Bron: generatorsource.com
Het concept van microgrids bestaat al vele jaren. Pas onlangs hebben ze veel grip gekregen en druk uitgeoefend, aangezien veel nieuwe projecten werkelijkheid worden en in productie worden genomen. Bloom Energy meldde onlangs dat er vanaf dit jaar (2019) 500 nieuwe microgrids in uitvoering zijn of worden ingezet en dat de wereldwijde totalen in het bereik van meerdere GW liggen.
In de kern is een microgrid een miniatuur elektriciteitsnet dat is opgezet om gedistribueerde energiebronnen te beheren en hernieuwbare energiebronnen (zon, wind en/of waterkracht) kan omvatten met andere niet-hernieuwbare bronnen (zoals dieselgeneratoren, gasturbines, enz.). Deze microgrids beheren doorgaans de energiebelasting van systemen met meerdere generaties en gebruiken ook een soort energieopslagsysteem. Zij werken en beheren dit alles met verschillende soorten software en besturingssystemen. Ze kunnen worden ingesteld om parallel met een elektriciteitsnet te werken en ook om in noodgevallen of op basis van specifieke behoeften in stand-alone modus te werken.
Microgrid Fundamentals - Wat is een microgrid
Het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) definieert een microgrid als "Een groep onderling verbonden belastingen en gedistribueerde energiebronnen binnen duidelijk gedefinieerde elektrische grenzen die fungeert als een enkele controleerbare entiteit met betrekking tot het net. Een microgrid kan verbinding maken met en loskoppelen van het net om in staat stellen om zowel in de net- als in de eilandmodus te werken".
Bovendien beweert de DOE: "Microgrids zijn geïdentificeerd als een belangrijk onderdeel van het Smart Grid om te verbeteren voor het verbeteren van de betrouwbaarheid en kwaliteit van de stroomvoorziening, het verhogen
energie-efficiëntie van het systeem, en het bieden van de mogelijkheid van netwerkonafhankelijkheid aan individuele locaties van eindgebruikers". De voordelen van het gebruik van microgrid-technologie kunnen zijn:
- Integreert met grid en meerdere smart grid-technologieën
- Integratie van gedistribueerde en hernieuwbare energieën, vermindering van piekbelasting
- Zorgt ervoor dat energie wordt geleverd aan complexen met kritieke stroombehoeften
Andere organisaties definiëren microgrids op dezelfde manier, inclusief het concept van meerdere belastingen en eilandopwekking. Eilandopwekking is stroom die wordt geleverd door wind-, zonne-, waterkracht- of diesel-/NG-opwekking.
De illustratie in de eerste afbeelding is een microgrid dat netstroom als primaire bron gebruikt. Het wind- en zonnepark voedt een batterijbank voor gebruik in noodgevallen wanneer de stroom uitvalt. Beide zijn normaal gesproken aangesloten op het net om de bedrijfskosten van de faciliteit te verlagen. Bij het uitvallen van de netstroom wordt het complex overgeschakeld op batterijstroom uit de wind- en zonne-installatie. De generatoren starten en nemen de belasting over van de accu's. De gebouwen aan de belastingszijde van het circuit kennen geen vermogensschommelingen vanwege het ontwerp van het distributienet. Wanneer de netstroom wordt hersteld, wordt de belasting teruggevoerd naar de netvoeding en worden de back-upgeneratoren uitgeschakeld. Wind- en zonneparken keren terug naar normaal bedrijf.
Bij het ontwerp en de aanleg van een microgrid spelen veel factoren een rol. Vooruitgang in de technologieën voor stroomopwekking en -distributie maken systemen mogelijk die het stroomverbruik verminderen, groene opwekkingsmethoden gebruiken en voldoen aan kritische stroomvoorzieningsvereisten. Basisinformatie voor elk van de stroombronnen en de regelsystemen wordt hieronder beschreven. De constructie van dit microgrid is fictief maar gemodelleerd in concept van DOE-projecten.
