Smartgrid a jövı hálózata I.

Átírás

1 Smartgrid a jövı hálózata I. Jánosy János Sebestyén

2 2

3 Vázlat Elsı rész: Hálózatokról általában Második rész: Hagyományos villamosenergia hálózat (magyar) Harmadik rész: Modern, fejlett, intelligens energiahálózat (Smartgrid) Negyedik rész: Alapprobléma: a villamosenergia tárolása (új eredmények) 3

4 Elızmények: Ausztrál PhD munka opponálása (szimulációs technika tekintetében): Modern intelligens mini-hálózatok tervezésének módszertana (elmaradott, infrastruktúra nélküli nagy területek) Irányítástechnikai különlegességek Kutatási téma egy beszámolóval: és még egy elıadás... 4

5 Elsı rész: Hálózatok általában Urbanizált környezetben nagyon régóta használatosak (Irányított és nem irányított gráfokkal írhatók le) Központosított hálózatok 1. Vízhálózat (közepe víztorony) 2. Villanyvezetékek (Alállomásoktól, erımőbıl) 3. Gázvezetékek (Gyárak, elosztók) 4. Telefonhálózat (Telefonközpont, Puskás Tivadar... késıbb lemaradás... szocialista országok... ) 5

6 Központosított hálózatok: az utolsó kilométer problémája Bizonytalan tulajdonosi környezet Szereléstechnikák Mérıórák problémái, elhelyezésük Egyenlıtlen felhasználói kultúra Diverzió védelem A fenntartása, szervizelése drága és nehézkes 6

7 Itt még rendezett... (telefonközpont) 7

8 Utolsó kilométerek I. 8

9 9

10 Utolsó kilométerek III. 10

11 Hálózat típusok Jelenlegi magyar villamos hálózat: Magas szinten: Mesh Helyi szinten: Tree 11

12 Modernebb, már megszokott hálózatok I. 5. Kábeltévé hálózat (rendszerint szintén Mesh + Tree szolgáltatás - de kétirányú) KIT : KábelTV + Internet + Telefon 6. Mobiltelefon hálózat Minden készülék bejelentkezik a cellaparancsnokhoz (ugyanazon a hívófrekvencián a leghangosabbnak tőnıhöz) Cellák egymással mikrohullámú kapcsolatban Autorizáció után direkt, közvetlen kapcsolat jön létre (Lehallgatni csak az indító cellához közel (pl. Berlin), vagy elızetes szolgáltatói egyeztetés után) 12

13 Drótos, nagysebességő Internet 7. Drótos, nagysebességő Internet (Eredetileg: arpanet, egyetemek kapcsolata az USA-ban, késıbb katonai célok) XIX épület: Sugarasan mindenki be van kötve a saját emeleti switch-éhez (100Mbit/s) A switch-ek egymással és a gateway PC -vel 1 GBit/s kapcsolatban Valahol van elsıdleges és tartalék DNS (Domain Name Server) Sok a dedikált funkció, noha van redundancia az útvonalban azért mégis sérülékeny a maga idejében nagy szó volt 13

14 Mik a követelmények? Redundancia mindenbıl legyen elég tartalék Diverzitás ugyanazt többféleképpen is elvégezni (közös-módusú hibák elkerülése) Hierarchikus felépítés és a funkciók elválasztása (piramis elv) Mélységi védelem önellenırzés és önjavítás fokozatos degradáció a mőködés fenntartásával 14

15 Példa régi, központos hálózatra Paksi atomerımő mérırendszere Csillag (star) struktúrájú. Valamennyi 4-20mA-es távadó a központi adatgyőjtıbe van kötve Rendkívül nagy redundancia (fontos paraméterekre 4-5 vagy annál is több mérés) Diverzitás jelentéktelen, azonos típusú távadók (sajnos) Központi feldolgozó egységben is jelentıs redundancia Önellenırzés minimális a méréseknél, jelentıs a feldolgozónál Hierarchia, mélységi védelem gyakorlatilag nincs 15

16 A legmodernebb, ad-hoc hálózatok felépítése Felismerés a fejlett félvezetı technológiából: Egy byte-vel végzett mővelet hat nagyságrenddel kevesebb energiát igényel, mint egy byte továbbítása!!! Tehát mindehová helyi intelligenciát, és minimalizáljuk kell az adatforgalmat! (Drága, sérülékeny) Minden nódus intelligens, és minden funkciót el képes végezni Csak a szomszédjaival tartja a kapcsolatot, de nem szünteti meg azzal, akinek kevés van Nincs elıre definiált struktúrája, bárki beléphet bárhová a hálózatban (autorizáció kulcsfontosságú!!) 16

