Produkty i systemy dla energetyki

Przed światowym i polskim sektorem energetycznym stoi wiele wyzwań. Najważniejszym z nich jest wymuszone odchodzenie od paliw kopalnych na rzecz odnawialnych źródeł energii (OZE). Drugim jest opanowanie technologii magazynowania energii elektrycznej, gdyż odnawialne źródła energii o największym potencjale rozwoju, czyli elektrownie wiatrowe i farmy fotowoltaiczne nie zapewniają ciągłości i wymaganej jakości dostaw energii elektrycznej. Konieczne jest wsparcie ich elastycznymi niezależnymi od pogody źródłami. Niestety potencjał takich OZE, czyli spalających biomasę, biogaz oraz elektrowni wodnych, w tym elektrowni szczytowo-pompowych nie jest duży. W okresie przejściowym wsparcie zapewniają paliwa kopalne (węglowe, węglowodorowe i jądrowe). Dla zatrzymania zmian klimatu niezbędne jest jednak szybkie odchodzenie od węgla i nieco wolniejsze od węglowodorów, a to wymaga różnych magazynów energii [1].

Na krótkie okresy godzinowo-dobowe energię można magazynować w systemach akumulatorowo-bateryjnych, a także korzystać ze wspominanych elektrowni szczytowo-pompowych. I choć są dość drogie systemy magazynowania, to powinny być one rozwijane głównie jako wsparcie dla fotowoltaiki. Trzecim, pozatechnicznym wyzwaniem, są zmiany w zasadach funkcjonowania rynku. Europa wybrała model jednosegmentowego rynku energii, z cenotwórstwem bazującym na kosztach krańcowych, rozdzieleniem sieci przesyłowych i dystrybucyjnych od innych działalności, z giełdami energii oraz bardzo ambitną polityką klimatyczną z flagowym systemem ETS, czyli systemem handlu uprawnieniami do emisji [1].

Kolejnym wyzwaniem w systemach energetycznych jest cyfryzacja. Systemy Smart Grid, czyli Inteligentne sieci energetyczne, umożliwiają dynamiczne zarządzanie dostawą i popytem na energię. Dzięki temu można zwiększyć efektywność i stabilność systemu energetycznego, a odbiorca może dopasować swoje taryfy do rzeczywistego zużycia energii elektrycznej. Łatwiej też kompensować moc bierną. Działanie systemów typu Smart Grid nie byłoby możliwe bez integracji urządzeń Przemysłowego Internetu Rzeczy w sektorze energetycznym, umożliwiającej monitorowanie i optymalizację zużycia energii w czasie rzeczywistym.

Sieć sensorów Internetu Rzeczy w infrastrukturze energetycznej pozwala na lepszy monitoring zapotrzebowania na energię oraz na efektywne zarządzanie jej przesyłem i magazynowaniem, za co odpowiadają przede wszystkim systemy automatyki stosowane w sieciach energetycznych. Sensory działające w sieci umożliwiają również utrzymanie sieci, monitorując działanie jej podsystemów i elementów, np. poziomu skorodowania przewodów. Jest to podstawowy krok niezbędny do wprowadzenia dalszych cyfrowych technologii, nazywanych też w ramach analogii do Przemysłu 4.0, Energetyką 4.0, chociażby systemów sterowania przesyłem energii przez sztuczną inteligencję. Przyjrzyjmy się więc wszystkim aspektom związanym z systemami energetyki i wytwarzaniem prądu.

Europejski System Handlu Emisjami (ETS) i jego Rozszerzenie (ETS2)

Zacznijmy od zagadnień społeczno-prawnych czyli Europejskiego Systemu Handlu Emisjami (ETS). Uruchomiony w 2005 r. jest kluczowym narzędziem Unii Europejskiej w walce ze zmianami klimatycznymi. ETS opiera się na zasadzie „cap-and-trade”, która ogranicza całkowitą ilość emisji dwutlenku węgla (CO2) dozwoloną dla przedsiębiorstw, a jednocześnie pozwala im na handel uprawnieniami do emisji. Firmy, które przekraczają swoje limity, muszą kupować dodatkowe uprawnienia od tych, które emitują mniej CO2. System ten obejmuje obecnie ponad 11 000 instalacji w sektorach energetycznym i przemysłowym oraz linie lotnicze operujące w UE.

