All Electric Societyn avainteknologiat

Teollisuuden digitalisoinnissa, joka tunnetaan myös nimellä Manufacturing-X, hallintaliittymä (Asset Administration Shell, AAS) voidaan kuvata yksikön digitaalisena kaksosena kokonaisuuden sisällä.

AAS:n keskeinen tarkoitus on tarjota datatilaa standardoidulla tavalla. Tämä standardointi luo perustan valmistajasta riippumattomalle tiedonvaihdolle eri komponenteista tai järjestelmistä. AAS ei kuitenkaan sisällä ainoastaan rajapintoja, vaan sitä voidaan käyttää myös CO₂-tunnuslukuihin. Koska digitaalinen kaksonen tarjoaa kaikki rajapinnat ja ominaisuudet standardoidusti, avautuu uusia yhdistämistapoja, nimenomaan sektorikytkennässä – erityisesti kun on kyse kokonaisvaltaisista arvoketjuista tai verkotetuista järjestelmistä.

Hakkerit ovat jo kauan sitten lakanneet keskittymästä pelkästään IT-maailmaan. Operatiivinen teknologia – lyhyesti OT – on myös joutunut tähtäimeen. Koska verkottuneet ja älykkäät järjestelmät ovat kuitenkin välttämättömiä All Electric Societylle, myös tämä kehitys on yhä tärkeämpää.

Industrial Securityn tehtävänä on suojata nämä ratkaisut kokonaisvaltaisesti. Ihannetapauksessa automaatioratkaisut on jo valmiiksi suojattu kyberhyökkäyksiä vastaan. Tällaisia ovat esimerkiksi Phoenix Contactin PLCnext Control -tuoteperheen ohjaukset, jotka on sertifioitu TÜV:n turvallisuusvaatimusten mukaisesti. Loppujen lopuksi kaikki, mitä on jo testattu, helpottaa ja nopeuttaa kokonaisjärjestelmän turvaamista – tähän kuuluu myös tiivis yhteistyö asiakkaiden kanssa sovellustasolla.

Syötönhallinta on tulevaisuuden vaatimukset huomioon ottavien sähköverkkojen ja niihin liittyvän sektorikytkennän avainteknologia, koska se auttaa tasapainottamaan sähkönkulutuksen vaihtelevia määriä. Se mahdollistaa hajautettujen energiantuotantojärjestelmien, kuten aurinkopaneelijärjestelmien, sähkön ja lämmön yhteistuotantoyksiköiden tai tuulipuistojen, turvallisen liittämisen sähköverkkoon.

Tavoitteena on syöttää tuotettu sähkö verkkoon siten, että verkko ei ylikuormitu tai tule epävakaaksi. Verkon ylläpitäjät antavat selkeät määritykset verkon taajuuden ja jännitteen kuormituksesta sekä pätö- ja loistehosta. Phoenix Contactin syötönsäädin auttaa voittamaan säännellyn syötön haasteet. Kun syöttötehoa ohjataan tarkasti, se mahdollistaa uusiutuvien energialähteiden tehokkaan integroinnin lisäksi myös sektoreiden onnistuneen kytkennän.

Tuuli- ja aurinkoenergia ovat säästä riippuvaisia. Energiavarastoja tarvitaan, jotta voidaan varmistaa jatkuva energiansaanti, joka on riippumaton luonnon vaihteluista. Ne optimoivat energianhallinnan varastoimalla ylijäämäenergiaa alhaisen kysynnän aikana ja vapauttamalla sitä huippukulutuksen aikana. Tämä vähentää perinteisten huippukuormavoimaloiden tarvetta, mikä auttaa vakauttamaan sähköverkkoa.

Energiavarastot helpottavat siirtymistä uusiutuviin energialähteisiin, edistävät kestävien infrastruktuurien laajentamista ja auttavat vähentämään hiilidioksidipäästöjä. On monia tapoja varastoida fyysisesti tai kemiallisesti käytettävissä olevaa energiaa, jota tarvitaan vasta myöhemmin. Olipa kyse sitten akkuvarastoista, varastoallasvoimalaitoksista tai kondensaattoreista – energiavarastot ovat ratkaisevan tärkeitä kestävän ja sähköistetyn tulevaisuuden kannalta.

Aurinkovoimaloista, tuulipuistoista ja muista lähteistä peräisin olevan hajautetun energiantuotannon lisääntyminen haastaa sähköverkkojen infrastruktuurin. Joustavan ja tulevaisuuden vaatimukset täyttävän energianjakelun varmistamiseksi sähköverkkoja on laajennettava taloudellisesti ja digitalisoitava, sillä energiavirtojen tarkalla ohjauksella vältetään pullonkaulat, ja tämä on siten avain All Electric Society -maailmaan. Kulutus- ja tuotantotietojen analysoinnilla varmistetaan kustannustehokas infrastruktuurin laajentaminen ja kestävä energianjakelu.

