Den økende desentraliseringen av kraftnett

Gjennom de siste tre tiårene har fremveksten av mindre, fornybare energikilder som solcellepaneler (PV) og vindturbiner, kombinert med smartteknologi, fundamentalt endret hvordan hjem og bedrifter samhandler med kraftnettet. Nå både forbruker og produserer de strøm.

Desentralisering

Dette fundamentale skiftet – «desentraliseringen av kraftproduksjon» – endrer hvordan nasjonale strømnett fungerer, og endrer forholdet mellom hjem, bedrifter og strømleverandører. Selv om overgangen allerede er i gang anslår International Energy Agency (IEA) at over 100 millioner husholdninger vil ha solcellepaneler på taket innen 2030. Dette er en betydelig økning fra dagens 25 millioner.[1]

Bare i begynnelsen

Med andre ord har desentraliseringen av kraftforsyningen bare så vidt begynt, og for ingeniører innen elektroteknikk er det flere nye utfordringer og muligheter i vente. I denne artikkelen skal vi se nærmere på endringen i nasjonale strømnett, analysere de tekniske og samfunnsmessige implikasjonene, samt viktige komponenter som er tilgjengelige fra Mouser Electronics, som kan hjelpe med utfordringene som dette skiftet presenterer.

Faktorene som driver utviklingen av strømnett

Den økende desentraliseringen av strømnett er drevet av en rekke faktorer, i stor grad sentrert rundt begrensningene som er knyttet til sentraliserte strømnett, og de unike fordelene med desentralisert kraft.

En viktig drivkraft for desentralisert energi var realiseringen av mindre, fornybare energikilder. Å oppnå energiuavhengighet før fremveksten av solcellepaneler og små vindturbiner innebar bruk av en form for elektrisk dynamogenerator, for eksempel en gass-, kull- eller vannkraftdrevet turbin. Dette krevde omfattende fysiske ressurser og medførte betydelige sikkerhetsmessige, tekniske og sosiale konsekvenser.

En annen viktig drivkraft bak desentralisert energiproduksjon er det økende behovet for mer kraft. Å møte denne økende etterspørselen med store, sentraliserte kraftverk krever betydelig planlegging, ressurser og tid. Det tar rundt seks til åtte år å bygge og sette et kjernekraftverk i drift.[2]

Til sammenligning kan mindre, desentraliserte energiressurser (DER-er) tas i bruk mye raskere: Det tar vanligvis bare ett til tre år å få storskala solcelleparker i drift,[3]og mindre solcelleinstallasjoner for boliger og industri (Figur 1) tar i gjennomsnitt 6–18 uker.[4]

I mange tilfeller er det enklere og mer kostnadseffektivt å håndtere økende energibehov med en rekke mindre, distribuerte kilder enn én sentralisert kilde.

De synkende kostnadene og forbedret effektivitet for fornybar teknologi, kombinert med økende strømpriser, har også gjort solcelle- og vindkraft stadig mer tilgjengelig. Fremskritt innen teknologier for energilagring og -håndtering forbedrer levedyktigheten til distribuert fornybar energi ytterligere.

Fremveksten av desentralisert kraft

Den økende etterspørselen etter desentralisert kraft skyldes storskala trender og fremskritt innen fornybar energi, kraftelektronikk og batterilagringssystemer (BESS). Elektronisk innovasjon bidrar til å skape nye muligheter for DER-er ved å øke systemets effektivitet, intelligens og sikkerhet, samtidig som den reduserer hensynet til emballasje og kostnader.

Utvikling av solcellepaneler og vindturbiner

Tidlig på 2000-tallet hadde typiske solcellepaneler for boliger og næringsbygg en effektivitet på omtrent 15 prosent.[5] Siden den gang har utviklingen innen design av solcellepaneler og banebrytende endringer innen materialsammensetningen bidratt til å øke denne verdien. Dagens paneler tilbyr vanligvis rundt 20 prosent effektivitet.[6]

Oxford PV, et spin-off fra Universitetet i Oxford, har nylig satt verdensrekord med sin kommersielle perovskitt-på-silisium tandem-solcelle, med en effektivitet på 28,6 prosent. Dette er et betydelig skritt som antyder at enda større effektivitetsforbedringer er mulig.[7] Økt paneleffektivitet kan bidra til å fremme adopsjon av DER-er ved å redusere arealet som kreves for en levedyktig solcelleinstallasjon (forutsatt at panelkostnadene forblir omtrent de samme).