Nutsvermogen en belastingen
De meest voorkomende microgrids gebruiken netstroom die wordt geleverd door het lokale energiebedrijf als primaire voeding. Microgrids die zich op afgelegen locaties bevinden, kunnen hydro-elektrische opwekking gebruiken als primaire energiebron of een elektriciteitscentrale gebruiken als primaire energiebron.
Elektriciteitscentrales wekken hoogspanningselektriciteit op. Sommigen gebruiken step-up transformatoren om de spanning te verhogen voor overdracht naar onderstations. Onderstations ontvangen spanning van de energiecentrales via hoogspanningslijnen. Spanningen worden aangepast aan de eisen en verdeeld onder klanten.
Ziekenhuizen, staatsgevangenissen en datacenters zijn enkele van de industrieën die een Uninterruptible Power Source (UPS) nodig hebben. Velen hebben meerdere gebouwen die constant stroom nodig hebben. Sommige gebouwen kunnen gebieden hebben die een geïsoleerde stroombron nodig hebben vanwege spannings-, stroomsterkte- en/of frequentievereisten.
Deze installaties verbruiken een enorme hoeveelheid stroom om de normale dagelijkse werking uit te voeren. Ze krijgen stroom van hoogspanningslijnen in een onderstation dat aan het complex is gewijd. De spanning wordt aangepast aan de gewenste niveaus met behulp van step-up of step-down transformatoren. Alle stroom loopt via schakel- en controlepanelen voor distributie door de gebouwen.
Elk gebouw vertegenwoordigt een elektrische belasting. Het is mogelijk om meer dan één specifieke belasting voor een gebouw te hebben. Een voorbeeld van een secundair lastpunt in een gebouw is een frequentieomvormer. Eén positieve spanningspiek en één negatieve spanningspiek zijn gelijk aan één cyclus (Hz). Gemeenschappelijke voeding is 50 Hz of 60 Hz. Sommige apparatuur heeft een voeding van 400 Hz nodig om te kunnen werken. Frequentieomvormers veranderen 50 Hz of 60 Hz naar 400 Hz. Er zijn veel andere voorbeelden van secundaire belastingspunten in een gebouw. In het microgrid-ontwerp worden ze allemaal vanuit één punt bestuurd.
Back-up & Piek Vraag Generator Vermogen
Back-upgeneratoren leveren stroom aan het net wanneer de netstroom uitvalt. De generator bestaat uit een motor en dynamo (generatorzijde). Aardgas (NG) en dieselmotoren zijn de industriestandaard. NG-aangedreven motoren kunnen voor onbepaalde tijd werken zolang de toevoer van nutsgas niet wordt onderbroken. Back-upstroom is niet beschikbaar wanneer de levering is beveiligd.
Generatoren met dieselmotoren kunnen werken als alle infrastructuur uitvalt, inclusief de aardgasvoorziening. De hoofdtanks voor de brandstofvoorraad moeten worden bewaakt en bijgevuld als ze bijna leeg zijn. Geautomatiseerde systemen kunnen de machinist op de hoogte stellen wanneer de tankniveaus een vooraf bepaald punt hebben bereikt om te voorkomen dat de tank wordt uitgeschakeld vanwege een gebrek aan brandstof.
Toepassingen voor generatoren binnenshuis
Motor, koelsystemen en generatoruiteinden zijn allemaal gemonteerd op een skid vervaardigd uit stalen balken. De skid wordt op de vloer van het gebouw gemonteerd. Op belangrijke locaties worden rubberen steunen gebruikt om trillingen tijdens het gebruik te verminderen.
Deze generator heeft geen brandstoftanks en vereist een externe brandstoftoevoer. Grote primaire brandstoftank(s) kunnen dagtanks leveren. Ze moeten een gebouwuitlaat en toevoer van koellucht of een aftermarket-koelsysteem zoals een warmtewisselaar (HEX) hebben geïnstalleerd.
Toepassingen voor buitengeneratoren
Generatoren die buitenshuis worden gebruikt, worden gemonteerd in een weerbestendige of weerbestendige behuizing. Veel behuizingen zijn geluidgedempt om het bedrijfsgeluid te verminderen. De generator is op een skid gemonteerd op een dubbelwandige brandstoftank. Deze generatoren hebben geen externe brandstof-, uitlaat- of koelsysteemvereisten. Sluit uitgangsstroomkabels aan op de generator en hij is klaar om de belasting op zich te nemen.
