Fonte: generatorsource.com
Il concetto di microgrid esiste da molti anni. Solo di recente hanno acquisito una notevole trazione e stampa poiché molti nuovi progetti diventano realtà e vengono messi in produzione. Bloom Energy ha recentemente riferito che 500 nuove microreti sono in corso o in fase di implementazione a partire da quest'anno (2019) e i totali mondiali sono nella gamma multipla GW.
Al centro, una microgrid è un sistema di rete elettrica in miniatura che è impostato per gestire risorse energetiche distribuite e può includere fonti rinnovabili (solare, eolica e/o idroelettrica) con altre fonti non rinnovabili (come generatori diesel, turbine a gas, eccetera.). Queste microreti in genere gestiscono i carichi energetici di sistemi di generazione multipla e utilizzano anche un qualche tipo di sistema di accumulo di energia. Lavorano e gestiscono tutto questo con diversi tipi di software e sistemi di controllo. Possono essere configurati per funzionare in parallelo con una rete elettrica e anche per funzionare in modalità stand-alone durante le emergenze o in base a specifiche esigenze.
Fondamenti di microgrid - Che cos'è una microgrid
Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) definisce una microrete come "Un gruppo di carichi interconnessi e risorse energetiche distribuite all'interno di confini elettrici chiaramente definiti che agisce come un'unica entità controllabile rispetto alla rete. Una microrete può connettersi e disconnettersi dalla rete per consentirgli di operare sia in modalità rete che in isola".
Inoltre, il DOE sostiene che "le microgrid sono state identificate come una componente chiave della Smart Grid per migliorare l'affidabilità e la qualità dell'energia, aumentando
efficienza energetica del sistema e fornire la possibilità di indipendenza dalla rete ai singoli siti degli utenti finali". I vantaggi dell'utilizzo della tecnologia delle microgrid possono essere:
- Si integra con la rete e più tecnologie di rete intelligente
- Integrazione di energie distribuite e rinnovabili, riducendo i picchi di carico
- Garantisce la fornitura di energia ai complessi con fabbisogni energetici critici
Altre organizzazioni definiscono le microreti in modo simile, incluso il concetto di carichi multipli e generazione dell'isola. La generazione dell'isola è l'energia fornita da energia eolica, solare, idroelettrica o diesel/NG.
L'illustrazione nel primo grafico è una microrete che utilizza l'alimentazione di rete come fonte primaria. Il parco eolico e solare alimenta un banco di batterie per l'uso di emergenza in caso di interruzione dell'alimentazione di rete. Entrambi sono normalmente collegati alla rete per ridurre i costi operativi dell'impianto. In caso di interruzione dell'alimentazione di rete, il complesso passa all'alimentazione a batteria dall'impianto eolico e solare. I generatori si avviano e assumono il carico dalle batterie. Gli edifici sul lato carico del circuito non vedono alcuna fluttuazione di potenza a causa del design della rete di distribuzione. Quando viene ripristinata l'alimentazione di rete, il carico viene riportato alla rete di alimentazione e i generatori di riserva vengono spenti. I parchi eolici e solari tornano al normale funzionamento.
Molti fattori entrano nella progettazione e costruzione di una microrete. I progressi nelle tecnologie di generazione e distribuzione di energia consentono sistemi che riducono il consumo di energia, utilizzano metodi di generazione ecologici e soddisfano i requisiti critici di alimentazione. Di seguito sono riportate le informazioni di base per ciascuna delle fonti di alimentazione e dei sistemi di controllo. La costruzione di questa microrete è fittizia ma modellata nel concetto dai progetti DOE.
Alimentazione e carichi di utilità
La più comune delle microreti utilizza l'alimentazione di rete fornita dall'azienda elettrica locale come alimentazione primaria. Le microgrid situate in località remote possono utilizzare la generazione idroelettrica come energia primaria o impiegare impianti di generazione di combustibili fossili come energia primaria.
Le centrali elettriche generano elettricità ad alta tensione. Alcuni utilizzano trasformatori step-up per aumentare la tensione per il trasferimento alle sottostazioni. Le sottostazioni ricevono tensione dalle centrali elettriche tramite linee ad alta tensione. Le tensioni vengono adeguate alle esigenze e distribuite ai clienti.
Ospedali, strutture penitenziarie statali e data center sono alcuni dei settori che richiedono un gruppo di continuità (UPS). Molti hanno più edifici che richiedono un'alimentazione costante. Alcuni degli edifici possono avere aree che richiedono una fonte di alimentazione isolata a causa dei requisiti di tensione, amperaggio e/o frequenza.
Queste installazioni consumano una grande quantità di energia per condurre le normali operazioni quotidiane. Ricevono energia dalle linee ad alta tensione in una sottostazione dedicata al complesso. La tensione viene regolata ai livelli desiderati utilizzando trasformatori step-up o step-down. Tutta l'energia viene instradata attraverso pannelli di commutazione e controllo per la distribuzione in tutti gli edifici.
