Moc dla domu – przejście na niezależność opartą na odnawialnych źródłach energii

fot. Maryana/stock.adobe.com

Tradycyjne, scentralizowane sieci energetyczne od dawna tworzą podstawy dystrybucji energii elektrycznej, dostarczając energię do milionów domów. Mają jednak kilka poważnych słabych punków: straty energii na dużych odległościach, podatność na awarie na skalę całego systemu i problemy z dołączaniem odnawialnych źródeł energii. Rosnące zapotrzebowanie na bardziej ekologiczne i odporne rozwiązania energetyczne sprawia, że zdecentralizowane wytwarzanie energii staje się dla nich realną alternatywą.

Postępy w zakresie technologii OZE umożliwiły gospodarstwom domowym przejęcie kontroli nad produkcją energii, przyczyniając się do decentralizacji tradycyjnych sieci energetycznych. Przewiduje się, że do roku 2030 liczba domowych instalacji solarnych na całym świecie podwoi się, umacniając trend w kierunku niezależności energetycznej.^[1]

W tym artykule przedstawiamy technologie kluczowe dla domowych mikrosieci energetycznych, w tym inteligentne inwertery, akumulatorowe systemy magazynowania energii (BESS) i rozwiązania do monitorowania energii. Autor artykułu analizuje również rozwiązania sprzętowe zwiększające bezpieczeństwo, sprawność i interoperacyjność z istniejącą infrastrukturą sieci energetycznej.

Przez dziesiątki lat dystrybucja energii elektrycznej opierała się na scentralizowanym systemie sieciowym, w którym duże elektrownie wytwarzały energię elektryczną i przesyłały ją na duże odległości do odbiorców. Model ten przyczynił się do powszechnej elektryfikacji, lecz jednocześnie stwarzał kilka wyzwań. W scentralizowanych sieciach  przesył energii był często nieefektywny ze względu na straty na dużych dystansach. Ponadto zależność od elektrowni wykorzystujących paliwa kopalne przyczyniła się do emisji dwutlenku węgla i degradacji środowiska. Infrastruktura narażona była też na awarie, a zakłócenia pracy w jednej elektrowni lub na jednej linii przesyłowej mogły powodować przerwy w dostawie prądu w całych regionach.

Do ograniczeń modelu scentralizowanego zaliczała się też nieefektywność ekonomiczna. Odbiorcy mieli ograniczoną kontrolę nad cenami energii elektrycznej, które zmieniały się w zależności od warunków rynkowych i dostępności energii. Poza tym scentralizowane sieci borykały się z trudnościami w integracji odnawialnych źródeł energii ze względu na ich nieciągły charakter pracy, co wymagało kosztownych modernizacji infrastruktury i mechanizmów bilansowania energetycznego. Wyzwania te zrodziły potrzebę bardziej elastycznego i odpornego podejścia do dystrybucji energii, torując drogę dla rozwoju zdecentralizowanych systemów energetycznych.

Globalny krajobraz energetyczny przechodzi gruntowną transformację: postępy w dziedzinie energii odnawialnej wprowadziły koncepcję zdecentralizowanej produkcji energii, umożliwiając indywidualnym użytkownikom wytwarzanie i magazynowanie energii elektrycznej.

Na rosnące wykorzystanie odnawialnych źródeł energii w gospodarstwach domowych wpływa szereg czynników. Istotną rolę odegrały zachęty o charakterze finansowym, bowiem koszt paneli solarnych spadł w ciągu ostatnich dziesięciu lat o ponad 80 procent.^[2] Poprzez system zachęt rządowych oraz taryf gwarantowanych i opomiarowania netto instalacje wykorzystujące energię słoneczną i wiatrową stały się bardziej opłacalne. Ważnym czynnikiem były również kwestie środowiskowe, ponieważ zwiększona świadomość zmian klimatycznych skłoniła wielu właścicieli domów do przejścia na czyste źródła energii. Kluczowym bodźcem jest też niezależność energetyczna, gdyż właściciele domów dążą do większej niezależności od tradycyjnych sieci energetycznych, aby ograniczyć ryzyka związane z przerwami w dostawie prądu, wahaniami cen energii i awariami sieci energetycznej.

