שימוש בחשמול ואוטומציה כדי ליצור רשתות חשמל נצילות וברות-קיימה יותר – חלק אחד משני חלקים

החלפת מקורות אנרגיה של רשת חשמל מסורתית במקורות אנרגיה ירוקים, ברי-קיימא, נקראת חשמול (Electrification). במאמר זה, חלק ראשון משני חלקים, דנים בחלק מהאתגרים הקשורים בחשמול, יחד עם השאלה כיצד אוטומציה יכולה לסייע בנצילות וקיימות שלו. חלק 2 של‏ סדרה זו ידון במנהיגות באנרגיה ותכנון סביבתי (leadership in energy and environmental design‏ (LEED)) והסמכות מבנה מאופס אנרגיה (zero energy building‏ (ZEB)) וכיצד הן יכולות להקטין פליטות פחמן ולשפר קיימות.

חשמול הוא ההחלפה של מערכות המשתמשות בדלקים פוסיליים כמו דלק, פחם וגז טבעי ליצירת חשמל במערכות פוטו-וולטאיות (PVs) וטכנולוגיות ירוקות אחרות והחלפת כלי רכב עם מנוע בעירה פנימית (ICE) בכלי רכב חשמליים (EVs). מערכות מחושמלות, ועוד השימוש באוטומציה הקושרת את כולן יחד ותומכת ברשתות חשמל חכמות (smart grids) ומיקרוגרידים (microgrids), הם גורמים חשובים המניעים את החברה בכיוון עתיד בר-קיימא וירוק יותר.

רשת החשמל של היום לא תוכננה לטעון מספר גדול של‏ רכבי EV‏, ורשתות חשמל חכמות ומיקרוגרידים צפויים להיות טכנולוגיות קריטיות שתידרשנה לתמוך בהחלפה הנרחבת של רכבי ICE ברכבי EV. בקליפורניה, המושל הוציא לאחרונה צו מנהלי הדורש שעד 2035‏ כל המכירות של מכוניות ומשאיות קלות להסעת נוסעים חדשות יהיו כלי רכב עם אפס-פליטה (רכבי EV‏). מפתחים של רשתות חשמל חכמות ומיקרוגרידים חייבים לעמוד‏ במערך מפחיד של תקנים בינלאומיים כדי להתמודד עם מנדטים מהסוגים האלה. לדוגמה, ל-IEEE‏ יש יותר מ-100 תקנים מאושרים או בפיתוח רלוונטיים לרשתות חשמל חכמות, כולל יותר מ-‏20‏ תקני ה-IEEE‏ המוזכרים במסגרת ה-National Institute of Science and Technology‏ (NIST) ו-Roadmap for Smart Grid Interoperability. נוסף לתקני ה-IEEE‏, מיקרוגרידים נשלטים על ידי סדרת מיקרוגריד IEC 62898 ותקנים אחרים.

מאמר זה ‏הוא הראשון‏ משני חלקים. הוא מסתכל על אתגרים הקשורים למימוש חשמול, אינטגרציה של מקורות אנרגיה מבוזרים (DERs), הדמיון וההבדלים בין רשתות חשמל חכמות למיקרוגרידים, וכיצד אוטומציה משפרת את הנצילות והקיימות שלהם, כולל תמיכה באימוץ האוניברסלי של‏ רכבי EV‏. המאמר מתחיל על ידי חפירה במהות מקורות‏ DER והיכן הם מתאימים ומסיים בהסתכלות על כיצד ההופעה של‏ מיקרוגרידים לאספקת חשמל לציבור (utility microgrids) מטשטשת את ההבחנה בין מיקרוגרידים ורשתות חשמל חכמות. לא משנה מה היישום, DigiKey‏ מספקת מערך רחב של מוצרי אוטומציה תעשייתית התומכים בחשמול ואינטגרציית DER. המאמר השני בוחן כיצד חשמול ואוטומציה יכולים לשמש בבניינים ירוקים כדי להשיג מנהיגות באנרגיה ותכנון סביבתי (Leadership in Energy and Environmental Design‏ (LEED)) והסמכות מבנה מאופס אנרגיה (Zero Energy Building‏ (ZEB)).

מה זה‏ DER‏?

ההגדרה של ה-North American Electric Reliability Corporation‏ (NERC)‏ היא: “‏מקור אנרגיה מבוזר (DER‏) הוא כל מקור על מערכת החלוקה (distribution system) המייצר חשמל ואינו נכלל בהגדרת NERC הפורמלית של ה-Bulk Electric System.”

