Användning av elektrifiering och automatisering för att skapa effektivare och mer hållbara elnät - del ett av två

Att ersätta traditionella energikällor i elnätet med hållbara, gröna energikällor kallas elektrifiering. I den här artikeln, del 1 av 2, diskuteras några av de utmaningar som är förknippade med elektrifiering samt hur automation kan bidra till effektivitet och hållbarhet. Del 2 i serien handlar om LEED-certifiering (Leadership in Energy and Environmental Design) och ZEB-certifiering (Zero Energy Building) och hur de kan minska koldioxidutsläppen och förbättra hållbarheten.

Elektrifiering innebär att system som använder fossila bränslen som olja, kol och naturgas för elproduktion ersätts med solceller och annan grön teknik, och att fordon med förbränningsmotorer ersätts med elfordon. Elektrifierade system, plus användningen av automation som binder samman dem och stödjer smarta nät och mikronät, är viktiga faktorer som för samhället mot en mer hållbar och grönare framtid.

Dagens elnät är inte utformat för att ladda ett stort antal elfordon, och smarta elnät och mikronät förväntas vara viktiga tekniker som krävs för att stödja en omfattande ersättning med elfordon istället för förbränningsmotordrivna fordon. I Kalifornien utfärdade guvernören nyligen ett dekret som innebär att alla nya personbilar och lätta lastbilar som säljs 2035 ska vara utsläppsfria fordon (EV). Utvecklare av smarta elnät och mikronät måste uppfylla en skrämmande mängd internationella standarder för att klara av den här typen av uppdrag. IEEE har till exempel över 100 standarder som är godkända eller under utveckling och är relevanta för smarta elnät, inklusive de mer än 20 IEEE-standarder som nämns i National Institute of Science and Technology (NIST) ramverk och färdplan för interoperabilitet i smarta elnät. Utöver IEEE-standarderna styrs mikronät av standarderna i IEC 62898 för mikronät och andra standarder.

Artikeln är den första av två delar. Den tar upp utmaningar i samband med elektrifiering, integrering av distribuerade energiresurser (DER), likheter och skillnader mellan smarta nät och mikronät, samt hur automatisering förbättrar deras effektivitet och hållbarhet, inklusive stöd för en allmän övergång till elfordon. Vi börjar med att gå igenom vad DER är och hur de passar in, och avslutar med att titta på hur framväxten av mikronät suddar ut skillnaden mellan mikronät och smarta elnät. DigiKey tillhandahåller ett brett utbud av produkter för industriell automation som stödjer elektrifiering och integration av distribuerade energiresurser. I den andra artikeln undersöks hur elektrifiering och automation kan användas i gröna byggnader för att uppnå LEED- (Leadership in Energy and Environmental Design) och ZEB-certifiering (Zero Energy Building).

Vad är DER?

Definitionen från North American Electric Reliability Corporation (NERC) är: "En distribuerad energiresurs (DER) är en resurs i distributionssystemet som producerar elektricitet och som inte på annat sätt ingår i den formella NERC-definitionen av elkraftsystem."

Termen distributionssystem i Nordamerika avser elektriska ledningar med 34,5 kV eller lägre som vanligtvis går från transformatorstationer till slutanvändare. Elkraftsystemet (BPS) omfattar de ledningar som kommer in i transformatorstationen och som ofta transporterar mer än 100 kV över långa avstånd för att förbinda storskaliga elproduktionsanläggningar med sammanlänkningsresurser och transformatorstationer (Figur 1).

Figur 1: Distribuerade energiresurser finns i distributionssystemet (blått); andra förnybara energikällor finns i elkraftsystemet (grönt). (Bildkälla: NERC)

Distribuerade energiresurser är alla systemresurser som inte tillhör elkraftsystemet, inklusive produktionsenheter som vindkraftverk och solcellsanläggningar, energilagringsenheter, de flesta batterilagringssystem (BESS), batteriladdare för elfordon - även kallade serviceutrustning för elfordon (EVSE) - och mikronät. Distribuerade energiresurser finns både bakom elmätaren och i distributionssystemet. Bakom mätaren, består distribuerade energiresurskällor av solcellsanläggningar, BESS, nätanslutna elfordon och reservkraftkällor som stora dieselgeneratorinstallationer vid datacenter och andra platser. Ett mikronät är en särskild typ av distribuerad energiresurs.

