Transformacja energetyczna w zakładzie przemysłowym - mikrosieć w WAGO ELWAG
WAGO od chwili powstania ma zapisane w swoim DNA dbałość o środowisko, człowieka i jego dobrostan w codziennym życiu. Jednocześnie firma dostarcza na rynek między innymi rozwiązania do regulacji, komunikacji i zarządzania przepływami energii. Dlatego też w chwili podjęcia decyzji o rozbudowie naszego centrum produkcyjnego i biurowca we Wróblowicach, pojawił się pomysł na budowę mikrosieci złożonej z własnego źródła wytwarzania, czyli farmy fotowoltaicznej, magazynu energii oraz stworzenie całej infrastruktury do zarządzania tymi zasobami.
W pierwszym etapie inwestycji, na 16-hektarowej działce powstały dwie nowoczesne hale produkcyjne o łącznej powierzchni 12 tys. m kw. oraz budynek biurowy. Kiedy ruszył drugi etap, powstała hala o powierzchni prawie 9 tys. m kw. przeznaczonej głównie pod produkcję automatyczną oraz 4-kondygnacyjny biurowiec o powierzchni blisko 5 tys. m kw.
Zakład we Wróblowicach już od pierwszego etapu budowy był wyposażony w rozwiązania techniczne usprawniające gospodarkę energetyczną, między innymi opomiarowanie mediów i nowoczesny system BMS – WAGO VISU BUILDING. Z systemem budynkowym zostało zintegrowane energooszczędne oświetlenie LED oparte o standard DALI, zarządzane przez autorski system WAGO Lighting Management, który ułatwia aranżację oświetlenia hal produkcyjnych i obniża koszty związane z oświetleniem obiektów kubaturowych. Takie podejście sprawiło, że rozważając inwestycje w budowę mikrosieci firma dysponowała już danymi, które pozwalały na wiarygodną ocenę techniczno-ekonomiczną planowanej inwestycji.
Rozwiązanie, które powstało zakładzie WAGO we Wróblowicach bazuje na wpracowanej przez firmę koncepcji mikrosieci, która obejmuje:
Mikrosieć w fabryce WAGO
Przez mikrosieć energetyczną rozumiemy systemowe rozwiązanie polegające na łączeniu konsumpcji energii z wytwarzaniem jej na miejscu. Mikrosieć jest więc systemem elektroenergetycznym w zakładzie przemysłowym, obiekcie infrastrukturalnym czy kompleksie logistycznym, który z jednej strony jest zintegrowany z siecią zawodowej energetyki, a z drugiej składa się z rozproszonych zasobów energii, takich jak instalacja fotowoltaiczna, turbiny wiatrowe, układy kogeneracyjne, czy systemy magazynowania. Poszczególne elementy wytwórcze i odbiorcze systemu są zintegrowane i kontrolowane na bieżąco za pomocą narzędzi programowych i technologii komunikacyjnych. Realizując koncepcję mikrosieci wyodrębniliśmy kilka kluczowych obszarów funkcjonalnych:
Obsługa punktu przyłączenia do sieci
Punkt przyłączenia do sieci jest niezwykle istotnym miejscem. Jest punktem styku i jednocześnie rozgraniczenia sieci elektroenergetycznej od systemu elektroenergetycznego przedsiębiorstwa. To, co się dzieje w sieci oddziałuje na system, a to, co się dzieje w systemie oddziałuje na sieć. To wzajemne powiązanie sprawia, że rozbudowa systemu przedsiębiorstwa o własne moce wytwórcze, magazyn energii, czy inne elementy wiąże się z wyzwaniami zarówno dla Operatora Systemu Dystrybucyjnego (OSD), jak i inwestora lub właściciela lokalnej instalacji.
Jak wiadomo, głównym wyzwaniem OSD jest zapewnienie stabilnego działania systemu i zagwarantowanie parametrów jakościowych zasilania w punkcie przyłączenia do sieci odbiorcy energii. Natomiast z punktu widzenia inwestora, głównym zadaniem jest spełnienie wymogu prowadzenia lokalnej generacji energii w sposób niezakłócający stabilności systemu – czyli zgodnie z wymaganiami kodeksu sieciowego NC RfG.
Kolejnym ważnym aspektem jest zapewnienie bezpieczeństwa eksploatacji lokalnego systemu wytwórczego z uwzględnieniem standardów Elektroenergetycznej Automatyki Zabezpieczeniowej (EAZ). Kluczowa jest również integracja źródła i lokalnej automatyki EAZ z systemem SCADA operatora systemu dystrybucyjnego w sposób umożlwiający realizowanie telemonitoringu i telesterowania.
Realizacja wspomnianych wyzwań jest możliwa poprzez spełnienie szczegółowych wymagań technicznych opisanych przez Operatora Systemu Dystrybucyjnego (OSD) w warunkach przyłączenia do sieci.
