Elektrificatie en automatisering gebruiken om efficiëntere en duurzamere elektriciteitsnetten te creëren - Deel twee van twee

Het vervangen van traditionele energiebronnen van het elektriciteitsnet door duurzame, groene energiebronnen wordt elektrificatie genoemd. In deel 1 van deze serie werden enkele van de uitdagingen besproken die gepaard gaan met elektrificatie, samen met hoe automatisering kan helpen bij de efficiëntie en duurzaamheid ervan. Dit artikel, deel 2 van 2, bespreekt LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) en ZEB (Zero Energy Building) certificeringen en hoe deze de CO2-uitstoot kunnen verminderen en de duurzaamheid kunnen verbeteren.

LEED-certificeringen (Leadership in Energy and Environmental Design) en ZEB-certificeringen (Zero Energy Building) zijn belangrijke inspanningen ter ondersteuning van de maatschappelijke wens om de CO2-uitstoot te verminderen en de duurzaamheid te verbeteren. Het behalen van LEED- en ZEB-certificeringen vereist een holistische benadering die elektrificatie combineert waarbij energiesystemen op basis van fossiele brandstoffen worden vervangen door groene alternatieven zoals fotovoltaïsche energie (PV) en elektrische voertuigen (EV) met geavanceerde automatiserings- en regelsystemen.

Het LEED-programma van de U.S. Green Building Council (USGBC) omvat het koolstofvrij maken van bestaande gebouwen en nieuwbouw. De ZEB-inspanningen worden gecoördineerd door het Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) kantoor van het Amerikaanse Ministerie van Energie. Het behalen van LEED- en ZEB-certificeringen vereist van architecten en aannemers een nieuwe benadering van de manier waarop gebouwen worden ontworpen, gebouwd en gebruikt. Vergeleken met ZEB, dat zich alleen richt op energieverbruik, is LEED een breder concept dat zich richt op koolstof, energie, water, afval, transport, materialen, gezondheid en de kwaliteit van het binnenmilieu.

Dit tweede artikel in een serie van twee artikelen over elektrificatie en duurzaamheid begint met een blik op de LEED- en ZEB-certificeringsniveaus en wat er nodig is om deze certificeringen voor commerciële en industriële gebouwen te behalen, inclusief een vergelijking van verschillende definities van een ZEB. Vervolgens wordt een voorbeeld gegeven van hoe Phoenix Contact automatisering en PV-elektriciteitsopwekking ter plaatse heeft gebruikt om LEED Silver en ZEB-certificering te behalen voor een uitbreiding van 70.000 vierkante meter op de hoofdcampus, inclusief hoe enkele van de eigen producten van het bedrijf hebben bijgedragen aan het succes van het project (afbeelding 1). Het sluit af met een blik op hoe LEED-gebouwen kunnen bijdragen aan de Sustainable Development Goals van de Verenigde Naties.

Afbeelding 1: PV-opwekking op het dak was een belangrijke factor waardoor deze Phoenix Contact-vestiging LEED Silver- en ZEB-certificeringen kon behalen. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

LEED is holistisch

LEED is een veelomvattend systeem dat rekening houdt met alle elementen die nodig zijn om hoogwaardige gebouwen te creëren. LEED-certificeringen zijn gebaseerd op credits of punten die aan een project worden toegekend op basis van gedetailleerde prestatiecriteria. De prestatiecategorieën en hun relatieve belang (van meest naar minst belangrijk) zijn ¹:

• Bijdrage aan wereldwijde klimaatverandering verminderen.
• De individuele menselijke gezondheid verbeteren.
• Waterbronnen beschermen en herstellen.
• Biodiversiteit en ecosysteemdiensten beschermen en verbeteren.
• Duurzame en regeneratieve materiaalkringlopen bevorderen.
• De kwaliteit van leven in de gemeenschap verbeteren.

Het meest essentiële criterium, het verminderen van de bijdrage aan de wereldwijde klimaatverandering, is goed voor 35% van alle punten. De niveaus van LEED-certificeringen zijn Certified (40-49 punten), Silver (50-59 punten), Gold (60-79 punten) en Platinum (80+ punten).

