Inteligetny dom w strukturze inteligentnej sieci energetycznej. Jak może działać?
Od chwili zaproponowania pierwszych rozwiązań technicznych wykorzystujących energię elektryczną minęło sporo czasu, a naturalną jest tendencja przenoszenia takiego rozwoju na najbliższe otoczenie funkcjonowania człowieka – dom. Trudno dziś wyobrazić sobie gospodarstwo domowe bez dostępu do elektryczności i nawet krótkie przerwy w jej dostawie bywają źródłem niezadowolenia odbiorców. A przecież należy zdawać sobie sprawę z faktu, że rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną, napędzane obserwowanym postępem technologicznym, jest tożsame z rosnącą złożonością infrastruktury dedykowanej do przesyłu prądu i ostatecznie zapewnienia odpowiedniej jakości wszelkich usług z nim związanych.
Tak jak jest to w przypadku większości oferowanych rozwiązań użytkowych, posługiwanie się środkami technicznymi w celu ułatwienia codziennego funkcjonowania człowieka staje się atrakcyjne wówczas, gdy operowanie domowych systemów pozostaje niezauważalne dla użytkownika. Tymczasem już najprostsze czynności w obrębie sieci energetycznych, jak np. ustalanie stanu liczników energii elektrycznej czy dopasowanie profilu konsumenta do charakterystyki rynku energii, były do niedawna rodzajem problemu, który niełatwo było rozwiązać w gronie domowym. Pojawiały się różnorakie pytania, np. jak w odpowiednim momencie zapewnić dostęp operatora do licznika energii zamontowanego w mieszkaniu/domu/na terenie posesji? Z punktu widzenia specyfiki osobistego harmonogramu zadań rodzinnych odpowiedź nie zawsze była trywialna. Dalej, jak rozliczać gospodarstwo domowe, w którym zapotrzebowanie energetyczne częściowo pokrywane jest z w ramach własnej produkcji, np. fotowoltaika czy farmy wiatrowe? Bardziej zaawansowane kwestie dotyczą optymalizowania zużycia energii z wykorzystaniem narzędzi algorytmicznych, prawie nieograniczonego dostępu do informacji na temat indywidulanego konta klienckiego, itd.
Odpowiedzią na powyższe problemy techniczne i społeczne są tzw. inteligentne sieci energetyczne (ISE), które w niemalże niezauważalny sposób, profilując energetyczne charakterystyki domowych gospodarstw zapewniają komfort i finansowe korzyści ich mieszkańcom/właścicielom.
– To właśnie przejście do funkcjonalności inteligentnych sieci energetycznych pozwoliło dokonać przeskoku technologicznego oferującego zdalny odczyt stanu liczników energii elektrycznej. W tym rozwiązaniu, dzięki wykorzystaniu komunikacji radiowej, lokalizacja miernika przestała być pierwszorzędną, a akwizytor wyposażony w terminal był w stanie zarejestrować bieżące wskazanie przyrządu zamontowanego, np. wewnątrz mieszkania/domu. Aktualnie, dzięki opracowanym protokołom transmisji, możliwa jest bezpośrednia identyfikacja poszczególnych urządzeń (zarówno pomiarowych jak i wykonawczych) włączonych w strukturę sieci energetycznej, co umożliwia realizowanie przez operatora zadań zdalnej konfiguracji sieci/urządzeń, monitorowania, a nawet usuwania usterek wewnątrz niej. Lokalizacja elementów pomiarowych w strukturze sieci jest więc w takim przypadku kwestią całkowicie drugorzędną. Przyszłością w obszarze ISE są natomiast tzw. sieci samoorganizujące i samooptymalizujące się (ang. self-organized and self-optimized networks) – wyjaśnia dr inż. Ireneusz Jabłoński, Politechnika Wrocławska, ekspert w projekcie „Od konsumenta do prosumenta – czyli dlaczego warto wdrożyć inteligentne sieci energetyczne w Polsce”.
