A nap- és szélerőművek terjedése elkerülhetetlenné teszi a villamosenergia-hálózat átalakítását, a trend egyik legizgalmasabb fejleménye pedig az intelligens, fenntartható helyi mikrogridek megjelenése. A technológiában rejlő potenciál kiaknázásával nem csak a termelők és felhasználók nyerhetnek, de az elosztóhálózat-üzemeltetők is a hatékonyság, rugalmasság és stabilitás magasabb szintjét érhetik el.

Az energiarendszer világszerte radikális átalakuláson megy keresztül. A napelemek, hőszivattyúk, villanyautók, e-töltők, energiatárolók és az új energiarendszer egyéb elemeinek robbanásszerű terjedése szükségszerű és örömteli fejlemény az emberiség előtt álló valaha volt legnagyobb kihívás, a klímaváltozás elleni fellépés szempontjából. Az új eszközök térnyerése ugyanakkor az energiatermelés és -felhasználás olyan fokú változását eredményezi, ami a hagyományos erőműpark zsugorodásával és a villamosenergia-igény erősödésével párhuzamosan hatalmas feladat elé állítja a villamosenergia-hálózat üzemeltetőit, maga után vonva az egészen más körülmények között tervezett hálózatok átalakulását is.

A villamosenergia-rendszert egy olyan, állandósulni látszó hibrid állapot jellemzi, ahol a modern okos eszközök együttműködnek a hagyományos eszközökkel, ahol a fosszilis termelés kéz a kézben jár az időjárásfüggő megújuló energiaforrásokkal, és ahol a fogyasztókból termelő-fogyasztók válnak. A helyzet szükségessé teszi a működési paradigma újragondolását is, a megbízhatóság, stabilitás és rugalmasság központi hálózatban való fenntartása ugyanis egyre kevésbé oldható meg a hagyományos eszközökkel. A kibocsátáscsökkentés sürgető jellege miatt ráadásul a folyamatnak gyorsnak kell lennie, miközben a fogyasztónak optimális esetben csak a kedvező változásokat szabad észrevennie.

Egy, az energiatermelés decentralizációjával párhuzamosan zajló másik nagy diszruptív trendnek, a digitalizációnak köszönhetően mindez napjainkra technikailag lehetségessé vált, miután az úgynevezett mikrogrid és az ennek lényegét képező szoftverek is piacérett stádiumba érkeztek. Ezzel, azt követően, hogy az energiarendszer átalakulását eddig a megújulóenergia-termelő egységek hagyományos hálózatban való tömeges megjelenése dominálta, a hangsúly most részben átkerül a hálózat zömmel éppen a nap- és szélerőművek terjedése miatt szükséges átalakítására. A folyamat világszerte megkezdődött, az összefoglalóan grid edge-nek nevezett új hálózati technológiák, megoldások felbukkanásával járó trend egyik legizgalmasabb fejleménye pedig az intelligens, fenntartható helyi mikrogridek megjelenése.

A jövő energiarendszerének alapegysége

Az intelligensen menedzselt mikrogrid lényegében a jövő energiarendszerét alkotó energiasejtek magjaként képzelhető el. Olyan kis, lokális energiarendszerekről van szó, amelyek képesek termelni, elosztani és vezérelni a villamos energiát egy-egy kisebb közösségben, kritikus infrastruktúrákban, kereskedelmi és ipari területeken. Elsősorban új technológiákat, mindenekelőtt megújuló termelő egységeket, akkumulátorokat, e-töltőket és egyéb fogyasztó berendezéseket, valamint intelligens mérőket és irányító rendszereket szervezik egységbe, de minden főbb energetikai eszköztípust képesek kombinálni, működésüket úgy optimalizálva, hogy a meghatározott felhasználói célok – szén-dioxid-kibocsátás- és energiaköltség-csökkentés, illetve az ellátásbiztonság növelése – elérését a leghatékonyabban szolgálják.

A mikrogridek telepítésének egyik fő célja, hogy a hét minden napján 0-tól 24 óráig zavartalan ellátást nyújtsanak, egyensúlyba hozva az igényeket a termeléssel, lehetővé téve egyebek mellett az energiafogyasztás helyi kontrollját és saját hosszú távú energiafelhasználási stratégia megvalósítását. Az önálló kis helyi energiarendszert alkotó mikrogrid alapesetben kapcsolódik és együttműködik az országos hálózattal is, villamos energiát betáplálva vagy vételezve onnan, de a megfelelő eszközökkel ellátva képes a szigetüzemre, vagyis az országos hálózattól független működésre is.

