Sektorkobling for All Electric Society

Bygnings- og lastmanagement:
Fremtiden er automatisert

Når energiforsyning hovedsakelig skal baseres på fornybare kilder, må sektorene kobles. Det omfatter generering av energi, industri, mobilitet, infrastruktur og bygninger. Phoenix Contact viser et teknisk perspektiv på All Electric Society – og et eksempel på automatisering i bygninger på tvers av sektorer (forsidebilde).

Solenergi overskrider verdens energibehov betydelig, og er en tilnærmet uuttømmelig ressurs. I tillegg foreligger allerede også det tekniske grunnlaget for å dekke forespørselen etter elektrisitet som er generert klimanøytralt, fornybart og miljøvennlig med utgangspunkt i solenergi. Det gjør det mulig å se for seg en verden der elektrisitet for samtlige av livets områder genereres kun klimanøytralt fra fornybare energikilder. Et «All Electric Society» betyr likevel ikke at andre energikilder ikke vil komme til å spille en rolle i fremtiden. For elektrisitet som er generert fra sol eller vind, er ikke kontinuerlig tilgjengelig overalt, og er vanskelig å lagre. Videre er elektrisitet ikke egnet som energikilde for all type bruk, som luft- og sjøfart eller oppvarming av bygninger.

For å kunne tilby praktisk gjennomførbare løsninger på dette baserer ideen om All Electric Society på et paradigmeskifte. I mange tiår ble elektrisitet hovedsakelig generert fra primærenergikildene kull, olje og gass, men i fremtiden blir elektrisitet selv til en bærekraftig generert form for primærenergi som ved behov kan omformes til karbonnøytrale flytende eller gassformede energikilder. Paradigmeskiftet som forutsettes er basert på Power-to-X-teknologier, som kan løse problemer relatert til tilgjengelighet, lagring og nyttegjøring av elektrisk energi. Gjennom omformingsprosesser tar Power-to-X energi som opprinnelig ble generert som elektrisitet, og gjør den tilgjengelig eksempelvis i form av hydrogen, metan eller metanol. Med elektrisitet kan man dermed produsere klimanøytrale drivstoffer for biler, skip eller fly. Såkalte
e-fuels gjør at man kan fortsette å benytte eksisterende infrastruktur, de utgjør et effektivt lagrings- og transportformat og kan til og med omformes tilbake til elektrisitet ved hjelp av kraft-varmeaggregater.

Effektiv energibruk for overgangsfasen

Et problem ved Power-to-X-teknologiene er likevel den lave virkningsgraden ved energiomformingen. e-fuels kan kun produseres økonomisk gunstig ved at man betydelig reduserer kostnadene som er forbundet med generering av fornybar energi. På sikt vil den enorme globale utbyggingen av den desentrale energigjenvinningen av fornybar energi være til hjelp. For denne aktuelle overgangsfasen er det likevel helt nødvendig å øke energieffektiviteten. Med sektorkoblingen finnes det en teknisk løsning som også lønner seg rent økonomisk. Her dreier det seg om en omfattende, smart nettorganisering av sektorene energi, industri, mobilitet, infrastruktur og bygninger – med hensyn til både data- og energiflyt.

Målet er et effektivt og velbalansert komplett system der overskytende energi alltid flyter dit den faktisk trengs. Den har sitt utgangspunkt i maksimal elektrifisering samt påfølgende digitalisering, networking og automatisering av samtlige sektorer. De neste årene vil den økonomiske implementeringen av sektorkoblingen kreve konvergens innen elektro- og informasjonsteknikk på tvers av tradisjonelle domener som bygningsautomatisering, trafikkteknikk samt fabrikk- og prosessautomasjon. Basisteknologiene som kreves for dette, finnes allerede i dag: Fra 5G og TSN til Single Pair Ethernet – en sømløs kommunikasjonsinfrastruktur kan etableres mellom alle de forskjellige enhetene, som kan være installert hvor som helst, fra sensor-/aktuatornivået og til IT-systemet. Med dette som fundament vil overføringsstandarder som OPC UA og åpne styreplattformer som PLCnext Technology fra Phoenix Contact, fremskynde forestående prosjekter og applikasjoner.

Analyse av foreliggende rammebetingelser …

Et eksempel på bygnings- og lastmanagement er avdelingen til Phoenix Contact i Bad Pyrmont, som har vokst betraktelig de siste 25 årene. Nettet til de fire produksjons- og kontorbyggene er forbundet med hverandre: Slik kan strøm, varme, trykkluft og nitrogen distribueres. To egne varme-/kraftaggregater som drives med jordgass, samt solenergianlegg, genererer strøm og varme. Ved behov mates det inn ytterligere strøm fra nettet, selve mengden begrenses likevel bevisst.

Det som er hensiktsmessig økologisk og også økonomisk, fører til en teknisk utfordring, all den tid energitilbud og -forespørsel må balanseres kontinuerlig. Tre typiske scenarier:

1. Det produseres ikke tilstrekkelig egen strøm: Den lokale energileverandøren leverer ytterligere strøm, og fakturerer ikke bare det absolutte strømforbruket, men også et videreformidlingsgebyr som inkluderer lastverdier. Hvis lokaliseringen overskrider en definert lastverdi i et intervall på 15 minutter, oppstår ekstra kostnader.

