Source : générateursource.com
Le concept de micro-réseaux existe depuis de nombreuses années. Ce n'est que récemment qu'ils ont gagné en popularité et presse, car de nombreux nouveaux projets deviennent réalité et sont mis en production. Bloom Energy a récemment signalé que 500 nouveaux micro-réseaux sont en cours ou en cours de déploiement à partir de cette année (2019) et les totaux mondiaux sont de l'ordre de plusieurs GW.
À la base, un micro-réseau est un système de réseau électrique miniature qui est configuré pour gérer les ressources énergétiques distribuées et peut inclure des énergies renouvelables (solaire, éolienne et/ou hydraulique) avec d'autres sources non renouvelables (telles que des générateurs diesel, des turbines à gaz, etc.). Ces micro-réseaux gèrent généralement les charges énergétiques de plusieurs systèmes de génération et utilisent également un certain type de système de stockage d'énergie. Ils travaillent et gèrent tout cela avec différents types de logiciels et de systèmes de contrôle. Ils peuvent être configurés pour fonctionner en parallèle avec un réseau électrique et également pour fonctionner en mode autonome en cas d'urgence ou en fonction de besoins spécifiques.
Fondamentaux des micro-réseaux - Qu'est-ce qu'un micro-réseau ?
Le département américain de l'énergie (DOE) définit un micro-réseau comme "un groupe de charges interconnectées et de ressources énergétiques distribuées dans des limites électriques clairement définies qui agit comme une seule entité contrôlable par rapport au réseau. Un micro-réseau peut se connecter et se déconnecter du réseau pour lui permettre de fonctionner à la fois en mode réseau et en mode îlot ».
En outre, le DOE maintient que "les micro-réseaux ont été identifiés comme un élément clé du réseau intelligent pour l'amélioration de la fiabilité et de la qualité de l'énergie, l'augmentation
l'efficacité énergétique du système et offrant la possibilité d'indépendance du réseau aux sites d'utilisateurs finaux individuels". Les avantages de l'utilisation de la technologie des micro-réseaux peuvent être :
- S'intègre au réseau et à plusieurs technologies de réseau intelligent
- Intégration des énergies distribuées et renouvelables, réduction de la charge de pointe
- Garantit que l'énergie est fournie aux complexes ayant des besoins critiques en électricité
D'autres organisations définissent les micro-réseaux de la même manière, y compris le concept de charges multiples et de génération d'îlots. La production insulaire est l'énergie fournie par l'énergie éolienne, solaire, hydroélectrique ou diesel/GN.
L'illustration du premier graphique est un micro-réseau qui utilise l'alimentation électrique comme source principale. Le parc éolien et solaire alimente un groupe de batteries pour une utilisation d'urgence en cas de panne de courant. Les deux sont normalement connectés au réseau pour réduire les coûts d'exploitation de l'installation. Lorsque l'alimentation électrique est coupée, le complexe est commuté sur l'alimentation par batterie de l'installation éolienne et solaire. Les générateurs démarrent et assument la charge des batteries. Les bâtiments du côté charge du circuit ne subissent aucune fluctuation de puissance en raison de la conception du réseau de distribution. Lorsque l'alimentation secteur est rétablie, la charge est renvoyée à l'alimentation secteur et les générateurs de secours sont arrêtés. Le parc éolien et solaire reprend son fonctionnement normal.
De nombreux facteurs entrent dans la conception et la construction d'un micro-réseau. Les avancées dans les technologies de production et de distribution d'énergie permettent des systèmes qui réduisent la consommation d'énergie, utilisent des méthodes de production vertes et répondent aux exigences critiques en matière d'alimentation électrique. Les informations de base pour chacune des sources d'alimentation et les systèmes de contrôle sont décrites ci-dessous. La construction de ce micro-réseau est fictive mais modélisée dans le concept à partir de projets du DOE.