Azáltal, hogy a mikrogridek a hagyományos hálózat részeként, attól függetlenül vagy egyszerre mindkét módon üzemelhetnek, forradalmasítják az energiaforrások kezelését. Az új technológiában rejlő potenciál kiaknázásával pedig nem csak a termelők és felhasználók nyerhetnek, de az elosztóhálózat-üzemeltetők (DSO-k) is a hatékonyság, rugalmasság és stabilitás magasabb szintjét érhetik el.

A mikrogridek a bennük rejlő rendszerszervező, hatékonyságjavító potenciálnak köszönhetően tulajdonképpen nyer-nyer helyzetté tudják alakítani az időjárásfüggő, ezért bizonyos fokig kiszámíthatatlanul ingadozó termelésű megújuló energiaforrások terjedésére és a hálózati stabilitás fenntartására irányuló törekvés konfliktusát, nem csupán a helyi ellátásbiztonság erősítéséhez járulva hozzá. A rendszer a termelés és felhasználás optimalizálásával ugyanis az országos hálózat igényeihez alkalmazkodva annak tehermentesítését is képes elősegíteni, szükség esetén plusz energiát a hálózatba adva vagy felvéve onnan a többletenergiát. Ezzel magát a megújulók gyors térnyerését teszik fenntarthatóbbá, megnyitva az utat a zöld kapacitás további növelésének, végeredményben a klímacélok elérésének felgyorsítása előtt is.

Ahogyan pedig a villamosenergia-források mátrixa bővül, az elektromos járművek és egyéb elektromos eszközök kereslete növekszik és az energiaátmenet folytatódik, e mind bonyolultabb rendszer menedzselése is egyre fontosabb lesz, a mikrogridek iránti kereslet pedig várhatóan világszerte jókora felfutás előtt áll.

A mikrogrid irányításához átfogó vezérlőrendszerre is szükség van, amely a mikrogrid agyaként lehetővé teszi a komponensek koordinált, optimalizált működését. A technológia napjainkra már elérte a szélesebb körű alkalmazáshoz szükséges fejlettségi szintet, köszönhetően az évekkel ezelőtt indított, egyöntetűen pozitív eredményeket hozó projektnek. A mikrogridek és a vezérlő szoftverek fejlesztésében vezető szerepet betöltő Siemens egyik legfontosabb tapasztalata szerint a technológia a legkülönfélébb helyi adottságú mikrogridek hatékony működtetésére alkalmas, amit jelentős mértékben modularitása tesz lehetővé.

Miután egy meglehetősen új, további fejlődés előtt álló, de már ma is érett technológiáról van szó, a Siemens lényegesnek tartja, hogy a megoldásoknak modulárisnak, bővíthetőnek, szállítósemlegesnek és nyílt interfészen kell lenniük, hogy alkalmazkodni tudjanak a szabályozási és technológia változásokhoz. A mikrogridek ezért „jövőállók” abból a szempontból is, hogy rugalmas és skálázható rendszerekként képesek alkalmazkodni az energiainfrastruktúra fejlődéséhez, és igény szerint rugalmasan bővíthetők, alakíthatók.

Új lehetőségek az elosztóhálózat-üzemeltetésben

A mikrogrid ugyanakkor a gondolkodásmód megváltoztatását is megköveteli a rendszer minden szereplőjétől, a fogyasztótól a hálózatüzemeltető társaságokig. Már csak azért is, mert ezek nem csak a végfelhasználók, a növekvő számú termelő-fogyasztó (prosumer) és a kisebb-nagyobb közösségek javát szolgálják, de az elosztóhálózat-üzemeltető társaságoknak is jelentős támogatást nyújthatnak a kapcsolódó kihívások leküzdéséhez, a klímavédelmi célok mellett hozzájárulva a hatékonyság és az ellátásbiztonság növekedéséhez, valamint a költségek mérsékléséhez is.

