ELECTRIFICARE INTELIGENT. REPROIECTAREA SISTEMELOR EXISTENTE.

SISTEME ENERGETICE ALE VIITORULUI

Eugenia AGHINII

SMART ELECTRIFICATION. REDESIGN. THE FUTURE ENERGY CHAIN

Over the next decades, the world will face increasing challenges to supply energy in sufficient quantities, while reducing carbon emission levels. As the first IEC (International Electro technical Commission) President, Lord Kelvin, always said: If you cannot measure it, you cannot improve it!. This statement is especially true here: without measurement you cant credibly demonstrate energy efficiency improvements. The IEC provides and will continue to provide many of the measuring standards that are the basis for benchmarking, energy audits and compliance assessments. Electricity is the most easily controllable form of energy. The IEC believes that electricity will be the most important contributor to climate change mitigation. The IEC Market Strategy Board, which comprises high-level executives from industry, has recently prepared a White Paper on Smart Electrification which maps out global energy needs and potential solutions over the next 30 years and the IEC's role in meeting the challenges. Section 6 of this White Paper demonstrates what needs to change in the energy chain to achieve the CO2 emission levels that can help humanity to mitigate climate change. Keywords: Electrification smart, energy efficiency, energy chain, CO2 emission level, redesign, reference architecture, smart grid, energy, micro-grid, renewable energy Cuvinte cheie: Electrificare inteligent, eficien energetic, lan energetic, nivel emisie CO2, reproiectare, arhitectur de referin, reea inteligent, consum de energie, micro-reea, energie regenerabil

233

234

1. Privire de ansamblu n decadele urmtoare, lumea va fi pus n faa unor

provocri de a furniza energie electric n cantiti suficiente, reducnd n acelai timp emisiile de carbon. Economia de energie i utilizarea mai eficient a acesteia constituie baza acestor provocri.

CEI deine, ns, o parte important a soluiei pentru eficiena energetic n ansamblu, i anume electrificarea inteligent.

Pentru a defini care sunt tematicile pe care este necesar s se axeze, CEI a studiat toat gama de oportuniti i tehnologii disponibile privind eficiena energetic i a dezvoltat un model care previzioneaz ce anume este cel mai probabil s se ntmple n urmtorii 20 de ani. Astfel n cadrul CEI s-a constituit Consiliul de Strategii de Marketing avnd ca obiectiv identificarea principalelor tendine tehnologice i cerine ale pieei n domeniile de activitate ale CEI, precum i elaborarea unui document intitulat Cartea Alb a Electrificrii Inteligente i a fost lansat spre dezbatere.

Acest document constituie un ghid care va permite CEI s dezvolte acele standarde necesare pentru obinerea celor mai bune rezultate pe termen scurt i lung privind eficiena energetic.

Aceast lucrare prezint din documentul CEI, Cartea Alb a Electrificrii Inteligente, aflat n dezbatere la nivelul membrilor CEI, reproiectarea sistemului energetic existent cu referire la ce anume trebuie s se modifice n sistemul energetic pentru a ndeplini intele propuse pentru nivelul de emisie de bioxid de carbon. 2. Reproiectarea sistemul energetic al viitorului

Eficiena energetic cuprinde eficiena activitilor umane

consumatoare de energie n ansamblul lor, ns nu se constituie ntr-o simpl eficien msurabil a unui proces unic.

De aceea, aceasta se bazeaz pe dou eficiene complementare: eficiena unei aciuni sau a unui proces dat (obinerea aceluiai produs sau serviciu utiliznd ct mai puin energie) i eficiena deciziilor luate (modificarea sistemelor i a comportamentului social n vederea utilizrii unei cantiti ct mai mici de energie).

n prezent producerea de energie este centralizat, transportul i distribuia acesteia avnd loc ntr-un singur sens, de la centrala electric la consumator, care observ numai rezultatul final, fr a avea informaii privind utilizarea energiei n general.

