Referencje 26 maja 2021
Systemy magazynowania bilansują energię słoneczną

W ramach projektu Smart Grid Solar, Bawarskie Centrum Badań Stosowanych nad Energią sprawdza, w jaki sposób urządzenia magazynujące mogą przyczynić się do dostosowania lokalnych sieci do zwiększonych dostaw energii słonecznej. Sterowniki WAGO zapewniają bezpieczną komunikację pomiędzy poszczególnymi systemami a centrum sterowania.

Przyłączenie do sieci niskiego napięcia odnawialnych źródeł energii jest jednym z największych wyzwań transformacji energetycznej. Bawarskie Centrum Badań Stosowanych nad Energią (ZAE Bayern) wraz z partnerami z nauki i przemysłu rozpoczęło w małym mieście Arzberg w Górnej Frankonii badania terenowe, które powinny przynieść pewne rozwiązania. "Jak można połączyć dużą liczbę instalacji fotowoltaicznych z lokalną siecią bez kosztownej rozbudowy tej ostatniej? Jak w przyszłości, gdy jeszcze więcej systemów energii odnawialnej będzie dostarczać energię, będzie można bezpiecznie i efektywnie obsługiwać sieci lokalne?" Na te pytania starają się odpowiedzieć uczestnicy projektu.

Niezawodna itegracja systemu magazynownia - wsparcie WAGO:

Sterowniki WAGO oferują dużą elastyczność w integracji różnych systemów
Sprawna transmisja danych pomiędzy kontrolerami a centrum sterowania za pomocą protokołu MQTT
Niezawodność - nawet w niekorzystnych warunkach pogodowych

Elektroliza zasilana energią słoneczną

Chcąc znaleźć odpowiedzi na te pytania, naukowcy utworzyli w dzielnicy Arzberg-Schlottenhof centrum testowe inteligentnych sieci. Obok modułów fotowoltaicznych o łącznej mocy szczytowej 50 KW, zainstalowano tam systemy magazynowania wykorzystujące baterie przepływowe (redox-flow-storage) realizujące funkcje buforów krótkoterminowych, a także elektrolizer ze zbiornikiem wodoru i ogniwo paliwowe do długoterminowego magazynowania energii. Instalacje testowe są podłączone do lokalnej sieci elektroenergetycznej w Schlottenhof. Lokalizacja została wybrana nieprzypadkowo, ponieważ w tej okolicy wiele gospodarstw domowych używa systemów fotowoltaicznych, a niektóre z tych gospodarstw posiadają małe magazyny energii.

Inteligentne sterowanie magazynami energii

„Aby zrównoważyć wahania w wytwarzaniu energii, potrzebna jest inteligentna koordynacja pracy krótko- i długoterminowych magazynów energii. W procesie tym konieczne jest uwzględnienie prognoz pogody i przewidywanego zużycia energii“ – wyjaśnia Luchscheider. Zadanie to ma wykonywać dyspozytornia wyposażona w wydajny serwer. Komputer, wykorzystując symulację i modele matematyczne, będzie przygotowywał instrukcje postępowania, które w postaci sygnałów będą przekazywane do magazynów energii.

Rejestrowanie ważnych danych

Sterowanie tak złożonym systemem wymaga posiadania prawidłowych danych o stanie magazynów energii i instalacji solarnych, obciążeniu oraz o stopniu wykorzystania sieci. Dlatego ZAE Bayern co kilka sekund zbiera szczegółowe dane o wszystkich komponentach systemu. To między innymi dane o produkcji i zużyciu energii w dwudziestu gospodarstwach domowych w Schlottenhof (w tym w czterech z domowymi magazynami energii). Co sekundę rejestrowane są też poziom napięcia, prądu i kąt przesunięcia fazowego na lokalnym transformatorze sieciowym. Naukowcy mierzą również dane pogodowe, takie jak lokalne wartości nasłonecznienia i siłę wiatru. Dane poprzez połączenie VPN przesyłane są do centralnego serwera , który zestawia je z prognozami produkcji energii solarnej oraz obciążeniami i przetwarza je na sygnały sterujące.

