Rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną, koszty energii, dynamiczne przystosowanie do źródeł odnawialnych

Rosnące koszty energii elektrycznej i zapotrzebowanie na tę energię w połączeniu z tendencją przechodzenia na źródła odnawialne są głównymi powodami przyjęcia nowych architektur energetycznych, jak zasilanie napięciem stałym 400V (DC), które zapewniają większą wydajność i bardziej ekonomiczne wykorzystanie sieci. Emerson Network Power, spółka z grupy Emerson (NYSE:EMR) i światowy lider w dziedzinie maksymalizacji dostępności, mocy i sprawności infrastruktury krytycznej, na podstawie własnej ekspertyzy oraz dziesiątków lat doświadczeń w zakresie ochrony i dystrybucji energii określiła i przeanalizowała cztery aplikacje pod kątem zysków z rozwijającej się dystrybucji energii w technologii 400V DC jako alternatywę w stosunku do tradycyjnych architektur energetycznych.

Technologie napięcia stałego i przemiennego były rozwijane od czasu, kiedy Tesla i Edison konkurowali ze sobą pod koniec XIX wieku w dziedzinie stworzenia metody dystrybucji dla sieci elektrycznych. W tym czasie technologie bezpiecznego i ekonomicznego przesyłu napięcia stałego na długich dystansach były niedostępne i zwyciężyły sieci napięcia przemiennego AC. Dzisiaj, technologia przesyłu energii DC jest korzystna pod względem kosztów, energia odnawialna bazująca na DC przynosi zyski, a większość sprzętu technologicznego pracuje już na zasilaniu DC. Sieci energetyczne ciągle jeszcze przesyłają napięcie przemienne, co jest nieefektywne i generuje rosnące straty, w naszym głodnym energii i uzależnionym od technologii świecie.

“Obecny stopień zaawansowania technologii konwersji energii elektrycznej w połączeniu z gwałtownym przyrostem ilości urządzeń zasilanych bezpośrednio z napięcia DC stworzyły warunki, w których przesył energii w technologii 400V DC powinien być - ijest - poważnie rozważany,” powiedział Mark Murrill, dyrektor grupy inicjatywnej 400V DC w Emerson Network Power. “Prace nad globalnymi standardami tej nowej architektury wymaganymi dla szerokiej implementacji technologii 400V DC są już dalece zaawansowane, czego przykładem jest norma EN 300 132-3-1 opublikowana w lutym 2012 przez Europejski Instytut Standardów Telekomunikacyjnych (ETSI). Ponieważ coraz więcej dostawców wspiera ten standard, przystosowanie do zasilania napięciem 400V DC rozpocznie gwałtowny wzrost w różnorodnych aplikacjach, co spowoduje opracowanie i przyjęcie kolejnych norm w tej branży”

Emerson Network Power dostrzega aktualnie cztery główne obszary zastosowania technologii 400V DC: główne centrale telefoniczne, centra przetwarzania danych, budynki komercyjne i transport - każdy z tych obszarów kieruje się własnymi powodami przyjęcia nowego standardu zasilania.

Telekomunikacja: redukcja okablowania miedzianego i kosztów w centrali

W przeciwieństwie do sieci energetycznych, sieci telekomunikacyjne od dawna używały dystrybucji DC, przede wszystkim ze względu na wysoką niezawodność i dobrą jakość sygnału. Wraz z nadejściem opartej na krzemie technologii DC w urządzeniach telekomunikacyjnych, nastąpiło sprzężenie istniejącej dystrybucji DC i urządzeń pracujących w technologii DC, jednak ciągle jeszcze istnieje pole do zwiększania sprawności i oszczędności w tej dziedzinie. Na przykład technologia 400V DC nadaje się zwłaszcza do przesyłu wysokich prądów na dalekie odległości, ponieważ redukuje się koszty instalacyjne i operacyjne a także poprawia się gospodarka kablowa w stosunku do tradycyjnego standardu - 48V DC. Zyski te są uzyskiwane dzięki co najmniej 80-procentowej redukcji okablowania miedzianego, co wpływa na koszty i czas instalacji. Dodatkowo zredukowane straty w liniach dystrybucyjnych oznaczają lepszą całkowitą sprawność energetyczną obiektu, jeszcze bardziej zmniejszając koszty operacyjne.

Centra przetwarzania danych: redukcja strat konwersji

Logika zastosowania standardu 400V DC w centrum przetwarzania danych wynika z potrzeby wysokiej dostępności, wysokiej sprawności i zmniejszenia całościowych kosztów. Ponieważ napięcie sieciowe AC musi i tak być ostatecznie konwertowane do DC w celu zasilania urządzeń IT i ponieważ systemy magazynowania energii (akumulatory, koła zamachowe, itp.) i źródła odnawialne dostarczają energię w postaci napięcia stałego, typowa architektura DC wymaga mniej stopni konwersji energii od sieci przesyłowych do układów scalonych. Redukcja tych stopni konwersji to nie tylko oszczędności, ale także wzrost dostępności zasilania krytycznego dzięki uproszczonej dystrybucji i redukcji możliwych punktów awarii w łańcuchu zasilania. Ponadto zasilanie napięciem DC nie wymaga zwracania uwagi na równomierne obciążanie faz lub uwzględniania harmonicznych, eliminując nieefektywną moc wynikającą ze zmniejszenia parametrów sprzętu.