המונח מערכת חלוקה (distribution system) בצפון אמריקה מתייחס לקווי חשמל הנושאים 34.5 קילו-וולט (kV) או פחות, ובדרך כלל רצים מתחנות-משנה אל משתמשים סופיים. ה-Bulk Power System‏ (BPS) כוללת את הקווים הבאים אל תוך תחנות-המשנה הנושאים לרוב 100‎+ kV‏ למרחקים ארוכים, מחברים מתקני ייצור חשמל בקנה-מידה גדול עם משאבי חברור ותחנות-משנה (איור 1‏).

איור 1‏: מקורות DER‏ קיימים במערכת החלוקה (distribution system) (כחול); מקורות אנרגיה מתחדשים אחרים נמצאים ב-Bulk Power System‏ (BPS) (ירוק). (מקור תמונה: NERC)

מקורות DER‏ הם כל מקור של מערכת שאינה bulk, כולל יחידות יצירת חשמל כמו טורבינות רוח והתקנות פוטו-וולטאיות, יחידות אחסון אנרגיה, מרבית מערכות אחסון אנרגיה מבוססות סוללה (BESS), מטעני סוללת EV — הנקראים גם ציוד שירות רכב חשמלי (EVSE‏) — ומיקרוגרידים. מקורות DER‏ קיימים מאחורי מונה ספק החשמל כמו גם ישירות על מערכת החלוקה (distribution system). מאחורי המונה, מקורות DER‏ כוללים מערכים פוטו-וולטאיים, BESS, רכבי EV מחוברים-לרשת, ועתודות גיבוי של מקורות חשמל כמו התקנות גנרטור דיזל גדולות במרכזי נתונים ומקומות אחרים. מיקרוגריד הוא‏ DER מסוג מסוים‏.

רשתות חשמל חכמות, מיקרוגרידים וחשמול

מיקרוגריד הוא‏ DER‏, אך לא כל מקורות ה-DER‏ הם מיקרוגרידים. מהפרספקטיבה של‏ ה-BPS‏, המונחים מיקרוגריד ו-DER‏ מתייחסים לסוגי ייצור חשמל או משאבי אחסון. המונח רשת חשמל חכמה מתייחס לטכנולוגיות התקשורת והבקרה בהן משתמשת ה-BPS‏ כדי להבטיח עבודה יעילה וגמישה. גורם מבדל נוסף הוא שמיקרוגרידים כוללים משאבי יצירה ואחסון ובנוסף עומסים. רשת חשמל חכמה (smart grid) מורכבת בעיקר מ‏משאבי יצירה, עם אחסון מסוים, אך לא עומסים. רשת החשמל החכמה יכולה לתקשר עם עומסים, אך הם נפרדים מהרשת.

חשמול משפיע על מיקרוגרידים, ה-BPS‏, ורשתות חשמל חכמות בדרכים שונות. ב-BPS‏, חשמול מוסף לרשת‏ קיימת, ואם לא מנוהל כראוי, יכולות להיות לו השלכות תפעוליות שליליות לא מכוונות. כאן נכנסת לתמונה טכנולוגיית רשת החשמל החכמה.

תקשורת ובקרה דו-כיווניות הן המבדלים העיקריים של‏ רשתות חשמל חכמות. מערכות בקרה אלו כוללות חיישנים לניטור היציבות של הרשת ומונים מתקדמים לניטור ביקוש חשמל. הן גם משתמשות במגוון התקני מיתוג חשמל ואיכות חשמל ניתנים לבקרה כדי לנהל זרמי חשמל. החיישנים הם קריטיים כדי לאפשר חדירה גדולה יותר של‏ מקורות אנרגיה מתחדשת (RE) וחשמול אל תוך ה-BPS‏ ולהבטיח יציבות רשת. נוסף לכך, החיישנים והאלמנטים של בקרה תומכים בתגובות מהירות יותר ואפקטיביות יותר להפרעות חשמל ומאפשרים איזון ואבטחת הרשת, במיוחד במהלך תקופות של דרישת שיא ועם זמינות אנרגיה מתחדשת (RE) משתנה. טכנולוגיות רשת חשמל חכמה גם תומכות בתאום ואינטגרציה של‏ מיקרוגרידים עם מערכת החלוקה ו-BPS.

באופן הפוך, מיקרוגריד‏ מתוכנן להתאים לטכנולוגיות חשמול כמו מקורות RE,‏ BESS ורכבי EV‏. מיקרוגרידים ורשתות חשמל חכמות דורשים בקרות אוטומטיות, כולל מערכת ניהול מקור אנרגיה מבוזר‏ (DERM).

