Referencje 15 czerwca 2021
Cyfrowa transformacja energetyczna ze sterowaniem high-tech

Energetyka opierająca się na źródłach odnawialnych osiągnie sukces się tylko wtedy, gdy wahający się poziom produkcji z elektrowni solarnych i wiatrowych będzie wyrównywany przez elastycznych odbiorców i magazyny energii. Pomóc może tu zastosowanie techniki cyfrowej. Inteligentne systemy zmieniają analogową sieć energetyczną w skomunikowaną sieć Smart Grid i torują drogę wirtualnym elektrowniom, które integrują wytwórców i odbiorców.

Energia wiatrowa ma pod górkę. Mimo że turbiny wiatrowe mają w długoterminowej perspektywie obsłużyć większą część dostaw energii elektrycznej, rząd federalny chce w północnych Niemczech zahamować ich budowę. Linie energetyczne w regionach nadmorskich osiągają granice przepustowości, przez co turbiny wiatrowe muszą być coraz częściej wyłączane w ramach tzw. regulacji mocy wytwórczej, ponieważ zbyt duża ilość energii zagroziłaby stabilności sieci.

Cyfrowa transformacja energetyczna z WAGO:

Sterowniki WAGO zapewniają bezpieczną komunikację i sterowanie
Nowy standard komunikacyjny VHReady ułatwia współdziałanie zdecentralizowanych systemów
Szyfrowanie danych i specjalnie zabezpieczone połączenia chronią przed nieuprawnionym dostępem

Zgromadzona energia zapobiega wahaniom w sieci

Stoimy przed zasadniczym pytaniem: Jak można usunąć czynniki hamujące transformację energetyczną? Nowe linie energetyczne będą przesyłać energię wiatrową z wybrzeża Morza Północnego na południe, ale rozbudowa sieci jest problematyczna, ponieważ układanie kabli podziemnych trwa dłużej, niż planowano. Kolejnym wyzwaniem jest zmienność produkcji energii ekologicznej, która jest po prostu zależna od warunków atmosferycznych. Instalacje solarne i turbiny wiatrowe pokrywają w Niemczech jedną trzecią zapotrzebowania energetycznego – do roku 2050 mają je już pokrywać w 100 procentach. Według opinii ekspertów, w tym celu konieczne będzie wprowadzenie pilnych zmian i nowych modeli biznesowych w sprzedaży energii ze źródeł odnawialnych. „Stawiamy na wielu małych, rozproszonych wytwórców, dostarczających zmienne ilości energii. Wynikają z tego nowe wymogi dotyczące infrastruktury, sieci, sterowania i elastyczności, które wcześniej znajdowały się w sterowalnych elektrowniach“ – mówi Tobias Kurth z firmy Energy Brainpool z Berlina., ekspert ds. rynku energetycznego.

Przemysł stanął tym samym przed gigantycznym zadaniem: musi opracować rozwiązania, które zapewnią stabilność sieci energetycznej, przy zwiększonej produkcji zielonej energii. Możliwym rozwiązaniem są m.in. magazyny energii, dzięki którym nadwyżki energii są magazynowane, a następnie oddawane w zależności od potrzeb. Jeśli zostaną one zainstalowane np. obok dużych farm wiatrowych, będzie można wykorzystać zgromadzoną energię. Mogłaby zostać wykorzystywana jako gorąca rezerwa do wyrównania krótkoterminowych wahań w sieci energetycznej, a to pozwoliłoby uniknąć wymuszonego wyłączenia turbin wiatrowych. Możliwe jest również połączenie akumulatorów z instalacjami fotowoltaicznymi. Jeżeli magazyny energii słonecznej zostaną połączone ze stacjami ładowania pojazdów elektrycznych, będą one dostarczać przez całą dobę energię solarną do pojazdów. Akumulatory są również stosowane w gospodarstwach prywatnych jako awaryjne magazyny energii. Mogą one zwiększyć zużycie własne gospodarstwa domowego i jednocześnie przejąć nadwyżki energii solarnej w porze największego nasłonecznienia, które mogłyby zbytnio obciążyć sieć.

w dobie transformacji energetycznej cyfryzacja jest warunkiem koniecznym dla istnienia rozproszonego rynku energii.