Beide soorten generatoren zijn verkrijgbaar met geavanceerde elektronische besturingen en kunnen parallel worden gebruikt. Er kan een gesplitste back-upgeneratorbus worden opgesteld om grote hoeveelheden verschillende spanningen te leveren. Ga naar Generator Source om onze voorraad nieuwe en gebruikte generatoren te bekijken. Wij bieden generatorservices zoals onderhoud, probleemoplossing en reparatie, installatie.
Groene stroomopwekking
De Environmental Protection Agency (EPA) definieert groene stroom als elektriciteit die wordt opgewekt uit zonne-, wind-, aardwarmte-, biogas-, biomassa- en waterkrachtsystemen. Ons model omvatte wind- en zonne-energie. Mogelijke toepassingen worden hieronder onderzocht.
Zonne-energie
Zonnepanelen bestaan uit fotovoltaïsche cellen. Deze cellen zetten zonlicht om in gelijkstroom (DC) elektriciteit. De opgewekte elektriciteit wordt opgeslagen in batterijbanken. Zodra de accubanken volledig zijn opgeladen, kan elektriciteit via een omvormer worden teruggeleid en verkocht.
De omvormer is het hart van het UPS-systeem. Wanneer de stroom uitvalt, leveren batterijen stroom aan circuits die kritieke stroomvereisten hebben. De omvormer verandert DC in wisselstroom (AC) om circuits te voeden, terwijl back-upgeneratoren zich voorbereiden om de belasting te accepteren.
Windkracht
Wind wordt gebruikt om turbines te laten draaien. De turbines produceren wisselstroom net zoals diesel- en stoomgeneratoren werken. Windturbines kunnen ook worden aangesloten op het elektriciteitsnet van het elektriciteitsnet, het noodstroomnet van de UPS.
Turbines die op het elektriciteitsnet worden aangesloten, moeten qua fase en frequentie overeenkomen. Om de fase en frequentie van het elektriciteitsnet op elkaar af te stemmen, wordt het vermogen van de turbine door een wisselstroom-naar-wisselstroomomzetter geleid. AC wordt omgezet naar DC en vervolgens met een omvormer terug naar AC gelijkgericht en naar het net geleid. De wisselstroom van de windturbine kan ook door een omvormer worden geleid om te helpen bij het opladen van de accubank.
Zonne- en windenergie zijn geweldige methoden om de kosten van het energieverbruik van gebouwen te compenseren, maar ze zijn nog niet voldoende ontwikkeld om back-upstroomtaken te accepteren. Beide zijn afhankelijk van plaatselijke weersomstandigheden en beschikbare accubanken. Op een bewolkte dag zonder wind kunnen accubanken snel leeg raken zonder laadinspanningen.
Back-up batterijbanken
Groene stroomoplossingen maken vaak gebruik van back-upbatterijbanken. Deze banken leveren alleen tijdelijke UPS-stroom. Ze zijn ontworpen om stroom te leveren wanneer de netstroom in de faciliteit uitvalt, terwijl de generatoren opstarten om de belasting over te nemen.
Back-upbatterijsystemen kunnen worden geconstrueerd met drie verschillende typen batterijbanken die hieronder worden vermeld:
Loodzuurcellen - Batterijen met loodzuurcellen zijn de goedkoopste oplossing. Deze kunnen een goed off-grid antwoord zijn voor kleinere toepassingen
Lithium Ion - Lichter en compacter en gaan langer mee dan loodzuuraccu's. Ze zijn echter duurder
Zoutwater - Deze nieuwkomer vertrouwt op elektrolyten in zout water. Batterijen zijn meestal niet getest, maar gemakkelijk te recyclen
Door de wind aangedreven batterijbanken worden opgeladen door een omvormer die wisselstroom in gelijkstroom verandert. Batterijen op zonne-energie hebben geen omvormer nodig omdat zonnepanelen gelijkstroom opwekken.
