ניטור סולארי – הפתרון לרשת החלוקה

המאמץ לשמור על יציבות רשת החשמל בעקבות הגידול במערכות ייצור סולאריות לאורך רשת החלוקה יוצר שוק כלכלי חדש, המבוסס על סחר באנרגיה בין צרכנים ויצרנים.

מאת שמשון רפפורט ומייק (משה) גרין · פורסם בכתב העת "חשמל ואנרגיה", גיליון 82, אפריל 2020

כבר יותר מעשור שהתעשייה הסולארית ממשיכה לגדול בקצב אקספוננציאלי. לפי הסוכנות הבינלאומית לאנרגיות מתחדשות, IRENA, בחמש השנים שקדמו לפרסום המאמר ההספק ממערכות פוטו־וולטאיות בישראל גדל בממוצע ב־11 אחוזים בכל שנה, ועמד על 1.2 GWp הספק מותקן ב־2019. בעולם קצב הגידול באנרגיה סולארית גדול פי שניים מקצב הגדילה בישראל, ובממוצע התעשייה הפוטו־וולטאית גדלה ב־22 אחוזים בכל שנה באותה תקופה. ב־2019 ההספק המותקן בעולם עמד על סדר גודל של 589 GWp.

אמנם הגידול בהספק מאנרגיה סולארית בישראל מהווה התפתחות תעשייתית מבורכת, בהתחשב בהשלכות המדאיגות של שינויי האקלים, אך גידול משמעותי בהספק מאנרגיות מתחדשות מביא עימו אתגרים טכניים וכלכליים לרשת החשמל. כדי שתעשיית האנרגיות המתחדשות תמשיך לגדול בקצב מואץ, חייבים לטפל באתגרים הטכניים שהן יוצרות ברשת. החדשות הטובות: האתגרים הטכניים הנחוצים לשילוב אנרגיות מתחדשות ברשת החשמל מבטאים הזדמנויות עסקיות רווחיות.

מדוע מערכות פוטו־וולטאיות מאתגרות את הרשת

ראשית, בניגוד למקורות אנרגיה קונבנציונליים המאפשרים שליטה מפוקחת ומהירה בייצור החשמל בתגובה לצריכה, אנרגיה סולארית אינה מאפשרת שליטה מספקת בייצור. למערכות סולאריות פוטו־וולטאיות אין טורבינות כמו במקורות אנרגיה קונבנציונליים, המאפשרות פיקוד מספק בהספק, מתח, זרם ותדר הרשת בהודעה קצרה ובצורה מבוקרת.

שנית, מערכות סולאריות מפריעות ליציבות הרשת עקב מיקומן המבוזר וגודלן המגוון. בניגוד לרשת החשמל המסורתית, שבה מספר קטן של תחנות כוח בהספק גדול מחוברות ישירות לרשת ההולכה במתח גבוה ומתח על, מספר רב של מערכות סולאריות מחוברות למערכות החלוקה הקיימות במתח בינוני ונמוך. בארה"ב, לדוגמה, משוער שכ־50 אחוזים מהמערכות הסולאריות מחוברות לרשת החלוקה.

בשווקים שבהם יותר מ־50 אחוזים מההספק הסולארי המותקן נמצא על גגות בתים ועסקים נוצרות למעשה תחנות כוח וירטואליות, האוספות אנרגיה מהגגות בשכונות אורבניות בהספק כולל בסדר גודל של מגה־וואטים, ומזינות תחנות משנה בדומה לתחנה סולארית קרקעית. בניגוד למערכת סולארית קרקעית, הנשלטת בקלות יחסית על ידי מנהל הרשת, תחנת כוח וירטואלית אינה בשליטתו, מפוזרת לאורך מבנים ברשת החלוקה, אינה אחידה מבחינת הפאנלים והממירים, אינה מתוכננת עם כיוון וזוויות פאנלים אחידים, ובנוסף סובלת מרמת תחזוקה נמוכה מאוד לעומת תחנה קרקעית.

מהפכת האנרגיות המתחדשות דורשת מרשת החשמל להזרים חשמל בין יצרני האוכלוסייה. מכיוון שהמערכת לא תוכננה בהתחשב ביצרני חשמל ברשת החלוקה, מספר רב של רכיבים – שנאים, כבלים ומפסקים – אינם מסוגלים להכיל את הזרמים ההפוכים ואת התנודות החדות במתח. תופעת החדירה הגבוהה של אנרגיה סולארית, המביאה לאי־יציבות ברשת, נוצרת כשההספק ממקורות אנרגיה סולאריים עולה על הספק הצריכה ברשת המקומית. ישנם חילוקי דעות מה נחשב חדירה גבוהה, אך מקובל להגדיר זאת כשההספק ממערכות סולאריות חורג מ־15 אחוזים מדרישות הצריכה ברשת המקומית.

