Smart grid

3.1 Inleiding

In de Stad van de Toekomst is het Smart Grid een vorm van digitale technologie die tweerichtingscommunicatie tussen klant en nutsbedrijf mogelijk maakt via de energietransmissielijnen [21]. Net als de manier waarop internet werkt, bestaat het Smart Grid uit onderling verbonden apparatuur, geautomatiseerde technologieën en computers die op het elektriciteitsnet samenwerken om zich aan te passen en te reageren op de vraag naar energie [21].

Het verhogen van de energie-efficiëntie en het versnellen van de productie van hernieuwbare energie is een van de topprioriteiten voor mensen en organisaties over de hele wereld [22]–[25]. Om dit doel te bereiken, speelt de implementatie van Smart Grid-systemen een belangrijke rol, aangezien deze niet noodzakelijk de vervanging van het bestaande netwerk inhouden, maar hardware- en software-elementen combineert om de werking van het huidige systeem aanzienlijk te verbeteren en tegelijkertijd de mogelijkheid om verder te upgraden [26]–[29].

Smart Grids kunnen elektriciteit leveren met behulp van digitale technologie en kunnen ook hernieuwbare energie integreren, waardoor de consumenten hun verbruik tijdens piekuren kunnen verminderen door de hoeveelheid die van het netwerk wordt afgenomen aan te passen aan persoonlijke behoeften [22], [26]. Daarom kan Smart Grid-technologie een revolutie teweegbrengen in de industrie door het stroomverbruik tot 30% te verlagen, waardoor ook de noodzaak om nieuwe energiecentrales te bouwen wordt verminderd [30].

Omdat fossiele brandstoffen schadelijk zijn voor het milieu door niet alleen de lucht, maar ook de bodem, het water, de vegetatie en gebouwen te vervuilen, worden tegenwoordig steeds meer hernieuwbare energiebronnen zoals zonne- en windenergie gebruikt omdat ze milieuvriendelijk zijn in vergelijking met de conventionele energiebronnen [31]. Omdat hernieuwbare energiebronnen echter intermitterend zijn, zijn Smart Grids essentieel vanwege hun flexibiliteit, compatibiliteit met de bestaande infrastructuur, evenals veiligheid en hoge efficiëntie [30].

De implementatie van Smart Grid-systemen speelt een belangrijke rol omdat ze niet noodzakelijk de vervanging van het bestaande netwerk inhouden, maar het combineert hardware- en software-elementen om de werking van het huidige systeem aanzienlijk te verbeteren en biedt tegelijkertijd de mogelijkheid tot verdere upgrades [26]–[29].

Bron: https://blog.phoenixcontact.com/marketing-sea/2017/04/smart-grids-how-automation-empowers-the-future-of-electricity/

3.2 Internet van Dingen (Internet of Things)

Het Internet of Things (IoT), is een recent paradigma dat verwijst naar de miljarden fysieke objecten die aan het internet zijn gekoppeld en die gegevens over de hele wereld verzamelen en uitwisselen [32]. Het doel van het Internet of Things is om alledaagse voorwerpen te voorzien van microcontrollers en zenders waarmee ze met elkaar en met de gebruiker kunnen communiceren [33], [34].

In de stad van de toekomst kan het Internet of Things het beheer van conventionele openbare diensten zoals vervoer en parkeren, onderhoud van openbare ruimtes, sanitaire voorzieningen en veiligheid optimaliseren [34]. Het Internet of Things kan ook worden gebruikt om nieuwe diensten op te zetten, de transparantie van de overheid te verbeteren en burgers bewust te maken van de staat van hun stad [35].

Het internet der dingen kan voordelen opleveren op drie belangrijke impactgebieden [36]:

• Vervoer,
• Burgers,
• Diensten.

Bij het ontwerpen van de architectuur voor het internet der dingen in de stad van de toekomst zijn er twee hoofdbenaderingen: [37]:

1. Evolutionaire benadering,
2. Schone lei-aanpak.

De evolutionaire benadering verwijst naar het aanbrengen van wijzigingen aan het huidige netwerk en het hergebruiken van zoveel mogelijk elementen uit de bestaande systemen. De schone lei-benadering verwijst echter naar de creatie en totale herconfiguratie van het netwerk zonder rekening te houden met de bestaande structuur. [36]

 

Bron: http://comtech2.com/internet-of-things/

3.3 Overgang naar Smart Grid

De stad van de toekomst is gebouwd op meerdere pijlers die een cruciale rol spelen in de transitie naar een duurzame stedelijke levensstijl, namelijk bestuur, transport, economie en energie [38].

Het creëren van een slimme stad van de toekomst is een natuurlijk resultaat dat voortkomt uit het slimme netwerk, waarbij de energie-infrastructuur een van de belangrijkste componenten is die een stad helpen om duurzaam te zijn en een schoner milieu voor haar bewoners te creëren [38]–[40].

