ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина VII, брой 1, 2015

Smart Grid в Европа

Развитие, стандарти, технологии

Smart Grid в Европа

Съгласно дефиниция на Европейския Съюз SmartGrid е електрическа мрежа, която интелигентно интегрира поведението и действията на всички потребители, свързани в нея – генератори, консуматори и такива, които имат и двете функции, за ефективно осигуряване на устойчиво, икономично и надеждно електрическо захранване с ниски загуби и с високи нива на качество, сигурност и безопасност. SmartGrid използва иновативни продукти и услуги заедно с интелигентен мониторинг, контрол, комуникации и самооздравителни технологии като улеснява връзката и работата на всички генератори, позволява на консуматорите да оптимизират работата на системата и им предоставя повече информация и избор на захранване. Освен това, значително се редуцира влиянието върху околната среда на цялата електрозахранваща система и се осигуряват повишени нива на надеждност и сигурност на захранването. При прилагането на SmartGrid трябва да взимат предвид не само технологиите, пазарите, екологичното въздействие, регулаторните рамки, стандартизацията, информационните и комуникационни технологии, миграционната стратегия, но също така и обществените изисквания и правителствените укази.

Развитието на SmartGrid в Европа има силна връзка с климатичните цели за устойчиви енергийни системи. Европа е в предните редици за прилагане на SmartGrid, особено в областите за възобновяеми енергийни източници (ВЕИ), авангардна измервателна инфраструктура (AMI) и авангардни информационни технологии. Енергийните системи са в глобален преход към устойчивост. Ефективността на ресурсите и екологичните въпроси насърчават промените за използване на възобновяеми енергийни източници и за оптимизиране на консумацията на енергия. Този преход е мотивиран от климатичните и енергийни цели и от повишаване на енергийните нужди. Европейският съюз (ЕС) постави енергийни и климатични цели, известни като 20-20-20 цели. Те включват 3 ключови цели за 2020г. за 20% редуциране на нивата на емисиите от парникови газове от 1990г., повишаване на дела за консумиране на енергия от възобновяеми източници на 20% и 20% подобряване на енергийната ефективност. В началото на 2014г. Европейската Комисия (ЕК) предложи нови климатични и енергийни цели до 2030г. за редуциране на емисиите на парникови газове с 40%, увеличаване на дела на възобновяемата енергия до най-малко 27% , обновяване на енергийноефективните политики и внедряване на нова система за управление и набор от индикатори за конкурентноспособна, сигурна и устойчива енергийна система.

SmartGrid разработки – значение и тенденции
SmartGrid разработките включват нови възможности и предизвикателства за генериране, снабдяване и използване на електричеството като интегрална част от енергийната система. Тези разработки оказват влияние върху нови електрически приложения, например в транспорта, и модернизират съществуващите електрически инфраструктури. При генерирането на електричество тенденцията е както към нови проекти с голям мащаб, например офшорни вятърни електроцентрали, така и към такива с малък мащаб, например соларна енергия. Статистиката за глобални инвестиции за генериране на електричество от вятърна енергия показва, че Европа има дял от 38%, докато Азия и Северна Америка имат съответно 36% и 22%.

Общата тенденция за технологични разработки предоставя нови възможности за измерване и контрол. Един пример са PMU устройствата, измерващи електрическите вълни в електрическата мрежа като използват общ времеви източник за синхронизация. PMU могат да извършват измервания на напрежение и ток от 30 до 120 пъти в секунда. Други примери са Smart измервателни уреди, монтирани при крайния консуматор, позволяващи интегриране на частно производство на електричество от соларни клетки, или съхранение на енергия за електромобили и общ разпределен контрол на използването на енергия. Тенденциите за развитие на електрозахранващата система в Европа, които се осъществяват благодарение на SmartGrid, могат да се обобщат като нужда от укрепване на електрическата мрежа, по-голяма интеграция между страните, повече импулсни захранващи източници, повече производство на електричество от проекти с голям и малък мащаб, зареждаеми електромобили и по-активни клиенти.