Południowy szczyt pod kontrolą

Jak konkretnie wygląda takie sterowanie? Magazyny energii w gospodarstwach domowych w słoneczne dni zaczynają się ładować nie przed południem, lecz dopiero nieco później. Chodzi o to, aby dysponowały pojemnością, gdy moc paneli fotowoltaicznych osiągnie maksimum. Nic to nie zmienia z punktu widzenia właścicieli magazynów energii – akumulatory są naładowane wieczorem, gdy potrzebują oni energii elektrycznej. Optymalny moment poboru energii jest obliczany przez serwer w oparciu o dane z sieci i instalacji oraz prognoz pogody i obciążenia.

Zalety rozwiązania WAGO

„Jakość i dostępność danych jest niezwykle ważna dla powodzenia naszych testów w terenie“ – podkreśla Luchscheider. Z tego względu ZAE zdecydowało się na zapewnienie komunikacji pomiędzy poszczególnymi instalacjami a dyspozytornią za pomocą sterowników WAGO PFC200. „Produkt WAGO jest wyjątkowo niezawodny. Jak dotąd nigdy mieliśmy z nim problemów“ – dodaje Luchscheider. Poza tym sterownik zapewnia naukowcom maksymalną elastyczność w projektowaniu testów. „Dzięki wielu różnym wejściom rozwiązania WAGO nie mamy żadnych ograniczeń, jeśli chodzi o włączanie poszczególnych systemów i instalacji“ – mówi kierownik projektu. Do pomiaru napięcia, prądu i kąta przesunięcia fazowego służą 3-fazowe moduły pomiaru mocy firmy WAGO. Dane są wymieniane przez Internet za pośrednictwem GSM i DSL. „Nie każdy producent to oferuje" – dodaje Luchscheider.

Nie straciliśmy ani jednej zmierzonej wartości od momentu rozpoczęcia projektu. Sterowniki zdecydowanie nadają się do użytku na zewnątrz budynków.

Philipp Luchscheider, ZAE Bayern

Płynna transmisja danych

Naukowcy korzystają również z elastyczności PFC200 w zakresie programowania. „Sterowniki WAGO obsługują preferowany przez nas język programowania R. Jest to ważne, ponieważ do opracowywania naszych modeli możemy używać tego samego kodu co w sterownikach. Oszczędza nam to dużo czasu i zapobiega powstawaniu błędów". Przesyłanie danych między sterownikami a serwerem odbywa się za pośrednictwem protokołu MQTT. „Jest to bardzo efektywne, a także bardzo ułatwia konfigurację“ – mówi Luchscheider.

Otwartość na nowy sprzęt

Otwartość gwarantowana przez komponenty WAGO i platformę sterującą pozwala badaczom na tworzenie dalszych scenariuszy i testowanie nowych algorytmów. „W tym celu będziemy potrzebowali w przyszłości nowego sprzętu, który będzie można testować w innych projektach, między innymi w zastosowaniach przemysłowych oraz integrować go z systemem“ – mówi Luchscheider. W centrum testowym ZAE jest miejsce na dodatkowe, nowe technologie, które będą przygotowywane na funkcjonowanie w inteligentnych sieciach.

Wytrzymałe i niezawodne

Niektóre sterowniki są montowane bezpośrednio przy instalacjach fotowoltaicznych, na których naukowcy badają zachowanie różnych typów modułów w każdych warunkach atmosferycznych. Sprawia to, że sterowniki i inne komponenty systemu są narażone na działanie wiatru, deszczu, śniegu, mrozu i upałów. Nie stwarza to jednak żadnych problemów: „Od momentu rozpoczęcia projektu nie straciliśmy ani jednej zmierzonej wartości. Sterowniki zdecydowanie nadają się do użytku na zewnątrz“ – chwali je Luchscheider.

Lepsze wykorzystanie fotowoltaiki

Podobnie jak wiele innych gmin wiejskich, miasteczek i osiedli, również miejscowość Schlottenhof samodzielnie wytwarza dużą część energii elektrycznej potrzebnej do pokrycia własnego zapotrzebowania, a potencjał zaopatrywania w energię pochodzącą z paneli fotowoltaicznych jest ogromny. Dzięki swojemu projektowi badawczemu ZAE Bayern i jego partnerzy w znacznym stopniu przyczyniają się do tego, aby wizja przyjaznego dla klimatu, rozproszonego systemu zaopatrywania w energię mogła stać się rzeczywistością w Schlottenhof i innych miejscach, bez kosztownej rozbudowy lokalnej sieci.

Tekst: Heiko Tautor, WAGO

Zdjęcie: Kurt Fuchs/ZAE Bayern, Ralph Diermann