Jakie są kluczowe zalety inteligentnych systemów elektroenergetycznych?

Zwiększenie niezawodności sieci dzięki funkcji samo naprawiania się

Ryzyko awarii infrastruktury – jaka jest przyczyna?

Starzejąca się infrastruktura wysokonapięciowa do przesyłu energii na skalę całego kraju podlega wzrostowi współczynników awarii w sposób wielokrotny. Ponad 70% linii przesyłowych w USA ma ponad 25 lat. Przerywania zasilania spowodowane warunkami pogodowymi wzrosły o 200% od roku 2000 (Raport Departamentu Energii USA dotyczący modernizacji sieci, 2023). Degradująca się infrastruktura, w tym transformatory, kable i sprzęt rozdzielczy, w okresach szczytowego zapotrzebowania może prowadzić do awarii łańcuchowych. Kosztuje to elektrownie średnio 740 000 USD za każdą godzinę przestoju (Instytut Ponemona, 2023). Ten rosnący ryzyko wykazuje konieczność modernizacji sieci.

Zautomatyzowane wykrywanie i izolowanie uszkodzeń w inteligentnych sieciach elektrycznych

Technologie IoT i sztucznej inteligencji są wykorzystywane do aktywnego skanowania inteligentnych systemów elektroenergetycznych w celu wykrywania uszkodzeń. W przypadku wystąpienia anomalii izolowane wyłączniki automatycznie odłączają uszkodzoną część sieci. Oznacza to, że prąd może zostać przekierowany przez alternatywne ścieżki – w pełni autonomie. Ta funkcja samoregeneracji skraca czas naprawy i trwania przerw w zasilaniu o 90% w porównaniu do tradycyjnych systemów opartych na ręcznej naprawie i diagnostyce.

Wskaźnik odpowiedzi: Tradycyjna sieć / Inteligentna sieć
Czas wykrywania uszkodzenia: ponad 30 minut / mniej niż 1 sekunda
Szybkość izolacji: ręcznie – godziny / 2–5 sekund
Liczba dotkniętych klientów: ponad 1000 / mniej niż 50

Wnioski z pilotażowego projektu samoobsługowej sieci w Chattanooga

Samoregenerująca się sieć dystrybucyjna w Chattanooga EPB, jedna z pierwszych tego typu w USA, pokazała, jak znacznie można poprawić niezawodność działania sieci. Po ukończeniu wdrożenia na całym obszarze obsługiwania operator osiągnął:
+ 40% skrócenie łącznego czasu przerw w zasilaniu,
+ 60% zmniejszenie średniej liczby konsumentów objętych każdą awarią

Zautomatyzowana rekonfiguracja w obecności skrajnych warunków pogodowych w czasie rzeczywistym podczas burzy w sieci, mająca na celu zademonstrowanie architektury samoregenerującej się sieci, uproszczenie systemu energetycznego oraz zwiększenie jego odporności na zmiany klimatu. Dwa dziesięciolecia temu obciążenie sieci było niższe o 45%, NREL 2023.

Bezproblemowa integracja źródeł energii odnawialnej

Zwalczanie przerywalności za pomocą dynamicznego równoważenia obciążenia

Pogoda determinuje wydajność źródeł generacji energii słonecznej i wiatrowej, co oznacza zmienną produkcję energii z takich źródeł. Jednym ze sposobów ograniczenia tej zmienności jest wykorzystanie inteligentnych systemów elektroenergetycznych, które obejmują dynamiczne bilansowanie obciążenia lub przemieszczanie mocy w czasie rzeczywistym w całej sieci na podstawie danych z czujników oraz algorytmów predykcyjnych. Na przykład obciążenia przemysłowe niekrytyczne mogą być przenoszone do okien czasowych, w których dostępna jest wysoka generacja, co pozwala zmniejszyć ograniczanie mocy z odnawialnych źródeł energii nawet o 19% (IRENA, 2021). Ta metoda pomaga stabilizować sieć pod względem napięcia i częstotliwości bez konieczności budowy kosztownej nowej infrastruktury.

Komunikacja od dostawcy energii do odbiorcy oraz koordynacja rozproszonej generacji

Tradycyjna sieć energetyczna nie zapewnia wystarczającej przejrzystości i kontroli do zarządzania tysiącami rozproszonych i zdecentralizowanych zasobów, takich jak magazynowanie energii w bateriach, fotowoltaika na dachach czy lokalne mikrosieci. Inteligentne sieci elektryczne rozwiązują ten problem poprzez wdrożenie dwukierunkowych kanałów komunikacji, które pozwalają dostawcom energii zarządzać i kontrolować rozproszone zasoby niemal w czasie rzeczywistym. Na przykład nadmiar energii wytworzonej przez domowe systemy fotowoltaiczne można wykorzystać do ładowania akumulatorów pojazdów elektrycznych (EV) w godzinach szczytowego obciążenia. Taki poziom kontroli przekształca biernego odbiorcę w aktywnego „prosumera”, co umożliwia samooptymalizujące się systemy energetyczne oraz zmniejsza ogólny wskaźnik wdrażania technologii inteligentnych sieci energetycznych o 8–12%.

