Lưới năng lượng thông minh

Nhu cầu năng lượng toàn cầu ước tính tăng khoảng 2,2% mỗi năm. Điều này có nghĩa là mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu hiện tại trên 20 petawatt giờ sẽ tăng lên 2030 petawatt giờ vào năm 33. Đồng thời, việc sử dụng năng lượng hiệu quả hơn bao giờ hết đang được chú trọng.

1. Tự động trong lưới thông minh

Các dự báo khác dự đoán rằng giao thông vận tải sẽ tiêu thụ hơn 2050% nhu cầu điện vào năm 10, phần lớn là do sự phổ biến ngày càng tăng của các loại xe điện và xe hybrid.

Nếu sạc pin ô tô điện không được quản lý đúng cách hoặc hoàn toàn không hoạt động, có nguy cơ tải cao điểm do sạc quá nhiều pin cùng một lúc. Sự cần thiết của các giải pháp cho phép các phương tiện được sạc vào những thời điểm tối ưu (1).

Hệ thống điện cổ điển của thế kỷ XNUMX, trong đó điện được sản xuất chủ yếu ở các nhà máy điện trung tâm và cung cấp đến người tiêu dùng qua đường dây cao áp và mạng lưới phân phối trung và hạ thế, không phù hợp với nhu cầu của thời đại mới.

Trong những năm gần đây, chúng ta cũng có thể thấy sự phát triển nhanh chóng của các hệ thống phân tán, các nhà sản xuất năng lượng nhỏ có thể chia sẻ lượng thặng dư của họ với thị trường. Họ có một thị phần đáng kể trong các hệ thống phân tán. Năng lượng tái sinh.

Bảng chú giải thuật ngữ về lưới thông minh

AMI - viết tắt của Advanced Metering Infrastructure. Có nghĩa là cơ sở hạ tầng của các thiết bị và phần mềm giao tiếp với đồng hồ đo điện, thu thập dữ liệu năng lượng và phân tích dữ liệu này.

Thế hệ phân tán - sản xuất năng lượng bằng cách lắp đặt hoặc cơ sở phát điện nhỏ được kết nối trực tiếp với mạng lưới phân phối hoặc nằm trong hệ thống điện của người nhận (đằng sau thiết bị điều khiển và đo lường), thường sản xuất điện từ các nguồn năng lượng tái tạo hoặc phi truyền thống, thường kết hợp với sản xuất nhiệt (đồng phát phân tán ). . Mạng lưới phát điện phân tán có thể bao gồm, ví dụ, người tiêu dùng, hợp tác xã năng lượng, hoặc nhà máy điện đô thị.

thước đo thông minh – công tơ điện từ xa có chức năng tự động truyền dữ liệu đo năng lượng đến nhà cung cấp và do đó mang lại nhiều cơ hội hơn cho việc sử dụng điện có ý thức.

Nguồn điện vi mô – một nhà máy phát điện nhỏ, thường được sử dụng để tiêu thụ riêng. Nguồn vi mô có thể là các nhà máy năng lượng mặt trời, thủy điện hoặc năng lượng gió nhỏ trong nước, tua-bin siêu nhỏ chạy bằng khí tự nhiên hoặc khí sinh học, các tổ máy có động cơ chạy bằng khí tự nhiên hoặc khí sinh học.

Dự luật – một người tiêu dùng năng lượng có ý thức sản xuất năng lượng cho nhu cầu của chính mình, ví dụ, trong các nguồn vi mô và bán phần thặng dư chưa sử dụng cho mạng lưới phân phối.

Tỷ giá động – biểu giá có tính đến những thay đổi hàng ngày về giá năng lượng.

Không-thời gian có thể quan sát được

Giải quyết những vấn đề này (2) đòi hỏi một mạng lưới có cơ sở hạ tầng "tư duy" linh hoạt sẽ hướng năng lượng chính xác đến nơi cần thiết. Một quyết định như vậy lưới năng lượng thông minh - lưới điện thông minh.

2. Những thách thức mà thị trường năng lượng phải đối mặt

Nói chung, lưới điện thông minh là hệ thống điện tích hợp một cách thông minh hoạt động của tất cả các bên tham gia vào quá trình sản xuất, truyền tải, phân phối và sử dụng nhằm cung cấp điện một cách tiết kiệm, bền vững và an toàn (3).