През 2007г. Европейската Технологична Платформа (ETP) за Електричеки Мрежи на Бъдещето представи своите Стратегически Проучвателни Цели (SRA2007) за SmartGrid. Имайки предвид данните от изследователските институти, индустрията и регулаторите, този документ идентифицира основните области, изискващи проучване в краткосрочен и дългосрочен план в Европа. SRA2007 има значителен принос за Европейската Инициатива за Електрическите Мрежи (EEGI) през 2010г., планирала SmartGrid нуждите за проучване, развитие и приложение за постигане на целите 20-20-20 на ЕС до 2020г. През 2012г. Европейската Технологична Платформа (ETP) представи своите Стратегически Проучвателни Цели (SRA2035) за SmartGrid. SRA2035 се фокусират върху теми и проучвания, необходими за понататъшното развитие на електрическата система от 2020 до 2035г. и след това, като трябва да се намерят решения, чрез които да бъдат надвишени целите 20-20-20 на ЕС до 2020г.

SmartGrid Проекти
Центърът за научни и технически проучвания на ЕС (JRC) представи през 2010г. първия изчерпателен доклад на SmartGrid проектите в Европа. Тогава повече от 300 координатори на проекти попълниха специален въпросник. Следващият доклад през 2012г. включваше 281 проекта от 30 страни. В периода 2008-2012г. инвестициите в SmartGrid проекти бяха постоянно над €200 милиона, като през 2011г. те бяха €500 милиона. Тук се включват и 218 smart измервателни проекта. Най-новото обновяване на доклада е от 2014г. (Smart Grid Projects Outlook 2014). Той е изготвен от JRC в сътрудничество с Генералната Дирекция за Енергия на Европейската Комисия (ENER) и включва общо 459 SmartGrid проекта за 28-те страни-членки на ЕС плюс Швейцария и Норвегия, от 2002г. досега, като инвестициите възлизат на €3.15 милиарда. Други 17 страни, които не са членки на ЕС, също са представени чрез техни участващи организации. Базата-данни включва 211 проекта за проучване и внедряване (R&D) и 248 демонстративни и приложни проекта. Разглеждайки броя на включените страни, има 172 мултинационални проекта със средно по 6 страни за проект. Около 75% от 287-те национални проекта имат само един участник. Проектите за проучване и внедряване (R&D) са с общ бюджет от около €830 милиона, а демонстративните и приложни проекти са с общ бюджет от около €2320 милиона. Бюджетните данни се отнасят само за 422 проекта, тъй като за останалите 37 проекта не са предоставени данни.

Проектите обхващат 7 вида SmartGrid приложения и една допълнителна категория, включваща всички други по-рядко срещани приложения. Първият вид приложение е Мениджмънт на Smart мрежата. В тази категория се разглеждат реализациите, фокусиращи се върху оперативната гъвкавост на електрическата мрежа, като автоматизация на подстанции, мрежов мониторинг и контрол и т.н. Целта е да се подобрят наблюдаемостта и контролируемостта. Вторият вид приложение е интеграция на голямомащабни възобновяеми енергийни източници (ВЕИ). Повечето проекти в тази категория се занимават с интеграцията на ВЕИ главно на предавателно ниво. Ключовите области тук са инструментариум за планиране, контролиране и работа на ВЕИ за улесняване на тяхната пазарна интеграция, интеграция на мениджмънта за търсене на енергия и спомагателни услуги от разпределителни системни оператори за поддържане работата на предавателни системни оператори, инструменти за прогнозиране на производството от ВЕИ, офшорни мрежи за интегриране на вятърна енергия. Третият вид SmartGrid приложение е интеграция на разпределени енергийни източници (РЕИ). Тук се включват проекти, фокусирани върху нови контролни схеми и нови хардуерни/софтуерни решения за интегриране на РЕИ като се осигуряват системната надеждност и сигурност. Проектните резултати показват, че техническите решения за интеграция на РЕИ стават напълно консолидирани. Необходимо е да се отбележи, че в тази категория се включват проекти, фокусирани върху интеграцията на съхранението в мрежата, а не тези, фокусирани върху разработването на технологията за съхранение. Обединяването е следващото приложение, при което проектите се фокусират върху внедряване на механизми като виртуални електроцентрали и отговор на търсенето на електроенергия, обединяващи гъвкавото търсене и предлагане на децентрализирани източници, имайки предвид ограниченията на мрежата и маркетинговите сигнали. Друг вид SmartGrid приложение е Smart клиенти и Smart дом. В тази група се съдържат проекти, които тестват Smart уреди и автоматизация за дома заедно с нови тарифни схеми. Такива проекти обикновено изискват активното участие на потребителите или са насочени към анализиране на тяхното поведение и насърчаване за включване. Следващият вид приложение акцентира върху Smart интеграцията на електромобили (EV) и зареждаеми хибридни електромобили (PHEV) в електрическата мрежа. Последното приложение е Smart измерването. В тази категория са включени само проекти за малки инсталации за измерване, които са част от по-голям SmartGrid проект с едно или повече допълнителни приложения. От всички SmartGrid приложения най-голям е делът на приложението Мениджмънт на Smart мрежата.