Odpowiedź popytowa zoptymalizowana w celu złagodzenia obciążenia systemu w godzinach szczytowego poboru mocy

Roczne koszty nadmiernego budowania mocy szczytowej w USA wynoszą 27 miliardów dolarów

Aby zaspokoić rzadkie, krótkotrwałe szczytowe zapotrzebowania (np. fale upałów latem), dostawcy energii muszą zapewnić moc wytwórczą i przesyłową w nadmiarze w stosunku do rzeczywistych potrzeb. Skutkuje to szacowanymi rocznymi kosztami w wysokości 27 miliardów dolarów dla gospodarki Stanów Zjednoczonych (Departament Energii USA, 2023), powodującymi wzrost opłat za energię dla odbiorców oraz odciągającymi środki finansowe od innych kluczowych i bardziej strategicznych inwestycji. Wykorzystanie technologii inteligentnej sieci energetycznej może pomóc zmniejszyć to obciążenie, umożliwiając dynamiczną odpowiedź popytu, która skutecznie zarządza i kontroluje zapotrzebowanie w okresach szczytowych bez konieczności budowy nowej infrastruktury. Przekłada się to na poprawę wydajności systemu oraz obniżenie kosztów operacyjnych.

Autorzy wyjaśniają, jak działają inteligentne systemy elektroenergetyczne oraz w jaki sposób przyczyniają się one do oszczędności operacyjnych i poprawy stanu środowiska.

Dzięki inteligentnym systemom elektroenergetycznym klienci mogą otrzymywać alerty w czasie rzeczywistym dotyczące cen energii, obciążenia sieci (wyższego popytu niż podaż) oraz poleceń na poziomie urządzeń. Alerty są przekazywane za pośrednictwem inteligentnych liczników lub połączonych urządzeń gospodarstwa domowego i prowadzą do automatycznych, zatwierdzonych przez użytkownika korekt (np. zmiany ustawienia temperatury termostatu lub odłożenia w czasie uruchomienia pompy basenowej). W projektach pilotażowych doprowadziło to do redukcji szczytowego zapotrzebowania o 15–20% pozostałej zależności od szczytowych elektrowni opalanych paliwami kopalnymi. Pozwala to również na lepszą integrację źródeł energii odnawialnej poprzez elastyczne przesuwanie zapotrzebowania w kierunku dostępności czystej energii.

Inteligentne systemy elektroenergetyczne mają dodatkową wartość w postaci oszczędności środowiskowych, które z kolei przekładają się na oszczędności operacyjne. Automatyzacja przyczynia się do ograniczenia nadzoru nad siecią, który jest pracochłonny i kosztuje od 15 do 30% wydatków, a także zapobiega przedwczesnemu uszkodzeniu transformatorów (konserwacja predykcyjna), co skutkuje awarią, wydłuża żywotność aktywów oraz pozwala uniknąć kosztów nagłego remontu. Wszystkie te efektywności przyczyniają się do zmniejszenia koniecznego nadmiernego budownictwa mocy szczytowej, którą Departament Energii określa jako roczne obciążenie w wysokości 27 miliardów dolarów. Ponadto zoptymalizowane balansowanie obciążenia przyczynia się do ograniczenia spalania paliw kopalnych w celu wytwarzania energii w systemie w okresach szczytowego zapotrzebowania. Inteligentne systemy energetyczne mogą zmniejszyć emisję CO2 przez sieć o 8–12%, a także przynieść oszczędności energii dzięki zmniejszeniu strat liniowych oraz wykorzystaniu źródeł odnawialnych w momencie ich dostępności. Inteligentne systemy elektroenergetyczne stanowią konieczność ekonomiczną i środowiskową dla miast dążących do zrównoważonego rozwoju.

Często zadawane pytania

Czym jest sieć samoregenerująca się?

Sieci samoregenerujące się z automatyczną izolacją i usuwaniem usterki wykorzystują połączenie sztucznej inteligencji (AI) oraz czujników Internetu rzeczy (IoT) do przekierowywania energii elektrycznej i wykrywania usterek. Sieci samoregenerujące się znacznie zmniejszają liczbę przerw w dostawie energii w porównaniu do tradycyjnych sieci energetycznych.

W jaki sposób technologia inteligentnej sieci wspiera niezawodność?

Niezawodność jest poprawiana dzięki technologii inteligentnej sieci za pośrednictwem monitoringu w czasie rzeczywistym oraz zarządzania usterkami. Automatyzacja technologii poprawia niezawodność i skraca czas trwania przerw w dostawie energii. Poprawa niezawodności zwiększa skuteczność rozproszonych źródeł energii oraz dynamicznego balansowania obciążenia w celu scentralizowania działania sieci.

Jakie są korzyści wynikające z integracji energii odnawialnej z inteligentnymi sieciami?

Dynamiczne balansowanie obciążenia w połączeniu z inteligentnymi sieciami i energią odnawialną minimalizuje marnowanie energii elektrycznej, jednocześnie optymalizując wykorzystanie zasobów. Integracja źródeł energii odnawialnej oraz inteligentnych sieci ma pozytywny wpływ, ponieważ zmniejsza zmienność generacji oraz skutecznie zarządza dystrybucją energii przy minimalnych stratach podczas przesyłu.

Czym jest dynamiczna odpowiedź zapotrzebowania?

Dynamiczna odpowiedź zapotrzebowania kontroluje zużycie energii elektrycznej w odpowiedzi na sygnały w czasie rzeczywistym pochodzące z sieci. Zarządzanie zapotrzebowaniem za pomocą dynamicznej odpowiedzi w okresach szczytowego obciążenia zwiększa stabilność systemu i zmniejsza potrzebę budowy dodatkowych infrastruktur w celu obsłużenia wzrostu obciążenia.