In de nieuwste versie van LEED, v4.1, zijn de meeste punten gerelateerd aan operationele en geïntegreerde koolstof. Operationele koolstof is de uitstoot van kooldioxide (CO₂) die wordt gegenereerd door verwarming, ventilatie en airconditioning (HVAC), verlichting en andere energieverbruikende gebouwsystemen. Opgenomen koolstof zijn emissies die gepaard gaan met de productie van bouwmaterialen en bouwprocessen gedurende de hele levenscyclus van een gebouw.

LEED-certificering is belangrijk voor het creëren van een groenere samenleving. Gebouwen zijn verantwoordelijk voor 39% van de wereldwijde CO₂-uitstoot, waarvan 28% afkomstig is van de exploitatie van gebouwen en 11% van geïntegreerde emissies (afbeelding 2). Aangezien de bouwsector de grootste bijdrage levert aan de wereldwijde CO₂-uitstoot, zijn er ook speciale programma's ontwikkeld om de ontwikkeling van energieneutrale gebouwen aan te moedigen.

Afbeelding 2: Bouwactiviteiten plus materialen en constructie leveren de grootste bijdrage aan de wereldwijde CO₂-productie. (Bron afbeelding: new buildings institute)

Nul definiëren

Nul-energie lijkt een eenvoudig concept, maar het heeft verschillende definities. De drie meest genoemde zijn het LEED Zero Energy-programma, ILFI Zero Energy van het International Living Future Institute en de Zero Code Renewable Energy Procurement Framework (Zero Code) - een initiatief van de organisatie Architecture 2030 dat is aangenomen als energiestandaard voor gebouwen in Californië. Er zijn significante verschillen in hoe "nul" wordt gedefinieerd.

Om het LEED Zero Energy-certificaat te behalen, moet een gebouw een energiebalans van nul hebben gedurende 12 maanden, inclusief energieopwekking op locatie en extern opgewekte energie (uit bronnen). Verbranding van fossiele brandstoffen op locatie is niet verboden. Het totale energieverbruik moet bestaan uit ter plekke of extern opgewekte hernieuwbare energie of koolstofcompensaties.

ILFI Zero Energy-certificaat is de meest beperkende norm. Het vereist hernieuwbare bronnen op locatie om 100% van de energiebehoeften van het gebouw te dekken. Verbranding is niet toegestaan en certificering is gebaseerd op werkelijke prestaties; modellering is niet toegestaan.

Zero Code richt zich specifiek op nieuwe commerciële, institutionele en woongebouwen in het midden- tot hoogbouw. Het definieert een koolstofvrij gebouw als een gebouw dat ter plaatse geen fossiele brandstoffen gebruikt en ter plaatse voldoende koolstofvrije hernieuwbare energie of koolstofkredieten produceert of verwerft om te voldoen aan de operationele energiebehoeften van het gebouw. De Zero Code vereist ook dat gebouwen voldoen aan de ASHRAE Standard 90.1-2019 voor de efficiëntie van gebouwen. De Zero Code staat de vervanging van andere energie-efficiëntienormen toe als deze resulteren in een gelijke of grotere energie-efficiëntie.

LEED als voorbeeld

Phoenix Contact installeerde onlangs een PV-systeem van 961 kilowatt (kW) op het dak van het logistieke centrum op de hoofdcampus van het bedrijf in de VS. Het systeem wekt genoeg stroom op om te voorzien in ongeveer 30% van de energiebehoefte van de faciliteit, of het equivalent van het energieverbruik van ongeveer 160 huishoudens per jaar. Het gebouw behaalde LEED Silver- en Zero Energy-certificeringen.

Het 1 MW microturbine-warmtekrachtkoppelingssysteem op locatie, gestookt op aardgas, werd geïntegreerd met het PV-systeem. Het centrale energiecontrolesysteem bewaakt de opbrengst van de PV-installatie en het energieverbruik van het gebouw in realtime. De microturbinegenerator wordt gebruikt als de totale energievraag groter is dan de opbrengst van het PV-systeem. Soms worden het PV-systeem en de microturbine samen gebruikt om elektriciteit aan het elektriciteitsnet te leveren door middel van netto-meting, waardoor inkomsten voor het bedrijf worden gegenereerd.