Smarta elnät, mikronät och elektrifiering

Ett mikronät är en distribuerade energiresurs, men alla distribuerade energiresurser är inte mikronät. Ur elkraftsystemets perspektiv hänvisar termerna mikronät och distribuerade energiresurser till olika typer av kraftgenerering eller lagringsresurser. Begreppet smarta elnät avser de kommunikations- och styrtekniker som används av elkraftsystemet för att garantera en robust och effektiv drift. En annan särskiljande faktor är att mikronät inkluderar genererings- och lagringsresurser samt belastningar. Ett smart elnät består främst av produktionsresurser, med viss lagring men inga belastningar. Det smarta elnätet kan kommunicera med belastningarna, men de är separerade från elnätet.

Elektrifiering påverkar mikronät, elkraftsystem och smarta nät på olika sätt. I elkraftsystemet läggs elektrifiering till i ett befintligt nät och om det inte hanteras korrekt kan det få oavsiktliga negativa konsekvenser för driften. Det är här tekniken för smarta elnät kommer in i bilden.

Dubbelriktad kommunikation och styrning är den största skillnaden med smarta elnät. Dessa styrsystem inkluderar sensorer som övervakar elnätets stabilitet och avancerade mätare som övervakar efterfrågan på el. De använder även en mängd olika styrbara effektomkopplings- och elkvalitetsenheter för att hantera elflöden. Sensorerna är avgörande för att möjliggöra ett större genomslag för förnybara energikällor och elektrifiering i elkraftsystemet och garantera elnätets stabilitet. Sensorerna och styrelementen ger dessutom snabbare och effektivare svar på störningar i elförsörjningen och möjliggör balansering och säkring av nätet, särskilt under perioder med hög efterfrågan och med varierande tillgång på förnybara energikällor. Teknik för smarta elnät stöder även samordning och integrering av mikronäten med distributionssystemet och elkraftsystemet.

Omvänt är ett mikronät utformat för att rymma elektrifieringstekniker som förnybara energikällor, BESS och elfordon. Mikronät och smarta nät kräver automatiserade kontroller, inklusive ett system för hantering av distribuerade energiresurser (DERM).

Hantering av distribuerade energiresurser är ett måste

Hantering av distribuerade energiresurser och automation definieras och implementeras på olika sätt i smarta nät och mikronät. Smarta nät omfattar olika produktionskällor och elanvändare spridda över ett stort område med en centraliserad styrcentral för styrning av elnätet (figur 2). Hantering av elnätet är nyckelbegreppet för styrning av smarta elnät i elkraftsystemet. Befintliga elkraftsystem konstruerades och byggdes innan det fanns ett behov av att stödja elektrifiering, och de kan råka ut för otillförlitlig drift om reglerbar (styrbar) fossilbränsledriven produktion alltmer ersätts av oförutsägbara (och därför mindre styrbara) förnybara energikällor. Dessutom kommer laddningen av ett stort antal elbilar till största delen inte gå att reglera, och inte direkt kunna styras av elbolaget. Den centraliserade, automatiserade styrning som möjliggörs med teknik för smarta elnät behövs för att kompensera för det faktum att de förnybara energikällor som används vid elektrifiering och laddning av elfordon inte är lika förutsägbara som konventionella element i elnätet.

Figur 2: Ett smart elnät förlitar sig på automatiserade styrenheter och hantering av distribuerade energiresurser för hantering av elnätet i realtid. (Bildkälla: ETAP)

Styrenheter för smarta nät och mikronät behöver information från olika sensorer för att övervaka anslutna resurser i realtid. Med tillkomsten av elfordon och laddstolpar används styrenheterna även för att hantera effektbehovet vid laddning, och de kan använda kommunikation från fordonet till elnätet för att samordna anslutningen av elfordon till elnätet eller ett mikronät för att tillhandahålla ytterligare energilagringskapacitet.

Förutom att övervaka statusen för anslutna resurser måste styrenheter för elnätsanslutna mikronät även övervaka statusen för det lokala elnätet. Ställverk är en viktig komponent i smarta elnät och mikronät och måste reagera på millisekunder för att garantera stabil drift. Ställverkens storlek varierar från några kilowatt (kW) för små mikronät till flera megawatt (MW) för stora mikronät och det allmänna elnätet. För små mikronät kan ställverket och styrenheten finnas i samma skåp, vilket minskar kostnaderna och snabbar på installationen. Hantering av distribuerade energiresurser i smarta nät och mikronät inkluderar intelligent mätning av energiproduktion och energiförbrukning som används i molnbaserade analyser för att maximera de ekonomiska fördelarna med distribuerade energiresurser och stödja höga nivåer av tålighet. Den exakta arkitekturen för hantering av distribuerade energiresurser kan variera i olika typer av mikronät.

