השימוש בחשמל ואוטומציה ליצירת רשתות חשמל יותר יעילות וברות-קיימא - חלק 2 מתוך 2

החלפת מקורות אנרגיה של רשת חשמל מסורתית במקורות אנרגיה ירוקים ברי-קיימא נקראת חשמול (Electrification‏). בפרק 1 של סדרה זו, ידונו כמה מהאתגרים הקשורים לחשמול, ביחד עם האופן שבו אוטומציה יכולה לסייע לנצילות ולקיימות. מאמר זה, פרק 2 מתוך 2, ידון במנהיגות בתכנון אנרגיה וסביבה (LEED) ובהרשאות בניינים מאופסי-אנרגיה (ZEB) וכיצד הם יכולים להפחית את פליטות הפחמן ולשפר את הקיימות.

הרשאות מנהיגות בתכנון אנרגיה וסביבה (LEED‏) ובניינים עם אפס-אנרגיה (ZEB‏) מייצגות מאמצים משמעותיים התומכים ברצון החברה האנושית להפחית את פליטת הפחמן ולשפר את הקיימות. השגת הרשאות LEED ו-ZEB דורשת גישה הוליסטית המשלבת חשמול המחליף מערכות אנרגיה מבוססות דלקים מאובנים עם חלופות ירוקות כמו התקנים פוטו-וולטאיים (PV) ורכבים חשמליים (EVs) עם מערכות אוטומציה ובקרה מתקדמות.

תוכנית LEED של המועצה לבנייה ירוקה של ארה"ב (USGBC‏) כוללת הסרת פחמן ממבנים קיימים ומבנייה חדשה. מאמצי ZEB מתואמים על ידי המשרד לנצילות אנרגיה ואנרגיה מתחדשת (EERE‏) של משרד האנרגיה של ארה"ב. השגת הרשאות LEED ו-ZEB מחייבת אדריכלים וקבלנים לנקוט בגישות חדשות לאופן שבו מבנים מתוכננים, נבנים ומתופעלים. בהשוואה ל-ZEB, המתמקדת אך ורק בצריכת אנרגיה, LEED הוא מושג רחב יותר שמתייחס לפחמן, אנרגיה, מים, פסולת, תחבורה, חומרים, בריאות ואיכות סביבת פנים.

השני מתוך סדרה של שני מאמרים בנושא חשמול וקיימות מתחיל בהסתכלות על רמות ההרשאה של LEED ו-ZEB ומה נדרש כדי לקבל את ההרשאות הללו עבור מבנים מסחריים ותעשייתיים, כולל השוואה של מספר הגדרות של ZEB. לאחר מכן הוא מפרט דוגמה לאופן שבו Phoenix Contact‏ השתמשה באוטומציה וייצור חשמל PV בתוך האתר כדי להשיג הרשאת LEED Silver ו-ZEB עבור תוספת של 70,000 רגל מרובע בקמפוס הראשי שלה, כולל כיצד חלק מהמוצרים של החברה עצמה תרמו להצלחה של הפרויקט (איור 1). המאמר מסיים במבט קצר כיצד בנייני LEED יכולים לתרום ליעדי הפיתוח בר-קיימא של האו"ם.

איור 1: ייצור PV על הגג היה גורם מפתח שאיפשר למתקן זה של Phoenix Contact להשיג הרשאות LEED Silver ו-ZEB. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

LEED היא הוליסטית

LEED היא מערכת מקיפה הכוללת את כל האלמנטים הדרושים ליצירת מבנים בעלי ביצועים גבוהים. הרשאות LEED מבוססות על זיכויים או נקודות שהוענקו לפרויקט תוך שימוש בקריטריוני ביצועים מפורטים. קטגוריות הביצועים וחשיבותן היחסית (מהחשוב ביותר לחשוב פחות) הן ^1‏:

• הפחתת התרומה לשינוי האקלים העולמי.
• שיפור בריאות בני האדם.
• הגנה והשבה של משאבי מים.
• הגנה ושיפור המגוון הביולוגי ושירותי אקוסיסטם.
• קידום מחזורי חומרים ברי קיימא ומתחדשים.
• שיפור איכות החיים בקהילה.

הקריטריונים החיוניים ביותר, הפחתת התרומה לשינוי האקלים העולמי, מהווים 35% מכלל הנקודות. הרמות של הרשאות LEED כוללות מורשים (40-49 נקודות), כסף (50-59 נקודות), זהב (60-79 נקודות) ופלטינה (80+ נקודות).

