Inteligentna sieć energetyczna

3.1 Wprowadzenie

W Mieście Przyszłości inteligentna sieć jest formą technologii cyfrowej, która umożliwia dwukierunkową komunikację między klientem a przedsiębiorstwem energetycznym za pośrednictwem linii przesyłowych energii [24]. Podobnie jak Internet, inteligentna sieć energetyczna składa się z połączonych ze sobą urządzeń, zautomatyzowanych technologii i komputerów, które współdziałają w sieci elektrycznej, aby dostosować się i reagować na zapotrzebowanie na energię. [24].

Zwiększanie efektywności energetycznej i przyspieszanie produkcji energii odnawialnej stanowi jeden z najważniejszych priorytetów dla ludzi i organizacji na całym świecie [25]–[28]. Aby osiągnąć ten cel, wdrożenie systemów Smart Grid odgrywa ważną rolę, ponieważ niekoniecznie wiąże się z wymianą istniejącej sieci, ale łączy elementy sprzętu i oprogramowania, aby znacznie poprawić sposób działania obecnego systemu, oferując jednocześnie możliwość dalszej modernizacji. [29]–[32].

Inteligentne sieci mogą dostarczać energię elektryczną z wykorzystaniem technologii cyfrowej i mogą również integrować energię odnawialną, dając odbiorcom możliwość zmniejszenia zużycia w godzinach szczytu poprzez dostosowanie ilości pobieranej z sieci do osobistych potrzeb [25], [29]. Dlatego też technologia Smart Grid może zrewolucjonizować przemysł, obniżając zużycie energii elektrycznej nawet o 30%, co również zmniejsza potrzebę budowy nowych elektrowni. [33].

Ponieważ paliwa kopalne są szkodliwe dla środowiska, zanieczyszczając nie tylko powietrze, ale także glebę, wodę, roślinność i budynki, obecnie coraz częściej wykorzystuje się odnawialne źródła energii, takie jak energia słoneczna i wiatrowa, ponieważ są one przyjazne dla środowiska w porównaniu z konwencjonalnymi źródłami energii [34]. Ponieważ jednak odnawialne źródła energii są nieciągłe, inteligentne sieci energetyczne są niezbędne ze względu na ich elastyczność, kompatybilność z istniejącą infrastrukturą, a także bezpieczeństwo i wysoką wydajność. [33].

Wdrażanie systemów Smart Grid odgrywa ważną rolę, ponieważ niekoniecznie wiąże się z wymianą istniejącej sieci, ale łączy w sobie elementy sprzętowe i programowe, które w znaczący sposób poprawiają sposób funkcjonowania obecnego systemu, dając jednocześnie możliwość dalszej modernizacji [29]–[32].

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

3.2 Internet rzeczy

Internet rzeczy (IoT), to najnowszy paradygmat, który odnosi się do miliardów fizycznych obiektów połączonych z Internetem, które gromadzą i wymieniają dane na całym świecie [35]. Celem Internetu przedmiotów jest wyposażenie przedmiotów codziennego użytku w mikrokontrolery i nadajniki, które umożliwią im komunikację między sobą i z użytkownikiem. [36], [37].

W Mieście Przyszłości Internet Rzeczy może zoptymalizować zarządzanie konwencjonalnymi usługami publicznymi, takimi jak transport i parkowanie, utrzymanie przestrzeni publicznej, warunki sanitarne i bezpieczeństwo. [37]. Ponadto Internet przedmiotów może być wykorzystywany do tworzenia nowych usług, zwiększania przejrzystości działań władz i podnoszenia świadomości obywateli na temat stanu ich miasta. [38].

Internet rzeczy może przynieść korzyści w trzech głównych obszarach oddziaływania [39]:

• Transport,
• Obywatele,
• Usługi.

Przy projektowaniu architektury dla Internetu Rzeczy w mieście przyszłości można wyróżnić dwa główne podejścia [40]:

1. Podejście ewolucyjne,
2. Podejście „czystej płyty”.

Podejście ewolucyjne odnosi się do wprowadzania modyfikacji do obecnej sieci i ponownego wykorzystania jak największej liczby elementów z istniejących systemów. Natomiast podejście „czystej płyty” odnosi się do tworzenia i całkowitej rekonfiguracji sieci bez uwzględnienia istniejącej struktury. [39]

 

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

3.3 Przejście na inteligentną sieć energetyczną

Miasto przyszłości opiera się na wielu filarach, które odgrywają kluczową rolę w przejściu na zrównoważony styl życia w mieście, a mianowicie na zarządzaniu, transporcie, gospodarce i energii. [41].

Stworzenie inteligentnego miasta przyszłości jest naturalną konsekwencją Smart Grid, czyli systemu infrastruktury energetycznej będącego jednym z najważniejszych elementów, które pomagają miastu być zrównoważonym i tworzyć czystsze środowisko dla jego mieszkańców. [41]–[43].

