Nutikas võrk

Artikkel Tarkvõrk kirjeldab elektrivõrku, mille eesmärgiks on integreerida intelligentselt tema külge ühendatud kasutajate omadused ja käitumise - tootjad ja tarbijad ning need, kes teevad mõlemat - tagades seejuures tõhusalt säästliku, majanduslikult efektiivse ja kindla elektrivarustuse. 1

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. 2

Mastaabid

Täarkvõrgu 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 ). 3

Joonis 1. Euroopa supertarkvõrgu idee peamised energiavood 25

Tarkvõrgu olemas

Tarkvõrkude olemuse selgitamist alustatakse põhimõttemudelist. Siinkohal kirjeldatakse Ameerika Ühendriikide energeetikaministeeriumi juures asuva riikliku standardiseerimise ja tehnoloogiainstituudi koostatud põhimõttemudelit, mis on toodud joonisel 2. 4

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. 5

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. 6

Tarkvõrk toimib iseorganiseeruva hajusjuhtimissüsteemi (avatud turu) põhimõttel, kus turuosalised saavad digitaalsete andmesidekanalite kaudu infot süsteemi võimsusbilansi järgi kujuneva energiahinna kohta ja kohandavad vastavalt sellele oma käitumismudelit. Hajutatud turuosaliste (tarkvõrgu teoliste) "isiklikest" huvidest lähtuv käitumine on kasulik kogu süsteemile, stabiliseerides nii energia turuhinda kui ka võimsusbilanssi. Protsessi tulemusena jõutakse ka teatud energiatarbimise ja majandusliku optimumini, mis on kasulik ühiskonnale tervikuna. Tarkvõrgu iseärasus on see, et enamik turuosalisi on automaadid. 7

 

Joonis 2. Tarkvõrgu lihtsustatud põhimõttemudelid26

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 . 8

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. 9

Intelligentse agendi funktsioonid sõltuvad sellest, missuguse objektiga on see seotud. Agent võib esindada maja- või korteriomanikku, võib kuuluda võrgust energiat laadiva elektriauto juurde või esindada hajaelektrijaama. Seega kuuluvad agendid paljude tarkvõrgu teoliste juurde ja on nende esindajad võrguga suhtlemisel. Sellel põhimõttel loodud energiahaldussüsteemi nimetatakse nõudluskajaks (ingl. demand response). 10

Moodne kodumajapidamine hõlmab üha enam nutikaid kodumasinaid, mille kasutusaegu ning talitlusviise saab eelnevalt vastavalt programmeerida. Nende juhtseadmed ehk intelligentsed agendid hakkavad tulevikus arvestama tarkvõrgust saadavaid signaale, mis iseloomustavad nii võrgu lubatavaid piirkoormusi kui ka elektri reaalajahinda võrgus. Nii saavad nutikad masinad optimeerida omaniku energiakulusid ja toetada oma tegevusega elektrivõrgu talitlust. 11

Koduõuele üles seatud elektrituulik või maja katusele paigaldatud päikesepaneel võib toota elektrit kohapeal tarbimiseks, salvestamiseks akudesse või elektrivõrku. Viimasel juhul läheb selliselt kasutatud energia üldisesse kasutusse ning toodetud elektri eest arveldatakse vastavalt elektrituru hinnale. 12

Sama kehtib ka tööstusettevõtetele kuuluvate väikeelektrijaamade kohta. Kuigi nende efektiivsus on suurjaamadega võrrelduna reeglina väiksem, on nende eeliseks väiksemad edastuskaod ning võimalus toota elektrit ja soojust koos. Viimastel aastatel on just elektri ja soojuse koostootmine muutumas üha populaarsemaks. Kasutusele on tulnud väikesed koostootmisjaamad võimsusega 10-100 kW ja ka mikrojaamad, mille võimsused algavad mõnesajast vatist. 13

 

Joonis 3. Kliendivaldus ja tarkvõrgu teolised 27

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. 14

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. 15

 