17 17

18 18

19 19

20 MANET: Mobile Ad-hoc NETworks 20

21 Ez is hálózat: Közlekedés! 21

22 Második rész: Hagyományos villamos hálózat Történelem: Kézi lıfegyverek készítése: Erıs, de könnyő: égés, gázok dinamikája, termohidraulika Lıfegyver: nyitott ciklusú belsıégéső hıerıgép Tapasztalatokat, tudást felhasználva: Elkészül a gızgép, emberi/állati munka teljesítményének sokszorosára képes Manufaktúrát kiváltja a gyár Gızgép meleg, koszos helye nem a mőhelyben van 22

23 Gızgép I. 23

24 Gızgép II. 24

25 Gızgép III. 25

26 Gyár I. 26

27 Gyár II. 27

28 Gyár III. 28

29 A villamosenergia hálózatok kialakulása Gyár lakott helyen települ Az üzem mellé építik az erımővet Az üzem melletti munkáslakások olcsó áramot kapnak Az ipari központokat összekötik a kölcsönös segítség érdekében Az összekötı vezetékek mentén áramot kap a vidék is Kialakul egy országos hálózat A tanyákra már csak a legvégén jut villany Erıltetett szovjet villamosítás Az országos hálózatokat össze is lehet kötni 29

30 Váltóáram: az iparosodás kulcsa A vezeték veszteségei a távolsággal egyenes és az áramerısségel négyzetes arányban nınek Minél messzebb kell vinni: legyen annál magasabb a feszültség A megoldás a transzformátor: Déri Miksa, Bláthy Ottó Titusz és Zipernowsky Károly: 1885 Minél nagyobb a feszültség, annál nagyobbak a koronakisüléses veszteségek Minél nagyobb a távolság, annál nagyobbak a lesugárzási veszteségek Nagy távolság és nagy teljesítmény nem megy: egyenáram 30

31 A magyar hálózat: ahogy kialakult 31

32 A magyar hálózat: alállomások 32

33 Fordulat szám szabályozó I. 33

34 Fordulat szám szabályozó II. 34

35 Gyár III. 35

36 Hálózat szabályozás: frekvencia (fordulatszám) I. Pont ugyanilyen merev kapcsolat van ma is! (csak szíjáttétel helyett háromfázisú villamos energiaátvitel!) Prompt szabályozás: Fizika (mp, sok mp) Az összekötött tengelyek inerciájával tárolt energia lassítja a fordulatszám változást; a motorok teljesítménye erısen, a generátoré kevésbé függ az aktuális fordulatszámtól; van némi önszabályozás is Primer szabályozás: Turbina fordulatszám (sok mp, perc) A az elıírt fordulatszámtól való eltérés növekedésnél zárja, csökkenésnél nyitja a gızcsapot, amitıl csökken illetve nı a gızfogyasztás is Szekunder szabályozás: Gıznyomás tartás (sok perc) Bázis erımővek: teljesítmény nem nıhet, a turbina szabályozó frekvencia alapjelét csökkenteni kell, visszaáll az eredeti teljesítmény és gızforgalom Terheléskövetı erımővek: A reaktorral/kazánnal utánamenni a teljesítménynek, helyreállítani az elıírt gıznyomást 36

37 Hálózat szabályozás: frekvencia (fordulatszám) II. Tercier szabályozás: Teherelosztó (sok perc, óra) A legyızött tranziens után a teherelosztó mőszaki és kereskedelmi szempontok alapján újraoszthatja a teljesítményeket Frekvencia szabályozás: egyre rosszabb lesz Ez a rendszer addig használható, ameddig el nem tőnik a fogyasztás/termelés frekvencia függése és van tárolt energia a forgó tengelyekben (Ohmos fogyasztó: hajsütı, vasaló, kapcsolóüzemő táp, stb., termelı: napelem, üzemanyag cella, inverterek, stabil tápok, stb.: Nincs frekvenciafüggés és inerciával tárolt energia!) Ha nincs elég frekvencia függés, majd direktben a teljesítményt kell szabályozni, a régi, egyszerő módszer helyett sok informatika kell. 37