Ogni edificio rappresenta un carico elettrico. È possibile avere più di un carico dedicato a un edificio. Un esempio di punto di carico secondario in un edificio è un convertitore di frequenza. Un picco di tensione positivo e un picco di tensione negativo equivalgono a un ciclo (Hz). L'alimentazione comune è 50 Hz o 60 Hz. Alcune apparecchiature richiedono un'alimentazione a 400 Hz per funzionare. I convertitori di frequenza cambiano da 50 Hz o 60 Hz a 400 Hz. Esistono molti altri esempi di punti di carico secondari in un edificio. Nella progettazione di microgrid, tutti sono controllati da un unico punto.
Potenza del generatore di backup e picchi di domanda
I generatori di riserva forniscono energia alla rete in caso di interruzione dell'alimentazione di rete. Il generatore è composto da un motore e un alternatore (lato generatore). I motori a gas naturale (GN) e diesel sono lo standard del settore. I motori alimentati a GN possono funzionare a tempo indeterminato fintanto che la fornitura di gas di servizio non viene interrotta. L'alimentazione di backup non è disponibile quando l'alimentazione è assicurata.
I generatori con motori diesel possono funzionare quando tutte le infrastrutture falliscono, inclusa la fornitura di gas naturale. I serbatoi principali di alimentazione del carburante devono essere monitorati e riforniti quando sono bassi. I sistemi automatizzati possono avvisare l'operatore quando i livelli del serbatoio raggiungono un punto prestabilito per eliminare l'arresto dovuto alla mancanza di carburante.
Applicazioni del generatore interno
Il motore, i sistemi di raffreddamento e le estremità del generatore sono tutti montati su uno skid fabbricato con travi in acciaio. Lo skid è montato sul pavimento dell'edificio. I supporti in gomma vengono utilizzati in posizioni chiave per ridurre le vibrazioni durante il funzionamento.
Questo generatore di stile non ha serbatoi di carburante e richiede un rifornimento di carburante esterno. I grandi serbatoi di carburante primario possono rifornire i serbatoi giornalieri. Devono avere lo scarico dell'edificio e la fornitura di aria di raffreddamento o un sistema di raffreddamento aftermarket come uno scambiatore di calore (HEX) installato.
Applicazioni del generatore all'aperto
I generatori utilizzati all'aperto sono montati in un involucro resistente alle intemperie o alle intemperie. Molte custodie sono insonorizzate per ridurre il rumore di funzionamento. Il generatore è montato su skid su un serbatoio del carburante a doppia parete. Questi generatori non hanno requisiti esterni per il combustibile, lo scarico o il sistema di raffreddamento. Collegare i cavi di alimentazione in uscita al generatore ed è pronto per assumere il carico.
Entrambi i tipi di generatori sono disponibili con controlli elettronici avanzati e possono essere azionati in parallelo. È possibile predisporre un bus del generatore di backup diviso per fornire grandi quantità di tensioni diverse. Per visualizzare il nostro stock di generatori nuovi e usati, vai a Generator Source. Forniamo servizi di generatore come manutenzione, risoluzione dei problemi e riparazione, installazione.
Generazione di energia verde
L'Environmental Protection Agency (EPA) definisce l'energia verde come l'elettricità prodotta da sistemi solari, eolici, geotermici, biogas, biomasse e idroelettrici. Il nostro modello includeva energia eolica e solare. I possibili usi sono esplorati di seguito.
Energia solare
I pannelli solari sono costituiti da celle fotovoltaiche. Queste celle convertono la luce solare in elettricità a corrente continua (DC). L'elettricità creata viene immagazzinata in banchi di batterie. Una volta che i banchi di batterie sono completamente carichi, l'elettricità può essere reinstradata utilizzando un inverter e venduta.
L'inverter è il cuore del sistema UPS. Quando l'alimentazione viene a mancare, le batterie forniscono alimentazione ai circuiti che hanno requisiti di alimentazione critici. L'inverter trasforma la CC in corrente alternata (CA) per alimentare i circuiti mentre i generatori di riserva si preparano ad accettare il carico.
Energia eolica
Il vento è usato per far girare le turbine. Le turbine producono elettricità CA in modo molto simile al modo in cui funzionano i generatori alimentati a diesel ea vapore. Le turbine eoliche possono anche essere collegate alla rete elettrica della rete di backup della batteria dell'UPS.
Le turbine collegate alla rete elettrica devono corrispondere alla fase e alla frequenza. Per far corrispondere la fase e la frequenza della rete, la potenza della turbina viene instradata attraverso un convertitore da CA a CA. La CA viene convertita in CC, quindi rettificata nuovamente in CA con un inverter e indirizzata alla rete. La corrente CA proveniente dalla turbina eolica può anche essere instradata attraverso un convertitore per facilitare la ricarica del banco di batterie.
L'energia solare ed eolica sono ottimi metodi per compensare i costi di consumo energetico degli edifici, ma non si sono sviluppati abbastanza per accettare compiti di alimentazione di riserva. Entrambi dipendono dalle condizioni meteorologiche locali e dai banchi di batterie disponibili. In una giornata nuvolosa senza vento, i banchi di batterie possono esaurirsi rapidamente senza sforzi di ricarica.
