskich, oraz w sieci inteligentne. Chińska State Grid Corporation zakłada ich wdrożenie do 2030 r.
Japońska Federacja Spółek Elektroenergetycznych planuje rozwinąć do 2020 r., przy wsparciu rządu, inteligentną sieć wykorzystująca energię słoneczną. W Niemczech wdrażany jest obecnie rządowy program e-energia testujący rozwiązania dla smart grid.
W państwach Unii Europejskiej powstanie "supersieć" energetyczna, za pomocą której dystrybuowana będzie odnawialna energia, głównie z farm wiatrowych. Inaczej niż tradycyjne sieci oparta będzie nie na przemiennym lecz stałym prądzie elektrycznym (DC).
Z funduszy europejskich sfinansowano związany z projektem program badawczo-szkoleniowy MEDOW, który skupia uniwersytety i przedstawicieli branży energetycznej. MEDOW to skrót od angielskojęzycznej nazwy "Multi-terminal DC Grid For Offshore Wind".
Program treningowy potrwać ma do marca 2017 r. Stworzenie sieci energii odnawialnej na skalę kontynentalną i sprawne połączenie jej z istniejącymi sieciami (6) ma sens ze względu na specyficzne cechy odnawialnej energii, która charakteryzuje się okresowymi nadwyżkami lub też niedoborami mocy.
W polskiej branży energetycznej znany jest program "Inteligentny Półwysep", obowiązujący na Półwyspie Helskim. To tutaj Energa wdrożyła pierwsze w kraju próbne systemy zdalnego odczytu i tu istnieje odpowiednia infrastruktura techniczna projektu, która będzie dodatkowo modernizowana.
Miejsce to zostało wybrane nieprzypadkowo. Obszar ten charakteryzuje się wysokimi zmianami zużycia energii (duży pobór latem, znacznie mniejszy zimą), co stanowi dodatkowe wyzwanie dla inżynierów-energetyków.
Wdrożony system powinien się bowiem charakteryzować nie tylko wysoką niezawodnością, ale również elastycznością w obsłudze odbiorców, umożliwiając im optymalizację zużycia energii, zmiany taryf energetycznych oraz korzystanie z powstających alternatywnych źródeł energii (panele fotowoltaiczne, niewielkie turbiny wiatrowe itp.).
Niedawno pojawiły się również informacje, że Polskie Sieci Energetyczne chcą gromadzić energię w potężnych bateriach o mocy co najmniej 2 MW. Operator planuje zbudować w Polsce magazyny energii, które miałyby wspomagać system energetyczny, zapewniając ciągłość dostaw, gdy z braku wiatru czy po zapadnięciu zmroku przestają działać odnawialne źródła energii (OZE). Do sieci trafiałby wtedy prąd z magazynu.
Testy rozwiązania mogłyby ruszyć w ciągu dwóch lat. Z nieoficjalnych informacji wynika, że Japończycy z firmy Hitachi proponują PSE test potężnych kontenerów-akumulatorów. Jedna taka litowo-jonowa bateria jest w stanie dostarczyć moc 1 MW.
Magazyny mogłyby też w przyszłości ograniczyć konieczność rozbudowy elektrowni konwencjonalnych. Elektrownie wiatrowe, które charakteryzują się dużą zmiennością dostarczanej mocy (zależną od warunków meteorologicznych), wymuszają bowiem na tradycyjnej energetyce utrzymywanie rezerwy mocy, by w każdej chwili można było zastąpić lub uzupełnić spadek mocy dostarczanej przez wiatraki.
W magazyny energii inwestują operatorzy w całej Europie. Niedawno Brytyjczycy uruchomili największą tego typu instalację na naszym kontynencie. Obiekt w Leighton Buzzard koło Londynu jest w stanie przechowywać nawet do 10 MWh energii i zapewnić moc 6 MW.
Stoją za nim firmy S&C Electric, Samsung, a także UK Power Networks oraz Younicos. We wrześniu 2014 r. to ostatnie przedsiębiorstwo zbudowało pierwszy komercyjny magazyn energii w Europie. Został on uruchomiony w niemieckim Schwerinie i ma moc 5 MW.
W dokumencie "Smart Grid Projects Outlook 2014" zebrano 459 projektów prowadzonych od roku 2002, w których wykorzystanie nowych technologii, możliwości ICT (teleinformatycznych) wpłynęło na stworzenie "mądrzejszej sieci".
