כיצד מיקרוגרידים ו-DERs יכולים למקסם את הקיימות ויכולת ההתאוששות במתקנים תעשייתיים ומסחריים

משאבי אנרגיה מבוזרים (DERs‏) כמו אנרגיה סולארית, אנרגיית רוח, חום וחשמל משולבים (CHP‏), מערכות אחסון אנרגיה בסוללות (BESS), ואפילו גנרטורים קונבנציונליים, יכולים לתרום משמעותית לשיפור הקיימות וכושר ההתאוששות במתקנים מסחריים ותעשייתיים, במיוחד כשהם משולבים לתוך מיקרוגריד באמצעות מערכת בקרה אוטומטית לתאום וניהול חכמים של ייצור, הולכה, אחסון וצריכת אנרגיה.

כדי למקסם את היתרונות הסביבתיים והכלכליים של מיקרוגריד, הבקר חייב לאזן את הפעולה והשילוב של DERs בזמן-אמת, לנהל עומסים חכמים כמו תאורה, ונטילציית חימום ומיזוג אוויר (HVAC), טעינת רכבים חשמליים (EV) ומתקני טכנולוגיית מידע, להשתמש בנתוני ביקוש היסטוריים כדי לחזות פרופילי עומס עתידיים, לספק חיבורים בטוחים ויעילים לרשת החשמל הציבורית ולספק תמיכה עבור פונקציות הענות ביקוש עם נתוני תמחור אנרגיה בזמן-אמת.

מאמר זה סוקר את הארכיטקטורות והאלמנטים המרכיבים מיקרוגריד, מציג סקירה כללית של IEEE 1547‏, שקובע את הדרישות עבור חיבור בין DERs, ו-IEEE 2030‏ המספק תהליך טכני מקיף עבור תאור הפונקציות של בקר מיקרוגריד, לאחר מכן דן כיצד בקרי מיקרוגריד יכולים לשפר את הקיימות, החוסן והיתרונות הכלכליים, ומסיים עם סקירה קצרה של נושאי אבטחת סייבר עבור רשתות מיקרוגריד.

מה נדרש כדי להקים מיקרוגריד?

רשתות מיקרוגריד הן מגוונות במימושים וברכיבים שלהן. כדי לדון כיצד מיקרוגרידים ו-DERs יכולים למקסם את הקיימות והחוסן, עדיף להתחיל עם הגדרה וכמה דוגמאות של רכיבים וארכיטקטורות של מיקרוגרידים. ה-U.S. Department of Energy‏ (DOE) מגדירה מיקרוגריד כקבוצה של עומסים ומשאבי אנרגיה מבוזרים מחוברים בתוך גבולות חשמליים מוגדרים היטב הפועלים כישות אחת הניתנת לבקרה ביחס לרשת. רשת מיקרוגריד יכולה להתחבר ולהתנתק מרשת החשמל הציבורית כדי לאפשר לה לפעול באופן מחובר-רשת או ב"אופן אי (island-mode‏)".

בעוד שההגדרה של מיקרוגריד היא פשוטה, יש מגוון של קטגוריות מיקרוגריד, אופני פעולה ותת-מערכות אפשריות לבחירה בעת בניית מיקרוגריד, ומימוש הקיימות והחוסן המקסימליים של המיקרוגריד כרוך בבחירות רבות של ארכיטקטורה ופעולה. אוטומציה היא שיקול חשוב. דוגמאות של תת-מערכות אוטומטיות כוללות (איור 1):

• יצירה בתוך המיקרוגריד, כולל מגוון רחב של DERs ו-CHP
• רשתות פילוג הספקת-כוח
• BESS‏
• עומסים כמו מערכות HVAC ומכונות ומנועים במתקנים תעשייתיים
• ניהול טעינת רכבים חשמליים וחיבורי רכב-לרשת-החשמל (V2G‏)
• בקרים וציוד מיתוג Switchgear של מיקרוגריד
• חיברורי רשת החשמל הציבורית עבור התקנות מחוברות-רשת-חשמל

איור 1‏: רשתות מיקרוגריד יכולות לכלול DERs‏, CHP‏ ועומסים שונים. (מקור התמונה: Schneider Electric‏)

קטגוריות מיקרוגריד

רשתות מיקרוגריד ניתנות לסיווג לפי היותן מחוברות-לרשת-החשמל הציבורית או היותן מחוץ לרשת-החשמל (Off-Grid‏):

Off-Grid‏ מפעלי הם הקטגוריה הנפוצה ביותר. מקרי השימוש כוללים אזורים מרוחקים שאינם מקבלים שירות מרשת החשמל הציבורית המסחרית, כמו מכרות, אתרי תעשייה, בתים בהרים ובסיסי צבא.