Tobias Kurth, Energy Brainpool

Z prądu powstaje ciepło i paliwo

Instalacje Power-to-Heat i Power-to-Gas pozwalają na jeszcze większą elastyczność. Za pomocą kotłów elektrycznych przekształcają one zieloną energię w ciepło lub w procesie elektrolizy w wodór, a następnie w metan. Ciepło może być dostarczone do lokalnej sieci ciepłowniczej, gaz można przez dłuższy czas gromadzić w sieci gazu ziemnego, która zasila gospodarstwa domowe, elektrownie i stacje paliw. W ten sposób instalacje Power-to-Heat i Power-to-Gas nie tylko odciążają sieć elektroenergetyczną. Łączą również sektor ciepłownictwa i mobilności, które w transformacji energetycznej odgrywały dotychczas podrzędną rolę. „Możemy zrobić z północnych Niemiec gigantyczne laboratorium testowe łączące różne sektory: wytwarzanie gazu lub ogrzewanie z nadwyżek energii wiatrowej, lokalne programy dofinansowania dla pomp ciepła lub samochodów elektrycznych, tory testowe dla elektrycznych samochodów ciężarowych z liniami napowietrznymi i autobusów elektrycznych – to tylko niektóre z możliwości. Wtedy też moglibyśmy kontynuować szybki rozwój energetyki wiatrowej“ – mówi Volker Quaschning, profesor energetyki Volker Quaschning z Berlińskiego Uniwersytetu Nauk Stosowanych.

Jednak zwiększanie elastyczności przez zastosowanie urządzeń do magazynowania nie jest jedynym wyzwaniem. Trzeba je również połączyć w sieć z rozproszonymi urządzeniami wytwórczymi i odbiorczymi. Energia pochodzi z systemu złożonego z tysięcy instalacji, solarnych i turbin wiatrowych i przepływa w wielu kombinacjach w różnych kierunkach, podobnie jak dane w Internecie. Dlatego potrzebne są inteligentne cyfrowe systemy, które będą dokonywać pomiarów złożonych przepływów energii oraz sterować instalacjami w zależności od wydajności sieci. Systemy te muszą również umożliwiać w pełni bezpieczną komunikację instalacji z systemem sterowania, ponieważ ataki hakerów na elektrownię i sieć nie należą do rzadkości i mogą stanowić poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa energetycznego. „W dobie transformacji energetycznej cyfryzacja jest warunkiem koniecznym dla istnienia rozproszonego rynku energii“ – mówi Kurth.

Wirtualne elektrownie odciążają sieć zasilającą

Dobra wiadomość: jak wynika badania przeprowadzonego przez firmę konsultingową PWC, ponad dwie trzecie zakładów energetycznych przywiązuje dużą wagę do rozproszonych rozwiązań energetycznych i uważa cyfryzację za dźwignię umożliwiającą poprawę wydajności swoich procesów. Możliwości cyfryzacji są widoczne na każdym etapie procesu tworzenia wartości w energetyce. Elastyczne taryfy opłat za energię elektryczną, zależne od dostępności zielonej energii są dobrym rozwiązaniem szczególnie dla klientów komercyjnych i przemysłowych: jeżeli instalacje solarne i turbiny wiatrowe wytwarzają dużą ilość energii, operatorzy sprzedają prąd w niskiej cenie. Zachęca to klientów, aby dopasowywali swoje zużycie do zmiennego poziomu wytwarzania. A to dopiero pierwszy krok: "Coraz więcej gospodarstw domowych produkuje własną energię elektryczną za pomocą kompaktowych elektrociepłowni blokowych i paneli słonecznych – z konsumentów stają się prosumentami, którzy nie tylko zużywają energię, lecz ją również wytwarzają“ – mówi Kurth.