ETS2 jest propozycją rozszerzenia systemu ETS na nowe sektory gospodarki, w tym transport drogowy i budynki. Ta inicjatywa, będąca częścią pakietu „Fit for 55”, ma na celu zwiększenie efektywności działań UE w redukcji emisji gazów cieplarnianych o 55 % do 2030 r. w porównaniu do poziomów z 1990 r. ETS2 wprowadzi limity emisji dla nowych sektorów, zmuszając je do redukcji emisji lub kupowania uprawnień, co ma na celu promowanie bardziej ekologicznych technologii i działań.

Wpływ systemu ETS na ceny energii elektrycznej jest znaczący, ponieważ koszty uprawnień do emisji CO2 są bezpośrednio przenoszone na klientów końcowych, w tym na przedsiębiorstwa będące odbiorcami energii elektrycznej niezbędnej do produkcji. Wzrost cen uprawnień prowadzi zaś do wyższych cen energii elektrycznej, ponieważ elektrownie bazujące na paliwach kopalnych, takich jak węgiel i gaz, muszą uwzględniać te dodatkowe koszty w swojej strukturze cenowej. Z taką sytuacją mamy do czynienia obecnie w Polsce, gdzie ceny prądu należą do najwyższych w Europie.

Warto zauważyć, że ETS2, przez włączenie sektora transportu i budynków, może dodatkowo podnieść koszty energii, zwłaszcza jeśli koszty emisji CO2 będą przekładały się na ceny paliw i ogrzewania – ceny benzyny, oleju napędowego, niezbędnego w transporcie i logistyce oraz gazu stosowanego w systemach ogrzewania hal fabrycznych, lub bezpośrednio do produkcji (np. w cementowniach), gdzie koszty drastycznie rosną, co zmniejsza konkurencyjność krajowej produkcji. Mechanizmy wprowadzone w systemie ETS mają również na celu promowanie inwestycji w odnawialne źródła energii i technologie niskoemisyjne. Dlatego firmy z branży przemysłowej muszą udoskonalać swoje systemy odbioru i zużycia energii elektrycznej, aby z powodzeniem konkurować na rynku.

Automatyka w energetyce

Automatyka stosowana w systemach energetycznych pozwala na ciągłe monitorowanie i efektywne zarządzanie siecią energetyczną. Systemy czujników gromadzą dane z różnych punktów w sieci, analizują parametry oraz identyfikują nieprawidłowości, np. wystąpienie awarii i na tej podstawie podejmowane są decyzje co do działania systemu jako całości. Za pomocą zaawansowanej sieci mierników i czujników zbierane są informacje o wielu kluczowych parametrach, jak napięcie, prąd, częstotliwość czy obciążenie sieci.

Te dane są przetwarzane i analizowane w czasie rzeczywistym, co pozwala na szybką reakcję na wszelkie nieprawidłowości. Dzięki temu operatorzy sieci mogą szybko podjąć odpowiednie kroki naprawcze, minimalizując czas przestojów i zapewniając ciągłość dostaw energii dla konsumentów. Nowoczesne systemy monitorowania sieci energetycznych umożliwiają również prognozowanie zapotrzebowania na energię w przyszłości. Pozwala to na efektywne planowanie produkcji energii, unikanie przeciążeń sieciowych i minimalizowanie strat [2].

Jednym z kluczowych aspektów stosowania systemów automatyki w energetyce jest optymalizacja pracy elektrowni, w tym rozproszonych źródeł energii, do których należą farmy fotowoltaiczne oraz farmy wiatrowe. Systemy automatyki umożliwiają monitorowanie i sterowanie procesami w tych źródłach, tak aby efektywnie wykorzystywały dostępne zasoby energii, reagowały na zmienne warunki atmosferyczne i zmienne zapotrzebowanie na energię.