A megújuló villamos energia egyre meghatározóbbá válása következtében a termelés és a fogyasztás mindinkább az elosztóhálózat szintjén valósul meg. Ezeket a hatalmas változásokat az elosztói engedélyesek sem hagyhatják figyelmen kívül; miközben a hagyományos nagyerőművek egyre nagyobb számban érnek élettartamuk végére, az elosztóknak meg kell vizsgálniuk azokat a módokat, amelyekkel az új szereplők és források javíthatják a rendszerműveleti hatékonyságot.

Az új technológia lehetőségek tárházát nyitja meg az energiaszektor minden szereplője, különösen a DSO-k számára. A központi hálózathoz csatlakozva és sziget üzemmódban való működésre való képessége, a szabályozható források bevonásának képessége, valamint a külső eseményekre való reagálásra való képessége a mikrogrideket ideális eszközzé teszi a helyi villamosenergia-hálózat stabilitásának növelésére. Például a helyi feszültségingadozások fellépése vagy transzformátorok túlterhelődése esetén a mikrogrid sziget-üzemmódra tud váltani, megelőzve ezzel a hiba továbbterjedését. Ráadásul a mikrogrid vezérlője a beépített frekvencia- és feszültségszabályozást, az energiamenedzsment szoftvert és az egyéb védelmi rendszereket is használhatja a probléma helyi szintű megoldása érdekében.

A kisebb egységek ilyen formán történő autonóm menedzselése jelentősen növeli a hálózatkezelés hatékonyságát, az elosztóhálózat-üzemeltetőnek pedig a sok különálló megosztott energiaforrás helyett elegendő az ezeket összefogó mikrogrideket kezelni a kulcsparaméterek meghatározásával. A gazdasági előnyök között említhető a mikrogrideknek a csúcsigény kisimításához való hozzájárulása vagy a költséges hálózatbővítési igény csökkentése is. A mikrogridek akár rendszerszintű szolgáltatásokat egyaránt nyújthatnak az országos hálázat számára, további bevételi forrást teremtve és mérsékelve az üvegházhatású gázok kibocsátásának költségeit is. Továbbá, az elosztott, helyi termelés és a kisebb méret miatt a mikrogrid biztonságos üzemeltetése fizikailag és a kiberfenyegetések szempontjából szintén könnyebb.

A mikrogrideknek tulajdonosuk alapján két fő típusuk lehet: a tulajdonos lehet valamilyen közösség, intézmény, kereskedelmi vagy ipari ügyfél, a telepítés fő célja pedig az elosztott energiaforrások, tárolók energiamenedzsmentjének optimalizálása az ügyfél oldalán. Másrészt beszélhetünk úgynevezett beágyazott mikrogridekről is, amelyeket az elosztói engedélyes tulajdonol és irányít az elosztói hálózaton belül. A beágyazott mikrodrid nem csak az elosztóhálózat-üzemeltető esetleges saját kisebb megújulós és más termelő, illetve tároló egységeit foglalhatja magába, de privát kiserőműveket, sőt mikrogrideket is.

A DSO-k szerepe a privát mikrogridek építésében, üzemeltetésében és az egyszerű, egyértelmű üzleti modellek kidolgozásában is kézenfekvőnek tűnik természetes partnerként. Érdemes azonban tisztában lenniük azzal, hogy a célcsoport tagjai többnyire nem energetikai szakértők, ezért olyan kompetens és megbízható partnerre van szükségük, amely megérti üzleti igényeiket és képes ezekhez a legalkalmasabb technológiai megoldásokat rendelni, valamint megvan a gyakorlata és szaktudása a telepítésükre és a hálózatba történő integrálásukra. Mivel az elosztók kompetenciája e téren nem teljesen magától értetődő, azért szükség lehet szakértő alkalmazására vagy külső partner bevonására is.