2 3 5

n prezent

2020

2030 i ulterior

Producerea energiei electrice

C

entralizat

C

entralizat (cu m

ult mai nalt eficien

pentru energia termic i

nuclear)

D

istribuit

E

nergie din surse regenerabile (10 %

-20 %)

C

entralizat, centrale pe crbuni i nucleare

C

entralizat i distribuit din surse regenerabile (40 %

-50 %)

M

icro-reele

Transport i distribuie

La scar m

are

Transfer de energie: ntr-un singur sens, com

andat prin sisteme

inteligente de transmisii

de date (IT)

Transfer de energie: n cele m

ai multe cazuri ntr-un

singur sens, la tensiune alternativ ultra-nalt (U

HV

AC

) i tensiune continu ultra-nalt (U

HV

DC

), optimizat i

comandat prin IT

R

eele mai m

ari care utilizeaz U

HV

AC

i UH

VD

C optim

izate i com

andate prin IT

Reele interconectate

La scar m

ic

Transfer de energie: ntr-un singur sens

A nceput schim

barea de la unidirecional la bidirecional

Transfer de energie: bidirecional

Dezvoltarea i introducerea

comenzii prin IT

Transfer de energie: bidirecional

R

eele interconectate optimizate i

comandate prin IT

Consum

ator

Consum

atorii nu au nici o inform

aie privind utilizarea

Sistem

e inteligente de date pentru consum

C

onsumatorii vor deveni i

productori de energie

C

onsumatorii i vor putea optim

iza consum

ul lor de energie, producerea i em

isia de bioxid de carbon cu ajutorul sistem

elor de gestionare a energiei

Im

plementarea soluiilor de utilizare

final cu nalt eficien energetic

Perspectivele pentru evoluia sistemului energetic sunt schiate n tabelul de mai sus comparativ cu situaia din prezent. Pentru 2050, se presupune:

un procent de 40 % eficien/economisire, fa de 30 % n prezent,

o cot de 50 % de energie regenerabil i nuclear (fa de 30 % n prezent),

o reducere a pierderilor n transport i distribuie de la 9 % la 6 %, i

o mbuntire de 10 % a eficienei producerii energiei electrice (fa de 5 % n prezent)

Se pot alctui trei scenarii privind nivelul de emisii prognozat, bazate pe tipul de tehnologii utilizate dup cum urmeaz:

a) Scenariul meninerii activitii la acelai nivel ca n prezent cantitatea emisiei de bioxid de carbon din cauza energiei electrice cu aproximaie se va tripla;

b) Scenariul aplicrii n totalitate a tehnologiilor cunoscute va exista numai o limitare a creterii emisiei de bioxid de carbon;

c) Scenariul aplicrii rapide i n totalitate a tehnologiilor inovative aceste tehnologii sunt decisive pentru reducerea nivelului emisiei de bioxid de carbon.

Pentru a face posibil reducerea emisiilor, trebuie s fie utilizate i tehnologiile aflate n dezvoltare, mpreun cu tehnologiile cunoscute. Cele mai bune rezultate se vor obine prin economisire i creterea eficienei, orice ali factori, precum producerea de energii din surse regenerabile, avnd o importan nesemnificativ. 3. Necesitatea reproiectrii sistemului energetic i rolul arhitecturii de referin

Principalele tendine n alctuirea sistemului energetic al

viitorului vor include urmtoarele: Producerea centralizat de capacitate mare va coexista cu o

producere distribuit n uniti de capacitate redus dar cu un numr mare de instalaii.

Centrale electrice de capacitate i volum mare aflate la distan de consumatori (de exemplu centrale pe mare, n deert sau n spaiu).

Producerea de energii din surse regenerabile va reprezenta o cot semnificativ i n cretere constant din energia

236

produs n general. innd seama de natura discontinu a acestei energii (solare i eoliene), asigurarea stabilitii ntregului sistem va fi mai dificil.

Va fi necesar dezvoltarea capacitilor de stocare a energiei electrice, vehiculele electrice fiind considerate o oportunitate pentru dezvoltarea unui sistem de gestionare a capacitilor de stocare.

Utilizatorul final al energiei electrice nu va fi numai un consumator, ci va deveni un productor de energie, ceea ce va ridica probleme n ceea ce privete interfaa cu sistemul energetic ct i n gestionarea diferitelor surse. Astfel tarifele vor fi legate de emisiile de CO2 i timpul de utilizare, pentru care trebuie s fie disponibile sisteme adecvate de gestionare (n principal de contorizare) n timp ce satisfacerea cererii i economisirea la nivelul vrfului de sarcin vor deveni o problem semnificativ din punct de vedere economic.