38 Smartgrid a jövő hálózata II. Jánosy János Sebestyén

39 Vázlat Első rész: Hálózatokról általában Második rész: Hagyományos villamosenergia hálózat (magyar) Harmadik rész: Modern, fejlett, intelligens energiahálózat (Smartgrid) Negyedik rész: Alapprobléma: a villamosenergia tárolása (új eredmények) 2

40 Erőművek, gerinchálózat, külső kapcsolatok Áramszolgáltatók Jelenleg: Teherelosztó Informatika Kommunikáció Fogyasztók az villamos energiahálózaton Bláthy Ottó féle fogyasztásmérő (1889) Korlátlan fogyasztás azonos áron (többnyire) Nem vesz részt a szabályozásban 3

41 Harmadik rész: Smart grid Jelenlegi hálózat: nem fogad el 500kW alatti beszállítást ( kistermelők kapacitása elvész) csak durva beavatkozásokkal avatkozhat a fogyasztásba (lekapcsolás) nem ösztönöz intelligens fogyasztásra, a csúcs/átlag arány csökkentésére, a kihasználtság fokozására a Bláthy féle fogyasztásmérő mára elavult (nem szinuszos terhelő áramokra nem jó, és nem kétirányú ), csak az alap-harmonikus valós teljesítményét méri Nem szinuszos áramok: (kis veszteségű) kapcsolóüzemű tápegységek, a fogyasztás független feszültségtől-frekvenciától 4

42 Hagyományos (pl. magyar) hálózat 5

43 Mik az igények? szeptember 11.-e óta másképp gondolunk a biztonságra a 2003-ös nagy (USA keleti parti) többnapos áramszünet ne ismétlődhessen meg Redundáns, diverz, hierarchikus, mélységi védelemmel rendelkező hálózatokhoz szoktunk már hozzá. Mi is ez? Elosztott, leválasztható, öndiagnosztizáló, öngyógyító, degradálható és csökkentetten és működőképes ellátás Stand-alone működés is legyen, csökkentett paraméterekkel (legalább a mobiltelefon, az Internet, a TV és netán a mélyhűtő maradjon mindig működőképes) Normál üzemben az esetleg fellépő többlet energiát fel lehessen másnak is használni 6

44 Ellentmondás: soros energia, elosztott informatika 7

45 Ami megkerülhetetlen: Intelligens fogyasztásmérő Feladatai: legyen képes nem szinuszos áramok és feszültségek esetén is korrektül mérni, mindkét irányban legyen képes internetről vagy más (védett) módon a fogyasztói és termelői árakat perces tíz perces felbontásban folyamatosan fogadni a fogyasztást és termelést mérje egyenesen pénzben a mindenkori pillanatnyi árak szerint legyen lekérdezhető (WiFi, USB port) folyamatosan az aktuális és integrált költségek, adatok tekintetében áram-kimaradás esetén indítsa a belső tartalékokat, automatikusan, szinkronizálva visszatéréskor lökésmentesen kapcsoljon vissza az eredeti állapotba 8

46 A jövő intelligens otthona Az első lépés: intelligens fogyasztásmérő Minden csak ez után 9

47 Kapcsolódás hagyományos környezethez 10

48 Óriási előny: a fogyasztó bekapcsolódik a szabályozásba! Most, ha kiesik pl. egy paksi blokk, még a külföldi turbinák szelepei is nyitnak. Ha megugrik az áram ára, az intelligens fogyasztók azonnal leállítják a nagy fogyasztókat (mosógép, villanyautó töltése, stb.) mire gyorsan visszaesik az drága import igénye. Szabályozástechnikailag gondoskodni kell a stabilitásról (magas ár lekapcsolok leesik az ár visszakapcsolok: belengés ) Az árfüggő fogyasztás kisimítja a csúcsokat, javul a csúcs/átlag arány, jobb a kihasználtság, kevesebb csúcserőmű kell, az egyenletesebb terhelés kíméli a termelő berendezéseket Az első lépés nem olyan nehéz: kell egy sor elosztó, amit WiFi-n vagy BlueTooth-on keresztül a PC vezérelni tud. A mosógép leállítása nem ilyen egyszerű (felfűtés, centrifugálás nemigen szakítható meg), sok fejlesztés áll előttünk 11