Olipa kyseessä vaihto- tai tasavirta – yleensä kaikki sähkön muuntaminen energiamuodosta toiseen on tappiollista liiketoimintaa. Tällä toteamuksella on merkitystä juuri All Electric Societyssa, jossa tuottajien ja kuluttajien väliset rajat hämärtyvät yhä enemmän.

Muuntohäviöiden rajoittamiseksi käytämme sektorikytkennässä tasavirtaverkkoja. Tämän etuja ovat huomattava tehokkuuden parantuminen, hyötysuhteen kasvaminen ja asennuksen helpottuminen. Tämä helpottaa esimerkiksi uusiutuvien energialähteiden integrointia, koska tasasuuntaajat jäävät suurelta osin pois. Toinen tasavirtaverkkojen etu: jarrutusenergia voidaan ottaa helpommin talteen, kun sähkömoottorit muuttuvat jarrutuksen aikana generaattoreiksi.

Data tuo läpinäkyvyyttä. Siitä voidaan saada tietoa, joka paljastaa yhteisvaikutukset toisiinsa kytketyissä osaprosesseissa. Tietojen vaihtaminen edellyttää viestintää – ja erityisesti automaatiotekniikka on rakenteellisessa muutoksessa: laajassa yleisessä käytössä olevat viestintätekniikat löytävät yhä useammin tiensä tuotantohalleihin. Yksi esimerkki tästä on Time Sensitive Networking (TSN), toinen Single Pair Ethernet (SPE), joka kehitettiin alun perin moottoriajoneuvojen multimediasovellusten yhdistämiseen.

All Electric Societyssa nämä teknologiat parantavat kytkettyjen sektoreiden välistä viestintää ilman, että tarvitaan erikseen kehitettyjä siruja. Laajasta käytöstä johtuvat mittakaavaedut tekevät räätälöidystä viestinnästä tulevaisuudessa entistä helpompaa ja halvempaa.

Liikenteen sähköistys on yksi keskeisistä näkökohdista All Electric Societyssa, ja se edellyttää kattavaa ja älykästä latausinfraa. Tälle ovat ominaisia älykkäät kuormanhallintajärjestelmät, jotka ovat latauspuistojen tehokkaan käytön edellytys.

Nämä järjestelmät mahdollistavat High Power Charging -pikalatauksen (HPC) lisäksi myös kaksisuuntaisen latauksen ajoneuvosta verkkoon -konseptin (vehicle-to-grid) mukaisesti. Sähköajoneuvot voivat siis paitsi ottaa vastaan ja varastoida energiaa, myös syöttää sitä verkkoon tarvittaessa. Phoenix Contactin älykäs CHARX control -latauskontrolleri on malliesimerkki siitä, miten energiaa voidaan syöttää verkkoon prioriteetin mukaan, mikä auttaa vakauttamaan sähköverkkoa ja integroimaan uusiutuvia energialähteitä.

Huippukuorman yläraja ja kuorman siirtäminen ovat tehokkaan kuormanhallinnan keskeisiä termejä. Molemmilla menetelmillä vältetään sähköverkon kalliit kuormitushuiput. Huippukuorman yläraja vähentää huippukuormituksia kohdennetun energiavarastojen käytön sekä kestävän energianhallinnan avulla. Kuorman siirtämisellä pyritään siirtämään energiankulutuspiikkejä alhaisen kysynnän aikaan.

Tämän saavuttamiseksi on tärkeää saada kuva odotettavissa olevasta kysynnän määrästä jo varhaisessa vaiheessa esimerkiksi kattavan energiaseurannan avulla. Kuormanhallinta parantaa energiahuollon tehokkuutta ja edistää nykyaikaisen energiainfrastruktuurin suunnittelua All Electric Society -visiota varten.

All Electric Societyn keskeisenä haasteena on tehdä uusiutuvasta sähköstä siirrettävää ja kestävää kaikilla sektoreilla – ja siten ajallisesti riippumatonta.

Yksi tapa: vihreän vedyn elektrolyysi ylijäämäisestä tuuli- tai aurinkovoimasta. Vetyä voidaan paitsi kuljettaa ja varastoida myös käyttää pohjana metanolin tai ammoniakin kaltaisten polttoaineiden synteesissä. Vety on myös tärkeä elementti prosessiteollisuudelle. Terästehtaissa vedyllä voidaan korvata kivihiilestä tuotettu koksi ja vähentää siten tehokkaasti hiiltä teräksen tuotannosta. Kun vetyä käytetään polttokennojen "polttoaineena", sen hallittu hapettuminen tuottaa runsaasti sähkö- ja lämpöenergiaa. Molempia voidaan hyödyntää – silloin kun energiaa tarvitaan.