מערכות ‏DERM הן‏ חובה

מערכות DERM‏ ואוטומציה מוגדרות וממומשות באופן שונה ברשתות חשמל חכמות ומיקרוגרידים. רשתות חשמל חכמות כוללות מקורות ייצור חשמל מגוונים ומשתמשי החשמל פרושים על פני שטח רחב עם‏ מרכז בקרה מרכזי עבור ניהול רשת (איור 2‏). ניהול רשת הוא עיקרון המפתח עבור בקרת רשת חשמל חכמה ב-BPS. מערכות BPS קיימות‏ תוכננו ונבנו לפני שהיה צורך לתמוך בחשמול, והן יכולות לחוות עבודה לא אמינה ככל שייצור המוזן על ידי דלק-מאובנים הניתן לשילוח (נשלט) מוחלף יותר ויותר על ידי מקורות RE בלתי ניתנים לחיזוי (ולכן פחות נשלטים). נוסף לכך, טעינת מספר גדול של‏ רכבי EV‏ תהיה בעיקר לא ניתנת לשילוח ולא ניתנת לשליטה ישירה על ידי ספק החשמל. הבקרה המרכזית, האוטומטית, המאופשרת על ידי טכנולוגיית רשת חשמל חכמה נחוצה כדי לפצות על העובדה שמקורות ה-RE המשמשות עבור חשמול וטעינת EV אינם ניתנים לחיזוי כמו אלמנטים קונבנציונליים של רשת אספקת החשמל.

איור 2‏:‏ רשת חשמל חכמה מסתמכת על בקרים אוטומטיים ומערכות DERM‏ עבור ניהול רשת זמן-אמת. (מקור תמונה: ETAP‏)

בקרי רשת חשמל חכמה ומיקרוגריד זקוקים למידע מחיישנים שונים כדי לנטר מקורות מחוברים בזמן-אמת. עם ההופעה‏ של רכבי EV‏ ו-EVSE‏, הבקרים משמשים גם לסייע לנהל דרישות חשמל‏ של טעינה, והם יכולים להשתמש בתקשורת רכב-לרשת (V2G‏) כדי לתאם את החיבור של כלי רכב חשמליים לרשת או למיקרוגריד כדי לספק קיבולת אחסון אנרגיה אינקרמנטלית.

בנוסף לניטור המצב של משאבים מחוברים, בקרים עבור מיקרוגרידים מחוברים לרשת מנטרים גם את המצב של רשת אספקת החשמל המקומית. ציוד מיתוג (Switchgear) הוא רכיב חיוני של רשתות חשמל חכמות ומיקרוגרידים ‏והוא חייב להגיב במילי-שניות כדי להבטיח עבודה איתנה. גדלי המתגים (Switchgear) משתנים ממספר קילו-ואט (kW) עבור מיקרוגרידים קטנים עד מגה-וואטים (MW) מרובים עבור מיקרוגרידים גדולים ורשת אספקת החשמל. ציוד המיתוג (Switchgear) והבקר יכולים להיות באותו ארון עבור מיקרוגרידים קטנים, כדי להקטין עלויות ולזרז התקנה. מערכות DERM של רשת חשמל חכמה ומיקרוגריד כוללות מדידה אינטליגנטית ‏של ייצור אנרגיה וצריכת אנרגיה המשמשות ניתוחים מבוססי-ענן כדי למקסם את היתרונות הכלכליים של מקורות DER ולתמוך ברמות גבוהות של גמישות. הארכיטקטורה המדויקת של מערכות‏ DERM‏ יכולה להיות שונה עבור מגוון שונה של מיקרוגרידים.

מגוון מיקרוגרידים

מיקרוגרידים ניתנים לסיווג על פי היישום והארכיטקטורה שלהם. שלוש הארכיטקטורות של מיקרוגריד הן מרוחקת, מרושתת ומחוברת-לרשת-חשמל. מיקרוגרידים מרוחקים נמצאים במקומות כמו איים או פעולות כרייה וחקלאות מרוחקות. הם גם נקראים מיקרוגרידים ‏מחוץ לרשת (off-grid microgrids) והם מופרדים פיזית מכל BPS של אספקת חשמל. הם חייבים להיות עצמאים לחלוטין.

מיקרוגרידים מרושתים או מקוננים (Nested) הם רשתות של‏ מספר מקורות DER או מיקרוגרידים אינדיבידואליים המחוברות למערכת חלוקת חשמל משותפת. בדרך כלל הם מבוקרים על ידי מערכת‏ פיקוח מרכזית המאזנת את הצרכים של פעולת המיקרוגריד עם תמיכה ברשת אספקת החשמל לציבור הרחבה יותר. הבקר מקצה בדרך כלל היררכיה של חשיבות למיקרוגרידים ולמקורות ה-DER‏ כדי להבטיח שהאלמנטים הקריטיים ביותר מוגנים. יישומים של מיקרוגרידים מרושתים כוללים מיקרוגרידים קהילתיים, ערים חכמות והקטגוריה העולה של מיקרוגרידים של מערכת אספקת חשמל לציבור.