Automatyzacja pozwala na optymalizację pracy systemów dystrybucji energii. Na szczególną uwagę zasługuje automatyzacja w infrastrukturze sieciowej. Systemy automatyczne umożliwiają zdalne monitorowanie i zarządzanie m.in. stacjami transformatorowymi, liniami przesyłowymi oraz podstacjami. Dzięki temu można kontrolować parametry pracy sieci na styku dostawcy z odbiorcą, co przekłada się na poprawę niezawodności i efektywności całego systemu energetycznego [2].

Integracja automatyki w energetyce obejmuje również zarządzanie bezpieczeństwem. Systemy automatyki mogą identyfikować i reagować na potencjalne zagrożenia – przeciążenia, przepięcia czy zwarcia – co przyczynia się do zwiększenia bezpieczeństwa, zarówno sieci energetycznych, jak i infrastruktury energetycznej odbiorców, w tym odbiorców przemysłowych. Stosując inteligentne zarządzanie przesyłem energii i reagowanie na zmieniające się warunki, można minimalizować przeciążenia sieci, optymalizować dystrybucję energii elektrycznej oraz zwiększyć efektywność energetyczną. Wykorzystanie sztucznej inteligencji do zarządzania dostawami i optymalizacją magazynowania energii pomoże stworzyć systemy energetyczne reagujące w czasie rzeczywistym na zmiany popytu oraz predykcyjne zarządzanie dostawami prądu.

Cyfryzacja Energetyki i Cyfrowe Systemy Sterowania

Cyfrowe systemy sterowania w energetyce obejmują wiele technologii, które umożliwiają monitorowanie, kontrolę i optymalizację operacji energetycznych w czasie rzeczywistym. Dzięki zastosowaniu zaawansowanych algorytmów analizy danych, systemy te mogą przewidywać i reagować na zmiany zapotrzebowania na energię, identyfikować i rozwiązywać problemy w sieci oraz minimalizować straty energii. Kluczowym elementem tych systemów są inteligentne sieci Smart Grids, które integrują różne źródła energii, magazyny energii i urządzenia końcowe w jednolitym, zoptymalizowanym systemie.

Jednym z wiodących rozwiązań na rynku cyfrowych systemów sterowania jest SIMATIC PCS 7 firmy Siemens. Jest to zaawansowany rozproszony system sterowania procesami (DCS), w którym dostępne są kompleksowe funkcje do automatyzacji systemów wykorzystywanych w energetyce. Zakres funkcji i obszar zastosowań daleko wykraczają poza granice określone przez typowe systemy sterowania procesami. Moduł SIMATIC PCS 7 PowerControl pozwala na zintegrowane zarządzanie i kontrolę wszystkich procesów produkcji i dystrybucji energii, od elektrowni po odbiorców końcowych. System ten wykorzystuje sztuczną inteligencję i analizę danych, aby zwiększyć efektywność operacyjną i niezawodność.

Dzięki SIMATIC PDS 7 PowerControl możliwe jest połączenie automatyzacji procesów i automatyzacji rozdzielnic elektrycznych średnich napięć w przedziale 4–30 kV w jednym systemie sterowania. Urządzenia elektroniczne do ochrony, kontroli, pomiaru i monitorowania transmisji i dystrybucji energii (IED), takie jak urządzenia zabezpieczające SIPROTEC lub podobne urządzenia innych firm zastosowane w rozdzielnicach, mogą być zintegrowane w systemie sterowania procesem SIMATIC PCS 7 przez sieć Ethernet TCP/IP
z protokołem IEC 61850. Zapewnia to zwiększoną elastyczność konfiguracji i diagnostyki układów ochrony i sterowania w rozdzielnicach elektrycznych.