1. Det produseres mer strøm enn det som for øyeblikket forbrukes: Varme-/kraftaggregatene stenger ned straks solenergianlegget genererer tilstrekkelig strøm. På Bygning 4 finnes det en strømakkumulator som tar opp overskytende energi. I smarte bygninger kan bygningene i helgene også kjøles ned med gunstig strøm ved hjelp av luftesystemer, dersom de gjenkjenner at det blir varmt neste dag.

1. Den store båndbredden med temperaturer: De klimatiske forholdene i produksjonen for elektroniske komponentgrupper må alltid være stabile, selv ved sommerlige utetemperaturer. Da benyttes kjølemaskiner og avfuktere – tilsvarende høyt er strømbehovet. Hvis det derimot skulle være for mye prosesskulde tilgjengelig, kan denne ledes inn i en termisk energiakkumulator. Dette er en brannvernanordning som lagrer over
   400 kubikkmeter vann.

Hvordan oppnår man optimal lastmanagement? Tidligere koblet de ansatte anleggene inn eller ut basert på erfaringsverdier. Avgjørelsene ble truffet med utgangspunkt i kunnskapen til hver enkelt. Det førte til forskjellige, personlige avgjørelser. Men jo mer kompleks det komplette systemet ble, desto flere feil oppstod i hverdagen, og desto dyrere eller for sene ble avgjørelsene.

… og digitalisering av energimanagement

Derfor var det nærliggende å digitalisere og automatisere det manuelle energimanagementet, for eksempel for å sikre at lastgrenseverdien ikke overskrider intervallet på 15 minutter, og produksjonen samtidig forløper pålitelig.

Trinn 1: Facility Management hos Phoenix Contact nettorganiserte bygningene, produksjonsanleggene og energileverandørene på datanivået. Kablene løper sammen i den nye Bygning 4. Det var her i 2016 at bedriftens programvaresystem for bygningsstyring, Emalytics, ble brukt første gang, og senere benyttet i «gamle» bygninger.
Det IoT-baserte bygningsmanagementsystemet forener integrering, Engineering, visualisering, rapportering og analyse med hverandre. I den sammenheng skulle ikke bare 25 000 enkeltdatapunkter fra over 50 kontrollere implementeres. For teamet måtte også opprette, tilkoble og teste tilhørende anleggsbilder for overvåking og betjening av de tekniske konstruksjonene, på nytt. I tillegg til ren dataovertakelse ble flere enn 7000 dataopptak (historikk) og rundt 130 automatiske tidskoblingsprogrammer overført. I Bad Pyrmont omfatter Emalytics dermed flere enn 61 000 datapunkter. 

Trinn 2: De ansatte dokumenterte kunnskapen sin: Først inndelte de samtlige strømforbrukere etter prioriteringer. Produksjonsanlegg som må kjøre, har Prioritet 1. Last som kan gå av nettet i en kort periode, får Prioritet 2. Last som kan være borte fra nettet også i en lengre periode, får Prioritet 3. Deretter definerte personellet hvor mye elektrisk effekt som ved utkobling ville bli spart inn for hver last. Med utgangspunkt i resultatene utviklet teamet et trinnsystem for automatisert inn- og utkobling av anlegg. Startup for drift foretas også i en bestemt rekkefølge. Ikke et helt risikofritt foretak: Med et så høyt antall inngrep i komplekse systemer kan det oppstå uante avbrytelser. Dette har blitt mer enn oppveid av suksessen som er oppnådd, da ingen produksjonsanlegg har hatt nedetider siden den eksisterende bygningsstyreteknikken i slutten av 2020 / begynnelsen av 2021 ble overført til Emalytics. Uavhengige tredjeparter bekrefter også at bygningene i Bad Pyrmont er rundt 50 % rimeligere å drifte enn gjennomsnittet på markedet (bilde 3).

Trinn 3: Energidataene samles inn via en overordnet Cloud Service, med utgangspunkt i Proficloud.io. Dette kan ikke bare benyttes for å etablere energi- og KPI-monitoring uavhengig av lokalisering, for dataanalyse er også mulig ved å bruke AI og maskinlæringsalgoritmer, for eksempel for å opprette mer nøyaktige forbruksprognoser. Spesialistene hos Phoenix Contact støtter brukere som møter liknende utfordringer, med bedriftens komplette portefølje med løsninger: fra komponent – som kontrolleren ILC 2050 BI – for innsamling av dataene innenfor bygningen samt interaksjon med bygningen via den intelligente bygningsstyreteknikken ved hjelp av managementsystemet Emalytics og helt til evaluering av dataene helt uavhengig av lokalisering, gjennom Smart Services fra Proficloud.io.

Oppsummering

Sektorkobling og innovativ lastmanagement er mulig på lokalt nivå dersom det benyttes enhetlig program- og maskinvare og fagavdelingenes kunnskap implementeres systematisk. Eksempelet med vår avdeling i Bad Pyrmont, bekrefter dette.

Phoenix Contact Smart Business

Phoenix Contact Smart Business GmbH er kompetansesenteret til Phoenix Contact for Cloud Services og Data Analytics for industrien. Et stadig voksende team i Bad Pyrmont og Berlin utvikler standardiserte og skalerbare Software-as-a-Service-løsninger i form av såkalte Smart Services. På den måten kan mindre og mellomstore bedrifter dra full nytte av fordelene ved digitaliseringen og Industrial IoT. Med sin kombinasjon av maskin- og programvareløsninger er elektronikkspesialisten dermed en komplett leverandør for Industrial IoT-anvendelser.

Mer informasjon:

https://proficloud.io/