Cyfryzacja usług energetycznych i komunalnych

Mówiąc o rewolucjach w przemyśle i usługach, których jesteśmy obecnie świadkami, nie możemy nie wspomnieć o zmianach, jakie zachodzą w zakresie energetyki, a związane są z wykorzystywaniem energii odnawialnej i dekarbonizacją. Sektor energetyczny ma duże oczekiwania wobec transformacji cyfrowej, w tym sztucznej inteligencji oraz sieci blockchain. W kontekście obecnej sytuacji geopolitycznej ogromne znaczenie ma także bezpieczeństwo dostaw i zasobów.

Wpływ na rozwój cyfryzacji w tym sektorze mają nie tylko duże koncerny energetyczne, ale także nowe podmioty, które walczą o pozycję na wciąż tworzącym się rynku zielonej energii oraz rynku usług komunalnych (woda, ciepło) i miejskich (wynajem pojazdów, parkowanie, komunikacja zbiorowa). Z drugiej strony konsumenci wyrażają potrzebę sprawowania większej kontroli nad swoimi wydatkami na media, zwłaszcza na energię elektryczną i ciepło, a w przypadku gospodarstw biorących udział w produkcji energii elektrycznej (prosumentów) – nad jej ilością, wykorzystaniem i przekazywaniem do sieci. Wszystko to tworzy system bardziej efektywny, a przy tym sprzyja obniżaniu kosztów energii.

Cyfryzacja może spowodować poszerzenie oferty rozwiązań dla odbiorców energii elektrycznej i cieplnej, zarówno indywidualnych, jak i instytucjonalnych. Warunkiem przydatności zdigitalizowanego systemu jest jednak wspomniane już bezpieczeństwo. Nie należy bowiem zapominać, że energetyka i ciepłownictwo należą do kluczowych sektorów, mających bezpośredni wpływ na funkcjonowanie całej gospodarki i państwa.

Internet rzeczy i sztuczna inteligencja

To jedne z najbardziej znanych elementów cyfryzacji. Internet rzeczy oparty jest na działaniu połączonych ze sobą w sieć „inteligentnych” urządzeń, które porozumiewają się i reagują na świat fizyczny. Jest to możliwe dzięki zainstalowanym w nich czujnikom, a także przewodowym lub bezprzewodowym połączeniom za pośrednictwem komputerów, urządzeń mobilnych i chmury, w której mogą być gromadzone dane.

W kontekście infrastruktury energetycznej IoT (Internet of Things) umożliwia skuteczny monitoring zapotrzebowania na energię i szybkie interakcje w zmieniających się warunkach. Pozwala tym samym lepiej zarządzać nie tylko jej przesyłem, ale nawet wytwarzaniem i magazynowaniem. Czujniki połączone w sieć umożliwiają także utrzymanie tejże sieci poprzez monitoring poszczególnych jej elementów, a to z kolei jest przyczynkiem do dalszej cyfryzacji, m.in. wprowadzenia rozwiązania polegającego na sterowaniu przesyłem przez sztuczną inteligencję (AI).

Sztuczna inteligencja może być wykorzystywana zarówno do zarządzania dostawami, jak i lepszej organizacji produkcji i magazynowania energii. Wykorzystując dane pochodzące m.in. z czujników IIoT (przemysłowego internetu rzeczy), urządzeń końcowych użytkowników IoT czy prognoz pogody, będzie w stanie tworzyć modele zapotrzebowania na energię. To z kolei kluczowa informacja dla producentów energii, których liczba w związku z popularyzacją OZE i energetyki rozproszonej ciągle rośnie.

Smart Grid

Inteligentna sieć elektroenergetyczna, czyli Smart Grid, składa się z zaawansowanych urządzeń elektroenergetycznych i technologii telekomunikacyjnych, których zadaniem jest zintegrowanie rozproszonych źródeł wytwarzania, poprawa sterowania pracą sieci oraz zarządzanie energią. Smart Grid ułatwia sterowanie pracą inteligentnej sieci elektroenergetycznej, upraszcza regulację wartości napięć i kompensacji mocy biernej, a także dostarcza narzędzia potrzebne do zarządzania zapotrzebowaniem na energię w sytuacji jej deficytu. Zapobiega i skraca czas trwania awarii. Korzystając m.in. z czujników, inteligentne sieci przesyłają informację o swoim bieżącym stanie. Co więcej, zaawansowane algorytmy umożliwiają przewidywanie rozwoju sytuacji, w tym nietypowych. Pozwalają także na pozyskanie informacji o stanie poszczególnych urządzeń, a to z kolei daje możliwość zaplanowania działań i określenia terminu konserwacji.

