Виртуални електроцентрали

Виртуалните електроцентрали са естественото продължение на бума на възобновяемите енергийни източници и комбинирането на различни енергийни технологии. Това са обединения от множество малки инсталации и батерии, които функционират като едно цяло от гледна точка на електроенергийната мрежа. Причината да съществуват е в осигуряването на надеждността, необходима на електропреносните системи, и социалните ползи. За разлика от микромрежите, виртуалните електроцентрали не работят изолирано. Те са постоянно и неразривно свързани към голямата електропреносна система.

Текст: списание Енергия

Да си представим за момент едно село, където всяка къща има фотоволтаичен покрив. На близката река е построена малка водноелектрическа централа. Върху отсрещния хълм пък има три вятърни турбини. Соларни панели има и върху училището, детската градина, болницата и общината. По обяд в слънчев ден фотоволтаиците произвеждат 6-7 пъти повече електричество, отколкото жителите на селото реално използват. Част от него се натрупва в батериите, инсталирани в мазетата на сградите, а излишъкът се продава чрез електропреносната мрежа. Вечер, когато задуха вятърът, перките край селото произвеждат няколко пъти повече ток, отколкото е нужно.

Всички възобновяеми инсталации и всички акумулаторни модули в селото са „вързани“ в малка мрежа. Тя обаче остава постоянно свързана към голямата електроенергийна система. Голямата мрежа понякога дори черпи от резервите (батериите) на малката, когато е налице пиково натоварване. Така малката енергийна мрежа на селото служи като пъргава малка електроцентрала. Подобни енергийни общности вече съществуват на различни места в Австралия, Европа и САЩ.

Популярността на слънчевите панели и домашните батерии равноускорително расте. Обединени заедно, стотици и дори хиляди такива устройства могат да постигнат много повече, отколкото всяка конфигурация поединично. Взети заедно, те могат да са критичен инструмент за голямата електроенергийна мрежа: да доставят енергия, когато има недостиг на ток, или да я съхраняват, когато има излишък на слънчева и вятърна енергия.

Именно когато различни малки системи за производство и съхранение на електричество се използват съвкупно, чрез централизирана система за контрол и управление, те се превръщат във виртуална електроцентрала (ВЕ). Казват им още „разпределени енергийни ресурси“ (РЕР). Енергийни експерти смятат, че виртуалните електроцентрали придобиват ключово значение за намаляване на зависимостта на енергетиката от изкопаемите горива, докато светът се стреми към електрифициране на транспорта, сградите и промишлеността.

Как работят виртуалните централи?

Виртуалните електроцентрали представляват мрежи от малки инсталации за производство и съхранение на енергия. Това са най-вече слънчеви панели и домакински батерии. В мрежите могат да бъдат включени и други източници: ветрогенератори, малки и средни водноелектрически централи, когенератори. На настоящия етап концепцията допуска и включването на не-възобновяеми източници като например газови котли, генератори на база биомаса и др. Задължителен елемент в мрежата са и системите за акумулиране на енергия: най-вече батерии от различни видове и мащаб. Най-често се имат предвид домашни батерийни системи или такива на семейни електромобили.

Всички тези устройства не работят самостоятелно, а са обединени чрез обща система за контрол и управление. С одобрението на собствениците на отделните устройства, добиваната от тях енергия може да бъде използвана от електроразпределителните дружества по време на голямо търсене. Тя може и да бъде запазена за по-късна употреба чрез някоя от големите батерии от комунален клас (акумулаторни масиви, ПАВЕЦ и др). Собствениците на устройствата получават компенсация за приноса си. Главното предимство на виртуалните електроцентрали е, че могат да намалят пиковото търсене с цели гигавати. Това става чрез „изместване“ на потреблението към различни часове на денонощието и заместване на централизираното производство.

Исторически Европа е лидер по изграждане на виртуални електроцентрали. Сега те никнат и се роят и в САЩ, Австралия, Япония. Allied Analytics LLP казва, че Европа държи най-високия пазарен дял на виртуални електроцентрали към 2019 г., благодарение на присъствието на голям брой играчи в индустрията, както и правителствените регулации в различни европейски страни за инициативи за 100% зелена енергия. Китай обаче е страната, за която се очаква да бележи най-високия темп на растеж при РЕР с приблизително 30,3%, по отношение на приходите през идните няколко години.