Inteligentne sieci energetyczne przyczyniły się także do rewolucji w obrębie korzystania z preferencyjnych dla odbiorców taryf cenowych za energię jednostkową, w zależności od zapotrzebowania na prąd, chwilowego obciążenia sieci czy pory dnia. Obraz taki dopełnia fakt, że energia elektryczna sama w sobie jest towarem, ale towarem nie byle jakim, lecz towarem strategicznym, w pewnym sensie nielokalnym. Tak jak potrafi ona determinować globalny układ sił polityczno-gospodarczych, tak samo bierze udział w rynkowej „układance”. Nawiązaniem do tego może być chociażby kształtowana w ostatnim czasie w Polsce rządowa strategia kreująca rynek energii w oparciu o zasady konkurencyjności. A w ogólności zasady te wskazują, że towary i usługi deficytowe uzyskują inną (wyższą) wartość rynkową w stosunku do dóbr, względem których notujemy nadpodaż; należy przy tym uwzględnić koszty wytworzenia jednostkowej energii, koszty jej dystrybucji w konkretnych uwarunkowaniach lokalizacyjnych, itp. Można sobie zatem wyobrazić sytuację, w której operator dostarczający towar i usługi w obszarze energetyki warunkuje cenę w zależności od pewnych czynników zewnętrznych moderujących koszty dostarczenia do odbiorcy zamówionych dóbr. Tak np. w porach dnia kiedy pobór mocy jest największy, a więc największa liczba użytkowników chciałaby skorzystać z zasobów energii pewnej sieci narodowej, należy oczekiwać najwyższej ceny za energię jednostkową, gdyż staje się ona towarem deficytowym. Opisana sytuacja może dotyczyć na przykład pory rannej, kiedy ludzie rozpoczynają dzień, szykują się do pracy, szkoły itp. Odwrotnie jest w porze nocnej, kiedy większość użytkowników jest nieaktywna oczekiwany bilans energetyczny wskazuje zazwyczaj na nadpodaż tego rodzaju dóbr w sieci, co implikuje niższą taryfę jednostkową za dostarczoną energię elektryczną.
– Inteligentny dom zanurzony w rzeczywistości strukturalnej ISE można jednak wyposażyć w funkcjonalność takiego zarządzania zasobami energii, by pewne zadania (powiedzmy, np. sterowane elektrycznie podlewanie ogródka, itp.) związane z zapotrzebowaniem energetycznym realizowane były w okresach najbardziej korzystnych cenowo. Należy też pamiętać, że współczesne tzw. domy inteligentne umożliwiają instalację małych przydomowych elektrowni, np. wiatrowych, fotowoltaicznych, itp. Co więcej, takie lokalne układy mikrogeneracji (bo przecież odnosząc poziom możliwego uzysku energetycznego stacji domowej do globalnej produkcji i dystrybucji w narodowej sieci jest jednostkowo nieznaczący i rośnie dopiero w ujęciu większej liczby rozproszonych producentów) są zdolne do współpracy z systemami akumulacji energii elektrycznej, które zmyślnie zarezerwują dla nas wymaganą najtańszą porcję energii w okresie nadpodaży, by oddać ją potem do użytku lokalnego w godzinach szczytu – komentuje dr inż. Ireneusz Jabłoński.
W tak przedstawionej sytuacji inteligentny dom staje się niejako energetyczną wyspą, całkowicie wystarczalną lub też nie. Pierwszy przypadek (z j. ang. rozwiązanie takie nosi nazwę grid off) dotyczy sytuacji kiedy pokrycie zapotrzebowania domu na energię elektryczną, przy wsparciu inteligentnych systemów zarządzania energią, realizowane jest w schemacie dopuszczającym całkowitą niezależność odbiorcy. Druga sytuacja kierunkuje inteligentny dom w stronę realizacji pewnego rodzaju miksu energetycznego, gdzie możliwie maksymalna część zapotrzebowania pokrywana jest w optymalny sposób z produkcji własnej, natomiast pozostała na zasadzie poboru prądu z globalnej sieci energetycznej w okresach obowiązywania niskiej, jednostkowej taryfy cenowej – z j. ang. rozwiązanie to nosi nazwę grid on. Optymalizacja odbywa się tutaj na zasadzie algorytmicznej, często przy umiejętnym wykorzystaniu systemów akumulacji energii, a zaaplikowane procedury domowej inteligencji, bez angażowania w zadanie domowników wybierają dla nich możliwie najlepszy w danej chwili (w perspektywie dnia, miesiąca czy ogólnie okresu rozliczeniowego) scenariusz wykorzystania lokalnych (mikrogeneracja) i globalnych (sieć narodowa) zasobów energii elektrycznej. Zaletą takiego rozwiązania jest fakt uzyskania przez indywidulane gospodarstwo domowe pewnego poziomu niezależności energetycznej, przy jednoczesnym pozostawieniu marginesu bezpieczeństwa związanego z uczestniczeniem w globalnym rynku energii na zasadzie sieci narodowej. To wszystko upoważnia do stwierdzenia, że inteligentne sieci energetyczne w istotny sposób przyczyniają się do rozwoju energetyki odnawialnej, chociażby poprzez ułatwienie obsługi systemów energetycznych realizowanych w tzw. technologii wyspowej.