Olika typer av mikronät

Mikronät kan klassificeras utifrån deras tillämpningar och arkitektur. De tre arkitekturerna för mikronät är fjärrstyrda, nätverksanslutna och elnätsanslutna. Fjärrstyrda mikronät finns på platser som öar eller avlägsna gruv- och jordbruksverksamheter. De kallas även mikronät utan elnätsanslutning och är fysiskt separerade från alla elkraftsystem. De måste vara helt självförsörjande.

Nätverksanslutna mikronät är nätverk av flera enskilda distribuerade energiresurser eller mikronät som är anslutna till ett gemensamt distributionssystem. De styrs vanligtvis av ett centraliserat övervakningssystem som balanserar behoven för mikronätets drift med stödet till det större elnätet. Styrenheten tilldelar ofta mikronäten och de distribuerade energiresursersenheterna en hierarki av betydelse för att säkerställa att de mest kritiska delarna skyddas. Tillämpningar för nätverksanslutna mikronät inkluderar mikronät för samhällen, smarta städer och den framväxande kategorin mikronät för elförsörjning.

Nätverksanslutna mikronät är en underkategori av elnätsanslutna mikronät. Alla nätverksanslutna mikronät är fysiskt anslutna till distributionsnätet, och de har en omkopplingsanordning vid den gemensamma kopplingspunkten (PCC) där anslutningen till distributionsnätet sker. Vid normal drift är ett elnätsanslutet mikronät anslutet till distributionsnätet. Det kan tillhandahålla tjänster till nätet, såsom frekvens- och spänningsreglering, reell och reaktiv kraftförsörjning samt reagera på elbehov för att mildra kapacitetsbrister.

Mikronätet är inte anslutet till det allmänna distributionsnätet vid ödrift. Ödrift kan inträffa på grund av en störning i distributionsnätet eller på grund av andra behov som t.ex. underhåll. Vid övergång från ödrift till nätansluten drift måste mikronäten känna av distributionsnätets frekvens och synkronisera driften innan de återansluts.

Det finns många användningsområden för mikronät, t.ex. universitetsområden, sjukhus och vårdcentraler, kommersiella anläggningar, samhällen och industrianläggningar. Den senaste tillämpningskategorin är mikronät för elförsörjning (Figur 3).

Figur 3: Mikronät kategoriseras ofta baserat på deras tillämpning. (bildkälla: Siemens)

Gränserna suddas ut

Mikronät som suddar ut gränsen mellan smarta elnät och mikronät håller på att byggas ut. I processen ändras definitionen av en distribuerad energiresurs från en distribuerad energiresurs till en dedikerad energiresurs. Mikronät för elförsörjning är utformade för att minska strömavbrott på grund av extrema väderförhållanden, skogsbränder och andra oförutsedda utmaningar. Med befintliga nätarkitekturer är stora delar av nätet strömlöst av säkerhetsskäl vid extrema händelser.

En viktig och olycklig effekt av dessa oplanerade och omfattande strömavbrott är att användningen av elfordon motverkas. Mikronät för elförsörjning ses som en nyckel till en utbredd användning av elfordon. Mikronät för elförsörjning har föreslagits och distribuerats i hela USA. Southern California Edison (SCE) har exempelvis föreslagit utveckling av mikronät för elförsörjning vid elavstängning för allmänhetens säkerhet för att göra det lättare att upprätthålla eltillgängligheten i så stor utsträckning som möjligt vid skogsbränder. Andra energibolag kallar den nya nätarkitekturen för mikronät i samhället (figur 4).

Figur 4: Mikronät för elförsörjning kan omfatta ett brett spektrum av tillgångar spridda över relativt stora geografiska områden och suddar ut gränsen mellan traditionella mikronät och smarta elnät. (Bildkälla: Edison International)

Mikronätens förmåga till ödrift är avgörande för att förbättra tillgången på el på en mer detaljerad nivå än vad som för närvarande är möjligt. De förväntas kunna användas i en stor mängd olika storlekar av mikronät, från kompletta bostadsområden till offentliga platser, inklusive skolor och andra strategiska platser som brandstationer, vårdcentraler och evakueringscenter. Installationer av laddstolpar är en viktig del av utformningen av de flesta av dessa mikronät i samhället. Enligt planerna kommer laddstolpar att stödja nätanslutning av elfordon som ytterligare källor till reservkraft samt för laddning av elfordon.

Sammanfattning

Elektrifiering är nödvändigt för att säkerställa mer hållbara elnät och driva på minskningar av CO₂-utsläpp. Många elektrifieringstekniker som solceller och elbilar är inte lika förutsägbara som de traditionella resurser som de ersätter. Det innebär att elektrifieringen måste stödjas av avancerade sensornätverk och automatiserade styrsystem i smarta elnät och mikronät.