מערכת DERMS

מערכות המנהלות ייצור וצריכה ברשת החשמל, הנמצאות בפיתוח מואץ בשנים האחרונות עקב הדרישה לרשת חכמה, מכונות "מערכות לניהול משאבי אנרגיות מבוזרות" – Distributed Energy Resource Management Systems, או בראשי תיבות DERMS. מערכות אלה מאפשרות לבעל רשת החלוקה להימנע מעלויות יקרות בשדרוג הרשת.

בנוסף לייצוב הרשת, קיים צורך לפקח על יצרני החשמל כדי להבטיח שאין יצרנים הסובלים מתדירות גבוהה יותר של ניתוקים ביחס לאחרים ברשת החלוקה. פיקוד ובקרה של מערכות סולאריות יאפשרו למנהל רשת החלוקה לייצב את הרשת המקומית, ולמנהל רשת ההולכה לייצב את הרשת האזורית.

יציבות מתח הרשת

במערכות חלוקה שכונתיות, כשההספק ממערכות פוטו־וולטאיות גדול מצריכת החשמל, מתפתח זרם הספק הפוך מכיוון הזרם שעליו מבוססת הרשת. לתופעה זו עלול להתלוות גידול ברמות המתח במערכת החלוקה השכונתית בשעות היום. כתוצאה, רמת המתח חורגת מהמתח הנומינלי המותר בתדירות גבוהה. בנוסף, זרימות הספק הפוכות ברשת החלוקה יוצרות לעיתים גם זרימות הספק הפוכות ברשת ההולכה, דבר המשפיע על פעולות הניתוב אף ברשת הארצית.

יציבות תדר הרשת

בנוסף למתח לא יציב ברשת החשמל עקב חדירה גבוהה של אנרגיה סולארית לרשת החלוקה, מערכות סולאריות עלולות להחמיר את אי־יציבות תדר הרשת. במקרה של אי־יציבות תדר, למערכות סולאריות יכולת מוגבלת בוויסות והן עלולות אף להחמיר אותה. ממירים סולאריים מתוכנתים לייצר חשמל בטווח תדר המוגדר על ידי מנהל הרשת.

בישראל קבעה חברת החשמל שמתקני ייצור פוטו־וולטאיים למערכת מתח עליון יתפקדו ברציפות בתחום התדרים שבין 47 Hz לבין 51.5 Hz. בתדר שווה או נמוך מ־47 Hz המתקן נדרש להוריד את הספק המערכת ל־0 MWp תוך שנייה אחת. במקרה שתדר הרשת נע מעל 51.5 Hz, המתקן נדרש להוריד הספק ל־0 MWp תוך 0.2 שניות.

דוגמה לדרך שבה מערכות סולאריות עלולות להחמיר את אי־יציבות הרשת אירעה בגרמניה ב־2006. בתגובה לניתוק לא צפוי של קו הולכה, תדר הרשת עלה מעל 50.2 Hz – מעל טווח הפעילות של הממירים ברשת החלוקה. כתוצאה, מספר רב של ממירים סולאריים, המתוכנתים להתנתק כשתדר הרשת עולה מעל 50.2 Hz, התנתקו מהרשת בפתאומיות. בעקבות ניתוק פתאומי של כמות הספק משמעותית, נוצרו תדרים נמוכים מהמותר שאיימו על קריסת הרשת.

זרימת הספק הפוך מהווה אתגר טכני ברשת החלוקה במתח נמוך, בגלל שרשת החשמל לא תוכננה להעביר הספקים גבוהים דו־כיווניים אלא רק מיצרן החשמל לצרכנים. כדי למנוע נזק לרשת כתוצאה מזרימות הפוכות, למנהל הרשת יש שתי אפשרויות: שדרוג רשת על ידי החלפת מוליכים, שנאים ומפסקים, או שדרוג רשת החשמל לרשת חכמה המסוגלת לנהל את התפוקה של יחידות הייצור במערכות הסולאריות הפרטיות.

