Beckhoff: Tranziția energetică necesită rețele cu tehnologii de măsurare complete
Interviu cu Dr. Fabian Assion, expert în I/O și rețele inteligente, Product Manager I/O la Beckhoff
Proporția energiilor regenerabile – solară, hidroelectrică și eoliană – a crescut semnificativ în ultimii ani și a reprezentat deja mai mult de jumătate din alimentarea cu energie electrică a Germaniei în 2023. Dr. Fabian Assion, Product Manager I/O la Beckhoff, explică ce înseamnă această proporție mare de energie cu fluctuații mari pentru funcționarea rețelei, precum și pentru rețelele inteligente necesare din perspectiva tehnologiei de control.
Ce rol joacă rețelele inteligente în tranziția energetică și ce înseamnă acest lucru pentru gestionarea rețelei?
Dr. Fabian Assion: Proporția crescută a energiilor regenerabile face rețelele de aprovizionare mai instabile din două motive. Primul motiv este că această energie este generată într-un mod mult mai distribuit. Ea nu mai este distribuită la nivel central, așa cum se întâmpla anterior cu centralele electrice mari. Aceasta înseamnă că structura fizică a rețelei existente nu mai este la fel de adecvată ca înainte: schimbarea fluxului de curent duce uneori la instabilități și supraîncărcări ale rețelei. Al doilea motiv este că centralele electrice tradiționale sunt de obicei operate de generatoare sincrone. Acest lucru este ideal pentru funcționarea rețelei, de exemplu, prin furnizarea unui sprijin optim rețelei în cazul unei defecțiuni la sol. Energiile regenerabile, însă, sunt controlate de invertoare de putere. Prin urmare, acestea nu pot furniza decât într-o măsură limitată curenții foarte mari necesari în astfel de cazuri, ceea ce duce, de asemenea, la instabilitatea rețelei. Rețelele actuale de alimentare cu energie sunt, prin urmare, mai complicate de controlat în ansamblu. Și exact pentru acest lucru sunt folosite rețelele inteligente: Acestea dispun de mult mai multe informații cu privire la starea actuală a rețelei și, prin urmare, sunt mult mai ușor de controlat.
Care sunt cerințele tehnice ale rețelelor inteligente în ceea ce privește tehnologia de măsurare extinsă, de exemplu?
Dr. Fabian Assion: Tehnologia de măsurare suplimentară trebuie să fie instalată la toate nivelurile rețelei. Până în prezent, acest lucru a fost implementat în principal în sectoarele de înaltă și foarte înaltă tensiune, dar cu greu – sau deloc – în sectoarele de joasă și medie tensiune. Faptul că nivelurile inferioare ale rețelei trebuie modernizate în special este foarte important din perspectiva investițiilor. Acest lucru se datorează faptului că aceste niveluri sunt mult, mult mai extinse decât sectoarele superioare și, prin urmare, necesită mult mai multe puncte de măsurare. Sute de mii de puncte de măsurare sunt necesare chiar și pentru o abordare rezonabil de cuprinzătoare. Acest lucru este ilustrat prin exemplul stației locale ca verigă inferioară în rețeaua de alimentare. Acesta este locul unde tensiunea medie este transformată în tensiune joasă, de obicei cu ajutorul unui transformator cu opt sau mai multe ieșiri de joasă tensiune. Aceste ieșiri de tensiune ar trebui să fie toate echipate cu tehnologie de măsurare pentru o gamă largă de variabile măsurate. Și acesta este cazul pentru aproximativ 100 000 de stații locale din Germania.
Și care sunt parametrii relevanți?
Dr. Fabian Assion: Curentul este, desigur, cea mai importantă valoare individuală, dar nu merge departe de unul singur. Dacă este posibil, toate tipurile de putere – putere reactivă, aparentă și activă – ar trebui, de asemenea, să fie înregistrate la fiecare alimentator de ieșire pentru a face declarații cu privire la starea rețelei. Acest lucru este deosebit de important, deoarece majoritatea sarcinilor utilizează acum o unitate de alimentare și, prin urmare, generează armonici nedorite. Cu alte cuvinte, acum este aproape esențial ca operatorii de rețea responsabili cu calitatea rețelei să colecteze date detaliate privind armonicile și chiar nivelul fiecărei armonici individuale de la fiecare ieșire de tensiune pentru a lua măsuri specifice dacă este necesar.
Ce avantaje oferă tehnologia de control bazată pe PC și EtherCAT de la Beckhoff cu tehnologia sa de măsurare integrată în sistem?
