Gebruik van elektrificatie en automatisering om efficiëntere en duurzamere elektriciteitsnetten te creëren – deel één van twee

Het vervangen van traditionele energiebronnen voor het elektriciteitsnet door duurzame, groene energiebronnen wordt elektrificatie genoemd. In dit artikel, deel 1 van een 2-delige serie, worden enkele van de uitdagingen besproken die gepaard gaan met elektrificatie en hoe automatisering kan helpen dit proces efficiënter en duurzamer te maken. Deel 2 van deze serie bespreekt LEED-certificering (Leadership in Energy and Environmental Design) en ZEB-certificering (Zero Energy Building) en hoe deze de CO2-uitstoot kunnen verminderen en de duurzaamheid kunnen verbeteren.

Elektrificatie is het vervangen van systemen die fossiele brandstoffen zoals olie, kolen en aardgas gebruiken voor het opwekken van elektriciteit door fotovoltaïsche energie (FV’s) en andere groene technologieën, en het vervangen van voertuigen met een verbrandingsmotor (internal combustion engine, ICE) door elektrische voertuigen (EV’s). Geëlektrificeerde systemen, plus het gebruik van automatisering die ze met elkaar verbindt en die slimme elektriciteitsnetten (ook wel smart grids genoemd) en microgrids ondersteunt, zijn belangrijke factoren die de maatschappij naar een duurzamere en groenere toekomst leiden.

Het huidige elektriciteitsnet is niet ontworpen om grote aantallen EV’s op te laden, en smart grids (slimme elektriciteitsnetten) en microgrids zullen naar verwachting cruciale technologieën worden die nodig zijn om de wijdverspreide vervanging van ICE-voertuigen door EV’s te ondersteunen. In de Amerikaanse staat Californië heeft de gouverneur onlangs een ‘executive order’ uitgevaardigd die vereist dat in 2035 alle nieuwe auto’s en pick-ups emissievrije voertuigen (EV’s) zijn. Ontwikkelaars van smart grids en microgrids moeten voldoen aan een enorme reeks internationale normen om aan dit soort mandaten te voldoen. De IEEE heeft bijvoorbeeld meer dan 100 normen goedgekeurd of in ontwikkeling die relevant zijn voor smart grids, waaronder de meer dan 20 IEEE-normen die worden genoemd in de Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability van het Amerikaanse National Institute of Science and Technology (NIST). Naast de IEEE-normen vallen microgrids onder de IEC 62898 microgrid-serie en andere normen.

Dit artikel is het eerste deel van een tweedelige serie. Hier wordt gekeken naar uitdagingen met betrekking tot het implementeren van elektrificatie, het integreren van gedistribueerde energiebronnen (DER’s), de overeenkomsten en verschillen tussen smart grids en microgrids, en hoe automatisering hun efficiëntie en duurzaamheid verbetert, inclusief het ondersteunen van de universele adoptie van EV’s. We bespreken allereerst wat DER’s zijn en waar ze kunnen worden gebruikt en kijken vervolgens hoe de opkomst van utility-microgrids het onderscheid tussen microgrids en smart grids doet vervagen. Ongeacht de implementatie levert DigiKey een breed scala aan industriële automatiseringsproducten die elektrificatie en DER-integratie ondersteunen. In het tweede artikel wordt bekeken hoe elektrificatie en automatisering kunnen worden gebruikt in groene gebouwen om Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) en Zero Energy Building (ZEB) certificeringen te behalen.

Wat is een DER?

De definitie van de North American Electric Reliability Corporation (NERC) luidt als volgt: ‘een Distributed Energy Resource (DER) is een bron op het distributiesysteem die elektriciteit produceert en niet anderszins is opgenomen in de formele NERC-definitie van het bulkelektriciteitssysteem.’