Tiền đề chính của nó là sự kết nối giữa tất cả những người tham gia vào thị trường năng lượng. Mạng kết nối các nhà máy điện, lớn và nhỏ, và người tiêu dùng năng lượng trong một cấu trúc. Nó có thể tồn tại và hoạt động nhờ vào hai yếu tố: tự động hóa được xây dựng trên các cảm biến tiên tiến và hệ thống ICT.

Nói một cách đơn giản: lưới điện thông minh “biết” ở đâu và khi nào nhu cầu lớn nhất về năng lượng và nguồn cung lớn nhất phát sinh, đồng thời có thể hướng năng lượng dư thừa đến nơi cần thiết nhất. Kết quả là, một mạng lưới như vậy có thể cải thiện hiệu quả, độ tin cậy và an ninh của chuỗi cung cấp năng lượng.

3. Lưới thông minh - sơ đồ cơ bản

4. Ba lĩnh vực của lưới thông minh, mục tiêu và lợi ích phát sinh từ chúng

Mạng thông minh cho phép bạn đọc từ xa các chỉ số của đồng hồ đo điện, theo dõi trạng thái tiếp nhận và mạng, cũng như hồ sơ tiếp nhận năng lượng, xác định mức tiêu thụ năng lượng bất hợp pháp, can thiệp vào đồng hồ đo và tổn thất năng lượng, ngắt kết nối / kết nối từ xa với người nhận, chuyển đổi biểu giá, lưu trữ và lập hóa đơn cho các giá trị đã đọc, và các hoạt động khác (4).

Rất khó để xác định chính xác nhu cầu sử dụng điện, vì vậy thông thường hệ thống phải sử dụng cái gọi là dự trữ nóng. Việc sử dụng thế hệ phân tán (xem Bảng thuật ngữ Lưới điện thông minh) kết hợp với Lưới điện thông minh có thể làm giảm đáng kể nhu cầu giữ cho nguồn dự trữ lớn hoạt động đầy đủ.

Cột trụ lưới thông minh có một hệ thống đo lường rộng rãi, kế toán thông minh (5). Nó bao gồm các hệ thống viễn thông truyền dữ liệu đo lường đến các điểm quyết định, cũng như các thuật toán thông tin, dự báo và ra quyết định thông minh.

Việc lắp đặt thử nghiệm đầu tiên của hệ thống đo lường "thông minh" đang được xây dựng, bao gồm các thành phố hoặc xã riêng lẻ. Nhờ họ, bạn có thể, trong số những thứ khác, nhập giá hàng giờ cho khách hàng cá nhân. Điều này có nghĩa là vào những thời điểm nhất định trong ngày, giá điện cho một người tiêu dùng như vậy sẽ thấp hơn, do đó, đáng để bật máy giặt, ví dụ như một chiếc máy giặt.

Theo một số nhà khoa học, chẳng hạn như một nhóm các nhà nghiên cứu từ Viện Max Planck của Đức ở Göttingen do Mark Timm dẫn đầu, hàng triệu đồng hồ thông minh trong tương lai có thể tạo ra một thiết bị hoàn toàn tự trị. mạng lưới tự điều chỉnh, phi tập trung như Internet và an toàn vì nó có khả năng chống lại các cuộc tấn công mà các hệ thống tập trung tiếp xúc.

Sức mạnh từ số nhiều

Nguồn điện tái tạo Do công suất đơn vị nhỏ (RES) là các nguồn phân tán. Loại thứ hai bao gồm các nguồn có công suất đơn vị dưới 50-100 MW, được lắp đặt gần nơi tiêu thụ năng lượng cuối cùng.

Tuy nhiên, trên thực tế, giới hạn đối với nguồn được coi là nguồn phân tán rất khác nhau giữa các quốc gia, ví dụ Thụy Điển là 1,5 MW, New Zealand 5 MW, Mỹ 5 MW, Vương quốc Anh 100 MW. .

Với một số lượng đủ lớn các nguồn được phân tán trên một khu vực nhỏ của hệ thống điện và nhờ những cơ hội mà chúng mang lại lưới thông minh, việc kết hợp các nguồn này thành một hệ thống do người vận hành kiểm soát, tạo ra một "nhà máy điện ảo" là có thể và có lợi nhuận.

Mục tiêu của nó là tập trung phát điện phân tán thành một hệ thống được kết nối hợp lý, tăng hiệu quả kinh tế kỹ thuật của việc phát điện. Hệ thống phát điện phân tán nằm gần các hộ tiêu thụ năng lượng cũng có thể sử dụng các nguồn nhiên liệu địa phương, bao gồm nhiên liệu sinh học và năng lượng tái tạo, và thậm chí cả rác thải đô thị.