 

Bron: https://en.wikipedia.org/wiki/Smart_grid

3.4 Microgrids

Microgrids zijn een vorm van gedecentraliseerde en zelfvoorzienende energiesystemen die een relatief klein gebied ondersteunen, zoals wijken, ziekenhuiscomplexen en campussen [41], [42]. Microgrids worden aangedreven door een of meer soorten gedistribueerde energie, zoals wind- en zonnegeneratoren in combinatie met energieopslagfaciliteiten [42].

Traditionele netten verplaatsen elektriciteit vanuit een centraal punt over grote afstanden via transmissie- en distributielijnen, wat kan leiden tot een stroomverlies tussen 8 en 15% [42]. Microgrids daarentegen vermijden deze verspilling van energie door elektriciteit op te wekken dicht bij de verbruikers. Microgrids kunnen zich ook loskoppelen van het hoofdnetwerk en onafhankelijk werken. Zo kunnen zij hun verbruikers van stroom blijven voorzien in geval van stroomuitval door natuurrampen [42]. Bovendien hebben microgrids geavanceerde systeemcontrollers die toezicht houden op en beheren van alle afzonderlijke onderdelen, zoals generatoren en batterijen [42], [43].

Een van de belangrijkste kenmerken van een microgrid is flexibiliteit. Dit verwijst naar het feit dat het – door de geavanceerde systeemcontrollers – de toevoeging van nieuwe elementen zoals extra verbruikers, generatie- of opslageenheden aankan, zonder de systeembetrouwbaarheid te verliezen [28], [40], [44].

Bron: https://microgrid-symposiums.org/wp-content/uploads/2019/07/Americas1-X_Dobriansky_20190727.pdf

3.5 Energie-optimalisatie

Energieoptimalisatie verwijst naar hoe de energie wordt gebruikt om de voordelen voor mens en milieu te optimaliseren.

Toen het elektriciteitssysteem werd gebouwd, werd de betrouwbaarheid gegarandeerd door een overcapaciteit van het systeem en een energiestroom in één richting van de elektriciteitscentrales naar de consument [45]. Tegenwoordig heeft de toename van de bevolking en de vraag naar energie echter geleid tot een onstabiel en inefficiënt systeem [46].

Daarom is in de Stad van de Toekomst een effectieve realtime administratie en monitoring van het net nodig. Dit kan worden bereikt via de volgende mechanismen en technologieën [45]:

• Slimme meting
• Slimme apparaten
• Respons aan de vraagzijde
• Dynamische realtime prijzen
• Efficiënt beheer van energiebronnen (conventioneel en hernieuwbaar)
• Efficiënt beheer van overtollig vermogen

Smart Grids kunnen efficiënt worden gebruikt door de apparaten die door elk huishouden worden gebruikt op elkaar af te stemmen en de piekbelastingen te beheren [47]. Een manier om dat te doen is door sensornetwerken te implementeren die te allen tijde met elkaar kunnen communiceren, samen met een ICT-stroombeheeralgoritme, in staat om vele soorten energienetwerken te besturen en te bewaken, zoals het webgebaseerde Smart Grid (of Smart Grid 2.0) [48]. Het gebruik van onderling verbonden sensornetwerken leidt tot het Internet of Energy-concept waarbij het net wordt beschouwd als een datacommunicatienetwerk dat bestaat uit thuisgebieden, buurtgebieden en wijdverbreide netwerken [49].

Bron: https://www.kamstrup.com/en-en/electricity-solutions

3.6 Gedistribueerde energiebronnen

Gedistribueerde energiebronnen zijn direct gekoppeld aan laag- en middenspanningsnetwerken voor stroomopwekking en bevatten stroomopwekkingseenheden, evenals technologieën voor energieopslag [50]. Ze zijn een kosteneffectief alternatief voor grote energiecentrales en hoogspanningstransmissielijnen, omdat ze energieonafhankelijkheid, hoge energie-efficiëntie en verhoogde systeembetrouwbaarheid bieden [51].

Gedistribueerde energiesystemen bieden flexibiliteit, nabijheid en netwerkcapaciteit om de uitdaging van duurzame ontwikkeling aan te gaan. De schaalbaarheid en het vermogen om verschillende technologieën en brandstoffen voor energieconversie te gebruiken, zijn ook gekoppeld aan de flexibiliteit van gedistribueerde energiesystemen [52].

De vier belangrijkste voordelen van het hebben van gedistribueerde energiebronnen zijn als volgt [50]:

• Hogere energie-efficiëntie
• Vermindering van de uitstoot van broeikasgassen
• Minimaliseren van gezondheidsrisico’s
• Behoud van hulpbronnen

Bron: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364032109002561