Dodatkowo zasilania napięciem DC dla centrów przetwarzania danych zawierają także opcję bazującą na - 48V DC, która jest najlepsza dla rozwiązań rzędowych z odbiorami znajdującymi się w bliskiej odległości od siłowni (DC UPS). Ta topologia - 48V nie ma porównania z tradycyjnym system AC UPS w dedykowanych pomieszczeniach, jednak teraz, wraz z wprowadzeniem systemów 400V DC i ich podzespołów, po raz pierwszy korzyści zasilania DC są dostępne w rozwiązaniach tej klasy dla centrów przetwarzania danych.

“Główne Centrale telefoniczne operatorów telekomunikacyjnych stają się coraz bardziej podobne do tradycyjnych centrów przetwarzania danych. W momencie przystosowania się do wyższych gęstości mocy i większej ilości urządzeń IT w ich centralach różnica pomiędzy eksploatacją centrów przetwarzania danych i central telefonicznych stała się płynna,” powiedział Rhonda Ascierto, starszy analityk 451 Research. "Stopień wykorzystania oszczędności płynących z technologii DC przez firmy zmienia się w zależności od centrum przetwarzania danych. Jednak, przynajmniej w teorii, zalety wykorzystania standardu zasilania napięciem DC w centrach przetwarzania danych są oczywiste: serwery wykorzystują zasilanie DC, a czym mniejsza liczba stopni konwersji zasilania AC na drodze od sieci energetycznej do serwerów, tym większa sprawność systemu zasilania.”

Budynki komercyjne: energia odnawialna stymuluje migrację i wzrost korzyści

Czy to z powodów finansowych, czy też społecznych, właściciele budynków i operatorzy coraz częściej stosują inteligentne rozwiązania w celu redukcji zużycia energii wykorzystując odnawialne materiały i źródła energii. Stosując zainstalowane w obiekcie odnawialne źródła energii można zredukować, bądź nawet wyeliminować, pobór energii elektrycznej z sieci energetycznej. Jest to ważne dla technologii 400V DC, ponieważ źródła odnawialne generują napięcie DC, co oznacza, iż zastosowanie go do zasilania aplikacji opartych na AC w obrębie budynku wymagałoby wielokrotnej konwersji z DC do AC, redukując tym samym sprawność generowania energii ze źródeł odnawialnych. Aby uniknąć tych dodatkowych stopni konwersji, architekci i inżynierowie projektują instalacje z "mikrosieciami" dystrybucji napięcia 400V DC w wybranych strefach budynku lub grupach budynków. Takie rozwiązanie zwiększa efektywność systemu energetycznego, upraszcza mikrosieci elektryczne i poprawia niezawodność przy zredukowanych kosztach eksploatacji.

Dodatkowo, jeżeli budynek lub grupa budynków są zasilane przez wiele źródeł energii, dystrybucja 400V DC jest łatwiejsza do sterowania, ponieważ źródła DC nie wymagają synchronizacji, jak ma to miejsce w przypadku źródeł AC. Oznacza to możliwość wyboru pierwotnego źródła zasilania w czasie rzeczywistym na podstawie kryteriów takich, jak dostępność (np. solarne lub wiatrowe itp.) i koszty (stawki dostawców).

Transport: dystrybucja DC już w użyciu, oczekiwane większe korzyści

Pojazdy różnych typów używane w transporcie (samochody, statki, transport masowy, lokomotywy, maszyny konstrukcyjne i inne) posiadają zasilanie napięciem DC do swoich silników napędowych i innych odbiorników w celu zwiększenia efektywności i oszczędności paliwa. Na przykład w budowie statków i kolejnictwie napięcie DC jest coraz częściej używane do zasilania napędu i urządzeń pokładowych. Podobnie  w przypadku pojazdów z napędem elektrycznym i hybrydowych, jak samochody i autobusy, które stają się coraz powszechniejsze, zasilanie napięciem DC jest logicznym wyborem ze względu na możliwości szybkiego ładowania i użytkowania w systemach samochodowych. W tych i innych pojazdach zasilanie DC będzie stosowane z obecną dystrybucją i technologiami 400V, jako że kontynuowany jest rozwój w kierunku systemów hybrydowych oraz w całości elektrycznych.

Emerson jest członkiem EMerge Alliance, otwartego stowarzyszenia przemysłowego rozwijającego standardy dla szerszej adaptacji technologii dystrybucji zasilania DC w budynkach komercyjnych. W celu uzyskania dodatkowych informacji na temat rozwiązań zasilania AC i DC dla sieci telekomunikacyjnych, centrów przetwarzania danych i innych aplikacji, jak również informacji o innych technologiach i rozwiązaniach Emerson Network Power, zapraszamy na stronę www.EmersonNetworkPower.com.