בגרסה החדשה ביותר של LEED‏, v4.1, רוב הנקודות קשורות לפחמן תפעולי וגלום. פחמן תפעולי הוא פליטת הפחמן הדו-חמצני (CO₂) הנוצר על ידי חימום, אוורור ומיזוג אוויר (HVAC), תאורה ומערכות בניינים צורכות-אנרגיה אחרות. פליטות פחמן גלומות הן פליטות הקשורות לייצור של חומרי בניין ותהליכי בניית בניין לאורך כל מחזור החיים של הבניין.

הרשאת LEED חשובה ליצירת חברה ירוקה יותר. בניינים מהווים 39% מפליטת _2‏CO‏ העולמית, עם 28% מפעולות בנייה ו-11% מפליטות גלומות (איור 2). מכיוון שסקטור הבניינים הוא התורם המשמעותי ביותר לפליטת _2‏CO‏ העולמית, פותחו גם תוכניות מיוחדות לעידוד פיתוח בניינים מאופסי-אנרגיה.

איור 2: פעולות בניינים בתוספת חומרים ובנייה הם תורמים עיקריים לייצור _2‏CO‏ עולמי. (מקור תמונה: המכון לבניינים חדשים)

הגדרת האפס

אפס-אנרגיה נראה כמו מושג פשוט, אך יש לו כמה הגדרות. שלושת המצוטטות ביותר הן תכנית Zero Energy‏ LEED‏, תכנית אפס-אנרגיה של המכון הבינלאומי לעתיד החיים (ILFI‏), ומסגרת-העבודה לרכש אנרגיה מתחדשת קוד אפס - יוזמה של ארגון ארכיטקטורה 2030 שאומצה כתקן האנרגיה לבניינים בקליפורניה. ישנם הבדלים משמעותיים איך מגדירים "אפס".

כדי להשיג הרשאת Zero Energy‏ LEED‏, בניין חייב להיות בעל מאזן אנרגיה של אפס במשך 12 חודשים, כולל ייצור בתוך-האתר ואנרגיה שנוצרת ממקור חיצוני. בעירת דלקים פוסיליים בתוך-האתר אינה אסורה. צריכת האנרגיה הכוללת חייבת להיות מורכבת מאנרגיה מתחדשת המיוצרת בתוך-האתר או מבחוץ או קיזוז פחמן.

הרשאת Zero Energy‏ ILFI‏ היא התקן המגביל ביותר. זה דורש מקורות מתחדשים בתוך-האתר כדי לספק 100% מצורכי האנרגיה של הבניין. בעירה אינה מותרת, וההרשאה מבוססת על ביצועים בפועל; מודלים בלבד אינם מותרים.

קוד אפס מיועד במיוחד לבנייני מגורים חדשים מסחריים, מוסדיים ובנייני מגורים בינוניים עד גבוהים. הוא מגדיר בניין מאופס-פחמן כבניין שאינו משתמש בדלקים פוסיליים בתוך-האתר ומייצר באתר או רוכש מספיק אנרגיה מתחדשת נטולת-פחמן או זיכויי פחמן כדי לענות על צורכי האנרגיה התפעולית של הבניין. קוד אפס מחייב גם שבניינים יעמדו בתקן ASHRAE 90.1-2019 של יעילות הבנייה. קוד אפס מאפשר החלפה של תקני נצילות אנרגטית אחרים אם הם מביאים לנצילות אנרגטית שווה או גדולה יותר.

LEED כדוגמה

Phoenix Contact‏ התקינה לאחרונה מערכת PV של 961 קילוואט (kW) על גג המרכז הלוגיסטי בקמפוס הראשי של החברה בארה"ב. המערכת מייצרת מספיק חשמל כדי לספק כ-30% מצורכי האנרגיה של המתקן, או צריכת אנרגיה שוות-ערך ל-160 בתים בשנה. הבניין זכה בהרשאות LEED Silver‏ ו-Zero Energy‏.

מערכת הקוגנרציה של מיקרו-טורבינה MW‏ 1‏ שבתוך-האתר המופעלת בגז טבעי שולבה עם מערכת PV. מערכת בקרת האנרגיה המרכזית מנטרת את תפוקת ה-PV של המפעל ואת צריכת האנרגיה של הבניין בזמן-אמת. גנרטור המיקרו-טורבינה משמש כאשר דרישת האנרגיה הכוללת עולה על התפוקה של מערכת ה-PV. ישנם מקרים שבהם מערכת ה-PV והמיקרו-טורבינה משמשים יחד כדי לספק חשמל נטו לרשת לפי מדידה, ויוצרים הכנסה לחברה.