Połączenie tych gospodarstw domowych w sieć pozwoli na równoważenie popytu i podaży. Wirtualne elektrownie podążają w tym samym kierunku. Łączą rozproszone urządzenia wytwórcze, tj. biogazownie, instalacje solarne, turbiny wiatrowe, elektrociepłownie blokowe, pompy ciepła, awaryjne zespoły prądotwórcze z inteligentną techniką sterowania. Tak powstaje układ dający możliwość swobodnej regulacji. W celu wyrównania wahań w nadrzędnej sieci przesyłowej, operatorzy elektroenergetyczni pozyskują gorące rezerwy od zarejestrowanych dostawców. Niektóre przedsiębiorstwa oferują energię pochodzącą z wirtualnych elektrowni. Spółdzielnia Stadtwerke Trianel w puli rezerw energetycznych łączy techniki wytwarzania i magazynowania dające moc całkowitą w wysokości przeszło 700 MW. W praktyce biogazownie, magazyny i wyposażenie wirtualnej elektrowni Trianel pracują jak dotychczas. A gdy operator sieci zażąda mocy bilansującej, algorytm w systemie sterowania wybiera odpowiednie instalacje i steruje nimi z dyspozytorni. Zaletą elektrowni Trianel jest aż 400 urządzeń wytwórczych, co zapewnia jej wysoki stopień elastyczności. Dzięki temu można łatwo wyrównać krótkoterminowe wahania napięcia.

Łatwe zarządzanie złożonymi strumieniami energii

Inteligentne stacje elektroenergetyczne odgrywają istotną rolę w dobie cyfryzacji sieci. Dotychczasowe transformatory są elementami raczej pasywnymi, które z zachowaniem stałych proporcji redukują napięcie elektryczne z sieci średniego do niższego napięcia, stosowanego w sieci lokalnej. Inteligentna stacja elektroenergetyczna umożliwia pomiar i zdalne udostępnianie danych dotyczących stanu sieci średniego napięcia. Dzięki temu operator sieci może w każdej chwili zoptymalizować pracę układu. Stacja ta pozwala również zarządzać magazynowaniem energii pochodzącej z odnawialnych źródeł. W ten sposób optymalizuje się wykorzystanie sieci i pomaga uniknąć przestojów w dostarczaniu energii, które w ostatnich czasach hamują rozwój wykorzystania energii odnawialnych. WAGO przy pomocy swoich wyrobów może pomóc w usprawnieniu cyfryzacji systemów energetycznych. W celu przekształcenia standardowych lokalnych stacji elektroenergetycznych w inteligentne stacje elektroenergetyczne, konieczna jest niezawodna i zgodna z normami koordynacja komponentów obwodów pierwotnych i wtórnych.

Wraz z partnerami projektu WAGO wykonało już odpowiednią instalację i wyposażyło je we wszystkie komponenty konieczne do zbudowania systemu automatyki. Są to sterowniki PFC200 XTR po stronie średniego napięcia oraz sterowniki PFC200 po stronie niskiego napięcia, panel e!DISPLAY do wizualizacji danych pomiarowych i procesowych bezpośrednio w lokalnej stacji elektroenergetycznej, oraz kompletna technika połączeń. Programowalne w CoDeSys sterowniki zbierają sygnały dwustanowe i analogowe, na przykład poprzez Modbus RTU, oraz dane z poszczególnych systemów stacji, następnie dane te są przekazywane do systemów dyspozytorskich poprzez dostępną infrastrukturę sieciową z wykorzystaniem preferowanych przez operatora protokołów komunikacyjnych jak np. IEC 60870-5-101/ -104 lub IEC 61850. Komunikacja działa też w przeciwnym kierunku: z poziomu dyspozytorni można przez sterownik odczytywać dane z poszczególnych systemów stacji, na przykład stacji średniego napięcia, zabezpieczeń lub systemów pomiarowych, pochodzących od różnych producentów.