Архитектура на виртуалните централи

Виртуалните електроцентрали се състоят от три компонента: разпределени системи за производство на електроенергия, системи за съхранението й и информационни и комуникационни системи за управление. Системата за съхранение на енергия и нейните компоненти играят ключова роля за премахване на разликата между генерирането и търсенето, особено там, където е налице непостоянно производство (от вятър, слънце). Елементите за съхранение на енергия във виртуалната електроцентрала могат да натрупват електричество по време на извънпиковите часове и след това да го подават обратно по време на върхово търсене.

Разпределените енергийни ресурси включват различните генерации, интегрирани в електрическа мрежа. Това може да са различни системи за възобновяема енергия – генератори, базирани на фотоволтаични масиви, вятърноенергийни модули и др. В тази група могат да се включват търговски, жилищни и промишлени инсталации. Всички те биват свързани в цялостната мрежа, управлявана централизирано. ИКТ системите се сочат като „мозък“ на виртуалните електроцентрали. Всички компоненти на виртуалната електроцентрала се контролират чрез двупосочни комуникационни системи.

Като цяло системата за енергиен мениджмънт е отговорна за събирането на данни за състоянието на всеки компонент в рамките на виртуалната централа. В нея може да има и механизъм за прогнозиране на основните източници на възобновяема енергия и тяхната производствена мощност, контролиране на потока на енергия между компонентите на виртуалната централа, прогнозиране и управление на натоварването. Всичко това се прави в съответствие с определена цел като минимизиране на загубите на електроенергия или подобряване на качеството на електроенергията.

Надеждни като истинска централа

Според наскоро оповестено проучване на Brattle Group, виртуалната електроцентрала е толкова надеждна, колкото и конвенционалната, като струва 40% до 60% от стойността на алтернативите. Анализът отбелязва, че 60 гигавата виртуални електроцентрали осигуряват обществени ползи на стойност 20 милиарда долара в рамките на 10 години.
Под обществени ползи следва да се разбира предотвратяване на отделянето на вредни емисии, осигуряване на устойчивост и др.

„Предвид огромния ръст на чистите, гъвкави енергийни технологии, който се очаква през следващото десетилетие, може да се каже, че виртуалните електроцентрали вече не са виртуална реалност“, казва Райън Хледик, директор на Brattle и съавтор на изследването. „Има реален потенциал за използване на тези технологии, за да се подобри надеждността, да се даде възможност за декарбонизация и да се намалят разходите за потребителите“ – оценени на 15-35 милиарда долара.

Анализът се базира на моделиране на стойността и производителността на ВЕ в сравнение с конвенционалните ресурси. Разгледани са нетните разходи за осигуряване на 400 мегавата ресурсна адекватност от три вида ресурси: централа на природен газ, батерия, свързана към мрежата, и ВЕ, съставена от покривни фотоволтаични системи. За огромния потенциал на ВЕ говори и изследване на Guidehouse Insights според което до 2030 г. децентрализираното производство ще има общ капацитет от над 500 000 мегавата. За сравнение, по това време централизираното производство ще възлиза на 280 000 мегавата.

Разлики между микромрежа и виртуална електроцентрала

Микромрежите и виртуалните електроцентрали споделят някои ключови характеристики като способността за интегриране на реакцията на потреблението, генериране на разпределена възобновяема енергия и съхраняване на енергията. Макар че микромрежите и виртуалните централи понякога се определят като взаимозаменяеми, помежду им има някои ключови разлики. Микромрежата е по същество миниатюрен, локализиран модел на цялостна мрежова система, където се извършва генерирането, съхранението, разпределението и потреблението на електроенергия. Тя обслужва тясно географско местоположение.

Такива локации могат да включват минни инсталации, промишлени обекти, болнични комплекси и други предприятия или дори жилищни общности (квартал, село). Микромрежата се състои от един или повече активи на РЕР като слънчеви панели, вятърни турбини, дизелови или газови генератори, агрегати за комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия (CHP) и т.н., които произвеждат електрическа енергия (генериране), съвместно с енергийните товари (консумация). Те често включват системи за съхранение на енергия, които имат два противоположни режима, действащи или като товар (при зареждане), или като генератор (при разреждане).

Използвайки усъвършенствани контролери, микромрежите могат да бъдат свързани директно към мрежата, но могат да бъдат и динамично изолирани, ако е необходимо – т.е. могат да бъдат изключени от централизираната електропреносна мрежа, без да причиняват прекъсване на електрозахранването на тези товари в обекта, поддържани от микромрежата. Те са локални, интелигентни и независими. Това е микромрежа. Виртуалните електроцентрали са подобни по структура, но те са постоянно и неразривно свързани към голямата електропреносна система. Не са в състояние да работят изолирано.