De term distributiesysteem in Noord-Amerika verwijst naar elektrische leidingen met een spanning van 34,5 kilovolt (kV) of minder die meestal van substations naar eindgebruikers lopen. Het bulkelektriciteitssysteem (BES) omvat de leidingen naar het substation toe met een spanning van 100+ kV, die grootschalige bulkstroomopwekkingsfaciliteiten over lange afstanden verbinden met interconnectiebronnen en substations (afbeelding 1).

Afbeelding 1: DER’s zijn onderdelen van het distributiesysteem (blauw); andere hernieuwbare energiebronnen bevinden zich in het bulkelektriciteitssysteem (groen). (Bron afbeelding: NERC)

DER’s zijn alle bronnen die geen onderdeel zijn van het bulksysteem, inclusief opwekkingseenheden zoals windturbines en fotovoltaïsche installaties, energieopslageenheden, de meeste batterijopslagsystemen (BESS), EV-acculaders — ook wel EVSE (electric vehicle service equipment) genoemd — en microgrids. DER’s bevinden zich zowel achter de meter van het nutsbedrijf als rechtstreeks op het distributiesysteem. Achter de meter omvatten DER-bronnen fotovoltaïsche arrays, BESS, netgekoppelde EV’s en noodstroombronnen zoals grote dieselgeneratoren in datacenters en andere locaties. Een microgrid is een bepaald type DER.

Smart grids, microgrids en elektrificatie

Een microgrid is een DER, maar niet alle DER’s zijn microgrids. Vanuit het perspectief van het BES verwijzen de termen microgrid en DER naar een type stroomopwekking of opslagbron. De term smart grid (of slim elektriciteitsnet) verwijst naar de communicatie- en controletechnologieën die door het BES worden gebruikt om een krachtige en efficiënte werking te garanderen. Een andere onderscheidende factor is dat microgrids opwekkings- en opslagbronnen plus belastingen omvatten. Een smart grid bestaat voornamelijk uit opwekkingsbronnen, met wat opslag maar zonder belastingen. Het smart grid kan communiceren met belastingen, maar die staan los van het net.

Elektrificatie heeft op verschillende manieren invloed op microgrids, het BES en smart grids. Binnen het BES wordt elektrificatie toegevoegd aan een bestaand net en als dit niet goed wordt beheerd, kan dit onbedoelde negatieve operationele gevolgen hebben. Dat is waar ‘smart grid-technologie’ om de hoek komt kijken.

Tweewegcommunicatie en -controle zijn de belangrijkste onderscheidende kenmerken van smart grids. Deze controlesystemen omvatten sensoren om de stabiliteit van het elektriciteitsnet te controleren en geavanceerde meters om de vraag naar elektriciteit te monitoren. Ze gebruiken ook een verscheidenheid aan regelbare stroomschakel- en stroomkwaliteitsapparaten om de flow van elektriciteit te beheren. De sensoren zijn van cruciaal belang om een grotere penetratie van hernieuwbare energiebronnen (HE-bronnen) en elektrificatie in het BES mogelijk te maken en de stabiliteit van het net te garanderen. Bovendien ondersteunen de sensoren en controle-elementen een snellere en effectievere respons bij stroomstoringen en maken ze balancering en beveiliging van het net mogelijk, vooral tijdens piekperioden en bij variabele beschikbaarheid van hernieuwbare energie. Smart grid-technologieën ondersteunen ook de coördinatie en integratie van microgrids met het distributiesysteem en BES.

Omgekeerd is een microgrid ontworpen om elektrificatietechnologieën zoals HE-bronnen, BESS en EV’s te accommoderen. Microgrids en smart grids vereisen geautomatiseerde controle-elementen, waaronder een DERM-systeem (Distributed Energy Resource Management).