Het systeem is ontworpen om het aardgasverbruik overdag te verminderen en de microturbinegenerator vooral 's nachts te laten draaien, waardoor de algehele energie-efficiëntie wordt gemaximaliseerd en de algehele CO₂-productie wordt geminimaliseerd. Op sommige dagen is het mogelijk om het aardgasverbruik tot bijna nul te reduceren. Enkele statistieken van het PV-systeem zijn:

• 2.185 zonnepanelen
• 1.214.235 kWh per jaar opgewekt
• 1.939.279 kilo minder CO₂-voetafdruk

Voortdurende bewaking en regeling van afzonderlijke PV-systeemsegmenten in grote installaties zoals deze is noodzakelijk om maximale efficiëntie en beschikbaarheid van stroomproductie te bereiken.

Automatisering heeft bruikbare informatie nodig

Voor effectieve automatisering en besturing van elektrificatiesystemen zoals PV-installaties is uitgebreide en bruikbare informatie nodig. Real-time bewaking van elke string PV-panelen maximaliseert de productie en ondersteunt preventief onderhoud. Als een string onverwacht uitvalt, kan hij duizenden kW vermogen verliezen, met de bijbehorende financiële verliezen.

Het 961 kW PV-systeem op de hoofdcampus van Phoenix Contact in de VS omvat twaalf omvormers met zes strings van PV-panelen die elke omvormer voeden, en het omvat verschillende producten van het bedrijf, te beginnen met de tweede generatie EMpro-energiemeters zoals de paneelhouder 2908286. Deze meters zijn ontworpen om belangrijke energieparameters te meten en door te sturen naar cloud-gebaseerde platforms die bewaking op afstand van alle systeemelementen ondersteunen. EMpro energiemeters zijn verkrijgbaar voor verschillende stroomsysteemontwerpen, waaronder een-, twee- en driefasige installaties en configuraties. Het systeem bewaakt talrijke systeemelementen en operationele omstandigheden in realtime, waaronder:

• Omvormers worden afzonderlijk bewaakt op DC-ingangsvermogen, AC-uitgangsvermogen, actief en reactief vermogen, fouten en operationele status.
• Elke PV-string wordt gecontroleerd op stroom- en spanningsuitvoer. Die gegevens worden geëvalueerd om de gezondheid van de snaren en mogelijke onderhoudsbehoeften te bepalen.
• De temperatuur van het paneel wordt bewaakt door talrijke sensoren verspreid over de installatie.
• Weersomstandigheden zoals windsnelheid en -richting, temperatuur, relatieve vochtigheid en luchtdruk worden verzameld.
• De zonne-instraling wordt gemeten met twee pyranometers, één onder een hoek van 10 graden die overeenkomt met de geïnstalleerde hoek van de panelen en één horizontaal geïnstalleerd.
• Vuil-sensoren meten het lichtverlies veroorzaakt door stof en vuil op het oppervlak van de PV-panelen.
• Camera's zorgen voor bewaking van het systeem.

Het systeem heeft ook dataloggers en interfaces nodig. De Radioline draadloze modules van het bedrijf, zoals model 2901541, communiceren bijvoorbeeld draadloos met temperatuur- en vuilsensoren van PV-modules via het RS-485 protocol zonder kabels. In andere gevallen wordt Power over Ethernet (PoE) gebruikt om tegelijkertijd stroom en gegevens te verzenden. Inbraakbeveiliging kan worden geleverd door FL mGuard 1000-serie beveiligingsrouters, zoals het model 1153079, die firewallbeveiliging en gebruikersbeheer bieden.