4. Arhitectura reelelor de energie electric Pentru nelegerea soluiilor propuse spre dezbatere de acest document al CEI referitoare la reproiectarea sistemelor energetice existente se folosete termenul de arhitectur de referin prin analogie ntre complexitatea concepiei sistemului energetic i concepia unei construcii, al crui termen consacrat este arhitectur. Arhitectura sistemelor energetice va trebui s cuprind micro-reele bazate pe producerea distribuit de energie (n special energie din surse regenerabile, cum ar fi solar i eolian). Aceasta are loc n interiorul sistemului energetic. Principalele caracteristici ale acestei arhitecturi: Pentru sistemele energetice n totalitatea lor amplificarea i interconexiunea vor fi problemele cheie ale acestora. Soluia propus efectiv: transportul la tensiune alternativ ultra-nalt (UHVAC) i la tensiune continu ultra-nalt (UHVDC). Un astfel de sistem energetic este proiectat n China cu scopul de a realiza sisteme de transport a energiei pe distane lungi i la mare putere, produs de marile sisteme hidroelectrice din vestul Chinei. n aceast ar deja au nceput s funcioneze unele sectoare de sisteme UHVAC. n Japonia avnd n vedere cantitatea mare de energie transportat au fost construite linii de transport UHVAC i n

237

prezent funcioneaz la 500 kV. i n India sunt deja proiectate sisteme UHVAC i UHVDC. Pentru micro-reele sunt eseniale comanda optim a reelei n funcie de necesarul de energie, stocarea i distribuia energiei produse. n prezent sunt dezvoltate mai multe concepte de reele inteligente n scopul ndeplinirii cerinelor de mai sus, de exemplu: Smart Grid, Intelli-Grid, Ubiquitous Power Grid. Conceptul Smart Grid cuprinde urmtoarele:

a) tehnologia de reea inteligent este un ansamblu de sisteme de control i management al reelei, de senzori i mijloace de comunicare i informare, care ncorporeaz att elemente tradiionale, ct i de ultim generaie. Ea combin elemente de software i hardware menite s mbunteasc semnificativ modul n care este operat sistemul electric actual, oferind n acelai timp i posibilitatea modernizrii ulterioare. Prin urmare, Smart Grid nu presupune nlocuirea reelei existente;

b) reelele inteligente de tip Smart Grid pot furniza energie electric folosind tehnologia digital i pot, de asemenea, s integreze energia provenit din surse regenerabile. n plus, consumatorii vor avea posibilitatea de a reduce consumul n timpul orelor cu consum maxim, adaptnd cantitatea luat din reea la nevoile personale.

n principal, tehnologiile pentru reele de tip Smart Grid trebuie gndite n contextul optimizrii micro-reelelor, ns utilizarea sistemelor avansate de tehnologia informaiei, de comand i de protecie cresc fiabilitatea i securitatea sistemelor energetice la scar mare precum i interconectarea lor. 5. Arhitectura reelei electrice a utilizatorului final de electricitate 5.1 Cldiri

n trecut o cldire a fost numai un consumator de energie

electric pentru nclzire, ventilaie i aer condiionat, consumul fiind n principal determinat de anvelopa structurii cldirii cu rol principal de izolaie termic. Astzi consumul de energie pentru o cldire a crescut n mod semnificativ, un rol important n eficiena energiei utilizate avndu-l sistemele de supraveghere i comand.

238

n viitor (deja a nceput schimbarea) o cldire va fi un juctor activ: nu va fi numai un consumator ci i un productor de energie electric. Datorit tehnologiei informaiei i comunicaiilor o cldire:

o va avea capabilitatea de a se adapta n mod automat la modificrile condiiilor interne (tipuri i niveluri diferite de activitate) i condiiilor externe; o va cunoate necesarul de energie legat de producerea

distribuit de energie din surse regenerabile i reeaua inteligent; o va avea o interfa pentru vehiculele electrice, inclusiv

tehnologii eficiente pentru stocarea energiei; o va avea utiliti integrate ntr-un sistem general de

management al energiei care va determina transformarea cldirii ntr-un loc sigur, eficient, mult mai fiabil i mai productiv, i care nu polueaz mediul. O arhitectur de reea electric a unei cldiri va avea att

echipamente consumatoare de energie ct i echipament de producere a energiei electrice cum ar fi celule fotovoltaice, celule cu combustibil, pompe de cldur, echipament de stocare a energiei (baterii) rencrcabile. Unele cldiri vor avea sisteme de cabluri speciale (LVDC joas tensiune continu) pentru interconectarea celulelor cu combustibil i bateriilor. Deja sunt integrate aplicaii adecvate pentru conectarea direct n sistemele de curent continuu (DC). 5.2 Conectarea vehiculelor electrice la reea

Acas, n cldiri sau n locurile de parcare, vehiculele

electrice sau vehiculele hibride constituie o nou sarcin care trebuie gestionat, iar bateriile lor vor fi utilizate pentru aplicaii de stocare staionar a energiei electrice care va ajuta la uniformizarea sarcinii reelei de alimentare. CEI recunoate importana deosebit a standardizrii interfeei vehiculelor electrice i reelelor de energie electric. 5.3 Industrie

n industrie, pentru scopul acestei tematici, este luat n

considerare numai eficiena energiei electrice, ns i celelalte tipuri de energie utilizat (de exemplu energia termic) vor contribui la eficiena energetic total. De aceea arhitectura de referin care