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

3.4 Mikrosieci

Mikrosieci są formą zdecentralizowanych i samowystarczalnych systemów energetycznych, które obsługują stosunkowo niewielki obszar, taki jak dzielnice, kompleksy szpitalne czy kampusy. [44], [45]. Mikrosieci są zasilane przez jeden lub więcej rodzajów energii rozproszonej, takich jak generatory wiatrowe i słoneczne w połączeniu z urządzeniami do magazynowania energii. [45].

Tradycyjne sieci przesyłają energię elektryczną z centralnego punktu na duże odległości za pomocą linii przesyłowych i dystrybucyjnych, co może prowadzić do utraty mocy od 8 do 15%. [45]. Z drugiej strony mikrosieci unikają tego marnotrawstwa energii, ponieważ wytwarzają energię elektryczną blisko odbiorców. Ponadto mikrosieci są w stanie odłączyć się od głównej sieci i działać niezależnie. Umożliwia im to dalsze dostarczanie energii elektrycznej do odbiorców w przypadku utraty zasilania spowodowanej klęskami żywiołowymi. [45]. Ponadto mikrosieci mają zaawansowane sterowniki systemowe, które nadzorują i zarządzają wszystkimi poszczególnymi elementami, takimi jak generatory i akumulatory. [45], [46].

Jedną z najważniejszych cech mikrosieci jest elastyczność. Odnosi się to do faktu, że – dzięki zaawansowanym kontrolerom systemu – może on obsługiwać dodawanie nowych elementów, takich jak dodatkowe odbiorniki, jednostki wytwórcze lub magazynowe, bez utraty niezawodności systemu. [31], [43], [47].

 

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

3.5 Optymalizacja zużycia energii

Optymalizacja zużycia energii odnosi się do sposobu jej wykorzystania w celu optymalizacji korzyści dla ludzi i środowiska.

Kiedy budowano system elektroenergetyczny, niezawodność gwarantowała nadwyżka mocy systemu oraz przepływ energii w jednym kierunku od elektrowni do odbiorcy. [48]. Jednak w dzisiejszych czasach wzrost liczby ludności i zapotrzebowania na energię spowodował, że system stał się niestabilny i nieefektywny. [49].

Dlatego też w Mieście Przyszłości konieczne jest efektywne administrowanie i monitorowanie sieci w czasie rzeczywistym. Można to osiągnąć za pomocą następujących mechanizmów i technologii [48]:

• Inteligentne systemy pomiarowe
• Inteligentne urządzenia
• Reakcja strony popytowej
• Dynamiczne ustalanie cen w czasie rzeczywistym
• Efektywne zarządzanie źródłami energii (konwencjonalnymi i odnawialnymi)
• Efektywne zarządzanie nadmiarem mocy

Inteligentne sieci energetyczne mogą być efektywnie wykorzystywane poprzez koordynację urządzeń wykorzystywanych przez poszczególne gospodarstwa domowe, a także zarządzanie obciążeniami szczytowymi [50]. Sposobem na to jest wdrożenie sieci czujników zdolnych do komunikowania się ze sobą przez cały czas wraz z algorytmem zarządzania energią ICT, zdolnym do kontrolowania i monitorowania wielu rodzajów sieci energetycznych, takich jak sieci internetowe Smart Grid (lub Smart Grid 2.0). [51]. Wykorzystanie połączonych ze sobą sieci czujników prowadzi do koncepcji Internetu Energii, w której sieć jest traktowana jako sieć transmisji danych składająca się z sieci domowych, sąsiedzkich i rozległych. [52].

 

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

3.6 Rozproszone zasoby energetyczne

Rozproszone zasoby energii są bezpośrednio połączone z sieciami elektroenergetycznymi niskiego i średniego napięcia i zawierają jednostki wytwórcze, jak również technologie magazynowania energii. [53]. Stanowią one opłacalną alternatywę dla dużych elektrowni i linii przesyłowych wysokiego napięcia, ponieważ zapewniają niezależność energetyczną, wysoką sprawność energetyczną i zwiększoną niezawodność systemu. [54].

Rozproszone systemy energetyczne oferują elastyczność, bliskość i zdolność do tworzenia sieci, aby sprostać wyzwaniom zrównoważonego rozwoju. Z elastycznością rozproszonych systemów energetycznych wiąże się również skalowalność i możliwość wykorzystania różnych technologii przetwarzania energii i paliw [55].

Cztery główne korzyści wynikające z posiadania rozproszonych zasobów energetycznych to. [53]:

• Wyższa efektywność energetyczna
• Zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych
• Minimalizacja zagrożeń dla zdrowia
• Ochrona zasobów

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