Chcąc spełnić te warunki, WAGO opracowało i uzgodniło z OSD projekt, zgodnie z którym zmodernizowany został punkt przyłączenia do sieci po stronie SN (modernizacja pól rozdzielnicy SN, modernizacja układów pomiarowo-rozliczeniowych). Dokonaliśmy również niezbędnych zmian w zakładowym systemie energetycznym po stronie nN, po to by móc włączyć do niego instalację PV i magazyn energii. Sposób włączenia tych instalacji do naszej lokalnej sieci jest z jednej strony zgodny z wymaganiami OSD, a z drugiej zapewnia nam optymalną dystrybucję energii z własnego modułu wytwórczego wewnątrz zakładowej sieci. Priorytetem jest wzmocnienie autokonsumpcji, a w razie potrzeby – okresowe obniżenie zapotrzebowania na moc oraz możliwość wyprowadzenia energii do sieci OSD przez zmodernizowane przyłącze SN.
Zarządzanie i regulacja źródłem OZE oraz magazynem energii
Na dachu jednej z hal produkcyjnych o powierzchni blisko 9 tys. metrów powstała instalacja złożona z ponad 1,6 tys. paneli, połączonych w 63 obwody, z których energię DC na AC konwertuje 7 falowników o mocy 100 kW każdy. Na potrzeby wyprowadzenia energii z falowników i wprowadzenia jej do zakładowego systemu elektroenergetycznego została zaprojektowana odrębna/nowa rozdzielnica nN. Oprócz siedmiu pól odbiorczych, do których podłączone są falowniki instalacji PV, wyposażona jest ona również w jedno pole, służące do przyłączenia magazynu energii. Dzięki temu może zasilać magazyn energii, jak i odbierać energię z magazynu.
Porównanie prognozowanej produkcji energii z własnej elektrowni fotowoltaicznej zestawione z zapotrzebowania na energię zakładu wskazało, że w zakładzie WAGO występują okresy, w których jesteśmy w stanie wyprodukować więcej energii niż w danym momencie potrzebujemy. Zgromadzenie tych chwilowych nadwyżek i skorzystanie z nich w trakcie momentów zwiększonego zapotrzebowania na energię zwiększa autokonsumpcję i pozwala na lepsze wykorzystanie tańszej energii z własnego źródła. Stąd decyzja, by zakupić system magazynowania energii NRG 138kWh/ 100kW w zabudowie kontenerowej.
Nasza instalacja o mocy 802,52 kW (702,52 kW PV + 100 kW magazyn energii) jest kwalifikowana jako moduł wytwarzania energii typu B i przyłączenie jej do sieci OSD wymaga integracji z systemem SCADA operatora z zachowaniem standardu Elektroenergetycznej Automatyki Zabezpieczeniowej i prowadzenia regulacji zgodnie z wymaganiami kodeksu NC RfG. Uzgodniony z OSD układ regulacji/telemechaniki to rozwiązanie Solar Park Management - certyfikowany regulator źródła OZE oparty o sterownik PLC WAGO i bibliotekę programową Power Plant Control. Warto podkreśli, że to rozwiązanie stosowane jest już w setkach instalacji fotowoltaicznych w energetyce zawodowej i przemyśle.
Monitoring i zarządzanie energią
Opomiarowanie energii w firmie produkcyjnej kojarzy się najczęściej z analizą i rozliczaniem kosztów wytwarzania. Jednak decyzja o budowie mikrosieci sprawia, że dostęp do bieżących i historycznych danych o zużyciu energii i jej produkcji, a także danych o parametrach sieci, zdecydowanie zyskuje na znaczeniu.
W zakładzie WAGO we Wróblowicach dostęp do bieżących i historycznych danych o mediach zapewnia system SCADA, który prezentuje wykorzystanie i rozpływ energii. Na poziomie lokalnym/obiektowym - rozwiązaniem dostarczającym dane jest WAGO Energy Data Management (EDM) połączone z poszczególnym fragmentem instalacji technologicznej lub rozdzielnicą elektroenergetyczną. Aby móc zarządzać energią w oparciu o rzeczywiste dane, we Wróblowicach zdecydowaliśmy się objąć monitoringiem także zespół wytwarzania i magazynowania energii.
Centralna jednostka z aplikacją EDM (WAGO Edge Controller) pełni rolę koncentratora sygnałów i serwera danych. Poprzez port szeregowy RS485 cyklicznie odpytuje dwukierunkowe liczniki energii, dostarczające informacji o przepływach energii z inwerterów instalacji PV oraz przepływach energii z i do magazynu energii. WAGO Edge Controller ma zabudowane dwa porty Ethernet. Jeden wykorzystywany jest bezpośrednio do komunikacji z wyspą I/O WAGO (interfejs sieciowy Modbus TCP/IP 750-362 z kartami wejść cyfrowych). Wyspa pozwala monitorować stan wyłączników rozdzielnicy.