A villamosenergia-szállítástól a hálózat komplex menedzseléséig

Az elosztók többféle módon is profitálhatnak a privát mikrogrid-telepítésekre fókuszálva. Egyrészt az egész értéklánc mentén a projektkonzultációtól a tervezésen át a telepítésig és az üzemeltetésig, emellett a hálózatüzemeltetők a mikrogrid által nyújtható egyes szolgáltatásokból is többlet bevételt realizálhatnak, oly módon, hogy míg ügyfeleik csak használók, a mikrogrid tulajdonosa és üzemeltetője az elosztó marad. Ennek egyik alternatív változata, ha az elosztó csak a mikrogrid bizonyos részeit ajánlja fel ügyfelének szolgáltatásul, a többi funkciót pedig saját hálózatmenedzsment céljaira használja. Az elosztók jelentős megtakarítást érhetnek el az üzemeltetési vagy a hálózatbővítési költségeken, ha képesek kiaknázni a mikrogrid keresletoldali válasz képességeit és egyéb hálózati szolgáltatásait (például frekvenciastabilizálás).

Lényeges eleme a koncepciónak, hogy új típusú gondolkodásmódot von maga után. Az elosztóknak célszerű a hálózattervezéstől az üzemeltetésig terjedő átfogó megközelítést alkalmazniuk, amely utat nyit az új megoldásokban rejlő lehetőségek maximális kiaknázása előtt is: ez a szemléletváltozás a fogyasztóknak történő puszta villamosenergia-szállítás felől a hálózat prosumerekkel való folyamatos interakció révén történő menedzselése felé mutat.

A működési előfeltételek biztosítását követően a DSO-knak érdemes olyan új üzleti modelleket kidolgozniuk, amelyek elősegítik az ügyfelek bevonását. A potenciális forgatókönyvek közé tartoznak például a keresletoldali válaszlehetőség növelését lehetővé tevő tarifarendszer és az elosztott energiaforrások telepítését támogató finanszírozási modellek kidolgozása, vagy éppen az energiapiachoz való hozzáférési lehetőség biztosítása. Emellett a DSO-knak a hagyományosan hardvercentrikus hálózatbővítési beruházási szemlélet felől el kell mozdulniuk az eszközeik szenzorokkal és egyéb digitális megoldásokkal történő frissítése, korszerűsítése, valamint az intelligens szoftvermegoldások telepítése felé.

Minden környezetben alkalmazható

A mikrogridek telepítése minden olyan, egymástól akár jelentősen eltérő, egyértelműen meghatározott környezetben lehetséges, amely menedzselhető rugalmas ellátással és energiaigénnyel rendelkezik. Hivatásukat a legváltozatosabb körülmények közepette is képesek betölteni, igazodva a helyben meghatározott fő szempontokhoz és célokhoz. Minden felhasználási eset külön működési modellt kíván, a mikrogridek pedig gyakorlatilag végtelen számú variációban telepíthetők, amelyet a használati forgatókönyv, az eszközök, a célok, valamint a különféle résztvevők képességei és cselekvései határoznak meg. Minden eset saját dedikált üzleti modellt is kíván, ezek lehetővé tételéhez és támogatásához azonban a szabályozói oldal részéről is rugalmas és nyitott iránymutatások kidolgozására van szükség.

A nagyvárosi környezettől távoli jó példaként említhető a kaliforniai Blue Lake-ben működő mikrogrid, melyet a Siemens vezérlő rendszere már 2017-es indulása óta szolgál ki. A Blue Lake Rancheria mikrogrid lényegében egy olyan, lokálisan kialakított energiaellátó rendszer, amely kulcsfontosságú háztartási, egészségügyi, oktatási és egyéb szolgáltatásokat nyújt a helyi őslakos közösségnek. A helyi decentralizált hálózat a Siemens mikrogrid-menedzsment rendszerén kívül egy 420 kW-os napelemes rendszert, egy 2 MWh-s lítiumion-akkumulátoros energiatárolót, valamint egy 1 MW-os tartalékgenerátort foglal magába.

Brooklyn microgrid

A mikrogrid energiamegtakarítási foka, rugalmassága és kibocsátáscsökkentési potenciálja nagyban függ az ennek kapcsán kitűzött céloktól. A fenti példa esetében a következő elvárásokat fogalmazták meg a rendszerrel szemben: legyen képes a közműhálózattól leválasztott, sziget-üzemmódú működésre akár hét napig is; tegye lehetővé a fogyasztói energiaköltségek 25 százalékos csökkentését; mérsékelje az éves szén-dioxid-kibocsátást legalább mintegy 195 tonnával. A fent megfogalmazott célokat mindegyikét sikerült elérni, helyenként túl is teljesíteni: a mikrogrid évente több mint 200 ezer dollár megtakarítást ért el az energiaköltségekben, és körülbelül 200 tonnával mérsékelte az éves karbonemissziót. Ráadásul a mikrogrid már két nagy természeti katasztrófa idején is bizonyította ellenállóképességét: a 2019-es kaliforniai erdőtüzek alatt és a koronavírus-járvány csúcsán is képes volt fenntartani az ellátást, amikor az országos ellátásban komoly problémák mutatkoztak, és számos település maradt áram nélkül.