DERM’s zijn een must

DERM’s en automatisering worden verschillend gedefinieerd en geïmplementeerd in smart grids en microgrids. Smart grids omvatten verschillende opwekkingsbronnen en elektriciteitsgebruikers verspreid over een groot gebied met een gecentraliseerd controlecentrum voor netbeheer (afbeelding 2). Netbeheer is het sleutelconcept voor smart grid-controle in het BES. De bestaande BES’en werden ontworpen en gebouwd voordat er een noodzaak was om de elektrificatie te ondersteunen, en ze kunnen te maken krijgen met een onbetrouwbare werking naarmate de ‘dispatchable’ (controleerbare) opwekking op basis van fossiele brandstoffen in toenemende mate wordt vervangen door onvoorspelbare (en dus minder controleerbare) HE-bronnen. Bovendien is het opladen van grote aantallen EV’s meestal ‘niet-dispatchable’ en niet rechtstreeks controleerbaar door het elektriciteitsbedrijf. De gecentraliseerde en geautomatiseerde controle die mogelijk wordt gemaakt door smart grid-technologie is nodig om te compenseren voor het feit dat de HE-bronnen die gebruikt worden voor elektrificatie en het opladen van EV’s niet zo voorspelbaar zijn als conventionele netwerkelementen van nutsbedrijven.

Afbeelding 2: Een smart grid vertrouwt op geautomatiseerde controle-elementen en DERM’s voor realtime netbeheer. (Bron afbeelding: ETAP)

Controle-elementen voor smart grids en microgrid hebben informatie nodig van verschillende sensoren om aangesloten bronnen in realtime te controleren. Met de komst van EV’s en EVSE worden deze elementen ook gebruikt om de stroomvraag voor het opladen te helpen beheren. Daarnaast kunnen ze V2G-communicatie (vehicle-to-grid) gebruiken om de aansluiting van EV’s op het net of een microgrid te coördineren om incrementele energieopslagcapaciteit te leveren.

Naast het bewaken van de status van aangesloten bronnen, moeten controle-elementen voor netgekoppelde microgrids ook de status van het lokale elektriciteitsnet bewaken. Schakelapparatuur is een essentieel onderdeel van smart grids en microgrids en moet binnen milliseconden reageren om een robuuste werking te garanderen. De omvang van schakelapparatuur varieert van een paar kilowatt (kW) voor kleine microgrids tot meerdere megawatts (MW) voor grote microgrids en het elektriciteitsnet. De schakelapparatuur en het controle-element kunnen bij kleine microgrids in dezelfde kast zitten, wat de kosten drukt en de installatie versnelt. DERM’s voor smart grids en microgrids omvatten het intelligent meten van energieproductie en energieverbruik wat wordt gebruikt door cloud-gebaseerde analyse om de economische voordelen van DER’s te maximaliseren en een hoog niveau van flexibiliteit te ondersteunen. De exacte architectuur van DERM’s kan variëren voor verschillende soorten microgrids.

Microgrid-variëteiten

Microgrids kunnen worden ingedeeld op basis van hun toepassingen en architectuur. De drie microgridarchitecturen zijn op afstand, genest en netgekoppeld. Microgrids op afstand bevinden zich op plaatsen zoals eilanden of afgelegen mijnbouw- en landbouwbedrijven. Ze worden ook wel ‘off-grid microgrids’ genoemd en zijn fysiek gescheiden van het BES van een nutsbedrijf. Deze microgrids moeten volledig zelfvoorzienend zijn.

Geneste microgrids zijn netwerken van verschillende individuele DER’s of microgrids die verbonden zijn met een gemeenschappelijk distributiesysteem van het nutsbedrijf. Ze worden meestal gecontroleerd door een gecentraliseerd toezichtsysteem dat de behoeften van het microgridbedrijf in evenwicht brengt met ondersteuning voor het elektriciteitsnet. Het controlesysteem kent vaak een hiërarchie van belangrijkheid toe aan de microgrids en DER’s om ervoor te zorgen dat de meest kritieke elementen worden beschermd. Toepassingen voor geneste microgrids zijn onder andere community-microgrids, slimme steden en de opkomende categorie van utility-microgrids.