Banche di batterie di backup
Le soluzioni di energia verde spesso impiegano l'uso di banchi di batterie di riserva. Questi banchi forniscono solo alimentazione momentanea all'UPS. Sono progettati per fornire energia quando l'alimentazione di rete viene a mancare nella struttura, mentre i generatori si avviano per assumere il carico.
I sistemi di batterie di backup possono essere costruiti con tre diversi stili di banchi di batterie elencati di seguito:
Celle al piombo - Le batterie con celle al piombo sono la soluzione meno costosa. Queste possono essere una buona risposta off-grid per applicazioni più piccole
Ioni di litio: più leggere e compatte e durano più a lungo delle batterie al piombo. Tuttavia, sono più costosi
Acqua salata - Questo nuovo arrivato si basa sugli elettroliti nell'acqua salata. Le batterie sono per lo più non testate ma facilmente riciclabili
I banchi di batterie alimentati dal vento vengono caricati da un convertitore che trasforma la corrente alternata in corrente continua. Le batterie ad energia solare non necessitano di un convertitore perché i pannelli solari generano corrente continua.
Quando viene a mancare l'alimentazione di rete, c'è una perdita di tempo di quasi un millisecondo per la risposta positiva del generatore.
Strutture e complessi come ospedali, data center e comuni hanno tolleranza zero per la perdita di alimentazione. Si affidano a banchi di batterie per fornire energia nel frattempo in caso di interruzione dell'alimentazione. Questa è un'ottima soluzione a breve termine, ma i banchi di batterie hanno i loro limiti.
Le batterie con la capacità di accettare il carico elettrico sono costose per un acquisto iniziale. Le batterie al piombo hanno l'elettrolita è il liquido nelle celle della batteria. Il livello dell'elettrolito e il peso specifico devono essere controllati frequentemente. Anche con un'attenta manutenzione, la durata di queste batterie può essere solo da 5 a 15 anni.
Costo dell'energia rinnovabile e dei sistemi di accumulo dell'energia
Le risorse energetiche rinnovabili come i parchi eolici, i parchi solari e la generazione idroelettrica hanno un prezzo di acquisto iniziale elevato. Tecnici esperti e squadre di costruzione sono necessari per installare l'attrezzatura acquistata. Dopo l'installazione, il collaudo e la messa in servizio, l'apparecchiatura deve essere sottoposta a manutenzione. Spesso è necessaria una forza di manutenzione a tempo pieno per mantenere l'apparecchiatura in funzione secondo le specifiche.
Lo stoccaggio di energia sta avanzando rapidamente e sarà un attore chiave nel futuro delle microreti. Può essere un argomento molto complesso e richiede ingegneri e pianificazione, ei costi sono ovunque a seconda delle tue esigenze. Microgrid Knowledge ha un eccellente articolo recente su alcuni degli ultimi sviluppi nello stoccaggio di energia della conferenza del 2019 in cui immergersi qui. Descrivono in dettaglio il percorso verso l'obiettivo GW di accumulo di energia e le ultime notizie dalle aziende e dalle politiche FERC che vengono ora approvate.
Stazione di controllo
La stazione di controllo fornisce all'operatore sia capacità di controllo che di monitoraggio. Ogni sistema può essere suddiviso in un sottosistema che contiene singole apparecchiature al suo interno.
Quadri di distribuzione e controllo - Ricezione di tensioni di ingresso da tutte le fonti e distribuzione dell'alimentazione ai circuiti necessari.
Generatori di backup: il software della stazione di controllo monitora e ha la capacità di modificare la configurazione di funzionamento del generatore per fornire alimentazione ai circuiti critici.
Green Power - I banchi di batterie dell'UPS sono monitorati. L'energia solare in ingresso ai banchi di batterie e alla rete viene monitorata. Statistiche delle turbine eoliche monitorate. La possibilità di passare a una turbina eolica ridondante o a un banco di batterie.
Fondamentalmente, la stazione di controllo fornisce una soluzione software per mantenere, monitorare e controllare tutto l'hardware associato a una configurazione di microrete. Possono esserci più software a supporto delle operazioni della rete.
La ridondanza è un principio chiave nella progettazione di questi sistemi. La ridondanza consiste nell'avere una pronta posizione accanto a un'apparecchiatura in caso di guasto dell'apparecchiatura primaria. Generatori, turbine eoliche e banchi di batterie sono tutti esempi di sistemi che possono avere apparecchiature principali e di supporto ridondanti.
Alcune apparecchiature ridondanti assumono automaticamente i compiti dell'apparecchiatura principale assegnata e notificano all'operatore un problema. L'operatore della stazione di controllo notifica quindi alla manutenzione il problema in modo che possa essere corretto. Le apparecchiature ridondanti soddisfano gli stessi requisiti dell'apparecchiatura principale. Spesso le apparecchiature principali e ridondanti vengono scambiate dall'operatore per i test programmati.
La microrete è un concetto. Può essere grande o piccolo quanto necessario per l'installazione. Questo è un vecchio concetto che è qui per restare. Con l'aumentare della tecnologia di generazione di energia, aumenterà anche l'uso delle microreti.