Kraftnettet åpnes opp - Elektronikknett
Nordic - smart grid and renewable sources concept

Kraftnettet åpnes opp

Trådløse teknologier kan bane vei for en fremtid med ren energi ved å bidra til at kraftnettene blir mer pålitelige, også når de inneholder mer fornybar energi

Nummer 7 på listen over FNs mål for bærekraftig utvikling er å "sikre tilgang til rimelig, pålitelig, bærekraftig og moderne energi for alle". Fremdriften mot dette målet har vært oppmuntrende, for eksempel ved at andelen av verdens befolkning som har tilgang til elektrisitet har økt fra 83 prosent i 2010 til 89 prosent i 2017.

Veien mot nullutslipp

Enda bedre er de gigantiske fremskritt som også blir gjort i hvordan elektrisiteten genereres. I dag kommer nesten en tredjedel av elektrisiteten verden over fra fornybare kilder ((vann, sol og vind). Dette tallet vil garantert stige etter at lederne for de største industrialiserte demokratiene på G7-toppmøtet i juni lovet å avslutte støtten til kullkraft innen slutten av 2021. USA har også lovet å oppnå 100 prosent karbonutslippsfri elektrisitet innen 2035, og Storbritannia søker å nå netto nullutslipp innen 2050.

Foreldet utstyr

Men disse endringene vil ikke være lett å oppnå ved bruk av dagens kraftnett med gamle ledninger, stolper, transformatorer og strømbrytere. I stedet for å muliggjøre økende grad av fornybar energi, er foreldet utstyr tvert imot årsak til et økende antall såkalte avbruddshendelser som fører til at forbrukere kastes ut i mørket, noen ganger i timevis.

Toveis strøm

De flere tiår gamle elektrisitetsnettene ble ikke bygget med fornybar energi i tankene. Snarere ble de designet for enveisstrømmen av energi fra relativt få basis kraftverk (fyrt av kull, olje, gass og uran). Nye nett må kunne omfavne mange distribuerte energikilder og toveisstrømmer, helt ned til brukere som mater overflødig elektrisitet tilbake til nettet fra solcellepaneler på taket.

Store variasjoner

Distribuert kraftproduksjon gjør det også mye vanskeligere å oppnå balanse mellom produksjon og etterspørsel – noe som er avgjørende for nettstabiliteten. For det første er fornybar energi svært varierende – skyer dekker ofte for solen og vindene stilner. For det andre skaper nye teknologier som solcellepaneler og batterier plassert "bak måleren" blindsoner for nettoperatørene som er ansvarlige for å opprettholde denne viktige balansen. Nøyaktig styring av produksjonen er viktig fordi variasjoner påvirker turbinens AC-utgangsfrekvens, og store svingninger i denne frekvensen kan skade utstyr koblet til nettverket.

En smartere og renere vei videre

Sjekk ut "smart grids"; Disse oppgraderte og datastyrte nettverkene er designet for å forbedre nettets pålitelighet og eliminere blindsonene ved å samle inn data om oppførselen til nettenheter og brukere – det være seg generatorer, verktøy eller forbrukere. Disse smarte nettene er bygget på IoT-teknologier som sensorer, tilkoblede målere og annet utstyr, og bruker kommunikasjons- og dataanalyseteknologier i rask utvikling for å høste data og levere ny innsikt og muligheter. For eksempel vil sensorer distribuert i et smart kraftnett gjøre det lettere å spore svingninger i AC-frekvensen og reagere deretter.

Smart tilstandsovervåking

Smartere tilstandsovervåking vil også være en merkbar og tidlig fordel. I dag innebærer feildeteksjon vanligvis at det sendes ut en servicebil med en tekniker for å finne feilen etter at den har skjedd. Dette koster tid, noe som betyr lengre driftsstans. Som et svar på dette har det slovenske firmaet Izoelektro utviklet en enhet for fjernovervåking av kraftnett og overspenningsavledere som kan monteres på strømstolper. "RAM-1"-enheten har integrerte sensorer for spenning, temperatur, akselerometer og overspenningsteller som muliggjør overvåking av variabler som kan si noe om en forestående feil – for eksempel deteksjon av for høye temperaturer som kan indikere en potensiell brann – slik at nettselskapet kan reagere i forkant av et strømbrudd.