המערכת תוכננה להפחית את צריכת הגז הטבעי בשעות היום ולהפעיל את גנרטור המיקרו-טורבינה בעיקר בלילה, למקסם את היעילות האנרגטית הכוללת ולמזער ייצור _2‏CO‏ הכולל. בימים מסוימים ניתן להפחית את צריכת הגז הטבעי לכמעט אפס. כמה נתונים סטטיסטיים של מערכת ה-PV כוללים:

• 2,185 פאנלים סולאריים
• 1,214,235 קילוואט מיוצר בשנה
• הפחתת טביעת הרגל של ה-_2‏CO‏ ב-1,939,279 פאונד

ניטור ובקרה רצופים של מקטעים בודדים של מערכת PV במתקנים גדולים כמו זה נחוצים כדי להשיג נצילות וזמינות מקסימליות של ייצור חשמל.

אוטומציה זקוקה לנתונים מניעי-פעולה

אוטומציה ובקרה אפקטיביות עבור מערכות חשמול כמו התקנות PV דורשות נתונים נרחבים ומניעי-פעולה. ניטור בזמן-אמת של כל מחרוזת פאנלי PV ממקסם את הייצור ותומך בתחזוקה מונעת. אם מחרוזת תחדל לפעול באופן בלתי צפוי, היא עלולה לאבד אלפי קילוואט של חשמל עם הפסדים כספיים בהתאם.

מערכת PV‏ של kW‏ 961 בקמפוס הראשי של Phoenix Contact‏ בארה"ב כוללת שנים עשר מהפכים עם שש מחרוזות של פאנלי PV המזינים כל מהפך, והיא משלבת כמה ממוצרי החברה, החל במוני אנרגיה של הדור-השני EMpro‏ כגון 2908286 בהרכבה על הפאנל. מונים אלו נועדו למדוד ולהעביר פרמטרי אנרגיה מרכזיים לפלטפורמות מבוססות ענן התומכות בניטור מרחוק של כל מרכיבי המערכת. מוני אנרגיה EMpro זמינים עבור תכנים שונים של מערכות חשמל, כולל התקנות ותצורות חד, דו ותלת פאזיות. המערכת מנטרת מספר רכיבי מערכת ותנאי פעולה בזמן-אמת, כולל:

• המהפכים מנוטרים בנפרד עבור הספק כניסה DC, הספק יציאה AC, הספק אקטיבי וראקטיבי, תקלות וסטטוס פעולה.
• כל מחרוזת PV מנוטרת עבור יציאות זרם ומתח. נתונים אלה מוערכים כדי לקבוע את תקינות המחרוזת וצורכי תחזוקה אפשריים.
• טמפרטורות הפאנל מנוטרות באמצעות מספר חיישנים הפזורים על פני ההתקנה.
• תנאי מזג אוויר כמו מהירות וכיוון הרוח, טמפרטורה, לחות יחסית ולחץ אוויר נרשמים.
• קרינת השמש נמדדת עם שני פיראנומטרים, אחד בזווית של 10 מעלות התואמת לזווית ההתקנה של הפאנלים והשני מותקן אופקית.
• חיישני זיהום מודדים את הפסדי האור הנגרמים על ידי אבק ולכלוך על פני פאנלי ה-PV.
• מצלמות מספקות ניטור אבטחה של המערכת.

המערכת זקוקה גם לרשמי נתונים וממשקים. לדוגמה, מודולי האלחוט Radioline של החברה, כגון דגם 2901541, מתקשרים אלחוטית עם חיישני הטמפרטורה והזיהום של מודולי ה-PV באמצעות פרוטוקול RS-485 ללא כבלים. במקרים אחרים, הספקת-כוח על Ethernet‏ (PoE‏) משמשת להעברת הספק ונתונים בו-זמנית. ניתן לספק הגנה מפני חדירה על ידי נתבי אבטחה סדרת FL mGuard 1000‏, כגון דגם 1153079, המספקים אבטחת Firewall‏ וניהול משתמשים.