Ochrona przed hakerami

Przepływ danych z i do sterownika WAGO jest chroniony przed nieautoryzowanym dostępem na dwa sposoby – dzięki kodowaniu danych poprzez TLS1.2, oraz dzięki tworzeniu bezpiecznych połączeń przez IPsec lub OpenVPN, zgodnie z Białą Księgą BDEW. Technika WAGO umożliwia bezpieczną komunikację i sterowanie także w wirtualnych elektrowniach. Może się zdarzyć, że wytwórcy i odbiorcy energii podłączeni do takiej elektrowni porozumiewają się różnymi językami, wtedy trudno o dobrą komunikację. Na potrzeby takich sytuacji opracowano otwarty standard komunikacyjny VHPready (Virtual Heat and Power Ready). Jest on niejako tłumaczem zapewniającym porozumienie pomiędzy dyspozytornią a poszczególnymi instalacjami. W przypadku VHPready komunikacja przebiega nie jak dotychczas, poprzez zestaw zmiennych, lecz przez zdefiniowane wcześniej modele danych. Standard VHPready definiuje nie tylko komunikację, lecz także specyficzne dla danej domeny parametry dotyczące trybu roboczego i czasów reakcji. W ten sposób możliwe jest sterowanie systemami poprzez harmonogramy. Dzięki temu przez okres 24 godzin dyspozytornia może przekazywać do instalacji parametry sterowania. Bez cyfryzacji transformacja energetyczna jest niemożliwa – inteligentne systemy sterowania stają się tym samym kluczową techniką na rynku energetycznym.

Tekst: Heiko Tautor

Zdjęcie: Manfred H. Vogel | vor-ort-foto.de, iStockphoto.com

Przegląd produktów

Nr kat.: 750-8202

sterownik PFC200 ; 2 x ETHERNET, RS-232/-485

Nr kat.: 750-8207

sterownik PFC200 ; 2 x ETHERNET, RS-232/-485, moduł radiowy

Nr kat.: 750-8202/040-000

sterownik PFC200 ; 2 x ETHERNET, RS-232/-485 ; ekstrem.

Nr kat.: 750-8206/040-001

sterownik PFC200 ; 2 x ETHERNET, RS-232/-485, CAN, CANopen, PROFIBUS slave ; ...

Nr kat.: 762-3003

panele WEB ; 25,7 cm (10.1") ; 1280 x 800 pikseli ; 2 x USB, 2 x ETHERNET

Nr kat.: 762-3002

panele WEB ; 17,8 cm (7,0") ; 800 x 480 pikseli ; 2 x USB, 2 x ETHERNET

WAGO w praktyce

Referencje i opinie ekspertów z branży energetyki

WAGO realizuje wiele interesujących projektów jako partner i lider innowacji. Poznaj nasze kreatywne i efektywne rozwiązania w przemyśle energetycznym.

Referencje

Sieć dystrybucyjna w czasie rzeczywistym

Firma SWO Netz GmbH wykorzystuje chmurę w procesie dystrybucji energii. Dzięki technice WAGO cała sieć stała się bardziej inteligentna.

Wywiad

„Na rynku energii wciąż mamy epokę kamienia łupanego“

Ekspert WAGO Heiko Tautor rozmawia o transformacji w sektorze energetycznym z Tobiasem Kurthem (po lewej), przedstawicielem firmy doradczej Energy Brainpool.

Osoba kontaktowa z WAGO

Adrian Dałek

Kierownik zespołu branżowego energetyka

Dowiedz się więcej:

Więcej informacji na temat energetyki

Więcej informacji

Cyfryzacja, odnawialne źródła energii, integracja rozproszonych wytwórców energii – WAGO potrafi stawić czoła wszystkim wyzwaniom współczesnego rynku energetycznego.

Wytwarzanie energii z OZE

Najważniejsze jest dobre połączenie

Niezawodne i bezpieczne dostawy energii to cel, do którego zmierzamy. Produkty i rozwiązania WAGO pozwalają skutecznie wprowadzić w życie założenia transformacji energetycznej.

Sieci energetyczne

Inteligentne sieci energetyczne

Automatyzacja sieci energetycznych ma wiele zalet. Jedną z nich jest możliwość zdalnego sterowania. W tym zakresie WAGO oferuje odpowiednie rozwiązania.

Magazyny energii

Prąd przez całą dobę

Magazyny energii odciążają sieć i zwiększają elastyczność systemów energetycznych. Technika WAGO umożliwia sterowanie tymi systemami.

Regulacja mocy wytwórczej

Jak wykorzystać słońce i wiatr?

Integracja i regulacja energii pochodzącej z odnawialnych źródeł jest dużym wyzwaniem dla operatorów sieci. WAGO towarzyszy swoim klientom w tym obszarze i wspiera ich w zakresie know-how, produktów i rozwiązań.

Referencje 15 czerwca 2021 Cyfrowa transformacja energetyczna ze sterowaniem high-tech