Mniej w szczycie

    Zmniejszenie szczytowego zapotrzebowania na energię elektryczną wymaga zmiany schematów poboru energii elektrycznej w obiektach.
    Rozpowszechnienie pojazdów elektrycznych i innych urządzeń akumulatorowych sprzyja powstawaniu nowych schematów szczytowego zapotrzebowania. Planowanie zarządzania energią i rozpływem mocy w systemie elektroenergetycznym oraz powszechniejsze wykorzystanie źródeł odnawialnych może łagodzić skutki tego zjawiska.
    Biorąc pod uwagę znaczenie w dzisiejszych czasach efektywności energetycznej, wydaje się, że cała uwaga skupia się głównie na zmniejszeniu zużycia energii, a niemal całkowicie pomija się aspekt zarządzania zapotrzebowaniem na energię i zmniejszenia tego zapotrzebowania, co może być równie kosztowne. Choć trudno w to uwierzyć, badanie przeprowadzoneostatnio w ramach inicjatywy EV Project wykazało, że w przypadku obiektów handlowych i przemysłowych średni koszt mocy szczytowej wynosi w USA około 10 USD za kilowat miesięcznie. Może się wydawać, że to niewiele, ale w przypadku obiektu przemysłowego lub handlowego suma tych kosztów wynosi nawet dziesiątki tysięcy dolarów rocznie, a w niektórych obszarach może stanowić aż 70% całkowitego rachunku za zużycie energii elektrycznej. Powodem tych kosztów jest to, że dostawcy energii muszą zapewnić wystarczającą wydajność dystrybucji i wytwarzania, aby sprostać większemu zapotrzebowaniu w godzinach tzw. szczytu. Jeśli nie istnieje wystarczająca infrastruktura dystrybucji, dostawca energii musi zbudować nowe linie elektroenergetyczne i zainstalować nowe transformatory, a wszystko to wiąże się z ogromnymi kosztami inwestycyjnymi. Jeżeli potencjał wytwórczy jest niewystarczający, dostawca energii musi zastosować mniej wydajne urządzenia do wytwarzania energii ? zwykle podszczytowe elektrownie gazowe pracujące w obiegu prostym, które są droższe w eksploatacji.
    Jedną z nowych technologii w zakresie odbiorników energii elektrycznej, mającą już znaczący wpływ na szczytowe zapotrzebowanie na energię w systemie elektroenergetycznym, są pojazdy elektryczne. Przeciętny elektryczny pojazd osobowy jest wyposażony w ładowarkę o mocy około 6,6 kW, natomiast niektóre samochody specjalistyczne mogą mieć ładowarki o mocy ponad 10 i 20 kW. W przypadku firmy dysponującej flotą takich samochodów szczytowe zapotrzebowanie wynikające z ich ładowania może więc szybko narastać. W jednym z obiektów obsługujących firmę transportową i logistyczną stwierdzono niedawno, że dodanie 50 pojazdów elektrycznych spowodowałoby wzrost szczytowego zapotrzebowania budynku ze 100 kW do ponad 430 kW, jeśli wszystkie samochody byłyby ładowane jednocześnie! Drastyczny wzrost szczytowego zapotrzebowania skutkowałby nie tylko większym rachunkiem za zużycie energii w obiekcie ? dostawca energii obciążyłby obiekt również kosztami modernizacji transformatora obsługującego należący do obiektu budynek, a koszty te wynosiłyby ponad 100 000 USD. Problem ten dotyczy nie tylko samochodów osobowych. Dla wielu obiektów rozważa się również możliwość przekształcenia floty wózków widłowych zasilanych propanem na elektryczne, co może wywołać podobny efekt.
    Istnieją różne rozwiązania tego problemu, jak również każdego problemu dotyczącego szczytowego zapotrzebowania, które wahają się od zastosowania starych metod, takich jak regulatory czasowe, do bardziej zaawansowanych technologii, jak sterowniki PLC (programowalne sterowniki logiczne), które przenoszą obciążenie do innych lokalizacji lub kontrolują, ile urządzeń może być włączonych w tym samym czasie. Inne metody polegają na zwiększeniu ilości dostępnej energii przez dodanie mocy ze źródeł odnawialnych, na przykład przy użyciu solarnego systemu fotowoltaicznego.
    Rozłożenie zapotrzebowania
    Metody kontroli i przesuwania obciążenia w przypadku ładowarek samochodowych mogą opierać się na kilku podstawowych strategiach.
    1. Stacje ładowania ze zintegrowaną funkcją opóźnienia. Powszechny schemat rozliczania zużycia energii elektrycznej opiera się na stawce zależnej od godziny poboru. Stawka ta jest bardziej korzystna w godzinach wieczornych. W przypadku większości firm najwyższy szczyt zapotrzebowania przypada zwykle na środek dnia. Niestety, większość firm i fabryk jest zamknięta w godzinach wieczornych, a samochody podłącza się do ładowania, gdy tylko ludzie wychodzą z pracy około 17:00 ? zanim zaczynają obowiązywać niższe stawki. Może to prowadzić do utworzenia w tym czasie szczytu poboru mocy, co ostatecznie skutkuje obciążeniem odbiorców wyższymi rachunkami. Jeśli skala tego problemu nie jest zbyt wielka, prostym rozwiązaniem może być wyposażenie stacji ładowania w funkcję opóźnienia. Dzięki temu użytkownicy mogą opóźnić włączenie ładowarki do czasu, gdy zaczynają obowiązywać niższe stawki.