כדי לחבר הכול ביחד דרוש בקר כגון דגם 1069208 של Phoenix Contact בהרכבה על מסילת DIN‏ המבוסס על טכנולוגיית PLCnext‏ של החברה (איור 3). בשילוב עם מודול כניסה/יציאה (I/O) כגון דגם 2702783, הבקר אוסף נתונים מרשת החיישנים ומשדר אותם לספק שירותי ענן. בנוסף, מחשב אישי (PC) תעשייתי מריץ את תוכנת Solarworx‏ של Phoenix Contact. כלי התוכנה והספריות הכלולים תומכים בפרוטוקולי ובתקני תקשורת שהתעשייה הסולארית מאמצת. המערכת מאפשרת אוטומציה והדמייה מותאמים-במיוחד של פעולת מערכת ה-PV, והיא תואמת לחבילות תוכנה של צד שלישי היכולות לנתח נתונים היסטוריים ובזמן-אמת לצורך מיטוב הביצועים. הספריות כוללות בלוקים פונקציונליים העומדים בדרישות של תקן IEC 61131‏ עבור בקרים ניתנים-לתכנות.

איור 3‏: בקר בהרכבה על מסילת DIN המתאים עבור מערכות פוטו-וולטאיות (PV) גדולות. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

בקרת הזנה-פנימה היא החלק האחרון בפאזל החשמול עבור שילוב משאבי אנרגיה מבוזרים (DERs) כמו מערכי PV עם רשת החשמל. בקרי PGS‏ של Phoenix Contact יכולים לנטר את רמות המתח וההספק הראקטיבי בנקודות החיבור לרשת ולקבוע את ערכי הבקרה הנדרשים עבור המהפכים כדי לתמוך בניהול הזנה-פנימה של חשמל לרשתות במתח בינוני וגבוה.

LEED ופיתוח בר-קיימא

האו"ם (UN‏) זיהה 17 יעדי פיתוח בר-קיימא ^2‏ (SDGs‏) שנועדו לשים קץ לעוני העולמי עד 2030. לפי ה-USGBC, החשמול והאוטומציה האינהרנטיים בבנייני LEED יכולים לתרום לעמידה ב-11 מתוך 17 SDGs, כולל:

יעד 3: בריאות טובה ורווחה

יעד 6: מים נקיים ותברואה

יעד 7: אנרגיה זולה ונקייה

יעד 8: קידום צמיחה כלכלית מתמשכת, מכלילה וברת-קיימא, תעסוקה מלאה ופרודוקטיבית ועבודה עבור כולם

יעד 9: בניית תשתית עמידה וגמישה, קידום תיעוש מכליל ובר-קיימא וטיפוח חדשנות

יעד 10: צמצום אי-השוויון בתוך ובין מדינות

יעד 11: ערים וקהילות ברי-קיימא

יעד 12: צריכה וייצור אחראיים

יעד 13: פעולה למען האקלים

יעד 15: להגן, לשחזר ולקדם שימוש בר-קיימא של מערכות אקוסיסטם יבשתיות, ניהול בר-קיימא של יערות, מאבק במדבור, ועצירת והיפוך הידרדרות הקרקע ואיבוד המגוון הביולוגי

יעד 17: חיזוק אמצעי המימוש והשותפות העולמית לפיתוח בר-קיימא

אסטרטגיות תאגידיות יכולות גם לתרום לחברה יותר ברת-קיימא. לדוגמה, השגת הרשאות LEED Silver ו-Zero Energy עבור המרכז הלוגיסטי של Phoenix Contact‏ עבור אמריקה הצפונית והדרומית הייתה חלק מהיעד הראשוני של החברה להשגת ניטרליות פחמן בכל מיקומיה ברחבי העולם. היעד הבא של החברה הוא ליצור שרשרת ערך מוסף ניטרלית-אקלים לחלוטין לפני 2030.

סיכום

סקטור הבניינים הוא התורם המשמעותי ביותר לייצור _2‏CO‏ בעולם. הרשאות LEED ו-ZEB הם כלים חשובים למדידת הצלחת השימוש בחשמל ואוטומציה ליצירת מבנים יותר יעילים וברי-קיימא. כפי שהוצג, מתקנים גדולים לייצור PV המשולבים עם קיבולת קוגנרציה בתוך-האתר יכולים לתרום לחברה ירוקה יותר. מבנים עם הרשאת-LEED תומכים גם בהשגת שבעה עשר יעדי SDG של האו"ם וביעד של חיסול העוני בעולם עד 2030.

מקורות:

1. מערכת דירוג LEED‏, המועצה לבנייה ירוקה
2. יעדי פיתוח בר-קיימא, האו"ם