Еволюция на SmartGrid стандартите
По пътя към нов вид Smart електрическа мрежа в Европа е необходима стабилна рамка, за да се извърши интеграция на енергията от конвенционалните, централизирани генериращи източници. Това се отнася и за приспособяването на енергията от ВЕИ, включително големи вятърни електроцентрали, предимно офшорни, и разпределени източници от по-малък мащаб, включително фотоволтаици, вятърна енергия, биомаса и комбинирано подгряване и охлаждане. Разпределеното съхранение на енергия и електромобилите ще бъдат свързвани все повече, като се консумира електричество от мрежата и се доставя електричество към нея. При само 45ms за отговор на прекъсване в електрозахранването, общите стандарти за взаимосвързаност, безопасност, сигурност и надеждност са наложителни. Ето защо, през март 2011г., Европейската Комисия издаде мандат M/490 към Европейските Стандартизационни Организации (ESO) за прилагането на SmartGrid. Мандатът включва обща техническа референтна архитектура за набор от съвместими стандарти, които ще поддържат информационния обмен и интеграцията на всички потребители в електрическата система, и устойчиви процеси и инструменти за идентифициране и попълване на пропуските. Изискано бе създаването на първи набор от стандарти до края на 2012г. с последващи ежегодни ревизии.

Съгласно мандат M/490, стандартизационната рамка трябва да бъде достатъчно всеобхватна и интегрирана, за да обхване цялото разнообразие от участници в SmartGrid и да осигури комуникациите между тях. Освен това, тя трябва да бъде достатъчно задълбочена за гарантиране на съвместната работа на SmartGrid от основна свързаност до комплексни разпределени бизнес приложения, вкл. унифициран набор от дефиниции, така че всички страни-членки да имат общо разбиране за различните компоненти на SmartGrid. Стандартизационната рамка трябва да бъде и достатъчно гъвкава и бърза, за да се възползва напълно от съществуващата телекомуникационна структура и услуги, както и от появата на нови технологии, увеличавайки конкурентноспособността на пазарите. Необходима е и гъвкавост за изглаждане на някои различия между страните-членки на ЕС.

През юли 2011г. бе създадена съвместна SmartGrid координационна група от трите Европейски Стандартизационни Организации (ESO) – Европейски Комитет по Електротехническа Стандартизация (CENELEC), Европейски Комитет по Стандартизация (CEN) и Европейски Институт по Телекомуникационни Стандарти (ETSI). През 2012г. координационната група издаде няколко доклада за устойчивите процеси, първи набор от съвместими стандарти, референтна архитектура, информационна сигурност и поверителност на данните. В допълнение, групата изготви Рамков Документ, предоставящ преглед на дейностите. В него се описва как различните елементи, споменати по-горе, си пасват и осигуряват стабилна рамка за SmartGrid, както се изисква от мандата М/490. В края на 2012г. SmartGrid Мандата M/490 бе удължен до края на 2014г. Целта на това удължаване бе да се даде възможност на координационната група да пренастрои фино SmartGrid методологията, създадена през 2012г., и да разработи разширен набор от стандарти, поддържащи прилагането на SmartGrid в Европа.

В речта си на Европейската Конференция за постиженията в SmartGrid стандартизацията през януари 2013г. президентът на CENELEC Tore Trondvold посочи някои от предизвикателствата, с които ESO се сблъсква. Според него стандартите са доброволни, но въпреки че законодателството на ЕС причислява европейските стандарти като начин за съвместимост със задължителни изисквания, европейските стандарти, които са одобрени и публикувани, трябва също да бъдат одобрени на национално ниво от стандартизационните организации на страните-членки. Конфликтните национални стандарти трябва да бъдат преразгледани, без да се отменят. В замяна, европейските стандарти могат да осигурят безпрепятствен достъп до вътрешния пазар за повече от 600 милиона потребители.