Om dit alles samen te brengen is een controller nodig zoals het op DIN-rail gemonteerde model 1069208 van Phoenix Contact, gebaseerd op de PLCnext-technologie van het bedrijf (Afbeelding 3). Wanneer gekoppeld met een input/output (I/O) module zoals het model 2702783, verzamelt de controller gegevens van het sensornetwerk en verzendt deze naar een cloudserviceprovider. Bovendien draait op een industriële pc de Solarworx-software van Phoenix Contact. De meegeleverde softwaretools en bibliotheken ondersteunen communicatieprotocollen en -standaarden die de zonne-energiesector gebruikt. Het systeem maakt aangepaste automatisering en visualisatie van de werking van PV-systemen mogelijk en is compatibel met softwarepakketten van derden die historische en real-time gegevens kunnen analyseren om de prestaties te optimaliseren. De bibliotheken bevatten functionele blokken die voldoen aan de vereisten van de IEC 61131-norm voor programmeerbare controllers.

Afbeelding 3: Op DIN-rail gemonteerde controller geschikt voor grootschalige PV-generatiesystemen. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Terugleverregeling is het laatste stukje van de elektrificatiepuzzel voor de integratie van gedistribueerde energiebronnen (DER's) zoals PV-arrays in het elektriciteitsnet. PGS-controllers van Phoenix Contact kunnen de spannings- en blindvermogensniveaus op netaansluitpunten bewaken en de vereiste regelwaarden voor de omvormers bepalen om het terugvoedingsbeheer van stroom naar midden- en hoogspanningsnetten te ondersteunen.

LEED en duurzame ontwikkeling

De Verenigde Naties (VN) hebben 17 duurzame ontwikkelingsdoelen² (SDG's) vastgesteld die bedoeld zijn om tegen 2030 een einde te maken aan de armoede in de wereld. Volgens de USGBC kan de elektrificatie en automatisering die inherent zijn aan LEED-gebouwen bijdragen aan het behalen van 11 van de 17 SDG's, waaronder:

Doel 3: Een goede gezondheid en welzijn

Doel 6: Schoon water en sanitaire voorzieningen

Doel 7: Betaalbare en schone energie

Doel 8: Aanhoudende, inclusieve en duurzame economische groei, volledige en productieve werkgelegenheid en fatsoenlijk werk voor iedereen bevorderen.

Doelstelling 9: Veerkrachtige infrastructuur bouwen, inclusieve en duurzame industrialisatie bevorderen en innovatie stimuleren

Doelstelling 10: Ongelijkheid binnen en tussen landen verminderen

Doelstelling 11: Duurzame steden en gemeenschappen

Doelstelling 12: Verantwoorde consumptie en productie

Doel 13: Klimaatactie

Doelstelling 15: Bescherming, herstel en bevordering van duurzaam gebruik van terrestrische ecosystemen, duurzaam beheer van bossen, bestrijding van woestijnvorming en stopzetting en omkering van bodemaantasting en verlies aan biodiversiteit.

Doel 17: De implementatiemiddelen versterken en het mondiale partnerschap voor duurzame ontwikkeling nieuw leven inblazen

Bedrijfsstrategieën kunnen ook bijdragen aan een duurzamere samenleving. Het behalen van LEED Silver- en Zero Energy-certificaten voor het logistieke centrum van Phoenix Contact in Noord- en Zuid-Amerika was bijvoorbeeld een onderdeel van het oorspronkelijke doel van het bedrijf om CO2-neutraliteit te bereiken op al zijn wereldwijde locaties. Het volgende doel van het bedrijf is om vóór 2030 een volledig klimaatneutrale waardetoevoegingsketen te creëren.

Conclusie

De bouwsector levert de grootste bijdrage aan de wereldwijde CO₂-productie. LEED- en ZEB-certificeringen zijn belangrijke hulpmiddelen om het succes te meten van het gebruik van elektrificatie en automatisering om efficiëntere en duurzamere gebouwen te creëren. Zoals aangetoond kunnen grootschalige fotovoltaïsche opwekkingsinstallaties geïntegreerd met warmtekrachtkoppelingscapaciteit ter plaatse bijdragen tot een groenere samenleving. LEED-gecertificeerde gebouwen ondersteunen ook het bereiken van de zeventien SDG's van de VN en het doel om de wereldwijde armoede uit te bannen tegen 2030.

Referenties (meest Engelstalig):

1. LEED-classificatiesysteem, Green Building Council
2. Duurzame ontwikkelingsdoelen, Verenigde Naties