Một nhà máy điện ảo kết nối nhiều nguồn điện địa phương khác nhau trong một khu vực nhất định (nhà máy thủy điện, gió, quang điện, tuabin chu trình hỗn hợp, máy phát điện chạy bằng động cơ, v.v.) và lưu trữ năng lượng (bồn chứa nước, pin) được điều khiển từ xa bởi một hệ thống mạng CNTT rộng khắp.

Một chức năng quan trọng trong việc tạo ra các nhà máy điện ảo phải được thực hiện bởi các thiết bị lưu trữ năng lượng cho phép bạn điều chỉnh việc phát điện theo những thay đổi hàng ngày trong nhu cầu của người tiêu dùng. Thông thường các bể chứa như vậy là pin hoặc siêu tụ điện; các trạm chứa bơm có thể đóng một vai trò tương tự.

Một khu vực cân bằng năng lượng tạo thành một nhà máy điện ảo có thể được tách ra khỏi lưới điện bằng các thiết bị chuyển mạch hiện đại. Một công tắc như vậy bảo vệ, thực hiện công việc đo lường và đồng bộ hóa hệ thống với mạng.

Thế giới ngày càng thông minh hơn

W lưới thông minh hiện được đầu tư bởi tất cả các công ty năng lượng lớn nhất trên thế giới. Ở Châu Âu, chẳng hạn như EDF (Pháp), RWE (Đức), Iberdrola (Tây Ban Nha) và British Gas (Anh).

6. Lưới điện thông minh kết hợp các nguồn truyền thống và tái tạo

Một yếu tố quan trọng của loại hệ thống này là mạng lưới phân phối viễn thông, cung cấp đường truyền IP hai chiều đáng tin cậy giữa các hệ thống ứng dụng trung tâm và đồng hồ đo điện thông minh đặt trực tiếp tại đầu cuối hệ thống điện, tại các hộ tiêu thụ cuối cùng.

Hiện tại, mạng viễn thông lớn nhất thế giới phục vụ nhu cầu Lưới điện thông minh từ các nhà khai thác năng lượng lớn nhất ở quốc gia của họ - chẳng hạn như LightSquared (Mỹ) hoặc EnergyAustralia (Úc) - được sản xuất bằng công nghệ không dây Wimax.

Ngoài ra, việc triển khai theo kế hoạch đầu tiên và là một trong những kế hoạch lớn nhất của hệ thống AMI (Cơ sở hạ tầng đo lường nâng cao) ở Ba Lan, một phần không thể thiếu trong mạng thông minh của Energa Operator SA, liên quan đến việc sử dụng hệ thống Wimax để truyền dữ liệu.

Một ưu điểm quan trọng của giải pháp Wimax so với các công nghệ khác được sử dụng trong lĩnh vực năng lượng để truyền dữ liệu, chẳng hạn như PLC, là không cần phải tắt toàn bộ các đoạn đường dây điện trong trường hợp khẩn cấp.

7. Kim tự tháp năng lượng ở Châu Âu

Chính phủ Trung Quốc đã phát triển một kế hoạch dài hạn lớn để đầu tư vào hệ thống nước, nâng cấp và mở rộng mạng lưới truyền tải và cơ sở hạ tầng ở các vùng nông thôn, và lưới thông minh. Tổng công ty Lưới điện Nhà nước Trung Quốc có kế hoạch giới thiệu chúng vào năm 2030.

Liên đoàn Công nghiệp Điện lực Nhật Bản có kế hoạch phát triển lưới điện thông minh sử dụng năng lượng mặt trời vào năm 2020 với sự hỗ trợ của chính phủ. Hiện nay, một chương trình thử nghiệm năng lượng điện tử cho lưới điện thông minh của nhà nước đang được thực hiện ở Đức.

Một “siêu lưới điện” năng lượng sẽ được tạo ra ở các nước EU, qua đó năng lượng tái tạo sẽ được phân phối, chủ yếu từ các trang trại gió. Không giống như các mạng truyền thống, nó sẽ không dựa trên xoay chiều, mà dựa trên dòng điện một chiều (DC).