Dr. Fabian Assion: Cu ajutorul controlului bazat pe PC de la Beckhoff, măsurătorile pot fi efectuate folosind relativ puțin efort tehnic și cheltuieli financiare. În plus, tehnologia de măsurare este de înaltă calitate și ușor de utilizat. Se bazează pe EtherCAT cu ceasurile sale distribuite și, prin urmare, este suficient de rapidă și precisă pentru a răspunde în mod corespunzător la evenimentele pe termen scurt din rețea. Am dori să subliniem faptul că, datorită conceptului nostru de măsurare distribuită a puterii, datele de măsurare de înaltă calitate pot fi generate într-un mod deosebit de rentabil.
Ce anume se află în spatele conceptului de măsurare distribuită a puterii?
Dr. Fabian Assion: O caracteristică cheie aici este că toate datele electrice relevante din rețeaua de alimentare, inclusiv valorile reale măsurate pentru putere – fără măsurarea tensiunii locale – pot fi determinate cu terminalul EtherCAT EL3446 ca un simplu terminal de măsurare a curentului. Cu toate acestea, terminalele EL3446 distribuite în sistem în funcție de necesități primesc valorile de tensiune necesare pentru calcularea datelor de putere prin EtherCAT de la un terminal separat de măsurare a puterii EL3443, care trebuie instalat o singură dată și este sincronizat precis în timp prin funcția de ceasuri distribuite în EtherCAT. Acest lucru minimizează costurile hardware și de instalare necesare pentru a monitoriza în mod fiabil calitatea rețelei cu o măsurare armonică de înaltă calitate la fiecare sursă de tensiune de ieșire și factorul de calitate a puterii rezultat.
Soluțiile cu control bazat pe PC și-au dovedit deja de multe ori valoarea în domenii precum cel al energiei eoliene. Care sunt principalele avantaje în acest caz?
Dr. Fabian Assion: Peste 100.000 de turbine eoliene cu o capacitate de până la 16 MW au fost deja automatizate în întreaga lume cu tehnologia noastră de control bazată pe PC. Încă o dată, EtherCAT își demonstrează avantajele aici, deoarece permite procese de control foarte rapide și precis sincronizabile, permițând optimizarea funcționării și a randamentului energetic. Acest lucru se aplică turbinelor eoliene individuale, chiar și la o scară mai mare, dar și interconectării în cadrul unui parc eolian complet. În cazul turbinelor offshore, transmisia de curent continuu de înaltă tensiune (HVDC) este, de asemenea, unul dintre cele mai sofisticate elemente ale unei rețele de alimentare. Controlul bazat pe PC de la Beckhoff a fost implementat cu succes și în acest sector. Acest lucru este ilustrat de soluția Siemens Energy descrisă în numărul 02/2024 al revistei noastre pentru clienți PC Control.
Tehnologia Beckhoff își demonstrează avantajele nu numai în domeniul producerii de energie, ci și atunci când vine vorba de distribuirea energiei prin intermediul rețelelor de alimentare regionale. Ce potențial de eficiență poate fi exploatat?
Dr. Fabian Assion: În plus față de tehnologia de măsurare integrată în sistem, utilizatorii beneficiază foarte mult de gama extrem de largă de soluții Beckhoff I/O pentru toate domeniile de aplicare și condițiile de mediu. Acest lucru înseamnă că toate datele necesare pot fi înregistrate și fuzionate în sistemul de comandă-control pentru măsurarea puterii, dar și pentru integrarea protocoalelor de telecontrol, a pozițiilor comutatoarelor, a mesajelor de semnal și a temperaturilor transformatorului și mediului ambiant. Exemplul Romande Energie, un furnizor de energie din vestul Elveției, arată cât de mult poate contribui acest lucru la gestionarea sigură a rețelei.
Înregistrarea datelor de performanță este un aspect, iar stabilizarea acestora este altul. Ce soluții oferă controlul bazat pe PC în ceea ce privește controlul și stabilizarea frecvenței?
Dr. Fabian Assion: Controlul și stabilizarea frecvenței în rețeaua de alimentare cu energie este o sarcină foarte elaborată și complicată. Aceasta necesită nu numai date complete despre rețea, ci și un răspuns extrem de rapid al sistemului – în milisecunde și, uneori, chiar în domeniul microsecundelor. Compania coreeană Power 21 a implementat cu succes acest lucru în 2015 pentru furnizorul de energie KEPCO cu o măsurare de înaltă precizie a frecvenței utilizând terminalul nostru de monitorizare a rețelei EL3773 cu funcție de supraeșantionare. Un alt exemplu este modul în care Institutul de Sisteme de Energie Electrică și Tehnologie de Înaltă Tensiune (IEH) din cadrul Institutului de Tehnologie Karlsruhe (KIT) cercetează modalitățile de asigurare a stabilității sistemului în rețelele de transport care se modifică ca urmare a tranziției energetice. În plus față de simulările investigative, comportamentul centralelor electrice și al sistemelor de generare bazate pe invertoare într-o rețea insulară este simulat într-un mediu de testare dedicat. În acest scop, noi metode inovatoare de control sunt efectuate pe PC-uri embedded Beckhoff cu TwinCAT, validând astfel aplicarea lor în scenarii realiste.