49 Egy jól felépített ház nagyon sokat jelent... Hőszigetelés: egy jól szigetelt ház belső hőkapacitása változatlan, de a hőfluxus a külvilág felé sokkal-sokkal kisebb. Ez azt jelenti, hogy kikapcsolt fűtéssel, légkondival sokkal-sokkal lassabban hűl-melegszik, ami az adott energia-rendszer szempontjából TÁROLÓKAPACITÁSKÉNT jelentkezik. A modern, energiatakarékos hűtőszekrényeket is sokkal tovább lehet kikapcsolva tartani... ez is TÁROLÓKAPACITÁS. Délután a ház ura hazajön az elektromos autóval. A még benne maradt (nem kevés) energia elég a háznak estére, amikor drága az áram. Majd éjfél után is még időben van olcsón feltölteni kezdeni az autót... Legyen többszintű ellátás: normális (ha minden rendben van) és vészüzemi (nincs külső kapcsolat, önellátás: TV, mobil, Internet) 12

50 Hogyan induljunk el? Meglévő hálózatba beilleszkedni nem egyszerű. Egy lakótelep, lakópark, kisebb falu, stb. összeállhat, saját belső hálózatot alkotva, termelő és tárolóeszközöket közösen létesíthet (úgy olcsóbb, és a vezérlése is könnyebb) és a nagy hálózat számára elfogadható teljesítményű fogyasztási és termelési eszközökkel csatlakozhat a meglévő hálózathoz. A jogi környezetet persze meg kell teremteni. Kísérletek: az Óbudai Egyetemen már van ún. minigrid, és nálunk is készül valami hasonló. A baj az, hogy ez beruházás-igényes. Teljesen elmaradott, nem ellátott vidékeken persze mindent lehet (Ausztrália, Argentína, Borneó stb. lakatlan vidékein). Külön érdekesség, hogy a szél és a nap eléggé kiegyenlíti egymást! 13

51 Ahogy elkezdődik 14

52 Izolált kis közösség (nagyrészt ) természetes energiával... 15

53 Még mindig frekvencia alapon, jelentős tárolás nélkül 16

54 Megnövelt autonómia sok lábon állás... 17

55 Megvalósítás egy már létező hálózaton kicsit hasonló a kábel-tv hálózatokhoz Oszlopra szerelt vezérlő egységek és trafóházhoz hasonlító kiszolgáló készülékek tárolók, stb. A smart metering természetesen elengedhetetlen 18

56 Szép európai álom minden benne van! 19

57 Napelemek rogyásig... Centre for Energy Research, 20

58 Üzemanyag cella a teljes szükségletet ellátja Napelemek teljesítménye: 72 kwp (peak) Üzemanyag cella: 260 kva 30% - 70% között: elektromos és hő vagy vice-versa (tetszőleges arányban) Az épület tud önellátó lenni 21

59 Negyedik rész: Elektromos energia tárolás Általában ma még nem a villanyt tároljuk, hanem az előállításához szükséges energia hordozót (gáz, olaj, szén, fűtőelem stb.) Alternatív, megújuló, nem tervezhető energiaforrások legnagyobb baja: Nem elég hogy drágák, de mögéjük kell tenni egy velük azonos teljesítményű, tartalékban lévő erőművi kapacitást. Ezzel együtt költségük szinte elviselhetetlen Hacsak: nincs energia tárolás. Erre legjobb a vizierőmű, de a háta mögé kell egy másikat, amelyik megtámasztja a vízszintet, ha visszatöltés folyik. Az elektromos energia tárolása jelenleg ipari méretekben nem megoldott pontosabban GAZDASÁGOSAN nem megoldott. Az, hogy valami drága, az elején még ne riasszon el minket. Javul a technológia, kialakul a tömegtermelés ben egy rendkívül vacak tranzisztor még közel egyheti fizetésbe került. Nyilván csak akarni kell, előbb-utóbb megoldódik. ELKERÜLHETETLEN! 22

60 Környezetbarát áramforrások I. Az akkumulátorok használata abszolút nem problémamentes. Tiszta elektromos energia tárolónak látszanak, mint ahogy a napelem is tiszta energiaforrásnak tűnik. Mindkettőnek azonban nagyon szennyező anyagokkal történik a gyártása, és az újrafelhasználása (lebontása) is. Ha ezek a folyamatok környezetkímélő technológiákkal vannak megvalósítva, az akkumulátor drága lesz. Ha valami távoli, fejletlen országba viszik a gyártást, ahol a környezetvédelem gyenge lábakon áll, akkor lehet olcsó, viszont globálisan értékelve igen környezet szennyező (hazánkban is előfordult, hogy az elöregedett ólomakkumulátorból a szennyezett kénsavat egyszerűen kiöntötték, majd az ólmot tábortűzön próbálták lepénnyé olvasztani, és a MÉH-ben értékesíteni). Más: milyen villannyal töltjük azt az akkumulátort?! 23