– Niepostrzeżenie, inteligentny dom staje się także zauważalnym węzłem sieci energetycznej, „świadomym” samego siebie, ale też dostrzegającym, a nawet przewidującym warunki energetyczne w swoim otoczeniu. To samo dotyczy współczesnej inteligentnej sieci energetycznej, która wyposażona jest w funkcjonalność monitoringu a nawet predykcji przebiegu procesów wewnątrz niej samej. Innymi słowy wyraża to relacje współpracy pomiędzy inteligentnym domem i ISE na rzecz niezawodnego świadczenia usługi produkcji i dystrybucji energii elektrycznej na potrzeby odbiorców – mówi dr inż. Ireneusz Jabłoński.
W rzeczywistości polskiego rynku inwestycji budowlanych, gdzie w przewadze mamy do czynienia z budownictwem wielorodzinnym i dopiero od przeszło dekady-dwóch obserwuje się ożywienie w obrębie osadnictwa jednorodzinnego, należy doprecyzować, iż mówiąc inteligentny dom mamy na myśli zarówno pierwszą jak i drugą z wskazanych form mieszkalnictwa. A więc mówiąc o atrakcyjnych, nowych funkcjonalnościach, pojawiających się na styku inteligentny dom-inteligentna sieć energetyczna w zasadzie wszystkie udogodnienia można przeskalować na obiekty wielorodzinne; w tej sytuacji można nawet mówić o profilowaniu inteligentnych rozwiązań (np. dotyczących sterowania wspólnie dzieloną infrastrukturą mediów energetycznych, tj. woda, gaz, prąd) bezpośrednio dla obiektów wielorodzinnych. Dzięki temu, choć w zakresie ISE pojawia się pojęcie wyspowości, inteligencja i same ISE mogą tutaj stać się łącznikiem społecznym minimalizującym prawdopodobieństwo hierarchizowania czy zjawisko rozwarstwiania społecznego w zależności od rodzaju zamieszkiwanego obszaru czy typu budynku, co bywa charakterystyczne dla krajów o wysoko rozwiniętej gospodarce. A więc w Polsce, gdzie w pamięci społecznej, ale także w praktyce mieszkaniowej wciąż w niemałym stopniu funkcjonuje model publicznego inwestora działającego na rzecz pewnej komuny ludzkiej, korzystanie z opisywanych tutaj rozwiązań współczesnej techniki prowadzić będzie do gwarantowanych korzyści finansowych (np. minimalizując koszty eksploatacji budynków, a więc i poszczególnych mieszkań, redukując czynsz za ich wynajem) i niewątpliwej promocji integracji społecznej. Z racji zasięgu swojej służebności, publiczność inicjatyw budowlanych i inteligencja infrastruktury technicznej (domowej i/czy sieci energetycznych) mogą się także spotkać na gruncie innych rodzajów obiektów, np. tych o przeznaczeniu biurowym czy medycznym (szpitale, lokalne ośrodki służby zdrowia). Argument w postaci redukcji kosztów eksploatacji budynków może zostać w takim przypadku wzmocniony ofertą usług specjalizowanych, polegających (w kontekście obiektu budowlanego) na integracji infrastruktury techniczno-medycznej w ramach wbudowania funkcjonalności sieci telemedycznej i świadczenia usług tzw. e-zdrowia w odniesieniu do mieszkańców (tj. pacjentów widzianych po stronie publicznych jednostek służby zdrowia). Na takim rynku pojawiają się zatem nowe obszary działań wspólnotowych, np. dotyczących organizacji i finansowania zbiorowej (w tym publicznej) służby zdrowia, co kreuje przestrzeń dla negocjacji, np. oryginalnych, atrakcyjnych mechanizmów świadczenia usług i naliczania za nie płatności.
– Całokształt koncepcji takich rozwiązań wyraża się jeszcze innymi zaletami, jak, np. oszczędność czasu pacjentów i specjalistów, zwiększenie dostępności lekarzy specjalistów (w tym także konsultacje bez względu na ograniczenia odległości zamieszkania), ograniczenie powierzchni dedykowanych do realizacji specjalizowanych zadań (np. zmniejszenie liczby gabinetów lekarskich w przychodniach służby zdrowia, co rzutuje na koszty obsługi takich obiektów przez NFZ), a ostatecznie poprawa profilaktyki chorób sezonowych a zwłaszcza przewlekłych – wyjaśnia dr inż. Ireneusz Jabłoński.