Szybko rosnąca liczba domowych mikrosieci energetycznych stawia operatorów sieci przed nowymi wyzwaniami i możliwościami. Zarządzanie siecią energetyczną staje się coraz bardziej złożone, gdyż tradycyjne sieci nie są przystosowane do obsługi rozproszonych zasobów energetycznych (DER). Operatorzy sieci muszą wprowadzać technologie obsługujące dwukierunkowy przepływ energii i bilansowanie sieci w czasie rzeczywistym, a jednocześnie rozwijać swój model biznesowy. Ponieważ coraz więcej gospodarstw domowych wytwarza własną energię elektryczną, operatorzy sieci muszą szukać nowych źródeł przychodów, takich jak usługi zarządzania po stronie popytu, elektrownie wirtualne i programy leasingu akumulatorów.

Tempo wdrażania odnawialnych źródeł energii przyspiesza, a popyt na domowe instalacje słoneczne i wiatrowe wciąż rośnie, odzwierciedlając szerszą globalną zmianę w kierunku zdecentralizowanego wytwarzania energii. Gwałtowny rozwój domowych instalacji słonecznych i wiatrowych potwierdza znaczenie tej zmiany. Według Solar Energy Industries Association (SEIA) na kluczowych rynkach liczba dachowych instalacji słonecznych wzrosła o 40 procent w stosunku rocznym.^[3]

Zdecentralizowane sieci są odpowiedzią na wiele problemów związanych z nieefektywnością tradycyjnych systemów, umożliwiając rozproszone wytwarzanie energii i jej lokalny odbiór. W transformacji tej kluczową rolę odegrał postęp technologiczny. Inteligentne liczniki i oprogramowanie do zarządzania energią umożliwiają właścicielom domów śledzenie i optymalizację zużycia energii w czasie rzeczywistym. Na rynku pojawiają się platformy handlu energią typu peer-to-peer, wykorzystujące technologię blockchain, dzięki którym właściciele domów mogą sprzedawać nadwyżki energii bezpośrednio sąsiadom, bez pośrednictwa tradycyjnych operatorów infrastruktury.

Jedną z najważniejszych korzyści decentralizacji jest zwiększona odporność sieci. Zdecentralizowane wytwarzanie energii zmniejsza zależność od dużych elektrowni, ograniczając tym samym ryzyko przerw w dostawie prądu obejmujących rozległe obszary. Właściciele gospodarstw domowych mogą utrzymywać stabilne źródło energii nawet podczas przerw w dostawie, stosując rozwiązania do  magazynowania energii, takie jak BESS. Mikrosieci energetyczne wykorzystujące odnawialne źródła energii pozwalają również stabilizować lokalne zapotrzebowanie na energię, zmniejszając obciążenie centralnej infrastruktury energetycznej.

Pod względem ekonomicznym decentralizacja oferuje właścicielom gospodarstw domowych znaczne oszczędności na kosztach energii elektrycznej. Energia wytwarzana we własnym zakresie zmniejsza zależność od sieci elektrycznej, obniżając rachunki za energię. W niektórych regionach właściciele gospodarstw domowych mogą uzyskiwać przychody ze sprzedaży do sieci nadwyżek energii elektrycznej. Przewiduje się, że przyczyni się to do dalszego wdrażania zdecentralizowanych systemów energetycznych w najbliższych latach.

Domowe mikrosieci łączą różne komponenty w celu efektywnego generowania i magazynowania energii oraz zarządzania nią. Kluczową rolę w ich działaniu odgrywają technologie przedstawione poniżej.

Inteligentne inwertery i zarządzanie energią / monitorowanie energii

Inteligentne inwertery są narzędziem niezbędnym do przekształcania prądu stałego z paneli słonecznych w prąd przemienny, odpowiedni do użytku w domu. Zarządzają przepływem energii, zapewniając jej optymalną dystrybucję i kierując moc tam, gdzie jest najbardziej potrzebna. Efektywność zarządzania energią uzyskuje się dzięki nowoczesnym inwerterom, które wykorzystują algorytmy śledzenia punktu mocy maksymalnej (MPPT) w celu zwiększenia do maksimum pozysku energii z paneli słonecznych. Inteligentne inwertery oferują również funkcję analizy wydajności w czasie rzeczywistym, umożliwiając właścicielom domów monitorowanie i optymalizację zużycia energii. Ponadto bezproblemowo integrują się z systemami automatyki domowej i inteligentnymi licznikami, umożliwiając sprawną interakcję z siecią i bilansowanie obciążenia.