Kantprosessering

Dersom det oppstår feil, kan RAM-1 fordi den bruker Nordic Semiconductors nRF9160 SiP med innebygde GPS-funksjoner, nøyaktig bestemme og videresende feilplasseringen. SiPen har også en kraftig Arm Cortex M33-prosessor som tillater en høy grad av kantprosessering. Mye av dataene som overvåkes av smart grid-sensorer er uendrede over tid, og bare bekrefter at en variabel er innenfor akseptable grenser. Å overføre alle disse dataene er kostbart og tærer på batteriet, med liten gevinst. Kantprosessering muliggjør siling av data for trender, og overfører deretter bare den mest kritiske innsikten – for eksempel parametere som nærmer seg unormale grenser – og optimaliserer batterilevetiden.

LTE-M og NB-IoT

nRF9160 støtter LPWAN mobilkommunikasjonsteknologiene LTE-M og NB-IoT, som er ideelle for smarte kraftnett, ettersom de har flere titalls kilometer rekkevidde, anvender eksisterende mobilnettinfrastruktur og bruker lite energi.  RAM-1 kan leve opp til to tiår i felten, kun drevet av en Li-MnO2 primærcelle.

Reduserer driftsavbrudd

Med muligheten til proaktivt å oppdage og isolere feil, kan nettoperatører i tilfelle avbrudd omdirigere strøm langs alternative ruter ved å bruke kontrollsystemer og koblingsinfrastruktur, slik som automatiske omkoblere. Denne "selvhelbredende" evnen har redusert tiden kunder opplever driftsavbrudd med opptil 51 prosent og redusert antallet kunder som er berørt med opptil 45 prosent, ifølge en rapport fra det amerikanske energidepartementet. I tillegg til elektriske kabler, kan gass- og vannrørledninger på samme måte dra nytte av disse fremskrittene innen fjernovervåking.

Balansegang

Når det gjelder å opprettholde nettbalansen etter hvert som opptak av variable energikilder som fornybar energi øker, er nøkkelen bedre synlighet. "Hvis du har virkelig oppdatert informasjon om alle strømmene på nettet ditt, kan du tolerere litt mer variasjon," sier energikonsulent og forfatter Peter Fox-Penner. "Det smarte nettet vil overvåke alt på et veldig, veldig fint detaljnivå og reagerer veldig raskt, slik at operatører vil ha tid til å fyre opp et annet [genererende] anlegg hvis vinden minker eller skyer reduserer innstrålingen fra solen.

Smartmålere

Millioner av avanserte måleinfrastrukturenheter – eller "smartmålere" – blir nå distribuert for å gi innsikt i de forbruksgenererte energistrømmene over nettet som Fox-Penner refererer til. Å holde tritt med og koble til alle disse enhetene er vanskelig å gjøre med kablede forbindelser som krever ekstra nettverk og fysisk infrastruktur. Operatører tyr i stedet til sikre, langtrekkende trådløse kommunikasjonsmuligheter som NB-IoT og LTE-M.

Erstatter gamle overvåkingssystemer

Overgangen til det smarte nettet innebærer også en mulighet til å erstatte aldrende og proprietære overvåkingssystemer som er svært sårbare for cyberangrep, med mer moderne IoT-gatewayer designet med sikkerhet i tankene fra grunnen av. For eksempel tilbyr Nordics nRF9160 mobilnettbaserte IoT-løsning flere lag med sikkerhet gjennom bruk av Arm TrustZones maskinvare-forsterket isolering av kritiske komponenter.

Energiens internett

Fortrinnene som er varslet av dette "energiens internett" er mange. For sluttbrukere vil en mer pålitelig energiforsyning være forbundet med lavere energikostnader. For nett- og kraftleverandører er forventningen om reduserte vedlikeholdskostnader gjennom proaktiv feildeteksjon betydelig, og det samme er en forbedret evne til å administrere påliteligheten til forsyningen og utvide kundeforhold ved å utnytte data om energibruk. Myndigheter og beslutningstakere vil også bruke disse dataene til smartere planlegging av fremtidig nettinfrastruktur.

Men de evige vinnerne, ettersom smarte kraftnett vil bidra til betydelige utslippsreduksjoner, vil være de fremtidige generasjoner som bebor planeten Jorden.

Om forfatteren: Lorenzo Amicucci er Business Development Manager i Nordic Semiconductor.