Kraje rozwinięte coraz chętniej promują domową inteligencję jako efektywny środek techniczny służący rozwiązywania problemów związanych ze starzejącym się społeczeństwem. Jak podają statystyki, w nieodległym czasie także Polska znajdzie się w orbicie takiej społecznej potrzeby. Uzasadnionym jest zatem stwierdzenie, że innym dużym sektorem usług, gdzie inteligencja budynków znajduje wdzięcznego odbiorcę (w tym publicznego) jest opieka nad osobami starszymi (ang. ambient assisted living – AAL), np. w ośrodkach domów pomocy społecznej. Należy oczekiwać, że w Polsce rozpowszechniać się będą także popularne już na rynkach krajów zachodnich usługi wspomagania funkcjonowania osób starszych w ich warunkach domowych, co przy zmianie modelu funkcjonowania rodziny (młodzi Polacy coraz chętniej migrują do dalszych lokalizacji w poszukiwaniu pracy i wymarzonego miejsca do życia, co sprawia że rozluźniają się więzi opiekuńcze dzieci względem rodziców/starszego pokolenia) może wydłużyć zdolność do bezpiecznego przebywania w intymności domowych czterech kątów, odsuwając wciąż jeszcze ‘inaczej’ niż na Zachodzie postrzeganą perspektywę zamieszkania w tzw. domach spokojnej starości. Dla jednych i drugich (dom rodzinny i dom pomocy społecznej, użytkownik i personel obsługujący) przykładowe rozwiązanie inteligentnego łóżka, które nadążnie pomaga użytkownikowi usiąść czy wstać, albo system detekcji upadku, to tylko jedne z dostępnych udogodnień tzw. inteligentnego domu.
Jak zatem rozumieć ów inteligentny dom? Biorąc pod uwagę elastyczność i odwagę badaczy oraz inżynierów w eksplorowaniu otaczającej rzeczywistości i proponowaniu nowych rozwiązań technicznych na potrzeby społeczne, najprościej dostrzec go przez pryzmat osobistych oczekiwań względem komfortowej przestrzeni domowej prywatności, gdzie w niezauważalnym towarzystwie systemów technicznych efektywnie (w sensie technicznym, użytkowym i ekonomicznym) wspomagane/realizowane są różne scenariusze funkcjonowania zainspirowane sytuacjami codziennego życia mieszkańca. I mieszkaniec każdy z osobna jest tutaj najważniejszy, bowiem personalizacja w granicach inteligentnego domu, to dzisiaj docelowe wyzwanie dla techniki, choć dobro ogółu jest ostatecznym wymiarem oceny przydatności społecznej proponowanych rozwiązań. Z drugiej strony, to co widzi i rozważa na rzecz inteligentnego domu wspomniany badacz czy inżynier, to zbiór elementów dedykowanych do detekcji informacji z otoczenia (czujniki), komunikacji (przewodowa, bezprzewodowa lub mieszana – przewodowo-bezprzewodowa) i tzw. aktuatory, tj. elementy wykonawcze zaprojektowane do ostatecznej realizacji akcji/zadań (czyli np. siłowniki, przekaźniki, silniki, dźwignie, wzmacniacze, itd.). Całość sterowana jest w sposób algorytmiczny z poziomu tzw. systemu zarządzania budynkiem (ang. building management system – BMS), a więc mózgu domowej inteligencji, który może w swej strukturze wyróżniać, np. specjalizowany podsystem zarządzania efektywnością energetyczną obiektu (z j. angielskiego tzw. energy management system – EMS).
Mając na względzie powyższe, należy zdawać sobie sprawę z nieuniknionej tendencji polegającej na integracji wszelkiej infrastruktury i usług w obrębie inteligentnego domu. Współcześnie, myśląc o inteligentnym domu należy rozważać także kwestie inteligentnych sieci energetycznych, tym bardziej, że prócz powszechnej percepcji sieci energetycznych jako nośnika prądu, w nieodległej przyszłości ISE przyjmą formę atrakcyjnego medium dla dystrybucji wszelkiego rodzaju informacji. W tym rozumieniu, inteligencja niejako wstrzyknięta najpierw do domostw, ułatwiając codzienne funkcjonowanie poprzez ‘kanał’ połączeniowy sieci energetycznych nadawać będzie nowe znaczenie tworzącym się jednostkom społecznym, np. inteligentnym osiedlom, dzielnicom i miastom. I poprzez analogię do informacji, która może mieć charakter prywatny i/lub publiczny, tak inteligentny współczesny inwestor angażujący opisywane technologie może reprezentować podmiot prywatny, publiczny czy publiczno-prywatny.
Więcej na temat inteligentnych sieci energetycznych na www.domzenergia.pl
Projekt „Od konsumenta do prosumenta – czyli dlaczego warto wdrożyć inteligentne sieci energetyczne w Polsce” dofinansowano ze środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej oraz Wojewódzkiego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej we Wrocławiu.