A városi közegben telepített mikrogridre a berlini Siemensstadt vagy a bécsi Aspern nevű kerület is jó példa. Az itteni fejlesztési tervekben kiemelt szerepet játszottak a megújuló energiaforrások, az energiahatékony épületek, a hűtési-fűtési szektor elektrifikációja, az elektromos járművek és töltőik intagrációja, valamint az egyéb új mobilitási koncepciók támogatása. Mindezen eszközöket egy olyan mikrogrid kezeli, amelyet a helyi elosztóhálózat-üzemeltető, a projektfejlesztő vagy a közösség maga is tulajdonolhat és irányíthat. Bármelyik úton halad is a projekt, fontos, hogy a siker érdekében kooperációra van szükség az energiaszektor, az önkormányzat, az egyéb közműszektor érintett szereplői, továbbá az ingatlanprojekt-fejlesztő, a megoldások szállítói, valamint a lakossági vagy kereskedelmi bérlők között.

Egy másik példa a finnországi Leppävaaraban működő Sello bevásárlóközpont, amely kategóriájában a legnagyobb a balti országban. Itt a Siemens egy olyan virtuális erőművet működtet a projekt keretében, amely egy mikrogriden keresztül aggregálja a helyi eszközöket és optimalizálja a villamos energia felhasználását, beszerzését és tárolását. Ezzel nem csak hatékonyabb, fenntarthatóbb, olcsóbb és sokkal inkább önellátó energiarendszert teremtett a partner vállalat számára, de a mikrogrid mindemellett hozzájárul az országos rendszerben jelentkező csúcsigény kisimításához is. A rendszer egy 550 kWp névleges teljesítményű napelemes rendszert, intelligens LED-es világítást, valamint körülbelül 2 MW akkumulátoros energiatároló kapacitást is magába foglal.

A potenciális ügyfél-célcsoportot illetően az elosztóknak először az üzleti park, egyetemi kampusz és hasonló méretű felhasználókat érdemes megcélozniuk. Ezek ugyanis elegendően nagyok ahhoz, hogy rendelkezzenek a szükséges financiális forrásokkal és a különféle, jól kombinálható eszközökkel. Ugyanakkor nem túl nagyok, és elég egyszerűek, így az elosztó feladata átlátható és csak pár kontaktszeméllyel kell kapcsolatot tartania. Az itt, a mikrogridek szintén felhalmozódó tapasztalatok pedig később magasabb, például kerületi vagy akár városi szinten is hasznosíthatóak lesznek, beleértve az olyan új és emelkedő energiaforrásokat is mint a hidrogén, amire akár pilot projekteket is indíthatnak ipari ügyfeleikkel közösen.

Az intelligensen menedzselt mikrogridek tehát képesek magasabb szintre emelni a megújulóenergia-források dominálta lokális energiagazdaság rugalmasságát, aminek nem csak a felhasználók látják előnyét, de a hálózatüzemeltetők is, amelyek egyik legnagyobb kihívása napjainkban éppen a növekvő időjárásfüggő kapacitás országos hálózatba való integrálása. Az elosztó cégeknek azonban érdemes tisztában lenniük azzal is, hogy a mikrogridek és az ingatlanszektor összekapcsolódása realitássá válik – ha nem az ő vezetésükkel, akkor politikai kezdeményezésre és/vagy az ügyféligények nyomán. Ezért a DSO-knak célszerű proaktív szerepet játszaniuk és mielőbb tapasztalatot szerezniük e téren, amivel egyébként kompenzálhatják a fogyasztók energiamegtakarításából vagy prosumerré válásából származó bevételkiesést is.

Képek forrása: Siemens.com

A cikk a Siemens Zrt. támogatásával készült.