Alimentation et charges des services publics
Les micro-réseaux les plus courants utilisent l'alimentation électrique fournie par la compagnie d'électricité locale comme alimentation principale. Les micro-réseaux situés dans des endroits éloignés peuvent utiliser la production hydroélectrique comme énergie primaire ou utiliser une centrale à combustible fossile comme énergie primaire.
Les centrales électriques produisent de l'électricité à haute tension. Certains utilisent des transformateurs élévateurs pour augmenter la tension pour le transfert vers les sous-stations. Les sous-stations reçoivent la tension des centrales électriques par des lignes à haute tension. Les tensions sont adaptées aux besoins et distribuées aux clients.
Les hôpitaux, les établissements correctionnels d'État et les centres de données font partie des industries qui nécessitent une source d'alimentation sans coupure (UPS). Beaucoup ont plusieurs bâtiments qui nécessitent une alimentation constante. Certains des bâtiments peuvent avoir des zones qui nécessitent une source d'alimentation isolée en raison des exigences de tension, d'ampérage et/ou de fréquence.
Ces installations consomment une grande quantité d'énergie pour effectuer les opérations quotidiennes normales. Ils sont alimentés par des lignes à haute tension dans une sous-station dédiée au complexe. La tension est ajustée aux niveaux souhaités à l'aide de transformateurs élévateurs ou abaisseurs. Toute l'alimentation est acheminée via des panneaux de commutation et de contrôle pour être distribuée dans tous les bâtiments.
Chaque bâtiment représente une charge électrique. Il est possible d'avoir plus d'une charge dédiée à un bâtiment. Un exemple de point de charge secondaire dans un bâtiment est un convertisseur de fréquence. Un pic de tension positif et un pic de tension négatif équivalent à un cycle (Hz). L'alimentation commune est de 50 Hz ou 60 Hz. Certains équipements nécessitent une alimentation 400 Hz pour fonctionner. Les convertisseurs de fréquence changent de 50 Hz ou 60 Hz à 400 Hz. Il existe de nombreux autres exemples de points de charge secondaires dans un bâtiment. Dans la conception du micro-réseau, tous sont contrôlés à partir d'un seul point.
Alimentation du générateur de secours et de pointe
Les générateurs de secours alimentent le réseau en cas de panne de courant. Le générateur est composé d'un moteur et d'un alternateur (côté générateur). Les moteurs au gaz naturel (GN) et au diesel sont la norme de l'industrie. Les moteurs alimentés au GN peuvent fonctionner indéfiniment tant que l'alimentation en gaz n'est pas interrompue. L'alimentation de secours n'est pas disponible lorsque l'alimentation est sécurisée.
Les générateurs équipés de moteurs diesel peuvent fonctionner lorsque toutes les infrastructures sont défaillantes, y compris l'approvisionnement en gaz naturel. Les réservoirs principaux d'alimentation en carburant doivent être surveillés et remplis lorsqu'ils sont bas. Les systèmes automatisés peuvent avertir l'opérateur lorsque les niveaux des réservoirs sont à un point prédéterminé pour éliminer l'arrêt en raison d'un manque de carburant.
Applications de générateur d'intérieur
Le moteur, les systèmes de refroidissement et les extrémités du générateur sont tous montés sur un patin fabriqué à partir de poutres en acier. Le patin est monté sur le sol du bâtiment. Des supports en caoutchouc sont utilisés à des endroits clés pour réduire les vibrations pendant le fonctionnement.
Ce générateur de style n'a pas de réservoirs de carburant et nécessite une alimentation en carburant externe. Les grands réservoirs de carburant primaires peuvent alimenter les réservoirs journaliers. Ils doivent être équipés d'un système d'évacuation et d'alimentation en air de refroidissement ou d'un système de refroidissement secondaire tel qu'un échangeur de chaleur (HEX).
