Az energia a természettudomány és mindennapjaink meghatározó fizikai fogalma, a fizikai, kémiai és biológiai rendszerek változatos formában, mozgási energiaként, elektromos energiaként, kémiai energiaként hasznosítják. Az energiaátalakítók, mint az emberi test, az élőlények általában, az ember készítette eszközök, például a villamos motorok, transzformátorok, akkumulátorok, az energia egyik formáját a másikká alakítják, mindeközben sajnos veszteségeket termelnek, mely egy újabb energiafajta – általában hőenergia – formájában jelenik meg.

Az energiamegmaradás jól ismert törvénye szerint zárt rendszerben az összes energia mennyisége állandó marad, és igyekszünk a hasznosíthatatlan energia mennyiségét – amit mi veszteségnek értékelünk – csökkenteni, a rendszer „hasznosságát”, azaz hatásfokát növelni. A zárt rendszer számára rendelkezésre álló és a rendszerek működéséhez pillanatnyilag igényelt energia csak úgy illeszthető jó hatásfokú egységgé, ha az energiaelosztást a dinamikus priorizálás, a megfelelő időben való rendelkezésre állás elvét figyelembe véve, intelligens módon valósítjuk meg.

Energiaelosztás mesterséges intelligenciával

A természet megteszi ezt magától, például az emberi test működtetésekor. A mai kor mérnökeinek feladata, hogy ezt átültesse a technológia világába is, és mind a villamosenergia-elosztó hálózatokon (smart grid), mind a mikroközösségekben (smart home, smart factory), mind pedig az egyes villamos készülékekben is hasonló intelligens energiaelosztást valósítson meg.

Írásunkban egy lehetséges megoldást, a német Olmatic cég mesterséges intelligencia alapú energiaelosztó rendszerét mutatjuk be, melynek bevezetése Európában az Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH támogatásával történik. Ez utóbbi budapesti fejlesztőközpontja látja el a hardverfejlesztési feladatok egy részét is.

Az intelligens energiaelosztó rendszerek egyik legalapvetőbb példája az emberi test és az ezt alkotó szervek egysége, amit az alap-ellátóhálózat, a vérkeringés lát el a működéshez szükséges oxigénnel és tápanyagokkal, kommunikációs hálózatként pedig az idegrendszer szolgál, amely a rendszer teljes felügyeletéért és vezérléséért felel.

A kémiai energiaként tárolt bevitt energia elosztását intelligens módon kell megoldani, mert ez a pillanatnyilag rendelkezésre álló véges energia kell, hogy kiszolgálja az alap-életfunkciókhoz, a szívveréshez, a légzéshez, az agyműködéshez, az emésztéshez szükséges mennyiség felett például a test izmainak energiaigényét is.

A központi idegrendszer a test „szenzorait” figyelve, azok értékeit valós időben folyamatosan kiértékelve empirikus adatok alapján hozza meg döntését arról, hogy milyen frekvenciával verjen a szívünk, mely szervek vérellátását korlátozza mások javára, hogy extrém körülmények közé kerülve mennyi vért pumpáljon például a nagyizmokba, és csökkentse az ujjbegyekbe áramló vér mennyiségét. A dinamikus energiaeloszlást anyagcserénk ezen prioritások mentén a lehető leghatékonyabban és a legkevesebb veszteséggel végzi.

Ennek analógiájára, a helyi elektromos tápellátásra mind lakossági, mind ipari felhasználók számára hasonló funkcionalitást kínál az Olmatic Energiakövető Rendszer (Olmatic Power Tracking – OPT). A központi vezérlőegység mesterséges intelligencia alapú számítógépe a központi idegrendszerhez hasonló módon végzi a pillanatnyilag elérhető összes energia elosztását a helyi fogyasztók között – az előre felállított prioritások szerint – azok okos-tápegységeivel való kommunikáció útján. Egyes alrendszerek leszabályozásra kerülnek, miközben az itt felszabadult energiakvóta más alrendszerek pillanatnyilag megnövekedett energiaigényének kiszolgálására fordítható, ezzel biztosítva a legmagasabb elérhető hatásfokot (2. ábra).

A hagyományos energiamenedzsment-rendszerekkel szemben az OPT rendelkezik egy az emberi test vérkeringéséhez hasonló, a smart grid tápellátás szintjén működő hálózattal is, amin keresztül folyamatos teljesítményszabályozásra van lehetőség. A konvencionális megoldások (1. ábra) csak be- és kikapcsolási utasításokat képesek adni a kommunikációs hálózaton keresztül (~„központi idegrendszer”) egyes szegmensek számára, az itt felszabaduló energia nem hasznosul, az alrendszer minden eleme tápellátás nélkül marad, ami biztonsági kockázattal járhat és káoszhoz vezethet.