BESS

Magazynowanie energii w akumulatorach ma decydujące znaczenie dla odporności energetycznej domu. Bez możliwości magazynowania wytwórca traciłby niewykorzystane nadwyżki energii wytworzonej w ciągu dnia. Rozwój technologii akumulatorów litowo-jonowych zaowocował nowoczesnymi rozwiązaniami w zakresie magazynowania energii, takimi jak Tesla Powerwall i LG Chem RESU, które oferują wyższą gęstość energii i dłuższą żywotność. Modułowe rozwiązania do magazynowania energii umożliwiają ich rozbudowę w miarę rosnących potrzeb domu. Ponadto optymalizacja zużycia energii oparta na sztucznej inteligencji zwiększa wydajność poprzez prognozowanie zapotrzebowania i automatyczne dostosowywanie cykli ładowania i rozładowania.

Jako że coraz więcej właścicieli domów korzysta z mikrosieci energetycznych, zapewnienie ich bezpiecznego działania staje się sprawą kluczową. Niezawodne mechanizmy monitorowania i ochrony pomagają zapobiegać awariom elektrycznym i utrzymywać stabilność systemu. Oferowane przez Allegro MicroSystems-czujniki prądu (Ilustracja 1) umożliwiają monitorowanie prądu w czasie rzeczywistym, zapewniając stabilność systemu i zapobiegając przeciążeniom. Czujniki te są przeznaczone do zastosowań energetycznych i oferują wysoką czułość oraz precyzję pomiaru.

Ilustracja 1. Czujniki prądu Allegro MicroSystems (źródło: Mouser Electronics)

Poza bezpieczeństwem najważniejszym czynnikiem w optymalizacji domowych mikrosieci jest ich sprawność energetyczna. Innowacje w dziedzinie komponentów zarządzania energią przyczyniają się do minimalizacji strat energii i maksymalizacji wydajności systemu. Miniaturowe wysokoprądowe cewki indukcyjne WE-MAPI Würth Elektronik są przeznaczone do zastosowań wymagających wysokiej sprawności, zmniejszając straty mocy i poprawiając ogólną efektywność kompaktowych domowych systemów energetycznych.

Interoperacyjność jest niezbędna, aby mikrosieci mogły sprawnie funkcjonować w obrębie szerszego ekosystemu energetycznego. Efektywna komunikacja pomiędzy komponentami i sieciami energetycznymi zapewnia niezawodną i skalowalną integrację. Moduł combo Murata Typ 1XA WLAN+Bluetooth^®‎ (Ilustracja 2) umożliwia bezpieczną i wydajną komunikację bezprzewodową między komponentami domowej mikrosieci, ułatwiając zaawansowane zarządzanie energią.

Ilustracja 2. Moduł combo Murata Typ 1XA WLAN+Bluetooth (źródło: Mouser Electronics)

Rozwój systemów energetycznych stwarza nowe możliwości i wyzwania, a jednocześnie wymaga innowacyjnych rozwiązań zapewniających bezpieczeństwo, wydajność i całkowitą interoperacyjność z istniejącą infrastrukturą sieciową. Kluczową rolę w tym procesie rozwoju odgrywają nowoczesne komponenty, które umożliwiają inżynierom i projektantom opracowywanie niezawodnych i skalowalnych rozwiązań energetycznych.

Ciągłe inwestycje w technologie OZE będą napędzać dalszy rozwój zdecentralizowanych ekosystemów energetycznych w świecie zmierzającym w kierunku bardziej zrównoważonej przyszłości. Utrzymując się w czołówce tych zmian, inżynierowie i energetycy mogą przyczynić się do kształtowania następnej generacji inteligentnych, samowystarczalnych domów.