Joonis 4. Moodne elektritarbimisel põhinev tarkvõrku lülitatud nutikas kodu 28 

Kõik kliendivaldusesse kuuluvad osavaldused või ka üksikseadmed ja masinad on varustatud tarkmõõteriistadega, mis mõõdavad nii aktiiv- ja reaktiivvõimsust kui ka summaarset või perioodilist energiatarvet, analüüsivad, prognoosivad või optimeerivad energiatarbimist, andes omanikule sellekohast teavet ning soovitusi edaspidiseks toimimiseks. 16

Tarkmõõteriistadel on kahepoolne andmesidesüsteem, mis võimaldab saada näiteks perioodiliselt energiahinnainfot ning saata edasimüüjale andmeid tarbitud energia kohta. Informatsioon, mida tarkmõõteriistadega kogutakse, on palju mahukam kui seni igakuiselt saadav teave tarbija summaarse energiatarbimise kohta. 17

Nutika kodu energiamõõteriistade hulka kuuluvad elektri-, gaasi-, soojuse-, veehulga- ja muud tarkmõõteriistad, mis võimaldavad mõõta ning salvestada nii võimsuse kui ka energiatarbe ajadiagramme. Energiasüsteemi tarkmõõteriistad moodustavad koos andmesidesüsteemiga moodsa raalmõõtmise taristu. 18

Üks võimalik koduse elektritarbimise ööpäevadiagramm on näidatud joonisel 5 . Registreeritud on minuti keskmine võimsus. Privaatsuse seisukohalt on oluline teada, et koormusdiagramm annab üsna palju teavet kliendi elutegevuse ja tarbimisharjumuste kohta. Seega annab tarkmõõteriistade kasutamine võimaluse kliendi jälgimiseks ning toob omakorda endaga kaasa nii füüsilisi, psüühilisi, finantsilisi kui reputatsiooniriske. Tegemist on probleemidega, mis vajavad lahendamist koos tarkvõrkude küberturbe tagamisega. 19

 

Joonis 5. Kodune ööpäevane elektritarbimine29

Alajaamad ning GPS

Elektrivõrkude moderniseerimise üks pakilisemaid ülesandeid on uue aparatuuri ja tarkmõõtesüsteemide rakendamine alajaamades, mis puudutab nii edastusvõrgu kui ka jaotusvõrgu alajaamu. Mõõte- ja juhtimisinfo edastamiseks kasutatakse tarkvõrgu standardile IEC 6185020 vastavat digitaalset andmesidet. Kuna elektrivõrk laiub väga suurel territooriumil ja vahemaad selle eri osade vahel võivad ulatuda tuhandetesse kilomeetritesse, siis on kiiretoimeliste mõõtmiste korral kriitilised suurused andmeedastuskiirus ja mõõtmiste sünkroonsus. Viimane tagatakse tänu satelliitsidele ja ülitäpsetele aatomikelladele. Samu satelliite ja täpset ajamõõtmist kasutatakse ka globaalse positsioneerimissüsteemi GPS puhul. Elektri tarkvõrkude puhul võimaldab globaalne positsioneerimissüsteem luua võrkude automaatse geograafilise infosüsteemi GIS, mis salvestab kõik võrgus toimuvad sündmused koos toimumise asukoha geograafiliste koordinaatidega. Nii muutub oluliselt lihtsamaks ka kliendikutsete või rikete teenindamine. 21

Energiapoliitika poliitiline taust

Tarkvõrkude idee esilekerkimine ja populaarsuse kasv viimastel aastatel on seotud mitmete asjaoludega. Ühest küljest muutuv Energia kättesaadavus maailmas inimesele üha ebakindlamaks, mida kinnitab näiteks toornafta hinna suur kõikumine ( Joonis 6 ) - senine maksimum maksis 2008 aastal ca 145 dollarit barrel. Ning teisalt on ägenenud võitlus keskkonnasaaste vähendamise eest ja fossiilkütuste kasvava põletamise vastu. 22