Applications de générateur extérieur
Les générateurs utilisés à l'extérieur sont montés dans un boîtier résistant aux intempéries ou aux intempéries. De nombreux boîtiers sont insonorisés pour réduire le bruit de fonctionnement. Le générateur est monté sur patins sur un réservoir de carburant à double paroi. Ces générateurs n'ont pas d'exigences externes en matière de carburant, d'échappement ou de système de refroidissement. Connectez les câbles d'alimentation de sortie au générateur et il est prêt à assumer la charge.
Les deux types de générateurs sont disponibles avec des commandes électroniques avancées et peuvent fonctionner en parallèle. Un bus de générateur de secours divisé peut être agencé pour fournir de grandes quantités de tensions différentes. Pour voir notre stock de générateurs neufs et d'occasion, rendez-vous sur Generator Source. Nous fournissons des services de générateur tels que la maintenance, le dépannage et la réparation, l'installation.
Production d'énergie verte
L'Environmental Protection Agency (EPA) définit l'énergie verte comme l'électricité produite à partir de systèmes solaires, éoliens, géothermiques, de biogaz, de biomasse et hydroélectriques. Notre modèle incluait l'énergie éolienne et solaire. Les utilisations possibles sont explorées ci-dessous.
Énergie solaire
Les panneaux solaires sont constitués de cellules photovoltaïques. Ces cellules convertissent la lumière du soleil en courant continu (CC). L'électricité créée est stockée dans des bancs de batteries. Une fois que les banques de batteries sont complètement chargées, l'électricité peut être réacheminée à l'aide d'un onduleur et revendue.
L'onduleur est le cœur du système UPS. Lorsque l'alimentation est coupée, les batteries alimentent les circuits qui ont des besoins critiques en alimentation. L'onduleur transforme le courant continu en courant alternatif (CA) pour alimenter les circuits pendant que les générateurs de secours se préparent à accepter la charge.
Énergie éolienne
Le vent est utilisé pour faire tourner les turbines. Les turbines produisent de l'électricité en courant alternatif de la même manière que fonctionnent les générateurs à moteur diesel et à vapeur. Les éoliennes peuvent également être connectées au réseau électrique public au réseau de secours de la batterie de l'onduleur.
Les turbines connectées au réseau électrique doivent correspondre à la phase et à la fréquence. Afin d'adapter la phase et la fréquence du réseau, l'énergie de la turbine est acheminée via un convertisseur CA-CA. Le courant alternatif est converti en courant continu puis redressé en courant alternatif avec un onduleur et acheminé vers le réseau. Le courant alternatif de l'éolienne peut également être acheminé via un convertisseur pour faciliter la charge du groupe de batteries.
L'énergie solaire et éolienne sont d'excellentes méthodes pour compenser les coûts de consommation d'énergie des bâtiments, mais elles ne se sont pas suffisamment développées pour accepter les fonctions d'alimentation de secours. Les deux dépendent des conditions météorologiques locales et des banques de batteries disponibles. Par temps nuageux sans vent, les banques de batteries peuvent rapidement s'épuiser sans effort de charge.
Banques de batteries de secours
Les solutions d'énergie verte utilisent souvent des bancs de batteries de secours. Ces bancs fournissent uniquement une alimentation momentanée de l'ASI. Ils sont conçus pour fournir de l'énergie en cas de panne de courant dans l'installation, tandis que les générateurs démarrent pour assumer la charge.
Les systèmes de batterie de secours peuvent être construits avec trois styles différents de groupes de batteries répertoriés ci-dessous :
Cellules plomb-acide - Les batteries avec des cellules plomb-acide sont la solution la moins chère. Ceux-ci peuvent être une bonne réponse hors réseau pour les petites applications
Lithium Ion - Plus léger et plus compact et dure plus longtemps que les batteries au plomb. Cependant, ils sont plus chers
Eau salée - Ce nouveau venu s'appuie sur les électrolytes de l'eau salée. Les batteries sont pour la plupart non testées mais facilement recyclables
Les bancs de batteries éoliennes sont chargés par un convertisseur qui transforme le courant alternatif en courant continu. Les batteries solaires n'ont pas besoin de convertisseur car les panneaux solaires génèrent du courant continu.