Các quỹ châu Âu đã tài trợ cho chương trình đào tạo và nghiên cứu liên quan đến dự án MEDOW, chương trình này quy tụ các trường đại học và đại diện của ngành năng lượng. MEDOW là tên viết tắt của tên tiếng Anh "Multi-terminal DC Grid For Offshore Wind".

Chương trình đào tạo dự kiến ​​kéo dài đến tháng 2017/XNUMX. Sự sáng tạo mạng lưới năng lượng tái tạo ở quy mô lục địa và kết nối hiệu quả với các mạng hiện có (6) có ý nghĩa do đặc điểm cụ thể của năng lượng tái tạo, được đặc trưng bởi sự dư thừa hoặc thiếu hụt công suất theo chu kỳ.

Chương trình Bán đảo Thông minh hoạt động trên Bán đảo Hel nổi tiếng trong ngành năng lượng Ba Lan. Tại đây, Energa đã triển khai hệ thống đọc từ xa thử nghiệm đầu tiên của đất nước và có cơ sở hạ tầng kỹ thuật phù hợp cho dự án, sẽ được nâng cấp hơn nữa.

Nơi này không được chọn một cách tình cờ. Đặc điểm của khu vực này là mức tiêu thụ năng lượng dao động cao (tiêu thụ nhiều vào mùa hè, ít hơn nhiều vào mùa đông), điều này tạo thêm thách thức cho các kỹ sư năng lượng.

Hệ thống được triển khai phải có đặc điểm không chỉ là độ tin cậy cao mà còn bởi tính linh hoạt trong dịch vụ khách hàng, cho phép họ tối ưu hóa mức tiêu thụ năng lượng, thay đổi biểu giá điện và sử dụng các nguồn năng lượng thay thế mới nổi (tấm quang điện, tuabin gió nhỏ, v.v.).

Mới đây, cũng xuất hiện thông tin Polskie Sieci Energetyczne muốn tích trữ năng lượng trong những viên pin cực mạnh với công suất ít nhất là 2 MW. Nhà điều hành có kế hoạch xây dựng các cơ sở lưu trữ năng lượng ở Ba Lan sẽ hỗ trợ lưới điện, đảm bảo cung cấp liên tục khi các nguồn năng lượng tái tạo (RES) ngừng hoạt động do thiếu gió hoặc sau khi trời tối. Điện từ kho sau đó sẽ hòa vào lưới điện.

Việc thử nghiệm giải pháp có thể bắt đầu trong vòng hai năm. Theo thông tin không chính thức, người Nhật từ Hitachi cung cấp PSE để kiểm tra bình chứa pin mạnh. Một pin lithium-ion như vậy có khả năng cung cấp công suất 1 MW.

Các nhà kho cũng có thể làm giảm nhu cầu mở rộng các nhà máy điện thông thường trong tương lai. Các trang trại điện gió, được đặc trưng bởi sự thay đổi lớn về sản lượng điện (tùy thuộc vào điều kiện khí tượng), buộc năng lượng truyền thống phải duy trì nguồn năng lượng dự trữ để các cối xay gió có thể được thay thế hoặc bổ sung bất cứ lúc nào với sản lượng điện giảm.

Các nhà khai thác trên khắp châu Âu đang đầu tư vào việc lưu trữ năng lượng. Gần đây, người Anh đã khởi động việc lắp đặt loại này lớn nhất trên lục địa của chúng ta. Cơ sở tại Leighton Buzzard gần London có khả năng lưu trữ năng lượng lên đến 10 MWh và cung cấp 6 MW điện.

Xếp sau anh là S&C Electric, Samsung, cũng như UK Power Networks và Younicos. Vào tháng 2014 năm 5, công ty sau này đã xây dựng kho lưu trữ năng lượng thương mại đầu tiên ở Châu Âu. Nó được đưa ra ở Schwerin, Đức và có công suất XNUMX MW.

Tài liệu “Triển vọng các dự án lưới điện thông minh 2014” bao gồm 459 dự án được thực hiện kể từ năm 2002, trong đó việc sử dụng các công nghệ mới, khả năng ICT (thông tin từ xa) đã góp phần tạo ra “lưới điện thông minh”.

Cần lưu ý rằng các dự án đã được tính đến trong đó có ít nhất một Quốc gia Thành viên EU tham gia (là một đối tác) (7). Điều này nâng số quốc gia được đề cập trong báo cáo lên 47 quốc gia.