Kontroler PFC200 firmy WAGO jest zaawansowanym sterownikiem PLC (Programmable Logic Controller) zaprojektowanym z myślą o zarządzaniu procesami rozproszonymi, w tym procesami rozproszonymi w energetyce. Montowany jest standardowo w szafach telemechaniki WAGO będących kompleksowym rozwiązaniem w zakresie automatyzacji obiektów średniego i niskiego napięcia. PFC200 umożliwia zdalne monitorowanie i kontrolę poboru i dystrybucji prądu, co jest kluczowe w kontekście rozproszonych źródeł energii. System ten wspiera różne protokoły komunikacyjne, takie jak MQTT, OPC UA i Modbus, co ułatwia integrację z istniejącymi systemami energetycznymi. Aplikacja WAGO Smart Grid dostępna za pomocą sterownika PFC200 oferuje przejrzysty interfejs użytkownika, upraszczając konfigurację, eksploatację oraz uruchomienie urządzeń telemechaniki na obiekcie. Zintegrowany modem telefonii komórkowej umożliwia bezprzewodowe połączenie z Internetem. Poza przemysłem maszynowym i automatyką budynkową PFC200 może być również stosowany w technice procesowej jako element rozproszonego systemu do odczytu danych.

Firma Phoenix Contact rozwija innowacyjne rozwiązania sterowania oparte na platformie PLCnext Technology. Ta otwarta platforma sterowania umożliwia elastyczną integrację różnych aplikacji i narzędzi programistycznych, co jest kluczowe dla nowoczesnych systemów energetycznych. PLCnext wspiera języki programowania zgodne z IEC 61131-3, jak również języki wysokiego poziomu, takie jak C# i Python. Dzięki temu, systemy sterowania mogą być szybko dostosowywane do specyficznych wymagań różnych aplikacji energetycznych.

Oprócz wymienionych firm, na rynku dostępne są również inne zaawansowane systemy sterowania, takie jak ABB Ability System 800xA, Schneider Electric EcoStruxure oraz Honeywell Experion. ABB Ability System 800xA oferuje zintegrowane rozwiązania dla automatyzacji i zarządzania energią, Schneider Electric EcoStruxure koncentruje się na zrównoważonym zarządzaniu energią i automatyzacji budynków, natomiast Honeywell Experion zapewnia zaawansowane narzędzia do monitorowania i sterowania procesami energetycznymi. EcoStruxure to platforma integrująca systemy czujników IIoT i automatyczne urządzenia pomiarowe do zarządzania energią. Umożliwia m.in. zbieranie, analizę i przetwarzanie danych w czasie rzeczywistym, co pozwala na efektywne zarządzanie zasobami energetycznymi i optymalizację zużycia energii.

Sensory IIoT w energetyce

Czujniki IIoT to urządzenia, które zbierają dane z otoczenia i przesyłają je przez sieć do centralnych systemów zarządzania. W energetyce takie sensory dokonują przede wszystkim pomiarów napięcia, prądu, mocy, w tym biernej i czynnej, napięć międzyfazowych, poprawności uziemienia, temperatury, wilgotności, ciśnienia, oraz innych zmiennych, krytycznych z punktu widzenia działania systemów energetycznych.

Automatyczne urządzenia pomiarowe IoT łączą w sobie funkcje sensorów i zaawansowanych systemów przetwarzania danych. Te urządzenia nie tylko zbierają dane, ale również analizują je w czasie rzeczywistym, dostarczając cennych informacji zwrotnych, które mogą być wykorzystane do optymalizacji działania systemów energetycznych. Pozwalają wykrywać anomalie, przewidywać awarie i optymalizować zużycie energii, co przyczynia się do zwiększenia niezawodności i efektywności energetycznej.

Siemens oferuje takie rozwiązanie pod nazwą SIMATIC IOT2000, które idealnie nadaje się do integracji z systemami energetycznymi. Jest to inteligentny interfejs dla Przemysłowego Internetu Rzeczy. Dzięki SIMATIC IOT2000 można łatwo podłączyć maszyny i instalacje do systemu IT przedsiębiorstwa lub do chmury. Urządzenia te pozwalają na zbieranie, przetwarzanie i przesyłanie danych z różnych sensorów IoT. SIMATIC IOT2000 jest kompatybilny z różnymi protokołami komunikacyjnymi, co ułatwia jego integrację z istniejącymi systemami. Dzięki temu możliwe jest monitorowanie i zarządzanie zużyciem energii w czasie rzeczywistym.