Wanneer de netstroom uitvalt, is er bijna een milliseconde tijdverlies voor een positieve generatorrespons.
Voorzieningen en complexen zoals ziekenhuizen, datacenters en gemeenten hebben geen tolerantie voor stroomuitval. Ze vertrouwen op accubanken om stroom te leveren in de tussentijd van een stroomuitval. Dit is een geweldige oplossing voor de korte termijn, maar accubanken hebben hun beperkingen.
Batterijen met de mogelijkheid om elektrische belasting te accepteren, zijn duur voor een eerste aankoop. Loodzuuraccu's hebben elektrolyt, de vloeistof in accucellen. Het elektrolytpeil en het soortelijk gewicht moeten regelmatig worden gecontroleerd. Zelfs met zorgvuldig onderhoud kan de levensduur van deze batterijen slechts 5 tot 15 jaar zijn.
Kosten van hernieuwbare energie en energieopslagsystemen
Hernieuwbare energiebronnen zoals windparken, zonneparken en waterkrachtcentrales hebben een hoge aanschafprijs. Er zijn ervaren technici en bouwploegen nodig om de aangeschafte apparatuur te installeren. Na installatie, testen en inbedrijfstelling moet de apparatuur worden onderhouden. Vaak is een fulltime onderhoudsploeg nodig om de apparatuur volgens de specificaties te laten werken.
Energieopslag gaat snel vooruit en zal een sleutelrol spelen in de toekomst van microgrids. Het kan een zeer complex onderwerp zijn en vereist ingenieurs en planning, en de kosten zijn overal op de kaart, afhankelijk van uw behoeften. Microgrid Knowledge heeft een uitstekend recent artikel over enkele van de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van energieopslag van de conferentie van 2019 om hier in te duiken. Ze beschrijven het pad naar GW van het doel voor energieopslag en het laatste nieuws van bedrijven en FERC-beleid dat nu wordt doorgevoerd.
controlestation
Het controlestation biedt de operator zowel controle- als controlemogelijkheden. Elk systeem kan worden onderverdeeld in een subsysteem met daarin afzonderlijke apparaten.
Distributie- en bedieningspanelen - Ontvang ingangsspanningen van alle bronnen en verdeel de stroom over de benodigde circuits.
Back-upgeneratoren - De software van het controlestation bewaakt en heeft de mogelijkheid om de configuratie van de generator te wijzigen om kritieke circuits van stroom te voorzien.
Groene stroom - UPS-accubanken worden gecontroleerd. De input van zonne-energie voor batterijbanken en het elektriciteitsnet wordt gecontroleerd. Statistieken van windturbines worden bijgehouden. De mogelijkheid om over te stappen naar een redundante windturbine of batterijbank.
Kortom, het controlestation biedt een softwareoplossing voor het onderhouden, bewaken en besturen van alle hardware die is gekoppeld aan een microgrid-configuratie. Er kunnen meerdere stukjes software zijn die de werking van het net ondersteunen.
Redundantie is een belangrijk uitgangspunt bij het ontwerp van deze systemen. Redundantie is paraat staan bij een apparaat in het geval van een storing in de primaire apparatuur. Generatoren, windturbines en batterijbanken zijn allemaal voorbeelden van systemen die redundante hoofd- en ondersteunende apparatuur kunnen hebben.
Sommige redundante apparatuur neemt automatisch de taken van de toegewezen hoofdapparatuur over en stelt de operator op de hoogte van een probleem. De operator van het controlestation stelt vervolgens het onderhoud op de hoogte van het probleem, zodat het kan worden verholpen. Redundante apparatuur voldoet aan dezelfde eisen als de hoofdapparatuur. Vaak worden hoofd- en redundante apparatuur door de operator verwisseld voor geplande tests.
Het microgrid is een concept. Het kan zo groot of zo klein zijn als nodig is voor installatie. Dit is een oud concept dat niet meer weg te denken is. Naarmate de technologie voor energieopwekking toeneemt, neemt ook het gebruik van microgrids toe.