В края на 2014г. координационната група CEN-CENELEC-ETSI финализира няколко мандатни доклада – Разширен набор от стандарти, поддържащи прилагането на SmartGrid в Европа; Обща методология с нейните приложения: Подобряване на общия пазарен модел, Наръчник на потребителя за SmartGrid архитектурен модел и Управление на гъвкавостта Съвместна работа в SmartGrid; SmartGrid информационна сигурност. Тези доклади бяха изпратени до Техническите Бордове на CEN и CENELEC, които одобриха съдържанието им в началото на декември 2014 . Бордът на ETSI одобри докладите в края на 2014г.

Визия за развитието на Smart Grid в Европа 2035-2050
Стратегическите Проучвателни Цели (SRA2035) за SmartGrid на Европейската Технологична Платформа (ETP) описват темите за проучване и приоритетите, необходими за напредъка на електрическите мрежи и интелигентните електрически системи до 2035г. и след това. SRA2035 откриват решения, които надвишават целите на ЕС до 2020г. Предвижда се 80% намаление на емисиите до 2050г. като енергийното производство в Европа ще трябва почти да не отделя въглерод. Отчита се и повишеното влияние на генерирането на възобновяема енергия, което се очаква да бъде около 34% от общата консумация на енергия до 2020г., като това ниво ще бъде надвишено до 2035г. Разглеждат се и повишените усилия, които ще са необходими за поддържане на високо качество на електрозахранването и сигурността на електрическата система поради увеличеното участие на разпределени генератори, чрез създаване на по-контролируема и интелигентна система , както и чрез ефективна консумация и интегрирано съхранение на енергия за нуждите на потребителите. Цената на такава система, както и съответните пазарни цени на продукти и услуги, ще се променят. Това ще доведе до икономически натиск върху всички части на веригата за стойността на електрическата енергия. Освен че се концентрира основно върху технологични аспекти, SRA2035 акцентира и върху икономически и институционални опции, пазарни граници и мрежово регулиране.

Ключовите фактори за развитието на SmartGrid включват степента на децентрализация на системните компоненти и техните взаимовръзки с електрическите мрежи, разнообразието от възобновяема енергия, увеличените разстояния между местата за генериране и консумиране на енергия и нивото на интелигентност на включените системи, създадено от Smart продукти и услуги. Други важни фактори са законовата рамка, асоциираното регулиране на пазарно базирани продукти и услуги в сравнение с монополните такива и бизнес ролите на участниците, включени във всички видове мрежи и интелигентни електрически системи.

Един важен въпрос е естеството на взаимодействията между предавателните и разпределителните мрежи. Поради драстично променящата се природа на потребителите в мрежата, генерирането на електрическа енергия става все по-малко контролируемо и консумацията става все по-различна. Затова архитектурата и технологията за предавателните и разпределителните мрежи и техните системни взаимодействия ще трябва да се променят. Законовите рамки трябва да се адаптират съобразно еволюцията на електрическите системи и мрежи. Това означава, че задачите, задълженията и бизнес дейностите на участниците в електрическата система трябва да бъдат ясно дефинирани.

Все по-сложните технически системни ефекти, като масовото въвеждане на разпределено и концентрирано съхранение на енергия, ще са голямо предизвикателство за интерфейсите между мрежовите монополи и конкурентните, пазарно базирани бизнес дейности. Предизвикателствата ще се увеличават в резултат на появата на все повече сгради, консумиращи годишно количество енергия, приблизително равно или по-малко от количеството енергия, което са произвели от възобновяеми източници. Технологиите, предоставени от SmartGrid ще бъдат достатъчни да задоволят търсенето на енергия през нощта, когато фотоволтаичните клетки не произвеждат електричество, и през зимните дни в студените климатични райони, когато не се генерира достатъчно топлина от соларни инсталации на покривите на сградите или термопомпи, както и в интервали (дни или седмици), когато планираната енергия не е налична поради непредвидени ситуации. В допълнение, бъдещите мрежи ще изискват големи количества съхранена енергия, разчитайки на различни технологии, например хидроенергийни технологии в планинските райони и електрохимични технологии при разпределено съхранение. Използването на електромобили или хибридни такива и нуждата от инфраструктура за бавно и бързо зареждане също ще трябва да бъдат обсъдени в детайли.