Cho đến nay, 3,15 tỷ euro đã được phân bổ cho các dự án này, mặc dù 48% trong số đó vẫn chưa được hoàn thành. Các dự án R&D hiện tiêu tốn 830 triệu euro, trong khi chi phí thử nghiệm và thực hiện là 2,32 tỷ euro.

Trong số đó, tính theo đầu người, Đan Mạch đầu tư nhiều nhất. Mặt khác, Pháp và Anh thực hiện các dự án với ngân sách cao nhất, trung bình 5 triệu euro cho mỗi dự án.

So với các nước này, các nước Đông Âu kém hơn nhiều. Theo báo cáo, họ chỉ tạo ra 1% tổng ngân sách của tất cả các dự án này. Theo số lượng các dự án đã thực hiện, 18 dự án hàng đầu là: Đức, Đan Mạch, Ý, Tây Ban Nha và Pháp. Ba Lan chiếm vị trí thứ XNUMX trong bảng xếp hạng.

Thụy Sĩ đã dẫn trước chúng tôi, tiếp theo là Ireland. Dưới khẩu hiệu của lưới điện thông minh, các giải pháp đầy tham vọng, gần như mang tính cách mạng đang được triển khai ở nhiều nơi trên thế giới. kế hoạch hiện đại hóa hệ thống điện.

Một trong những ví dụ điển hình là Dự án Cơ sở hạ tầng Thông minh Ontario (2030), đã được chuẩn bị trong những năm gần đây và có thời gian dự kiến ​​lên đến 8 năm.

8. Kế hoạch triển khai Smart Grid tại tỉnh Ontario của Canada.

Vi rút năng lượng?

Tuy nhiên, nếu mạng lưới năng lượng trở nên giống như Internet, bạn phải lưu ý rằng nó có thể phải đối mặt với những mối đe dọa tương tự mà chúng ta phải đối mặt trong các mạng máy tính hiện đại.

9. Robot được thiết kế để hoạt động trong mạng năng lượng

Các phòng thí nghiệm của F-Secure gần đây đã cảnh báo về một mối đe dọa phức tạp mới đối với các hệ thống dịch vụ trong ngành, bao gồm cả lưới điện. Nó được gọi là Havex và nó sử dụng một kỹ thuật mới cực kỳ tiên tiến để lây nhiễm vào máy tính.

Havex có hai thành phần chính. Đầu tiên là phần mềm Trojan, được sử dụng để điều khiển từ xa hệ thống bị tấn công. Phần tử thứ hai là máy chủ PHP.

Con ngựa thành Troy được những kẻ tấn công gắn vào phần mềm APCS / SCADA chịu trách nhiệm giám sát tiến độ của các quy trình công nghệ và sản xuất. Nạn nhân tải xuống các chương trình như vậy từ các trang web chuyên biệt, không nhận thức được mối đe dọa.

Nạn nhân của Havex chủ yếu là các tổ chức và công ty châu Âu liên quan đến các giải pháp công nghiệp. Một phần của mã Havex gợi ý rằng những người tạo ra nó, ngoài việc muốn ăn cắp dữ liệu về quy trình sản xuất, cũng có thể ảnh hưởng đến quá trình của họ.

10. Các khu vực của lưới điện thông minh

Các tác giả của phần mềm độc hại này đặc biệt quan tâm đến mạng lưới năng lượng. Có thể là một yếu tố trong tương lai hệ thống điện thông minh robot cũng vậy.

Gần đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Michigan đã phát triển một mô hình robot (9) cung cấp năng lượng đến những nơi bị ảnh hưởng bởi mất điện, chẳng hạn như những nơi do thiên tai gây ra.

Ví dụ, các máy thuộc loại này có thể khôi phục nguồn điện cho cơ sở hạ tầng viễn thông (tháp và trạm gốc) để thực hiện các hoạt động cứu hộ hiệu quả hơn. Robot tự hành, tự chúng chọn con đường tốt nhất để đến đích.

Họ có thể có pin trên tàu hoặc tấm pin mặt trời. Chúng có thể cho nhau ăn. Ý nghĩa và chức năng lưới thông minh vượt xa năng lượng (10).

Cơ sở hạ tầng được tạo ra theo cách này có thể được sử dụng để tạo ra một cuộc sống di động thông minh mới trong tương lai, dựa trên các công nghệ hiện đại nhất. Cho đến nay, chúng ta chỉ có thể hình dung những ưu điểm (nhưng cũng có thể là nhược điểm) của loại giải pháp này.