Mõlemad põhjused on tinginud vajaduse rakendada taastuvaid või alternatiivseid energiaallikaid, milleks on päike, tuul, bioenergia ja maasoojus. Kuna viimased nõuavad võrgu energiavoo stabiliseerimiseks, varustuskindluse ja võimsusbilansi hoidmiseks suure võimsusega ning paindlikku regulaatorit, siis on tekkinud idee kasutada reguleerimiseks elektrivõrgu hajutatud ressurss, mis on koondnimetuseks saanud tarkvõrk. 23

 

Joonis 6. Toornafta hind aastate jooksul, $ barreli kohta 30

Euroopa eesmärgid

Ameerika Ühendriikide järel teine suurem energiatarbija maailmas on Euroopa Liit. Kui 2010. aasta andmete järgi tarbis USA keskmiselt 19,15 miljonit barrelit toornaftat päevas, siis Euroopa Liit 13,73 miljonit barrelit (toornafta tarbimisega saab tutvuda ka veebilehel). Euroopa Liidu energiapoliitika on keskendunud keskkonnasaaste ja õhku paisatavate kasvuhoonegaaside koguste vähendamisele. Probleemi lahendusena nähakse samuti taastuvaid energiaallikaid ja nendega kaasnevaid tarkvõrke. 2007. aasta 20/20/20 plaani kohaselt tuleb Euroopas aastaks 2020 24:

Täiendavat lugemist

Aasta

Kategooria

Pealkiri

2013

Ettekanne

From Smart House to Smart City

2013

Ettekanne

Android-põhine programmeeritav automaatikakontroller

2013

Ettekanne

Automaatika koostöös kasutajaga, teadlikkus ja võimalused energiasäästuks

2013

Ettekanne

Targa linna kontseptsiooniga seotud Euroopa initsiatiivid ja rahvusvaheline uurimisfookus

2013

Ettekanne

Expansion of the smart grids and their policy effect - can Estonia become EU energy leader

2013

Ettekanne

Euroopa Komisjoni algatusest - Smart Cities Stakeholders Platform

2014

Uuring

Tarbimise juhtimine. Suurtarbijate koormusgraafikute salvestamine ning analüüs tarbimise juhtimise rakendamise võimaluste tuvastamiseks

2014

Raport

Subsidies and costs of EU energy. An interim report

2014

Raport

Subsidies and costs of EU energy. Lisa 1-3

2014

Raport

Subsidies and costs of EU Energy. Lisa 4-5

2012

Väljaanne

Energeetika

2009

Ettekanne

Nutikas võrk - Smart Grid

2010

Ettekanne

Nutikas võrk ja kauglugemine

2009

Ülevaade

IEC 61850 Communication Networks and Systems In Substations - An Overview for Users

2014

Ettekanne

Euroopa energiapoliitika valikud. Kas Euroopal on üldse valikut

2014

Ettekanne

Eesti uus energiapoliitika. Konkurentsivõimeline taastuvenergia Eestis

2014

Ettekanne

Eesti energiapoliitika mõju riigi konkurentsivõimele

2014

Ettekanne

Eesti põlevkivienergeetika tulevik

2014

Ettekanne

Eesti energiamajanduse arengukava aastani 2030

2014

Aruanne

Elektrilevi OÜ investeeringute vajalikkuse ja efektiivsuse hindamine

2014

Aruanne

Konkurentsiameti poolt väljatöötatud kaalutud keskmise kapitali hinna (WACC) arvutamise metoodika analüüs

2014

Aruanne

Tootmispiisavuse aruanne 2014

2015

Uuring

Tarbimise juhtimine elektrisüsteemi paindlikkuse tagajana

 

Viited


  1. Sirel, M. Nutikas võrk ja kauglugemine.↩︎
  2. Lehtla, T. Tallinna Tehnikaülikool. Energeetika.↩︎
  3. Adamiak, M., Baigent, D., Mackiewicz, R. IEC 61850 Communication Networks and Systems in Substations.↩︎
  4. Macrotrends. Crude oil price. History chart. (17.03.2016)↩︎