Phoenix Contact oferuje kontroler ILC 2050 BI, który jest stosowany do zarządzania budynkami i infrastrukturą energetyczną. Urządzenie to umożliwia integrację różnorodnych sensorów IoT i automatyczne przetwarzanie danych. ILC 2050 BI korzysta z zaawansowanych algorytmów analizy danych, które mogą przewidywać zapotrzebowanie na energię i optymalizować zużycie. ILC 2050 BI oferuje dwa oddzielone od siebie logicznie interfejsy adresu IP, każdy z nich z dwoma wbudowanymi portami szybkiego Ethernetu.

Firma Eaton ma w swojej ofercie zaawansowany system pomiarowy do monitorowania parametrów elektrycznych, Power Xpert Meter. Mierniki z serii Power Xpert 4000/6000/8000 (PXM4000, PXM6000 i PXM8000) zapewniają podstawowe i rozszerzone funkcję monitorowania efektywności wykorzystania energii, w tym zużycia i jakości energii. Oferują też funkcję analizy danych w czasie rzeczywistym, co pozwala na dokładne monitorowanie i optymalizację zużycia energii. Power Xpert Meter integruje się z sieciami IoT, umożliwiając zdalne monitorowanie i zarządzanie.

Firma WAGO oferuje IoT-Box – rozwiązanie, które integruje różne sensory IoT do monitorowania i zarządzania systemami energetycznymi. IoT-Box umożliwia zbieranie i analizę danych w czasie rzeczywistym, co pozwala na optymalizację zużycia energii i poprawę efektywności operacyjnej. IoT-Box to całkowicie prefabrykowane rozwiązanie, które może być szybko dodane do istniejących maszyn i systemów, bez konieczności przerywania procesu produkcyjnego. IoT-Box jest uniwersalnym narzędziem i może być stosowany m.in. do odczytu wartości prądu, napięcia, cykli produkcyjnych oraz stanu instalacji. Istnieje wiele możliwości integracji infrastruktury IT firm: przez Ethernet i WLAN lub zupełnie niezależnie od miejsca poprzez sieć telefonii GSM. Bezpieczeństwo zapewnia nie tylko separacja technologii informacyjnej (IT) i operacyjnej (OT), lecz również usługi standardowo zintegrowane w sterownikach PFC, takie jak szyfrowanie TLS oraz tunel VPN.

Mitsubishi Electric rozwija środowisko przemysłowych komputerów pod nazwą MELIPC. To rozwiązanie IoT łączy funkcje kontrolera i platformy analizy danych. MELIPC umożliwia integrację różnorodnych sensorów IoT, zbieranie i analizę danych w czasie rzeczywistym oraz automatyczne sterowanie systemami energetycznymi, co prowadzi do zwiększenia efektywności i niezawodności. Istnieje tu też możliwość zastosowania algorytmów uczenia maszynowego i deep learningu.

Wykorzystanie sensorów IoT i automatycznych urządzeń pomiarowych IoT w energetyce przynosi liczne korzyści, w tym zwiększoną efektywność operacyjną, niezawodność oraz optymalizację zużycia energii. Rozwiązania oferowane m.in. przez firmy Siemens, Phoenix Contact, Eaton, Introl, Schneider Electric, ABB, WAGO, Mitsubishi Electric i TiM są przykładem zaawansowanych technologii, które rewolucjonizują sposób, w jaki zarządzane są systemy energetyczne. Integracja tych technologii z istniejącymi systemami energetycznymi pozwala na tworzenie inteligentnych, zrównoważonych i efektywnych sieci energetycznych, co jest kluczowe dla przyszłości sektora energetycznego.

źródło: Automatyka 7-8/2024