Off-Grid‏ קהילתי ניתן גם כן למצוא במקומות מרוחקים. מקרי השימוש כוללים קהילות, כפרים ואיים מרוחקים. בעוד רשתות מיקרוגריד מפעליות מבוקרות על ידי ישות אחת, רשתות מיקרוגריד קהילתיות חייבות לתת מענה לצרכים של קבוצות שונות של משתמשים. הן עשויות לדרוש מערכות שליטה ובקרה מורכבות יותר.

למפעלים המחוברים לרשת החשמל הציבורית יש בעלים אחד והם משמשים לשיפור האמינות באזורים בהם רשת החשמל הראשית אינה אמינה ואספקת חשמל היא חיונית, או במקרים בהם יש תמריצים כלכליים לעומסים ניתנים להזנה ממקורות אספקה שונים (sheddable loads) ושירותים אחרים מהבעלים של המיקרוגריד. מקרי השימוש יכולים לכלול בתי חולים, מרכזי נתונים, מפעלי ייצור עם תהליכים שלא ניתן להפסיקם, ובניינים אחרים המחייבים זמינות גבוהה.

בקהילות המחוברות לרשת החשמל הציבורית יש צרכני אנרגיה רבים ומספר יצרני אנרגיה המחוברים לרשת החשמל הראשית ומנוהלים כישות אחת. מקרי השימוש כוללים קמפוסים עסקיים או אוניברסיטאיים, כפרים וערים קטנות. אלה יכולים להיות בעלי מגוון של צרכני אנרגיה, יצרנים ומתקני אחסון ועשויים להיות המורכבים ביותר לבקרה.

לעיתים רשתות מיקרוגריד הן איים

בנוסף לדיון על הרכיבים של מיקרוגריד, הגדרת ה-DOE מתייחסת לפעולת מיקרוגריד בשני האופנים, "מחובר לרשת החשמל ואי". ההגדרות של אופני פעולה אלה הן פשוטות, אך המימוש הוא מורכב יותר ומטופל במספר תקני IEEE.

IEEE 1547-2018‏, תקן לחיברור משאבים מבוזרים עם מערכות הספק חשמלי, מפרט דרישות טכניות לחיברור ופעולה-הדדית של DERs עם רשת החשמל. IEEE 1547 הוא תקן מתפתח. גרסאות מוקדמות של IEEE 1547 תוכננו עבור רמות חדירת DER‏ נמוכות ולא הביאו בחשבון את ההשפעה האזורית המצרפית הפוטנציאלית של DERs על מערכת החשמל הגולמית. IEEE 1547-2018 הוסיף דרישות מחמירות יותר לגבי ייצוב המתח והתדר ויכולת ה-Ride-Through‏ כדי לסייע לאמינות מערכת התמסורת. אחר כך נוסף תיקון 1547a-2020‏ כדי להתאים לביצועי פעולה לא-רגילים.

IEEE 2030.74 מתאר את הפונקציות של בקר מיקרוגריד במונחים של שני אופני פעולה מצב יציב (SS) וארבעה סוגי מעבר (T) (איור 2):