Geneste microgrids zijn een subcategorie van netgekoppelde microgrids. Alle netgekoppelde microgrids zijn fysiek verbonden met het distributienet en hebben een schakelapparaat op het punt van gemeenschappelijke koppeling (point of common coupling, PCC) waar de verbinding met het distributienet plaatsvindt. Tijdens normaal bedrijf is een netgekoppeld microgrid verbonden met het distributienet. Het kan diensten leveren aan het net, zoals frequentie- en spanningsregeling, ondersteuning bieden van reëel en reactief vermogen evenals een vraagrespons om capaciteitsimitaties te beperken.

Het microgrid is niet aangesloten op het distributienet van het elektriciteitsnet in geïsoleerd bedrijf. Geïsoleerd bedrijf kan voorkomen door een onderbreking in het distributienet of voor andere behoeften, zoals onderhoud. Bij de overgang van geïsoleerd naar netgekoppeld bedrijf moeten deze microgrids de frequentie van de distributie detecteren en de werking synchroniseren voordat ze weer worden aangesloten.

Er zijn talloze microgrid-toepassingen, waaronder campussen, ziekenhuizen en medische centra, commerciële installaties, communities en industriële faciliteiten. De nieuwste toepassingscategorie is utility-microgrids (afbeelding 3).

Afbeelding 3: Microgrids worden vaak gecategoriseerd op basis van hun toepassing. (Bron afbeelding: Siemens)

Grenzen vervagen

Utility-microgrids die de grens tussen smart grids en microgrids vervagen, worden nu ingezet. Tijdens dit proces verandert de definitie van een DER van een gedistribueerde energiebron naar een specifieke energiebron. Microgrids van nutsbedrijven zijn ontworpen om stroomuitval als gevolg van extreme weersomstandigheden, bosbranden en andere onvoorziene situaties te beperken. Bij bestaande netarchitecturen worden tijdens extreme gebeurtenissen grote delen van het net voor de veiligheid spanningsloos gemaakt.

Een belangrijke impact van deze ongeplande en uitgebreide stroomonderbrekingen is helaas het ontmoedigen van het gebruik van EV. Microgrids van nutsbedrijven worden gezien als de sleutel tot een wijdverspreid gebruik van EV. Microgrids van nutsbedrijven worden overal in de VS voorgesteld en ingezet. Southern California Edison (SCE) heeft bijvoorbeeld de ontwikkeling van Public Safety Power Shutoff Microgrids voorgesteld om de beschikbaarheid van elektriciteit tijdens bosbranden zo veel mogelijk te behouden. Andere nutsbedrijven verwijzen naar de nieuwe netwerkarchitectuur als community-microgrids (afbeelding 4).

Afbeelding 4: Utility-microgrids kunnen een breed scala aan elementen omvatten, verspreid over relatief grote geografische gebieden, en vervagen de grens tussen traditionele microgrids en smart grids. (Bron afbeelding: Edison International)

Het vermogen van utility-microgrids om geïsoleerd te werken is de sleutel tot het verbeteren van de beschikbaarheid van elektriciteit op een meer granulair niveau dan wat momenteel mogelijk is. Dit zal naar verwachting worden ingezet in microgrids van diverse omvang, van complete woongemeenschappen tot openbare plaatsen, waaronder scholen en andere strategische locaties zoals brandweerkazernes, medische centra en evacuatiecentra. EVSE-installaties zijn een cruciaal onderdeel van het ontwerp van de meeste van deze community-microgrids. Zoals voorzien, zal EVSE de aansluiting van EV’s op het elektriciteitsnet ondersteunen als bijkomende reserve-energiebronnen en voor het opladen van EV’s.

Conclusie

Elektrificatie is noodzakelijk voor duurzamere elektriciteitsnetten en om CO₂-uitstoot te verminderen. Veel elektrificatietechnologieën zoals fotovoltaïsche energie en EV’s zijn niet zo voorspelbaar als de traditionele energiebronnen die ze vervangen. Dit betekent dat elektrificatie moet worden ondersteund met geavanceerde sensornetwerken en geautomatiseerde controlesystemen in slimme elektriciteitsnetten (smart grids) en microgrids.