ВЕ могат да се считат за базирана на облака разпределена електроцентрала, която обединява разнородни РЕР, за да подобри производството на електроенергия, както и да я търгува на пазара на електроенергия. За да се направи системата по-ефективна или надеждна както за разпределителните съоръжения, така и за потребителите, системите за съхранение с батерии се използват успоредно с традиционни слънчеви панели, вятърни турбини и други генерации. Тези блокове са свързани помежду си.

Произведената от тях мощност се разпределя интелигентно през централна контролна зала с цел балансиране на натоварването между генерирането на електроенергия и консумацията на електроенергия на мрежовите системи, търгувани на борсовия пазар на енергия. Тоест, микромрежите са самостоятелни системи (изолирани от основната електрическа мрежа), докато виртуалните електроцентрали са комбинация от ресурси, свързана с и зависима от мрежовата инфраструктура. Когато мрежата е изключена, виртуалните електроцентрали не могат да доставят енергия на потребителите.

Спомагателни услуги

Виртуалните електроцентрали могат да се използват и за предоставяне на спомагателни услуги на мрежовите оператори, за да се поддържа стабилността на мрежата. Спомагателните услуги включват регулиране на честотата, проследяване на товара и осигуряване на оперативен резерв. Тези услуги се използват предимно за поддържане на моментния баланс на търсенето и предлагането на електроенергия.

Електрическите централи, предоставящи спомагателни услуги, трябва да реагират на сигнали от мрежовите оператори за увеличаване или намаляване на натоварването от порядъка на секунди до минути в отговор на вариращите нива на потребителско търсене. Обикновено спомагателните услуги се предоставят от контролируеми генератори на база изкопаеми горива. Следователно бъдещите нулевовъглеродни електрически мрежи, които съдържат висок процент възобновяема енергия, трябва да разчитат на други форми на контролируемо генериране или потребление на енергия. Един от най-известните примери за това е технологията Vehicle to Grid (V2G).

V2G

В този случай множеството електрически превозни средства, намиращи се в даден географски регион и свързани към мрежата, могат да се да действат като една цялостна виртуална електроцентрала. Чрез селективно контролиране на скоростта, с която всяко отделно превозно средство се зарежда, в мрежата се случва нетно инжектиране или потребление на енергия така, сякаш една голяма, комунална батерия предоставя или консумира електричеството.

Управлението на процеса се контролира централизирано, чрез облачна платформа на мрежовия оператор. Самите зарядни станции и електромобили в домовете на хората трябва да поддържат интелигентно, двупосочно зареждане, така че да могат и да захранват батериите си от мрежата, и да й подават ток, когато й е нужен.

Софтуерът за виртуалната електроцентрала

Софтуерът за виртуалната електроцентрала се свързва с всички различни енергийни активи и ги обединява в едно цяло от гледна точка на електроенергийната мрежа. След това този енергиен субект може да бъде свързан с пазарите, за да балансира мрежата или да увеличи микса от възобновяема енергия. Има много доставчици на софтуер за виртуална електроцентрала, като платформите се различават в зависимост от начина на използване и основния енергиен актив. Общата за всички тях е целта за обединяване на енергийни активи в едно цяло, за да бъдат готови за свързване към енергийния пазар за отговор на търсенето.

Този процес включва свързване към и контролиране на хардуера, както и агрегиране и прогнозиране на енергийните параметри: добиви, търсене и др. Част от компаниите-разработчици на софтуер за ВЕ са фирми с дългогодишен опит в енергийните пазари, с фокус върху технологията за балансиране на търсене и предлагане. Други пристъпват към тази дейност на база опита си в развитие и внедряване на възобновяеми енергийни системи. Все по-активен участник в създаването на ВЕ софтуер са автомобилни компании и техни консорциуми – обяснимо, като се има предвид, че като електрическата мобилност се очертава като ключов елемент от бъдещите виртуални електроцентрали.

В процеса се намесват и компании от „чистите“ ИТ. Много от доставчиците на VPP софтуер са се специализирали в едно направление в продължение на доста години, което ги прави по-добри в една категория пред друга. В началото на 2023 година няколко големи компании от различни сектори се обединиха в създаването на стандарти за мащабиране на използването на виртуални електроцентрали. Инициативата е наречена VP3 (Virtual Power Plant Partnership). В нея участват GM, Ford, Google и производителите на соларни технологии SunPower и Sunrun.