239

reunete toate energiile utilizate este necesar ca baz pentru sistemele de management al energiei i mbuntirea eficienei energetice. 6. Stocarea energiei electrice

Tehnologiile de stocare a energiei obinut din surse

regenerabile (fie n modul distribuit cu posibilitate de stocare sau ca i cantitate de energie livrat n sistemul energetic) vor avea un rol deosebit de important n ceea ce privete producerea discontinu i posibilitatea consumatorilor s-i optimizeze consumurile i energia produs local prin sistemul de management al energiei la nivel local. n prezent se utilizeaz diferite tehnologii, de exemplu tehnologia cu aer comprimat, se remarc evoluiile tehnologice n sisteme rotative ineriale (cu o limit maxim recent anunat de 20 MW) i sisteme de stocare a energiei n baterii cu ioni de litiu sau natriu-sulf (NaS) care pot furniza puteri de ordinul zecilor de MW. Dezvoltarea acestor tehnologii a fost posibil i datorit evoluiei electronicii de putere.

O alternativ energetic de stocare a energiei, asupra creia se insist n prezent, este aceea a introducerii pe scar larg a hidrogenului, obinut prin metode variate, dintre care cea mai promitoare pare a fi electroliza apei n staii amplasate n apropierea centralelor electrice. 7. Micro-reele

O micro-reea este definit ca fiind o reea de putere mic,

aceasta putnd s funcioneze complet sau aproape complet izolat de alte reele prin elemente de comand optim i cuprinde generarea distribuit, echipament de stocare a energiei electrice i diferii consumatori.

n viitor, sistemul electroenergetic va fi mprit ntre producia centralizat i producia distribuit. Generatoarele distribuite pot fi agregate i controlate astfel nct s formeze micro-reele sau centrale virtuale care vor facilita integrarea acestora n sistemul fizic dar i pe piaa de energie electric.

Micro-reelele ar putea s reprezinte o soluie la natura discontinu a generrii distribuite n mod special din surse de energie regenerabil, fiind adecvate pentru zonele aflate la distan mare de sistemul energetic principal.

240

8. Probleme ridicate de sistemul energetic al viitorului Prin punerea n aplicare a arhitecturii de referin pentru

sistemul energetic de viitor se preconizeaz c aceasta va avea o contribuie important la reducerea emisiilor de bioxid de carbon ns va ridica probleme noi care pot fi serioase pentru sigurana, fiabilitatea i stabilitatea ntregului sistem energetic.

Trebuie s se in seama de problemele care apar prin introducerea unor surse de producere de energie n reeaua de distribuie deoarece sistemele energetice au fost concepute s transfere energia electric ntr-un singur sens, adic dinspre reeaua de transport spre consumatorii finali conectai la reeaua de distribuie.

Prin introducerea unui numr ct mai mare de generatoare dispersate n sistem, circulaia de puteri poate deveni bidirecional, ceea va ridica problema coordonrii proteciei, iar n reeaua de distribuie ct i n cea de transport creeaz probleme de reglaj al frecvenei, iar uneori al tensiunii.

Pentru funcionarea eficient a sistemului energetic n viitor este necesar dezvoltarea sistemelor informaionale, de calcul i de telecomunicaii care s contribuie la eficientizarea managementului tehnic i economic al sistemului.

Staie

Sursa:

Fig. 1 Reea de distribuie a energiei electrice pentru un grup de locuine

241

242

Un exemplu de reea de distribuie a energiei electrice pentru un grup de locuine poate s includ, aa cum se arat n figura urmtoare: un sistem avansat de contorizare, surse de energie regenerabil locale (energie solar i eolian), sisteme de stocare a energiei, vehicule electrice i un sistem de management al energiei la nivel local. BIBLIOGRAFIE [1] * * * IEC Coping with the Energy Challenge. The IECs role from 2010 to 2030 Smart electrification The key to energy efficiency. White paper, 2010. [2] Eremia, M., Toma, L., Bulac, C., Tritiu, I., Reele electrice inteligente. Universitatea Politehnica din Bucureti Forumul Regional al Energiei FOREN 2008.

Eugenia AGHINII

Expert principal standardizare ASOCIAIA DE STANDARDIZARE DIN ROMNIA - ASRO

e-mail: eugenia.aghinii@asro.ro