• SS1, מצב-יציב של חיבור לרשת-החשמל, בו המיקרוגריד מחובר לרשת החשמל הציבורית. הבקר יכול להשתמש ברכיבים במיקרוגריד כדי לספק שירותים כמו "גילוח" שיא, ייצוב תדר, תמיכה בצריכת חשמל תגובתית וניהול שינויי אספקה לרשת החשמל (ramp management).
• SS2, מצב אי (Island‏) יציב או “islanding” הוא כשהמיקרוגריד מנותק מרשת החשמל הציבורית ופועל בנפרד. הבקר נדרש לאזן בין העומסים לבין שירותי ייצור החשמל ואחסון האנרגיה של מיקרוגריד כדי לשמור על תפקוד יציב של מיקרוגריד.
• T1, מתייחס למעבר מתוכנן מאופן מחובר-לרשת-החשמל לאופן Island‏ מצב-יציב. אפילו כאשר רשת החשמל הציבורית זמינה, עשויים להיות תמריצים כלכליים או תפעוליים לעבור לאופן Island‏. בנוסף, אופן פעולה זה יכול לתמוך בבדיקה של תפקוד מיקרוגריד.
• T2, מתייחס למעבר לא-מתוכנן מאופן מחובר-לרשת-החשמל לאופן Island‏ מצב-יציב. זה מקביל לפעולה של ספק-כוח אל-פסק (UPS) במרכז נתונים, והוא משמש לעתים קרובות כאשר רשת החשמל הראשית נופלת. רשת מיקרוגריד מתנתקת בצורה חלקה ופועלת כרשת הספקת חשמל עצמאית.
• T3‏, מתייחס לחיבור-מחדש של Island‏ מצב-יציב לרשת החשמל הציבורית. זהו הליך טכני מורכב עם גנרטור 'יוצר רשת-חשמל' על המיקרוגריד, שחש את התדר וזווית הפאזה של אספקת הרשת ומתאים במדויק את המיקרוגריד לרשת הראשית לפני חיבור-מחדש.
• T4‏, הוא אתחול "שחור" לאופן Island‏ מצב-יציב. במקרה זה, רשת המיקרוגריד נפלה ויש לבודד אותה מרשת החשמל הציבורית ולהפעילה מחדש באופן Island‏. מצב זה עלול להתרחש בגלל נפילה בלתי-צפויה של הרשת שאיתה בקר המיקרוגריד לא יכול להתמודד באמצעות מעבר יציב T2, או שזה עשוי להיות נחוץ אם ל-Island‏ אין מספיק רזרבות ייצור או אחסון אנרגיה כדי להמשיך לספק את כל העומסים, ועליו לכבות את כל העומסים הלא-חיוניים לפני חיבור הגנרטור לרשת. בנוסף, כל BESS על המיקרוגריד חייב להיות לפחות טעון חלקית לפני חיבורו-מחדש.

איור 2: IEEE 2030.74 דורש בקרי מיקרוגריד כדי לטפל בשני מצבי מצב-יציב וארבעה סוגי מעבר בין מצבים אלה. (מקור תמונה: National Rural Electric Cooperative Association)

מימוש מיקרוגרידים

ישנם צירופים רבים של DERs ועומסים כמעט כמו מיקרוגרידים, אך בקרים אוטומטיים וציוד מיתוג הם אלמנטים נפוצים. ברשתות מיקרוגריד גדולות כמו זו המוצגת באיור 1 לעיל, הן מופרדות לעתים קרובות לחדר בקרה מרכזי, ציוד מיתוג Switchgear מבוזר עבור DERs ועומסים, ועבור תכנים מחוברים-לרשת-החשמל, תחנת משנה המשמשת כממתג Switchgear בין מיקרוגריד לבין רשת החשמל הציבורית.

בקרי המיקרוגריד זקוקים למידע, וכדי למקסם את כושר ההתאוששות והקיימות, הם צריכים להיות מהירים. הבקרים משתמשים ברשת של חיישנים כדי לנטר את התפקוד של ה-DERs ועומסים בזמן-אמת. עבור רשתות מיקרוגריד המחוברות-לרשת-החשמל הציבורית, הבקר מנטר גם את הסטטוס של רשת החשמל הציבורית המקומית. במקרה של אנומליות כלשהי, הבקר מגיב בתוך מילי-שניות ושולח פקודה ל-DER, לעומס או לציוד המיתוג המשויכים.

גדלי ציוד המיתוג הוא מקילוואטים בודדים ועד למגה-וואטים רבים, והוא צריך להגיב לדרישות הבקר בתוך מספר מילי-שניות או להסתכן במצב תקלה חמור. ממתגי Switchgear מסוימים כוללים מפסקי זרם חכמים הפועלים אוטונומית כדי לספק שכבה נוספת של הגנה.