Ce potențial de economisire a consumului de energie pot exploata consumatorii regionali, în special instalațiile industriale mari care dispun de propriile rețele de alimentare?
Dr. Fabian Assion: Sistemul nostru propriu de gestionare a energiei ne permite să urmărim sarcinile și să minimizăm costurile prin evitarea vârfurilor de sarcină. Acest lucru este deosebit de important atunci când se stabilește o rețea internă de alimentare cu energie. Și acest lucru este valabil nu numai pentru marile grupuri industriale, ci și pentru IMM-uri. De îndată ce o companie și-a instalat propriul sistem de generare, de exemplu, sub formă de sisteme fotovoltaice, ar trebui să ia în considerare gestionarea energiei ca un pas următor. În cazul în care există și sisteme de stocare și sarcini controlabile – de exemplu, împreună cu un punct de încărcare bidirecțional – fluxurile de energie pot fi controlate în mod direcționat.
Cât de importantă este tehnologia de control integrat, cum ar fi controlul bazat pe PC, atunci când vine vorba de controlul atât al clădirii, cât și al operațiunilor de producție și de coordonare a acestora din punct de vedere energetic?
Dr. Fabian Assion: O soluție Beckhoff integrată facilitează foarte mult determinarea datelor energetice complete. Împreună cu un sistem corespunzător de gestionare a energiei, acestea constituie baza pentru a lua în considerare posibilele optimizări ale proceselor din punct de vedere energetic și pentru a permite un răspuns la prețurile din ce în ce mai dinamice ale energiei electrice. Ambele oferă un potențial considerabil pentru reducerea costurilor cu energia. Exemple excelente sunt automatizarea procesului și a clădirii dintr-o singură sursă la producătorul de produse farmaceutice Engelhard Arzneimittel și automatizarea clădirii și a producției conectate prin intermediul controlului bazat pe PC la producătorul austriac de mecatronică Pollmann International GmbH (a se vedea PC Control, numărul 03/2022).
Proporția în creștere a energiilor regenerabile necesită, de asemenea, extinderea capacităților de stocare descentralizate. Ce opțiuni de control oferă controlul bazat pe PC pentru sistemele de stocare alimentate cu baterii, centralele electrice pe biogaz sau sistemele de stocare a hidrogenului?
Dr. Fabian Assion: Domeniile de aplicare pentru tehnologia noastră de comandă-control și măsurare sunt la fel de diverse ca și sistemele de stocare în sine. În sectorul alimentat cu baterii, un exemplu cu un potențial viitor uriaș este utilizarea vehiculelor electrice ca sisteme de stocare a energiei în parcări. Cu TwinCAT 3 IoT OCPP (Open Charge Point Protocol) și terminalul EtherCAT EL6761, Beckhoff oferă o soluție completă pentru comunicarea ISO 15118 între stațiile de încărcare și vehiculele electrice, între punctele de încărcare existente și între punctele de încărcare și/sau sistemele centrale de management asociate. Centralele electrice pe biogaz ale Reverion într-un design compact de container și sistemele de stocare a hidrogenului cu hidrură metalică de joasă presiune ale GKN Hydrogen demonstrează modul în care controlul bazat pe PC poate fi utilizat pentru a implementa un control flexibil al proceselor și o monitorizare continuă a datelor pentru alte tehnologii de stocare.
Mai doriți să adăugați ceva ca punct final?
Dr. Fabian Assion: Cu toții ne confruntăm cu o serie de provocări majore, iar una dintre acestea este restructurarea aprovizionării noastre cu energie. Beckhoff face tot posibilul pentru a rămâne fidelă motto-ului proprietarului și fondatorului companiei noastre, care este „Inginerii trebuie să salveze lumea!”. Dar este corect să spunem că nu putem face acest lucru pe cont propriu. Așadar, aș dori să le ofer tuturor clienților noștri existenți și viitori oportunitatea de a ne ajuta să facem față acestei sarcini împreună!
Detalii și contact:
office@kreatron.ro
www.kreatron.ro