Ilyen megoldás az „okos otthon” koncepcióhoz kifejlesztett rádiófrekvenciás jellel kapcsolható dugaszolóaljzat. Sokkal biztonságosabb a ki-be típusú vezérlés helyett a priorizált dinamikus teljesítményszabályozás, ami a fogyasztók relevanciájának és időbeli energiaszükségletének eltolásán alapuló elosztást valósít meg, és maximálisan kihasználja a rendelkezésre bocsátott kvótát, míg a felszabaduló mennyiséget átirányítja más szegmensekbe.

A (3. ábrán) magyarázatként és illusztrációként egy kórház intelligens OPT-alapú energiaellátó rendszerének vázlata látható. A zöld vonalak a váltakozó áramú villamos hálózatot jelképezik, a piros vonalak a rendszer kommunikációs hálózatát mutatják. Az Olmatic „opt.control” eszköz a központi vezérlőegység és gateway, melynek feladata a digitális hálózati réteg kiszolgálása a kommunikációs szinten (piros vonal), a kapcsolat a felhőalapú adatbázissal az interneten keresztül, a mesterséges intelligencia szoftver futtatása, valamint az okosmérés megvalósítása a tápellátás szintjén (zöld vonal).

Ez az eszköz felel az opt.sense teljesítményérzékelő szenzoregységek által szolgáltatott adatok kiértékeléséért, a monitorozásért, az adatmentésért, valamint a hardveres és szoftveres védelmekért, és kiszolgálja a hálózatba kapcsolt Olmatic „universal” tápegységeket (opt.power) is. Ez utóbbiak a teljesítmény és a terhelés menedzselését a tápellátás szintjén megvalósított digitális hálózati kommunikációval teszik lehetővé.

Sokoldalú támogatás a megújulóknak is

A rendszer mind hagyományos erőművi energia, mind újratermelődő energia (pl. napenergia) elosztását képes támogatni az öt alapvető funkció integrálásával:

• Dinamikus terheléseltolás: Ez a funkció lehetővé teszi a nagy energiafelhasználású, azonban kis prioritással rendelkező fogyasztók energiaigényének kiszolgálását azok időbeli eltolásával olyan időszakokra, amikor a hálózat nem túlterhelt. Ilyen példa a kórházban az elektromos tolókocsik töltésének kérdése, ami nyugodtan áttehető a nyugodt éjszakai időszakra.

• Specifikus ki- és bemenetek dinamikus priorizálása: Ezzel a funkcióval szoftveresen beállítható egy prioritási sorrend az egyes ki- és bemenetek teljesítményének korlátozására, esetleg azok ki- és bekapcsolására. Bemenetek esetén ilyen lehet a további napelemek igény szerinti bekapcsolása, akkumulátoros táplálás bekapcsolása, esetleg igény szerint a hagyományos hálózatból további energiavételezés. Kimenetek vonatkozásában a legalacsonyabb prioritással rendelkező eszközök teljesítménykorlátozásával vagy kikapcsolásával további energia irányítható át a fontos eszközök számára a rendelkezésre álló kvótából, ezzel is biztosítva a minimális veszteséget és a hálózat jó kihasználását. A kórházi példánál maradva: a PRIO1-es életmentő monitorok és készülékek mindig elegendő energiához jutnak, lehetőség szerint a világítás (PRIO3) és a fűtés (PRIO2) megtartásával, akár a biztonsági kamerarendszer (PRIO4) és a tolókocsi-akkumulátor töltésének (PRIO5) rovására is.

• Specifikus ki- és bemenetek dinamikus teljesítménykorlátozása: Egyes fogyasztók direkt és teljes kikapcsolása nem mindig alkalmazható energiamegtakarítási céllal, elsősorban olyan alkalmazások esnek ebbe a körbe, melyek valamilyen folyamatos igényt elégítenek ki, mint például vagyonvédelmi megfigyelőrendszerek, utcavilágítás vagy járműtöltés. Ilyen esetekben általában elegendő a rendelkezésre álló teljesítmény prioritások mentén történő korlátozása is, gondoljunk csak az utcalámpák egyes időszakban indokolható leszabályozására, e-autók töltőinek „lassítására”, hiszen sok esetben elég idő áll rendelkezésre, hogy ne kelljen a gyorstöltési funkciót használni.

• Specifikus ki- és bemenetek dinamikus ki- és bekapcsolása: Bemenetek esetén a gyakorlatban azt jelenti, hogy például megújuló energiaforrások rendelkezésre állása esetén (szél vagy napsütés jelenlétekor) ezeket a generátorokat bekapcsolva függetleníthetjük a fogyasztókat a hálózati tápellátástól, azt megtarthatjuk a kritikus rendszerek, mint például a közlekedési lámpák számára. Könnyen megoldható akkumulátoros vésztáplálás rendszerbe integrálása is. Kimenetek esetén a korábban bemutatott priorizálás alapján egyes rendszerek szenzorok szolgáltatta adatok alapján kikapcsolhatók, példa erre az utcavilágítás kikapcsolása mozgásérzékelők jelének figyelembevételével. Az Olmatic eszközök segítségével ez is könnyen megoldható.