ממירים חכמים וניהול רשת החלוקה

קיימים כבר פיתוחים טכנולוגיים לממירים המאפשרים להם להגיב בצורה דינמית לתנאים בנקודת החיבור לרשת, כדי לשמור על יציבותה. דרישות רגולטוריות בגרמניה ובקליפורניה, לדוגמה, מחייבות ממירים להיות מסוגלים לקבל פקודות ממנהל הרשת להקטנת הייצור של אנרגיה אקטיבית או לייצור אנרגיה ריאקטיבית. ברומניה ובמדינות אחרות תחנות קרקעיות חייבות לתמוך ברשת החלוקה במקרה של תקלה על ידי ייצור אנרגיה ריאקטיבית בצורת גל הנקבעת על ידי מנהל הרשת – במקום להתנתק בפתאומיות.

מבחינה פונקציונלית, קיימות שתי דרכים מרכזיות להפעיל ממירים לניהול רשת החלוקה. השיטה הראשונה, המיושמת היום, כוללת הפעלת פונקציה לכל ממיר בנפרד, המאפשרת לו להגיב בייצור הספק אקטיבי או ריאקטיבי לפי מצב מתח ותדר הרשת בנקודת החיבור שלו. השיטה השנייה היא לנהל את רשת החלוקה על ידי שליטה בממירים מרחוק על ידי מנהל הרשת.

חיזוי תפוקה

התקשורת הרציפה עם הממירים של היצרנים ברשת החלוקה מאפשרת גם פיתוח אלגוריתמים לחיזוי ייצור של כל ממיר, ככלי לניהול הרשת על ידי מנהלי רשת החלוקה ורשת ההולכה. יכולת חיזוי ייצור אנרגיה ברשת החלוקה מביאה שני יתרונות למנהלי הרשת: ראשית, ידע מראש על ייצור אנרגיה מאפשר למנוע עומס יתר לאורך הרשת. שנית, מנהלי הרשת מחויבים בתחזוקת עתודה סובבת. אם ידוע כמה כל ממיר בכל שכונה אמור לייצר בכל שעה, אפשר לחסוך בכמות העתודה הסובבת הנדרשת, וכתוצאה לחסוך באנרגיה, בכסף ובפליטות גזי חממה מיותרות.

נתוני עתק ושוק חדש

אמנם ניתן לחסוך כסף רב בשדרוג רשת החשמל לרשת חכמה, על ידי הימנעות מהחלפת מספר רב של רכיבים, אך הדבר דורש אגירה וניתוח של מערך נתונים עצום בצורה רציפה, המסופקים על ידי רכיבי המערכות הסולאריות. בעקבות דרישה זו קיימת דרישה למערכות תקשורת, שרתי תפעול מקומיים ושרתי אחסון והפצה.

בנוסף לאגירה וניתוח הנתונים לייצוב הרשת, יש צורך באגירת נתונים ממערכות סולאריות לצורכי ניטור ותחזוקה. בנוסף, צפוי גידול במספר מערכות האגירה שישתלבו במערכות הסולאריות, כתוספת לייצוב דינמי לרשת ולצורכי בעל המערכת. גם מערכות האגירה יידרשו להתממשק עם מערכות לניהול הרשת, ככלים לא פחות חשובים מאשר הממירים. הטיפול בכמות הנתונים תוך שמירה על אבטחת הסייבר יוביל לאתגרים טכניים ומדיניים.

עם שדרוג הרשת לרשת חכמה וזמינות הנתונים לתחזוקת הרשת, נוצר שוק כלכלי חדש המבוסס על סחר באנרגיה בין צרכנים ויצרנים ברשת החלוקה. באירופה כבר קיימות חברות חלוקת חשמל המנהלות שווקים לסחר באנרגיה מבוזרת. גם השוק החדש ידרוש אגירה, ניתוח ואחסון נתונים. רשת חלוקה כזו מהווה מסלול רווח חדש למנהל הרשת וענף סחר חדש במערכת הכלכלית.

סיכום

במאמץ לשמור על יציבות רשת החשמל בעקבות הגידול במערכות ייצור סולאריות לאורך רשת החלוקה, פותחו מערכות DERMS המאפשרות חדירה גבוהה ובטוחה יותר של אנרגיה סולארית לרשת החלוקה, ומסייעות למנהלי רשת החלוקה וההולכה בתפעול ובתחזוקת הרשת. בנוסף לשדרוג מערכת החשמל לחכמה יותר, קיימים פיתוחים למערכות לתחזית ייצור שעתי של ממירים. שדרוג רשת החשמל לרשת חכמה יוצר דרישה גדולה לאגירה, ניתוח ואחסון נתונים, ולבסוף יביא לענף כלכלי חדש המאפשר סחר בין היצרנים והצרכנים ברשת החלוקה.

← חזרה לכל המאמרים בתכנון מערכות ייצור חשמל