Drugi port sterownika podłączony jest do switcha. Za jego pośrednictwem aplikacja EDM Edge Controllera komunikuje się z:
Zarządzanie punktami ładowania pojazdów elektrycznych
Na terenie zakładu WAGO we Wróblowicach funkcjonują obecnie dwie ładowarki do ładowania samochodów elektrycznych – łącznie cztery punkty ładownia o mocy 22 kW, oraz ładowarka do rowerów elektrycznych. Jednocześnie infrastruktura techniczna jest przygotowana do instalacji kolejnych stacji, aby można było w przyszłości sprostać zapotrzebowaniu na usługę ładownia, a także wymogom prawnym.
Biorąc pod uwagę rozwojowość instalacji ładowania i potrzebę sprawnego zarządzania infrastrukturą ładowania oraz wpasowania jej w profil energetyczny przedsiębiorstwa, postanowiliśmy uruchomić we Wróblowicach układ dynamicznego zarządzania mocą ładowania pojazdów. Zrealizowaliśmy go w oparciu o własne rozwiązanie WAGO Load Management, które zintegrowaliśmy z pozostałymi elementami naszej mikrosieci energetycznej (elektrownią PV, magazynem energii, systemem SCADA).
WAGO Load Management to rozwiązanie, które nie wymaga skomplikowanych integracji. Złożone jest z dostępnego od ręki sterownika PLC WAGO i skojarzonej z nim gotowej, parametryzowanej za pomocą przeglądarki internetowej, aplikacji sterującej. Układ włączony jest w mikrosieć WAGO za pośrednictwem liczników energii zainstalowanych w kluczowych dla nadzoru mocy i bilansu energetycznego punktach systemu.
Rozwiązanie na bieżąco oblicza bilans energetyczny w oparciu o ciągły odczyt liczników i na bazie tych obliczeń, zdefiniowanych scenariuszy korzystania z infrastruktury ładownia oraz posiadanych przez konkretnego użytkownika praw/priorytetów, dokonuje w sposób ciągły przydziału mocy ładowania dla każdego z punktów ładowania indywidualnie. Pozwala to optymalnie wykorzystać infrastrukturę ładowania i potencjał systemu elektroenergetycznego bez generowania „pików” zapotrzebowania na moc. Kolejną pożyteczną dla nas funkcjonalnością zastosowanego rozwiązania są informacje administracyjne. Dostępny logger, pozwala mieć wgląd w historię zrealizowanych przez uprawnionych użytkowników ładowań.
Budując mikrosieć energetyczną we Wróblowicach, staraliśmy się, by modernizowana infrastruktura energetyczna osiągnęła nowy, wyższy poziom techniczny, który zapewni nam nie tylko większą autonomię i elastyczność w gospodarowaniu energią, poprzez lepsze dopasowanie do wymagań dynamicznie zmieniającego się rynku energii, ale także pomoże nam prowadzić bardziej zrównoważoną produkcję, opartą o energię pochodzącą także z odnawialnych źródeł energii.
Przy budowie mikrosieci korzystaliśmy wzajemnie z synergicznej współpracy z naszymi partnerami i klientami z rynku elektroenergetycznego - biurami projektowymi, firmami prefabrykującymi rozdzielnice, firmą wyspecjalizowaną w projektowaniu i budowie elektrowni słonecznych czy wykonawstwie instalacji elektrycznych. Wykorzystaliśmy też własne kompetencji techniczne i doświadczenia z realizacji podobnych zadań u naszych klientów.
Służył nam także potencjał dostępnych własnych rozwiązań, które obsługują w zakresie automatyki kluczowe obszary systemu elektroenergetycznego/obszary mikrosieci i które zastosowaliśmy w naszym zakładzie produkcyjnym:
Podsumowanie
Dynamiczne zmiany, z którymi od kilku lat mamy do czynienia na rynku energii i towarzszący im rozwój technologiczny stwarzają przedsiębiorcom przemysłowym i innymi odbiorcom generującym duże zapotrzebowanie na energię, nowe możliwości. Nasze doświadczenia pokazują, że skorzystanie z tych szans jest na pewno sporym wyzwanie. Jednak, co należy podkreślić, wyzwaniem, które w konsekwencji przyniesie duże korzyści.
Warto zaznaczyć również, że zastosowane przez WAGO rozwiązania są w stanie działać autonomicznie. Pozwala to wdrażać je etapami. Z drugiej strony trzeba dodać, że integracja poszczególnych rozwiązań i koordynacja ich pracy jest w stanie przynieść dodatkowe korzyści materialne i wartość użytkową.
Autorzy:
Mariusz Pacan
Janusz Pindych
Więcej informacji o mikrosieci
Raport to ogromna dawka wiedzy wraz z dokumentacją, które krok po kroku przedstawiają proces realizacji tej inwestycji. Dowiesz się z niego jak w praktyce powstaje mikrosieć i otrzymasz dostęp do informacji oraz schematów, które zostały stworzone przy planowaniu i realizacji inwestycji.