• A meglévő energia dinamikus átirányítása: A fenti alapfunkciókkal elért energiamegtakarítás decentralizált energiaellátási rendszerek közötti innovatív megoldásokkal lehetővé tett átirányítása teszi hatékonnyá a folyamatot. A teljesítmény szabályzásakor felszabaduló energia hő formájában veszteségként távozna, ha nem gondoskodnánk annak más fogyasztók számára történő aktív felhasználásáról.

Eszközök az intelligens energiaelosztás megvalósítására

Az Olmatic Power Tracking rendszer fő komponensei a központi vezérlőegység (opt.control), az áram és feszültségviszonyok érzékelését végző okosszenzor (opt.sense) és az univerzális energiamenedzsment modul (opt.power).

<>OPT.CONROL

Az <>opt.control központi egység és okosmérő egy egyedileg készített moduláris felépítésű szerkezet, mely az OPT-rendszer struktúrájában a mesterséges intelligencia. A szoftver az idő előrehaladtával tanul, az empirikus adatok rendszerbe foglalásával és hasonló applikációkban tapasztaltakkal összevetve valós időben analizálva adja ki a parancsokat a kommunikációs hálózaton keresztül. Az áramfelvételeket folyamatosan figyelve, az adatokból valószínűsíthető terhelési csúcsok figyelembevételével határozza meg az energiamenedzsment modulok számára szükséges vezérlési és szabályzási feladatokat. Beépített szünetmentes tápegységgel, beágyazott számítógéppel rendelkezik, védett távoli hozzáférési pontot ad a távfelügyelet számára.

Funkciói:

• Egyedi kialakítású moduláris felépítésű központi vezérlőegység
• Platformfüggetlen
  • támogatja az ismert iparibusz-rendszereket és interfészeket
  • szabványos ki- és bemenetekkel rendelkezik
  • szabványos kommunikációs protokollok alapján működik
  • AC és DC tápellátást egyaránt támogat
• Egyedi házkialakítás, IP-védelem
• Az energiarendszer kommunikációs szintjén valósít meg digitális hálózatkezelést
• Mesterséges intelligencia szoftver központi, titkosított felhőalapú adatbázissal
• Okosmérő
• Távoli hozzáférés vezérléshez, monitorozáshoz, szabályzáshoz
• Átlátható helyi energiaelosztó rendszer
• Beépített szünetmentes táplálás
• Integrált óra (RTC)
• Idő- és eseményvezérelt rendszer
• Integrált WatchDog

<>OPT.POWER

Az univerzális energiamenedzsment modul (<>opt.power) nemcsak egy intelligens tápegység, hanem képes az energiaellátó hálózat (smart grid) szintjén, valamint szabványos kommunikációs hálózaton keresztül (CAN, KNX) az <>opt.control egységekkel történő kommunikációra és intelligens teljesítmény- és terhelésszabályozásra is.

Funkciói:

• Moduláris felépítésű energiamenedzsment modul
• Platformfüggetlen
• Feladatspecifikus IC (ASIC)
• Digitális hálózat megvalósítása a tápellátás szintjén
• Tápegységteljesítmény- és terhelésszabályzás
• Folyamatos teljesítményszabályzás és a megtakarított energia intelligens elosztása

<>OPT.SENSE

A platformfüggetlen opt.sense a vezeték nélküli érzékelő technológiának köszönhetően számos felhasználási lehetőséget kínál, és garantálja a maximális átláthatóságot. Akár új telepítés vagy utólagos felszerelés is a módszer – ezek az intelligens energiagyűjtő érzékelők egyszerűen integrálhatók a rendszerbe, és vezeték nélkül csatlakoztathatók intelligens vezérlőegységükhöz (opt.control). Az alkalmazott vezeték nélküli kommunikációs technológia lehetővé teszi az átfogó hálózati infrastruktúra működtetését valós időben. Interfész/kommunikációs protokoll: WiFi

Az opt.sense termékportfólió vezeték nélküli szenzortechnológiája lehetővé teszi, hogy az energiamenedzsment-rendszer valós idejű adatokat gyűjtsön az összes releváns energiaparaméter bevonásával minden fogyasztóról, forrásról és energiatároló eszközről. Az opt.sense a mérési pontokhoz bonyolult kábelezés nélkül csatlakozik, így a telepítési ráfordítás nagyon alacsony.

A mérőfejeket egyszerűen a fázisvezetékekre kell csíptetni, és a kommunikációs eszköz csatlakoztatása után az automatikusan rögzíti a vonatkozó energiaparamétereket. A vezeték nélküli szenzortechnológiával való kombináció karbantartásmentes alkalmazást tesz lehetővé a digitális ökoszisztéma területén.

Mivel az OPT-koncepció mindig egyedi kialakítást és skálázást igényel, a bevezetése komoly előzetes konzultációt, felmérést igényel. Az OPT használható a smart grid szintjén, az okosotthon megoldások részeként, az E-mobility területén és rengeteg más területen, ahol az energiafelhasználás optimalizálása fontos feladat.