H2PowerCube – kontenerowe rozwiązanie dla zdecentralizowanej gospodarki energetycznej oparte na sterowaniu Beckhoff
Dynamiczny rozwój niestabilnych odnawialnych źródeł energii, takich jak farmy wiatrowe i instalacje fotowoltaiczne, stawia przed operatorami sieci oraz przemysłem wytwórczym coraz poważniejsze wyzwania związane ze stabilnością dostaw. Odpowiedzią na te potrzeby jest kontenerowe rozwiązanie H2PowerCube firmy H2 Powercell, które integruje elektrolizery do produkcji zielonego wodoru, ogniwo paliwowe do jego ponownej konwersji na energię elektryczną oraz bateryjny magazyn energii. Cyfrowy kręgosłup całego systemu stanowi technologia sterowania oparta na komputerze przemysłowym firmy Beckhoff.
Architektura systemu i wyzwania automatyki
Rozwiązanie H2PowerCube jest adresowane do szerokiego spektrum zastosowań – od stacji tankowania wodoru i mikrosieci po projekty sprzężenia sektorowego. Sercem produkcji wodoru jest modułowy elektrolizer H2PowerLyzer, przy czym w jednym kontenerze można kaskadować do 24 takich jednostek, osiągając łączną moc do 1,2 MW. Ta wysoka modułowość stawia jednak znaczące wymagania przed systemem sterowania: konieczne jest przetwarzanie ogromnych ilości danych w twardym czasie rzeczywistym, synchronizacja złożonych procesów termodynamicznych oraz spełnienie rygorystycznych wymogów bezpieczeństwa funkcjonalnego.
Kontenery elektrowni są zaprojektowane do pracy w pełni autonomicznej, bez zewnętrznego systemu nadrzędnego, co oznacza, że cała logika sterowania musi być zintegrowana wewnątrz instalacji.
Komputer przemysłowy C6015 jako centrum obliczeniowe
Wszystkie przepływy energii i informacji koncentrują się w ultrakomapktowym komputerze przemysłowym C6015 firmy Beckhoff wyposażonym w procesor czterordzeniowy. Przykładem skali przetwarzanych danych jest monitorowanie elektrolizerów – napięcie w każdej pojedynczej celi jest próbkowane w interwałach milisekundowych w celu natychmiastowego wykrywania efektów degradacji i anomalii. Przy pełnej obsadzie 24 modułów H2PowerLyzer same czujniki napięcia generują bardzo duży wolumen danych, co uzasadnia wybór wysokowydajnego sterownika.
Zdecentralizowane pozyskiwanie sygnałów realizowane jest za pośrednictwem Terminali EtherCAT firmy Beckhoff. Moduły elektrolizerów w konfiguracji standardowej nie posiadają własnego systemu sterowania – są bezpośrednio podłączane do komputera C6015 przez sprzęgacze EtherCAT EK1100. Terminale z serii EL obsługują pomiary temperatury, ciśnienia i przepływu, a rozbudowane portfolio protokołów komunikacyjnych pozwala na znaczną redukcję okablowania w kontenerze.
Bezpieczeństwo bez konwencjonalnych stref zagrożenia wybuchem
Instalacje wodorowe standardowo wymagają wyznaczania rozległych stref ochrony przeciwwybuchowej, co wiąże się z koniecznością stosowania obudów wytrzymałych na ciśnienie i kosztownego specjalistycznego osprzętu. H2PowerCube rozwiązuje ten problem inaczej: redundantny system wentylacji w połączeniu z czułymi czujnikami gazu zapobiega powstawaniu wybuchowej atmosfery wewnątrz kontenera, zanim stanie się ona zagrożeniem.
Cała ta prewencyjna koncepcja bezpieczeństwa jest sterowana i monitorowana za pomocą systemu TwinSAFE. Sygnały z czujników gazu, pressostatów i napędów wentylatorów są przekazywane do centralnego sterownika przez bezpieczne terminale I/O z wykorzystaniem protokołu Safety over EtherCAT (FSoE). Zaletą takiego podejścia jest możliwość dostosowania rozwiązania do przyszłych zmian w normach i wytycznych bez konieczności przeprojektowania fizycznej architektury sterowania.
Efektywność termodynamiczna i oprogramowanie
System H2PowerCube działa jako wysoce wydajny obieg jednoprzebiegowy: woda procesowa z elektrolizy pełni jednocześnie funkcję wody chłodzącej, a ciepło odpadowe generowane w procesie jest bezpośrednio wykorzystywane i dystrybuowane jako ciepło sieciowe.
Zarządzanie tą złożonością realizuje pakiet automatyki TwinCAT, w którym oprogramowanie jest tworzone zgodnie ze standardem IEC 61131-3 z wykorzystaniem programowania obiektowego. Raz opracowane i zwalidowane moduły oprogramowania – np. dla elektrolizerów – można powielać podczas skalowania systemu, co gwarantuje utrzymanie modułowości i przejrzystości kodu. Do lokalnej obsługi i wizualizacji służy dedykowany panel wielodotykowy CP3918, natomiast szczegółowe rejestracje danych procesowych zapewnia programowy oscyloskop TwinCAT Scope View oraz TwinCAT HMI.
Interfejsy zewnętrzne i plany rozwoju
Kontenery posiadają pięć zewnętrznych interfejsów fizycznych:
- interfejs wodorowy
- interfejs elektryczny
- interfejs ciepła sieciowego
- interfejs wody odpadowej i powietrza wylotowego
- złącze do sterowania i zdalnego dostępu
Komunikacja z urządzeniami peryferyjnymi – stacjami ładowania, falownikami fotowoltaicznymi, zewnętrznymi bateriami i centrami dyspozytorskimi – odbywa się za pośrednictwem protokołów OPC UA i Modbus TCP. W przyszłości planowane jest wdrożenie certyfikowanego kontrolera EZA w ramach TwinCAT 3 Power Control do podłączenia instalacji do sieci średniego i wysokiego napięcia.
Istotnym kierunkiem rozwoju jest zastosowanie sztucznej inteligencji do analizy stanu urządzeń. Dane rejestrowane przez TwinCAT Scope mają w przyszłości umożliwić automatyczną ocenę degradacji membran elektrolizerów i szacowanie ich pozostałej żywotności, zastępując dotychczasowe ręczne analizy inżynierów procesowych. Narzędziem do realizacji tego celu ma być TwinCAT Machine Learning Creator, umożliwiający wykrywanie anomalii w czasie rzeczywistym na podstawie modeli szeregów czasowych.
Podsumowanie
H2PowerCube dowodzi, że zdecentralizowana gospodarka energetyczna oparta na elektrolizie, ogniwach paliwowych i bateriach jest technicznie wykonalna i ekonomicznie skalowalna. Spójna modułowość sprzętu i oprogramowania, prewencyjna koncepcja bezpieczeństwa oraz otwartość platformy sterowania Beckhoff tworzą fundament dla elastycznego zarządzania energią – zarówno w aktualnych zastosowaniach, jak i w planowanych wdrożeniach opartych na analizie danych z wykorzystaniem sztucznej inteligencji.
Więcej na www.beckhoff.com