Lorsque l'alimentation électrique est coupée, il y a près d'une milliseconde de temps de perte pour une réponse positive du générateur.
Les installations et les complexes tels que les hôpitaux, les centres de données et les municipalités ont une tolérance zéro en cas de panne de courant. Ils s'appuient sur des bancs de batteries pour fournir de l'énergie en cas de panne de courant. C'est une excellente solution à court terme, mais les banques de batteries ont leurs limites.
Les batteries capables d'accepter une charge électrique sont chères pour un premier achat. Les batteries au plomb ont un électrolyte qui est le liquide dans les cellules de la batterie. Le niveau d'électrolyte et la gravité spécifique doivent être fréquemment vérifiés. Même avec un entretien minutieux, la durée de vie de ces batteries ne peut être que de 5 à 15 ans.
Coût des énergies renouvelables et des systèmes de stockage d'énergie
Les ressources énergétiques renouvelables telles que les parcs éoliens, les parcs solaires et la production hydroélectrique ont un prix d'achat initial élevé. Des techniciens expérimentés et des équipes de construction sont nécessaires pour installer l'équipement acheté. Après l'installation, les essais et la mise en service, l'équipement doit être entretenu. Souvent, une équipe de maintenance à plein temps est nécessaire pour maintenir le fonctionnement de l'équipement conformément aux spécifications.
Le stockage d'énergie progresse rapidement et sera un acteur clé de l'avenir des micro-réseaux. Cela peut être un sujet très complexe et nécessite des ingénieurs et de la planification, et les coûts sont omniprésents en fonction de vos besoins. Microgrid Knowledge a un excellent article récent sur certains des derniers développements en matière de stockage d'énergie de la conférence 2019 à plonger ici. Ils détaillent le chemin vers GW de l'objectif de stockage d'énergie et les dernières nouvelles des entreprises et les politiques de la FERC en cours de mise en œuvre.
Poste de contrôle
La station de contrôle offre à l'opérateur des capacités de contrôle et de surveillance. Chaque système peut être divisé en un sous-système contenant des équipements individuels.
Panneaux de distribution et de contrôle - Recevez les tensions d'entrée de toutes les sources et distribuez l'alimentation aux circuits nécessaires.
Générateurs de secours - Le logiciel de la station de contrôle surveille et a la capacité de modifier la configuration de fonctionnement du générateur pour alimenter les circuits critiques.
Green Power - Les groupes de batteries UPS sont surveillés. L'apport d'énergie solaire aux bancs de batteries et au réseau est surveillé. Surveillance des statistiques des éoliennes. La possibilité de passer à une éolienne redondante ou à un banc de batteries.
Fondamentalement, la station de contrôle fournit une solution logicielle pour maintenir, surveiller et contrôler tout le matériel associé à une configuration de micro-réseau. Plusieurs logiciels peuvent prendre en charge les opérations de la grille.
La redondance est un principe clé dans la conception de ces systèmes. La redondance consiste à se tenir prêt par une pièce d'équipement en cas de panne de l'équipement principal. Les générateurs, les éoliennes et les bancs de batteries sont tous des exemples de systèmes qui peuvent avoir des équipements principaux et de support redondants.
Certains équipements redondants assument automatiquement les fonctions de l'équipement principal affecté et notifient l'opérateur d'un problème. L'opérateur de la station de contrôle informe ensuite la maintenance du problème afin qu'il puisse être corrigé. L'équipement redondant répond aux mêmes exigences que l'équipement principal. Souvent, les équipements principaux et redondants sont échangés par l'opérateur pour des tests programmés.
Le micro-réseau est un concept. Il peut être aussi grand ou aussi petit que nécessaire pour l'installation. C'est un vieux concept qui est là pour rester. À mesure que la technologie de production d'électricité se développera, l'utilisation des micro-réseaux augmentera également.