    2. Skonfigurowanie programu pracy okresowej w oparciu o czas przy użyciu sterowników PLC. Chociaż stacje ładowania ze zintegrowanymi funkcjami opóźnienia są zwykle niedrogim rozwiązaniem, istnieje ryzyko błędu w sytuacjach, gdy wymagana jest interwencja człowieka. Jeśli użytkownik ma umieć ustawić czas rozpoczęcia, konieczne jest poinstruowanie go, jak unikać kosztów zapotrzebowania, a niestety takie informacje i zastosowanie ich w praktyce nie zawsze się sprawdza. Ponadto, jeśli wszyscy jednocześnie ustawią opóźnienie na taki sam czas, nadal tworzy się szczyt, tylko po prostu zostaje on przesunięty na korzystniejsze godziny. Tu właśnie rozwiązaniem może być automatyzacja. Za pomocą prostego kontrolera automatyki procesów dyskretnych można zaprogramować cykl pracy stacji ładowania w taki sposób, aby jednocześnie działała tylko ustawiona liczba ładowarek.
    3. Zintegrowanie miernika zasilania z funkcjami sterowania zapotrzebowaniem ze sterownikiem PLC. Nawet zintegrowanie programu pracy okresowej może wciąż nie zapewniać użytkownikowi możliwości sprawdzenia, czy szczytowe zapotrzebowanie zostało faktycznie zmniejszone i w jakim stopniu. Co zrobić, jeśli zapotrzebowanie w budynku ulega częstym wahaniom i użytkownik chce lepiej dopasować proces ładowania, żeby, nazwijmy to, ?wypełnić doliny?? Tu właśnie można przejść do następnego poziomu i wdrożyć jakieś niedrogie urządzenie monitorujące pobór mocy. Teraz można zautomatyzować proces ładowania w taki sposób, aby szczytowe zapotrzebowanie nigdy nie przekraczało pewnej wartości progowej. Można również zmaksymalizować czas faktycznego ładowania pojazdów, gdyż pewne jest, że stacje ładowania nie zostaną niepotrzebnie wyłączone jak w poprzednim modelu.
    Wykorzystanie źródeł odnawialnych
    Chociaż omówione tu rozwiązania zapewniają rozłożenie poboru mocy, pod żadnym względem nie zwiększają ilości dostępnej mocy w systemie elektroenergetycznym. Wraz z rozwojem alternatywnych technologii wytwarzania, takich jak ogniwa fotoelektryczne (PV), stały się one bardziej praktyczne i ekonomiczne w przypadku wdrożeń również na mniejszą skalę.
    Solarne systemy fotowoltaiczne przekształcają energię światła słonecznego bezpośrednio na energię elektryczną. Taka instalacja oznacza dla obiektu dwie potencjalne korzyści. Po pierwsze może generować energię elektryczną, co przekłada się na niższe zużycie energii od dostawcy oraz niższe rachunki. Drugą, w mniejszym stopniu omawianą korzyścią jest możliwość ograniczenia szczytowego zapotrzebowania. Moc znamionowa (nominalna) niewielkich, komercyjnych i przemysłowych solarnych systemów fotowoltaicznych w instalacjach o mocy do 100 kW jest zazwyczaj odzwierciedleniem szczytowej mocy wyjściowej. Ponieważ moc wyjściowa zależy od natężenia światła słonecznego, nie można liczyć na to, że system zapewni tę moc znamionową o każdej porze dnia i nocy. Niemniej jednak może on dostarczać mocy w sposób stały. Nawet wtedy, gdy instalacje solarne są zacienione przez chmury, wiele z nich wciąż może dostarczać pewną ilość mocy, choć w znacznie mniejszym stopniu. Jeśli więc rozważymy naszą hipotetyczną instalację solarną o mocy 100 kW i założymy, że 25% tej mocy będzie skutecznie wpływać na zmniejszenie szczytowego zapotrzebowania, mamy spadek zapotrzebowania o 25 kW, co może przekładać się na ok. 3000 USD rocznie.
    W niektórych sytuacjach potrzeba znacznie więcej niż 25% pewności i skuteczności, dostarczenia energii z instalacji fotowoltaicznej do zrekompensowania szczytowego zapotrzebowania na energię. Należy wtedy rozważyć zastosowanie instalacji fotowoltaicznych stanowiących połączenie pewnej formy magazynowania energii, często w postaci akumulatorów, z tradycyjnym falownikiem solarnym. W takiej sytuacji falownik solarny może pobierać zasilanie z baterii akumulatorów, gdy słońce nie świeci i nadal utrzymywać całkowite zapotrzebowanie budynku na energię na stosunkowo niskim poziomie. Chociaż magazynowanie może stanowić dodatkowy koszt, prawdopodobnie nie będzie potrzebna moc zapewniająca całkowite odłączenie od sieci, więc koszty nie muszą być tak wysokie, jak można by przypuszczać. Wymaga to układu sterującego, który jest nieco bardziej skomplikowany. Jeśli jednak stan szczytowego zapotrzebowania jest trudny do opanowania w inny sposób, takie rozwiązanie może stanowić użyteczne narzędzie w celach zminimalizowania najbardziej kosztownych szczytów poboru mocy.

    Autor: Ray Strods jest kierownikiem ds. produktu w dziale niskiego i średniego napięcia w sektorze infrastruktury i miast w firmie Siemens.