מיקרוגרידים מרושתים הם תת-קטגוריה של‏ מיקרוגרידים מחוברים לרשת החשמל. כל המיקרוגרידים המחוברים לרשת החשמל מחוברים פיזית לרשת החלוקה ויש להם התקן מיתוג בנקודת הצימוד המשותף (point of common coupling‏ (PCC)) היכן שהחיבור לרשת החלוקה מתרחש. במהלך עבודה נורמלית, מיקרוגריד מחובר-רשת מחובר לרשת החלוקה. הוא יכול לספק שירותים לרשת, כמו ויסות תדר ומתח, תמיכה בצריכת חשמל אמיתית וריאקטיבית, ולדרוש תגובה כדי להקל על מגבלות קיבולת.

המיקרוגריד אינו מחובר לרשת החלוקה לציבור ב‏עבודת אי. עבודת אי יכולה להתרחש בגלל‏ שיבוש ברשת החלוקה או לצרכים אחרים כמו תחזוקה. כשעוברים מעבודת אי לעבודה מחוברת-לרשת-החשמל, מיקרוגרידים אלה חייבים לחוש את תדר החלוקה ולסנכרן עבודה לפני חיבור מחדש.

ישנם מספר יישומי מיקרוגריד, כולל קמפוסים, בתי-חולים ומרכזים רפואיים, מתקנים מסחריים, קהילות ומתקני תעשייה. קטגוריית היישום החדשה ביותר היא מיקרוגרידים של אספקת חשמל לציבור (utility microgrids) (איור 3‏).

איור 3‏: מיקרוגרידים מקוטלגים לעיתים קרובות על פי היישום שלהם. (מקור תמונה: Siemens‏)

טשטוש הקו

נפרסים מיקרוגרידים של אספקת חשמל לציבור המטשטשים את הקו בין רשתות חשמל חכמות ומיקרוגרידים. בתהליך, ההגדרה של DER משתנה ממקור אנרגיה מבוזר למקור אנרגיה ייעודי. מיקרוגרידים של אספקת חשמל לציבור מתוכננים להפחית הפסקות חשמל בשל ארועי מזג-אוויר קיצוניים, שרפות ואתגרים בלתי צפויים אחרים. עם ארכיטקטורות רשת קווי חשמל קיימות, חלקים גדולים של הרשת מנותקים מאנרגיה לבטיחות במהלך אירועים קיצוניים.

השפעה חשובה ומצערת של הפסקות חשמל נרחבות ובלתי מתוכננות אלו היא רתיעה משימוש ברכבי EV‏. מיקרוגרידים של אספקת חשמל לציבור נתפסים כמפתח לאימוץ נרחב של רכבי EV. מיקרוגרידים של אספקת חשמל לציבור מוצעים ונפרסים ברחבי ארה"ב, לדוגמה, Southern California Edison‏ (SCE) הציעה את הפיתוח של מיקרוגרידים ‏למצב ניתוק חשמל לבטיחות הציבור (Public Safety Power Shutoff Microgrids) כדי לעזור לשמר זמינות חשמל באופן נרחב ככל האפשר בזמן שרפות. כלי עזר אחרים מתייחסים לארכיטקטורת הרשת החדשה כמיקרוגרידים קהילתיים (איור 4‏).

איור 4: מיקרוגרידים של אספקת חשמל לציבור יכולים לכלול מגוון רחב של נכסים מפוזרים באזורים נרחבים ולטשטש את הקו בין מיקרוגרידים מסורתיים ורשתות חשמל חכמות. (מקור תמונה: Edison International)

יכולת המיקרוגידים לאספקת חשמל לציבור לעבוד כאי היא מפתח לשיפור זמינות חשמל ‏ברמה פרטנית יותר ממה שמתאפשר כיום. הוא צפוי להיות פרוס בתחום רחב של גדלי מיקרוגריד, מקהילות מגורים שלמות עד מקומות ציבוריים, כולל בתי ספר ומקומות אסטרטגיים אחרים כמו תחנות מכבי אש, מרכזים רפואיים ומרכזי פינוי. התקנות EVSE‏ הן חלק קריטי בתכנון של מרבית המיקרוגרידים האלה של קהילה.‏ כמצופה, ה-EVSE‏ יתמוך בחיבור הרשת של רכבי EV כמקורות נוספים של חשמל גיבוי כמו גם עבור טעינת EV

סיכום

חשמול הוא חיוני כדי להבטיח רשתות חשמל ברות-קיימה יותר ולהפחית פליטות CO₂. טכנולוגיות חשמול רבות כמו אנרגיית PV ורכבי EV אינן ניתנות לחיזוי כמו המקורות המסורתיים אותם הם מחליפים. זה אומר שחשמול חייב להיות נתמך ברשתות חיישן מתקדמות ומערכות בקרה אוטומטיות ברשתות חשמל חכמות ומיקרוגרידים.