61 Környezetbarát áramforrások II. Napelemek (foto-voltaikusak) tiszták. És a gyártásuk? Mi lett a szükséges vegyszerekkel? Ha azokat is környezetbarát módon semmisítik meg, OK, csak úgy a napelem sokkal drágább, mint a Nigériában gyártott... Mindig átgondoltan kell nyilatkozni egy technológiáról, hogy mit nem bocsát ki. Lehet egy atomerőműről azt mondani, hogy nem bocsát ki CO 2 -t, de az építése, a berendezések, alkatrészek készítése energiaigényes, és nyilván eközben sok CO 2 -t bocsátottak ki, mint ahogy a leszerelése során is fognak. Még az üzemidő alatt felhasznált anyagok múltja is érdekes. Ha mindezt elosztjuk az üzemidő alatt megtermelt energiával, akkor 1 kwh-ra nyilván nagyon alacsony érték jön ki: de azért nem nulla. 24

62 Zöldség... Megítélésem szerint minden normális, felelős szakember zöld. Felelősen gondolkodva, senki sem akar rosszat a gyermekeinek, unokáinak. Szerintem vannak sötét zöldek. Ezek egy mondatos lózungokat kántálnak, táblákat lobogtatnak, képtelenek a dolgok összefüggéseinek alapos vizsgálatára. Még ennél is borzasztóbbak számomra a haragos zöldek Paksi főtechnológus barátom szokta mondani: ezek a sötét zöldekhez képest még igen agresszívek is. 25

63 Szivattyúzós vízierőmű (Prédikálószék?): 26

64 Raccoon Mountain Nálunk Prédikálószékre terveztek ilyet, de meghiúsult! Magyarországon most Vácra terveznek ilyet, 100MW teljesítménnyel. A felső tározó 515 m magasan van, 2 db m3-es, az alsó 115 m magasan, és 1 db m3-es medencével. A szivattyús tározók hatásfoka meghaladja a 90%-ot. A legjobb akkumulátortelepek hatásfoka is csak kb. 70%. 27

65 Szuper kapacitások 28

66 Szuperkondenzátorok gyakorlati alkalmazása 29

67 Szuperkondenzátorok gyakorlati alkalmazása 30

68 Ni-Cd szuperaksi 31

69 Magyarországon összeszerelt mozgó áramforrás Li-Ion akkumulátor, 1 MW csúcsteljesítmény, 250 kwh, súlya 26 tonna 32

70 NaS akku eddig mindenben a legjobb Üzemi hőmérséklete: min. 290 C 33

71 NaS akkumulátorok tulajdonságai Ezeket az akkumulátorokat nagy telepekben érdemes alkalmazni, ahol a megfelelő üzemeltetési infrastruktúra megteremthető. A Hitachi gyárban van egy ilyen, adatai a következők: Teljesítmény: 8 MW, Kapacitás: 57,6 MWh Kisütés: 4,500 ciklus (90%-ig kisütve) Kisütés: 2,500 ciklus (100%-ig kisütve, teljesen lemerítve) Élettartam: legalább 15 év Hatásfok legalább 76% (a visszanyerhető energia töltés után) Gyártás, üzembehelyezés: 3 hónap 34

72 Gyakorlati megvalósítás már kapható 35

73 Gyakorlati megvalósítás már kapható 36

74 Az elektromos energia felhasználása nem folytatódhat sokáig úgy, mint ahogy az már az 1890-es évek vége felé is történt. Ehhez túl sokan vagyunk a Földön. Összefoglalva: Természetesen ez csak a meglévő struktúrák törésmentes fejlesztésével történhet, még ha nem is ez a legelőnyösebb út. Percekre sem maradhatunk villany nélkül. Másfél éve azt hittem, olyasmibe fogok, ami már ugyancsak tart valahol. Pedig érzésem szerint, nyilván túlzok csak valami olyasmi történik, mint amikor Fermi egymásra rakta a grafit téglákat az első reaktornál, a számláló ketyegésére figyelve. Semmi sem dőlt el még, rengeteg az ötlet, rengeteg a kreatív mérnöki invenció, jobbnál jobb ötletek sokasága látszik, végre valami, amit még nagyon sokféleképpen lehet csinálni. Lennék csak negyven évvel fiatalabb!!! 37

75 Köszönöm a figyelmet! Kérdések? 38