Vindturbiner går også gjennom betydelig utvikling, med fremvoksende bladløse turbiner (Figur 2) som kan overvinne flere vedvarende utfordringer. Fraværet av tradisjonelle roterende turbinblader forenkler og øker sikkerheten ved integrering i bygninger, samtidig som vedlikeholdskostnader reduseres og tap av fugleliv minimeres. Disse fordelene kan bidra til å plassere vindturbiner på nye steder, inkludert nærmere solcellepaneler eller mindre boligarealer hvor reguleringer ofte hindrer plassering av vindturbiner. 

BMWs Oxford Mini-fabrikk la nylig til verdens første stasjonære energisystem fra Aeromine Technologies for å utfylle sitt eksisterende solenergianlegg.[8] Ved å manipulere luftstrømmen med aerofoler skaper turbinen en lavtrykksone bak enheten som driver luft gjennom dens interne propell, og omdanner vindenergi til elektrisitet.[9]

Vortex Bladeless, et spansk oppstartsselskap, utvikler et turbinløst system for vindkraftproduksjon. Dette systemet utnytter virvelavløsning, dannelsen av roterende virvler når vind passerer rundt en sylinder, for å fremkalle svingninger som omdannes til elektrisitet via en intern elektromagnetisk alternator.[10]

Fremskritt innen inverterteknologi

Fremskritt innen kraftelektronikk, spesielt bruk av silisiumkarbid (SiC)-halvledere, bidrar til å øke inverterens effektivitet, noe som reduserer både energitap og behovet for termisk styring. Sammenlignet med tradisjonelle silisiumbaserte enheter har SiC-halvledere med bredt båndgap lavere brytetap, høyere termisk ledeevne og større effekttetthet.

Mens de nyeste silisiumomformerne kan oppnå 98 prosent effektivitet, kan SiC-omformere oppnå rundt 99 prosent effektivitet over et bredt effektområde, noe som tilsvarer en reduksjon i energitap på 50 prosent.[11] En teoretisk økning på 1 prosent anvendt på EUs totale solkapasitet på 259,99 GW vil tilføre omtrent 2,6 GW til den totale produksjonen, tilsvarende 6,5 millioner solcellepaneler på 400 W.[12]

Den forbedrede termiske ytelsen til SiC reduserer behovet for kjøling, noe som gjør det mulig for produsenter å designe mindre, lettere og mer pålitelige invertere. Denne reduksjonen i størrelse muliggjør utplassering av DER-installasjoner i mer plassbegrensede bolig- og næringsmiljøer. Disse egenskapene, kombinert med de økende stordriftsfordelene i SiC-produksjon som senker kostnadene, bidrar til å drive utviklingen av mindre og mer effektive solcelleomformere som kan resultere i en ny bølge av solcelleadopsjon.

BESS Evolusjon

For BESS har overgangen til litiumjernfosfat (LFP) gitt bedre termisk stabilitet og lengre levetid sammenlignet med tradisjonelle litiumionbatterier. Samtidig tilbyr nye modulære design, inkludert stativmonterte batterier, mer kostnadseffektive og skalerbare installasjoner, slik at både private og kommersielle brukere kan optimalisere systemkapasiteten etter energibehov.

Batteristyringssystemer (BMS) begynner også å ta i bruk kunstig intelligens (KI) og maskinlæring, noe som kan forbedre påliteligheten og effektiviteten til BESS ytterligere. KI-funksjoner kan forutsi batterinedbrytning bedre, optimalisere ladesykluser basert på miljøforhold og dynamisk styre energiflyt for å maksimere både batterilevetid og ytelse.

Innovasjon innen elektroniske komponenter som støtter DER

For å muliggjøre sømløs styring av DER-er kreves pålitelig tilkobling for overføring av viktige data, som batteriets ladetilstand, produksjon av fornybar energi og lokalt energiforbruk. Disse dataene forbedrer den effektive styringen av fornybare energikilder for private og kommersielle aktører, og gjennom smarte målere og invertere muliggjør de en smidig integrering i nasjonale strømnett, noe som styrker strømleverandørers og operatørers nettstyringsevne.

To produsenter, onsemi og Würth Elektronik, har samarbeidet for å tilby en portefølje av solcelledrevne inverterløsninger som håndterer både strøm og kommunikasjon i det voksende globale markedet for mikro- og strengbaserte fornybare installasjoner.