Trzeba zaznaczyć, że pod uwagę brano projekty, w których uczestniczył (był partnerem) przynajmniej jeden kraj członkowski Unii Europejskiej (7). Tym samym liczba krajów omówionych w raporcie wzrosła do 47.
Do tej pory przeznaczono na te projekty 3,15 mld euro, choć 48 procent z nich nie zostało jeszcze ukończonych. Projekty badawczo-rozwojowe pochłaniają obecnie 830 mln euro, a testowanie i wdrażanie 2,32 mld euro.
Spośród nich, w przeliczeniu na jednego mieszkańca, najwięcej inwestuje Dania. Francja i Zjednoczone Królestwo prowadzą natomiast projekty z największym budżetem - średnio jest to 5 mln euro na każdy projekt.
Na tle tych krajów znacznie gorzej wypadają państwa z Europy Wschodniej. Według raportu generują one zaledwie 1 procent całkowitego budżetu na wszystkie wymienione projekty. Jeśli chodzi o liczbę prowadzonych projektów, w pierwszej piątce liderów znajdują się: Niemcy, Dania, Włochy, Hiszpania i Francja. Polska trafiła na 18 miejsce zestawienia.
Bezpośrednio przed nami znalazła się Szwajcaria, a zaraz za nami Irlandia. Pod hasłem smart grid w wielu miejscach świata wprowadza się ambitne, nieomal rewolucyjne plany modernizacji sieci energetycznej.
Jednym z najlepszych przykładów jest przygotowany w ostatnich latach i rozpisany na okres do 2030 r. projekt stworzenia inteligentnej infrastruktury w kanadyjskiej prowincji Ontario (8).
Energetyczne wirusy?
Jeśli jednak sieć energetyczna upodobni się do Internetu, trzeba się liczyć z tym, że mogą czyhać na nią podobne zagrożenia, jakie spotykamy współcześnie w sieciach komputerowych.
Specjaliści z laboratoriów F-Secure zaalarmowali nie tak dawno, że pojawiło się nowe, wyrafinowane zagrożenie dla systemów obsługi przemysłu, w tym także sieci energetycznych. Nazwane zostało Havex i używa niezwykle zaawansowanej, nowej techniki infekowania komputerów.
Havex składa się z dwóch zasadniczych komponentów. Pierwszy z nich jest oprogramowaniem typu trojan, które służy do przejęcia zdalnej kontroli nad atakowanym systemem. Drugi element to serwer PHP.
Koń trojański dołączany był przez atakujących do oprogramowania typu ICS/SCADA, które odpowiada za nadzór przebiegu procesów technologicznych i produkcyjnych. Ofiary pobierają takie programy z wyspecjalizowanych stron nieświadome zagrożenia.
Ofiarami Havexa padły przede wszystkim instytucje i firmy z Europy, zajmujące się rozwiązaniami przemysłowymi. Część kodu Havexa sugeruje, że jego twórcy oprócz chęci wykradania danych o procesach przemysłowych mogli mieć również na celu wpływ na ich przebieg.
Twórcy tego złośliwego oprogramowania szczególnie zainteresowani byli sieciami energetycznymi. Być może w przyszłości elementem inteligentnej sieci energetycznej staną się również roboty.
Niedawno badacze z Uniwersytetu Technologicznego w Michigan opracowali model robota (9) dostarczającego energię do miejsc dotkniętych przerwami w zasilaniu, np. z powodu klęsk żywiołowych.
Maszyny tego typu mogłyby np. przywracać zasilanie w infrastrukturze telekomunikacyjnej (wieżach i stacjach bazowych), w celu sprawniejszego prowadzenia akcji ratunkowych. Roboty są autonomiczne, same wybierają najlepszą drogę do miejsca docelowego.
Mogą mieć na pokładzie baterie, albo układy ogniw fotowoltaicznych. Mogą zasilać siebie wzajemnie. Znaczenie i funkcje inteligentnych sieci wykraczają daleko poza energetykę (10).
Tworzona w ten sposób infrastruktura wykorzystywana może być do kreowania nowego mobilnego smart-życia przyszłości, opartego na supernowoczesnych technologiach. Póki co zalety (ale też i wady) tego typu rozwiązań możemy sobie tylko wyobrażać.