עבור התקנות קטנות יותר, ניתן לשלב את הבקר וציוד המיתוג לכדי יחידת ציוד אחת, המכונה לפעמים מרכז בקרת אנרגיה (ECC). קיימים ECCs‏ שהם מחווטים-מראש, מורכבים ונבדקו במפעל. ה-ECCs מפשטים ומאיצים את ההתקנה של מיקרוגרידים והם יכולים לנהל מספר מקורות אנרגיה, כולל הספקת-כוח מרשת החשמל ו-DERs עם עומסים בעדיפויות שונות. לדוגמה, Schneider Electric מציעה את קו המוצרים ECC 1600 / 2500 של ציוד ECC עבור מיקרוגרידים בקנה-מידה של בניין. כמה מהמאפיינים של קו ECC 1600 / 2500 כוללים:

• הגדרת-תצורה לפי הזמנה עם דירוגי הספק מ-100 עד 750 קילוואט וניתן לבצע אופטימיזציה עבור בניינים קיימים או חדשים
• פעולה עם מספר DERs כמו PV,‏ BESS, רוח, גז וגנרטורים דיזל
• הבקר מעניק יכולת התאוששות בזמן נפילת הרשת, כולל שימוש ב-PV עם משאב עוגן כגון גנרטור אופן-המתנה או BESS
• מדידה חכמה אוטומטית מעניקה תובנות לגבי איכות הספקת החשמל, צריכת האנרגיה וייצור DER
• ציוד מיתוג עם אפיק פילוג הספקת-כוח של 1,600 עד 2,500 אמפר
• ניתוח מבוסס-ענן כדי למקסם את יכולת ההתאוששות ואת החזר ההשקעה מ-DERs

איור 3‏: ECCs משלבים את בקר המיקרוגריד (שמאל) וממתג Switchgear (ימין) לתוך יחידת ציוד אחת. (מקור התמונה: Schneider Electric‏)

אנרגיה בטוחה ומאובטחת

בטיחות סייבר היא היבט חשוב של בטיחות אנרגיה ויכולת ההתאוששות. סוכנות האנרגיה הבינלאומית (IEA‏) מגדירה בטיחות אנרגיה כ"זמינות תמידית של מקורות אנרגיה במחיר סביר"‏. רשתות מיקרוגריד יכולות לתרום משמעותית להבטחת אספקת אנרגיה זולה, מאובטחת ועם יכולת התאוששות.

התקשורת היא מרכיב חיוני של מיקרוגרידים. המשמעות היא תקשורת לענן, עם חיבור אפשרי לרשת החשמל הציבורית המקומית, כדי למטב את הביצועים. בנוסף, ה-DERs והעומסים השונים המהווים רשת מיקרוגריד טיפוסית מגיעים מיצרנים שונים ומשתמשים בטכנולוגיות ופרוטוקולי תקשורת הטרוגניים. חיבוריות אינטרנט וטכנולוגיות אלחוט כמו Wi-Fi נמצאות כמעט בכל מיקרוגריד ויכולות להיות חיוניות עבור תועלת מקסימלית. הם גם תומכים בפונקציות עזר כמו איסוף תחזיות מזג אוויר ומחירי דלק ואנרגיה בזמן-אמת.

הבטחת אבטחת סייבר היא מורכבת. בנוסף לחומרה מאובטחת, נדרשים מדיניות, נהלים ואנשים לטפל בפרצות סייבר, העלולות לאפשר לתוקפים לגשת לרשתות ונתונים רגישים ואפילו לתפעל תוכנות בקרה וכתוצאה מכך לפעולת מיקרוגריד פגומה. טרוריסטים הם רק דאגה אחת; יש גם מתחרים או עובדים חסרי מצפון שיש להביא בחשבון. יכולות להתרחש שגיאות מפעיל, לרשתות יכולות להיות פרצות לא ידועות עקב תוכנה מיושנת, וכן הלאה (איור 4). אבטחת סייבר לא יכולה להיות מחשבה לאחר מעשה. היא חייבת להיות מתוכננת מלכתחילה עבור כל ההיבטים של החומרה, התוכנה והתהליכים של מיקרוגריד כדי להיות יעילה.

איור 4: פגיעות מבני אדם, תהליכים וחורים באבטחה פיזית עלולים להציג ווקטורים של תקיפת מיקרוגריד. (מקור התמונה: Schneider Electric‏)

סיכום

רשתות מיקרוגריד משלבות מספר רב של DERs ועומסים לתוך מערכת אחת כדי למקסם את הקיימות ויכולת ההתאוששות של הספקת האנרגיה. מספר ארכיטקטורות מיקרוגריד ניתנות לשימוש כדי לתמוך בצורכי אנרגיה וחיבוריות ספציפיים. המספר ההולך וגדל של מיקרוגרידים והחדירה הגוברת של DERs הביאו להתפתחויות בתקן החיברורים IEEE 1547 הדוחפות להתמקדות מוגברת באבטחת סייבר של מיקרוגריד.