Støtter sømløs kommunikasjon i solcelleanlegg

onsemis NCN26010 Industrial Ethernet Transceiver (Figur 3) er en 10 Mbps, IEEE 802.3cg-kompatibel enhet som integrerer en media access controller (MAC), et physical layer collision avoidance (PLCA) reconciliation sub-layer (RS) og et 10BASE-T1S physical layer (PHY). Den leverer funksjonene som kreves for å sende og motta data over kompakte Single Pair Ethernet (SPE)-kabler. 

Enhetens Enhanced Noise Immunity Mode (ENI) er avgjørende for DER-er, som er utsatt for elektromagnetisk interferens (EMI). Ytelsen til NCN26010 overgår IEEE T1S-standardene, noe som gjør den i stand til å tåle krevende tester for direkte strøminnsprøytning (DPI) og bulkstrømsinnsprøytning (BCI). Med ENI aktivert er transceiverens nettverksrekkevidde nesten dobbelt så stor som konkurrentenes, og støtter opptil 40 noder på et 25 m segment.[13] Kompatibilitet med Open Alliance MACPHY SPI gjør at NCN26010 kan integreres med et bredt spekter av mikrokontrollerenheter (MCU-er), noe som akselererer systemutviklingen.

I DER-er forbedrer NCN26010- og SPE-nettverkene ikke bare nettverkspåliteligheten sammenlignet med trådløse alternativer, men reduserer også kostnader til kabling, kontakter og installasjon sammenlignet med andre ledningsstandarder, inkludert åtte-tråds Ethernet, noe som bidrar til å bygge smartere og mer robuste DER-er.

Som et supplement til onsemis SPE-transceivere, tilbyr Würth Elektroniks WE-RJ45 USB 3.0 LAN-transformatorer (Figur 4) RJ45- og USB 3.0-tilkoblinger med integrert overspenningsvern, som eliminerer behovet for ekstra komponenter for kretsbeskyttelse. 

RJ45-kontakten har en integrert transformator og common mode choke, noe som gjør den i stand til å støtte opptil 50 W Power over Ethernet (PoE+) og hastigheter på opptil 10 Gbps. I DER-er muliggjør det enkel tilkobling til innebygde systemer i enheter som MPPT boost-moduler, smarte målere og omformere, og gir støtte for å legge til hjelpenheter med PoE, som sensornoder, for å overvåke BESS-temperaturer eller vindhastigheter.

Konklusjon

DER-er gir både bedrifter og boligeiere muligheten til å oppnå energiuavhengighet samtidig som de forbedrer bærekraften. Ettersom energibehovet øker og nasjonale strømnett blir mer komplekse, må markedet imidlertid tilby effektive og pålitelige sol- og vindkraftløsninger som integreres sømløst i hjem, bedrifter og det bredere strømnettet.

I tillegg til onsemi og Würth Elektronik tilbyr Mouser Electronics komponenter fra mange ledende elektronikkprodusenter, noe som gjør det mulig for ingeniører å utvikle nye DER-løsninger som øker produksjonen av fornybar energi og kan integreres sømløst i større strømnett.

Om forfatteren:

Mark Patrick er direktør for teknisk innhold, EMEA, Mouser Electronics.

[1] https://www.iea.org/reports/approximately-100-million-households-rely-on-rooftop-solar-pv-by-2030

[2] https://www.sustainabilitybynumbers.com/p/nuclear-construction-time

[3] https://www.theecoexperts.co.uk/solar-panels/complete-guide-solar-farms

[4] https://www.susenergy.co.uk/how-long-does-it-take-to-install-solar-panels.html

[5] https://www.forbes.com/sites/peterdetwiler/2013/07/16/as-solar-panel-efficiencies-keep-improving-its-time-to-adopt-some-new-metrics/

[6] https://corporate.enelx.com/en/question-and-answers/are-solar-panels-energy-efficient

[7] https://www.oxfordpv.com/news/oxford-pv-sets-new-solar-panel-efficiency-world-record-0

[8] https://www.bbc.co.uk/news/articles/c07ngp4yz7jo

[9] https://aerominetechnologies.com/

[10] https://vortexbladeless.com/technology/

[11] https://www.energy.gov/eere/solar/silicon-carbide-solar-energy

[12] https://energy.ec.europa.eu/topics/renewable-energy/solar-energy_en

[13] https://www.onsemi.com/products/interfaces/ethernet-controllers/NCN26010