Üldist
Tarkvõrk (ingl. smart grid) on moodsat tehnoloogiat kasutav elektrivõk. Tarkvõrgu visioon näeb ette praeguse elektrivõrgu täiustamist moodsa tehnoloogiaga ning digitaalse info-, mõõte- ja juhtimissüsteemide integreerimist elektrivõrguga. Tarkvõrk ühendab elektritootjad, -edastajad, -arveldajad, -tarbijad ja seadmeteenindajad elektri- ja andmesidevõrgu kaudu ühtsesse süsteemi, tagades nende kõigi vahel kahesuunalise digitaalse andmeside ning kahesuunalise energiavoo. Tänu sellele saab rakendada energia ulatuslikku hajatootmist, optimeerida energiakasutust, vähendada kulusid ning suurendada töökindlust ja energia ostu-müügitehnigute läbipaistvust. Kõik see toimub eeldusel, et massiline infotehnoloogia rakendamine ei too kaasa täiendavaid riske. Seetõttu tuleb välja üks tarkvõrgu loomise põhiprobleeme - küberturbe tagamine.
Mastaabid
Tarkvõrgu ideede elluviimist saab alustada üksikust majapidamisest, ettevõttest, ülikoolilinnakust, mandrist eraldiasuvast saarest või suvalisest muust energeetiliseslt või geograafiliselt iseseisvast majandusüksuusest. Tarkvõrk võib hõlmata kogu riiki või selle osi, kui tarkvõrk võib laiuda ka üle mitme kontinendi. Sõltuvalt ulatusest on tarkvõrgule leitud ka vastavad nimetused alates mikrotarvõrgust kuni supertarkvõrguni välja. Näiteks Euroopa supertarkvõrgu kohati utoopiline idee näeb ette ühendada üheks tervikuks Põhjamere, Balti mere ja Biskaia lahe äärsete meretuuleparkide ning ka Vahemere kallaste, sealhulgas Põhja-Aafrika ja Lähis-Ida päikeseenergia ressursid (vt. ka joonis 1).
Tarkvõrgu olemus
Tarkvõrkude olemuse selgitamist alustatakse põhimõttemudelist. Siinkohal kirjeldatakse Ameerika Ühendriikide energeetikaministeeriumi juures asuva riikliku standardiseerimise ja tehnoloogiainstituudi koostatud põhimõttemudelit, mis on toodud joonisel 2.
Näitab ja kirjeldab see peamiste huvirühmade või ärivalduste vastastoimeid. Elektri tootmise, edastamise, jaotamise, salvestamise, juhtimise, muundamise, teenindamise ja turustamisega seotud tervikvaldkond on jaotatud seitsmeks valduseks. Kuna moodsas ühiskonnas on elekter kasutuses igas tehases, ettevõttes, äri- ja büroohoones, kodu- ja talumajapidamises, siis lähtudes sellest, haarab tarkvõrgu mudel kogu elutegevust.
Euroopa põhimõttemudel erineb Põhja-Ameerika omast peamiselt selle poolest, et kliendivaldus on jaotatud kolme ossa ning eraldi on välja toodud tööstusklientide ja hajaressursside valdused, teisalt vaadeldakse elektri edastus- ja jaotusvõrke ühtse tervikuna.
Tarkvõrgu teolised
Tarkvõrgu kõikides valdustes tegutsevad nii firmad, inimesed kui ka automaadid, kes võtavad vastu otsuseid energia tootmise, tarbimise, energiavoogude, reguleerimise, ostu-müügi, teenuste ja paljude muude toimingute kohta. Selliselt kirjeldatud tegutsejaid (ingl. actor) võiks eesti keeles nimetada teolisteks. Tarkvõrgu olulisi, eri funktsiooniga teolisi, on kokku ligikaudu 50. Mõned kliendivalduse teolised on toodud joonisel 3.
Arukalt toimivat ja iseseisvalt otsuseid vastu võtvat automaati nimetatakse tänapäeval intelligentseks elektroonikaseadmeks ja ka intelligentseks agendiks. Viimane jälgib pidevalt oma andurite ja andmesidekanalite kaudu keskkonda (antud juhul elektrivõrku ja selle tehnilisi näitajaid, nagu pinget, voolu, võimsust jne) ning turuvalduses kujunevat hinda. Intelligentne agent esindab oma valdajat, näiteks majaomanikku ja tema energiakasutusega seotud soove, mis on vastava programmi näol salvestatud agendi mällu. Keskkonnaolude, näiteks elektri turuhinna muutumisel, võtab agent vastu otsuse energiatarbimise jätkamise, katkestamise või reguleerimise kohta. Seega saab agenti rakendada energiatarbimise ja sellega seotud kulude optimeerimiseks.
Tarkvõrgu olulisemad teolised
Kliendivalduse puhul on oluliseks valdkonnaks elekterküte, mis hõlmab otseküttesüsteeme, kuhu kuuluvad nii põrandaküttekaablid, elektriradiaatorid, -konvektorid, -kerised, infrapunakiirgurid, kui ka elektritoitega soojuspumbad. Kuna hoonete konstruktsioon on võrdlemisi suure soojusmahtuvusega ning vajadusel võib hoonesse lisada spetsiaalselt valmistatud soojussalvesteid, saab elekterküttekoormust kasutada tarkvõrgus paindlikult. Koormus ühendatakse võrku elektritarbimise miinimumi ajal ning lülitatakse tippkoormuse ajaks välja. Energia ja kulutuste optimeerimise nimel tulevad üha enam kasutusse ka soojussalvestitega külmutus- ja kliimaseadmed.
Oluliseks tarkvõrkude komponendiks peetakse veel elektriautot või ka hübriidautot, mis tuleviku perspektiivis peaks asendama sisepõlemismootoriga autot. Tarkvõrgu seisukohalt tulevad arvesse veel sellised elektriautod, mis lülitatakse elektrivõrku periooditi. Kuna autode summaarne energiatarbimine moodustab ligikaudu kolmandiku tänapäeva moodsa ühiskonna energia lõpptarbimisest, siis oodatakse ka elektriautode suurt mõju tuleviku elektrivarustussüsteemile (joonis 4). 100 000 elektriauto mõju elektrisüsteemile võib võrrelda 200 MW-se tipukoormus-elektrijaamaga. Sellises suurusjärgus võiks olla ka Eestis igapäevaselt kasutatavate elektriautode arv. Elektriauto abil saaks siluda koormuse lohkusid ja tippusid. Akude laadimine toimuks öösiti, mil elektrivõrgu koormus on väike. Lühiajaliste koormustippude korral võiksid elektriautod töötada ka generaatoritena ning turuhinda muuta. Mõistagi on selleks vajalik infrastruktuur ning energiaarveldus- ja maksesüsteem.