Mikrosieci

Definicja

Mikrosieć to grupa połączonych obciążeń i rozproszonych źródeł energii (DER - Distributed Energy Resources) pracujących w ściśle określonym obszarze, która w odniesieniu do sieci elektroenergetycznej działa jako samodzielnie sterowany podmiot. Mikrosieć może pracować zarówno w połączeniu z siecią elektroenergetyczną jak i w trybie wyspowym.

Co zyskujemy dzięki mikrosieci

• bezpieczeństwo energetyczne - mikrosieci sprawdzają się idealnie tam gdzie wystąpiły klęski żywiołowe, są odporne na cyberataki
• pewność zasilania - niegroźny blackout ani 20-sty stopień zasilania i brak związanych z nim kar za niedostosowanie się do limitów mocy
• pomijalne straty przesyłowe - straty w sieciach centralnych przekraczają 12%
• wykorzystanie źródeł czystej odnawialnej energii, czyli czyste i zdrowe środowisko
• skalowalność
• tanią energię

Każda nowa mikrosieć to gwóźdź do trumny dla energetyki scentralizowanej która nie zechce się dostosować do zmieniającej się sytuacji na rynku. Gdy klienci odłączają się od sieci, maleją przychody państwowych operatorów, rosną koszty utrzymania sieci. To nieuchronnie prowadzi do dalszego wzrostu opłat za obecność w sieci i motywuje kolejnych odbiorców do przejścia na mikrosieć.

Z analiz (Barclays, UBS, Morgan Stanley, Bank of America, Citigroup i Goldman Sachs) wynika że do roku 2040 w USA sieci centralne w zależności od regionu będą dostarczały tylko 3% do 25% energii. Pozostałe potrzeby pokryją mikrosieci.
W Australii ze względów ekonomicznych w 2050 mikrosieci będą obsługiwały do 90% rynku. W Australii Zachodniej działa już (w lipcu 2016) 37 mikrosieci o obciążeniu w szycie 100..150kW każda. Powstają ze względu na zaludnienie na poziomie 1 osoby na 85 km² i wysokie temperatury które stwarzają problemy w przesyle energii oraz chłodzeniu elektrowni węglowych.

Z czego składa się mikrosieć

Energia wytwarzana jest na miejscu, głównie w źródłach odnawialnych i rozprowadzana na niewielkim obszarze, np. na terenie gminy. Typowa mikrosieć zasila kilkanaście tysięcy odbiorców mocą od kilkuset kW do kilku MW. Ilość odbiorców, rozmiar obsługiwanego rejonu i moc wynikają z potrzeb i dostępności lub możliwości budowy nowych źródeł energii odnawialnej.

Niekiedy ze względu na moc i obsługiwany obszar rozróżnia się:

• minisieci - to większa mikrosieć
• nanosieci - do pracy nie potrzebują sterownikia, moc kilkadziesiąt kW, obsługują obszar kilku kilometrów 
• pikosieci - jak nanosieć ale w mniejszej skali, np. w obrębie jednego budynku.

Podział nie jest sztywny. To co w jednej części świata zostanie uznane z pikosieć, w innej może być nanosiecią.

Mikrosieć to co najmniej jedno źródło energii, jeden odbiornik oraz jedno połączenie zewnętrzne.

Ponieważ dokładnie w momencie gdy energia jest wytwarzana 100% tej energii musi zostać skonsumowane, oraz w stu procentach należy zaspokoić zapotrzebowanie na energię, w mikrosieci pracuje sterownik który bilansuje system. Sterownik korzystając z infrastruktury informatycznej steruje źródłami i obciążeniami oraz komunikuje się ze sterownikami innych mikrosieci eksportując nadwyżki energii lub uzupełniając z zewnątrz niedobory. Sterownik może przełączyć mikrosieć w tryb wyspowy. Wszystko całkowicie automatycznie.

Mikrosieć może składać się z:

• źródła (lub źródeł) energii - fotowoltaicznego, wiatrowego, wodnego, kogeneracyjnego (biomasa, biogaz)
• magazynu energii - baterie słonowodne, litowo-jonowe w tym litowo-żelazowe, oraz przepływowe, cynkowe
• sterownika mikrosieci

W celu pokrycia w 100% zapotrzebowania na moc w okresach szczytowych w sieci całkowicie izolowanej nie jest konieczne przewymiarowanie mocy źródeł wytwórczych i magazynów energii (do niedawna potrzebna była rezerwa nawet do 250%). Przełomem jest najnowszej generacji sprzęt (w lipcu 2016) do zgazowania biomasy - Stratean, który do działania nie potrzebuje zewnętrznego źródła energii. Pracuje jako podstawa (Master) mikrosieci, zastępuje magazyn energii.

Przykłady mikrosieci

Lancaster w Teksasie 

Najbardziej zaawansowana technicznie mikrosieć (w kwietniu 2015) zbudowana w celach testowych przez S&C Electric, Schneider Electric oraz Oncor o mocy 1,25MW. Składa się z 4 mikrosieci, w tym:

• 2 źródła fotowoltaiczne: 106kW na wiatach parkingowych, 8kW na gruncie
• 1 turbina wiatrowa 65kW
• 2 magazyny energii po 25kW/25kWh, 200kW/400kWh
• 3 agregaty prądotwórcze: 2 diesle po 175kW, 1 na gaz ziemny 45kW

Mikrosieć jest zarządzana przez 1 mikrokontroler.

Mikrosieci współpracują z sobą, wymieniają się nadwyżkami energii, stabilizują sieć centralną, mogą przejść w tryb wyspowy - wszystko całkowicie automatycznie.

Kontroler mikrosieci decyduje o trybie pracy - autonomiczna / współpraca z innymi mikrosieciami, wysyła informacje o cenach energii, ustala kiedy najlepiej kupić, sprzedać lub magazynować energię. Kontroler Schneider pozwala ustalić cenę z wyprzedzeniem 15-minutowym, godzinowym i dobowym. Uwzględnia prognozy pogody.

Wyspy Owcze

Jako przykład w Europie można wymienić mikrosieć na Wyspach Owczych.

Jest to 18 wysp, 50 tysięcy mieszkańców. Zapotrzebowanie na moc 15MW w nocy, 45MW w zimowe popołudnia jest w 60% (w 2014r.) pokrywane z elektrowni wodnych i wiatrowych, reszta - generatory diesla. Udział OZE w 2020 roku wyniesie 80%

Wyspy Owcze to pierwsze miejsce na świecie gdzie w 2012 roku uruchomiono wirtualną elektrownię. W zakładach przetwórstwa ryb w sytuacji przeciążenia sieci, energożerne urządzenia takie jak pompy, sprężarki, zamrażarki, które nie wymagają ciągłej pracy, w ciągu 1 sekundy zostają wyłączone.

W 2015 roku instalowane są litowo-jonowy magazyny energii Saft 2,3MW / 2x700kWh oraz farma wiatrowa 12MW. Mikrosiecią zarządza z uwzględnieniem prognoz pogody kontroler Schneider Electric.

Podstawy działania mikrosieci opisujemy w Poradnikach OZE -> Elementarz mikrosieci.