Smart Grid we współpracy z modelami reagowania na zmiany popytu autonomicznie odpowiada na te zmiany przez odpowiednią stymulację wytwarzania i dystrybucji energii. Taka technologia jest zatem niezbędna w budynkach wyposażonych w urządzenia służące do produkcji energii, jak np. instalacje fotowoltaiczne oraz do odzysku ciepła odpadowego, np. z ciepła z urządzeń chłodniczych w centrum danych czy markecie. Inteligentna lokalna sieć energetyczna i cieplna pozwalałaby na optymalizację dystrybucji i zużycia energii pomiędzy budynkami.

Platformy do zarządzania energią i blockchain

Aby połączenie pomiędzy oferentami energii i jej odbiorcami było wygodne i dostępne, potrzebne są cyfrowe platformy do zarządzania zasobami energetycznymi. Dotyczy to również prosumentów i konsumentów, którym niezbędne są narzędzia do optymalizacji produkcji i zużycia energii. Taka platforma współpracuje z systemem wykorzystującym dane z inteligentnych liczników oraz urządzeń IoT po stronie konsumenta. Systemy mogą przesyłać dane konsumentów producentom i dystrybutorom energii, w ten sposób wpływając na optymalizację dostaw.

Niezbędne jest także zaimplementowanie technologii blockchain, która służy do przechowywania oraz przesyłania informacji o transakcjach zawartych w internecie. Może ona mieć duży wpływ na zarządzanie majątkiem, obieg dokumentów oraz logistykę dzięki lepszemu przepływowi informacji i większemu bezpieczeństwu łańcucha dostaw. Blockchain to także klucz do zabezpieczenia i automatyzacji transakcji zachodzących w obrębie sieci energetycznej, mowa tu m.in. o automatycznym zawieraniu kontraktów pomiędzy prosumentami i zakładami energetycznymi.

Czytaj także: Smart city – przykłady planów i realizacji inteligentnych miast

Wirtualne elektrownie i giełdy energii

VPP – Virtual Power Plants – to systemy, których zadaniem jest łączenie różnych źródeł energii, zarządzanie jej dystrybucją w oparciu o monitoring i kontrolę zarówno produkcji, jak i popytu. Zadaniem wirtualnej elektrowni jest wspólny marketing energii elektrycznej i dbanie o elastyczność pracy całej grupy połączonych jednostek urządzeń produkujących energię. Każdy zdecentralizowany podmiot produkujący, magazynujący lub zużywający energię elektryczną może się stać częścią wirtualnej elektrowni.

Sercem VPP jest centralny system sterowania, który za pośrednictwem specjalnego algorytmu koordynuje pracę poszczególnych elementów i jednostek wchodzących w skład grupy. Pełni także funkcję pojedynczej wielkoskalowej elektrowni, która ma możliwość reakcji na stany sieciowe i polecenia uruchomienia regulacyjnych usług systemowych skierowane przez operatorów sieci przesyłowych. Wirtualna elektrownia umożliwia także szybką reakcję na sygnały cenowe z rynków energii elektrycznej.

Inna cyfrowa platforma – wirtualna giełda energii – umożliwiłaby indywidualnym konsumentom zakup energii z uwzględnieniem ich potrzeb i preferencji. To konsumenci podejmowaliby decyzję o długości trwania kontraktu i wybierali dostawcę, negocjując ceny. Byłoby to zatem wygodne skrócenie drogi prowadzącej od producenta energii do jej odbiorcy, zwiększające konkurencyjność ofert.

Cyfryzacja usług komunalnych

Poza dostawą energii elektrycznej także pozostałe usługi komunalne, jak dostarczanie mieszkańcom wody, odbiór i oczyszczanie ścieków, dostarczanie ciepła oraz gospodarowanie odpadami, podlegają przemianom związanym z cyfryzacją. Założenia są podobne jak w przypadku usług energetycznych, a zatem u ich podstawy leży monitorowanie w czasie rzeczywistym zachowań klientów. Oczywiście każda z gałęzi usług komunalnych rządzi się swoimi prawami i ma inne potrzeby, jednak ich zaspokojenia upatruje się także w wymienionych powyżej rozwiązaniach.

Najlepiej rozwinięte są pod tym względem technologie opomiarowania zużycia wody i ciepła. Ale tempo ich rozwoju musi uwzględniać aktualnie pracujące wodomierze i ciepłomierze z istniejącymi systemami zdalnego odczytu. Tempo zmian często pokrywa się w tym wypadku z czasem legalizacji urządzeń pomiarowych (5 lat) i pozornie wygląda to jak ewolucja. Ale kolejne etapy przechodzenia na wyższe poziomy zbierania danych, ich transmisji i komunikacji dwukierunkowej są coraz lepsze jakościowo. Istnieje wiele technologii komunikacji i transmisji danych stosowanych obecnie w opomiarowaniu mediów komunalnych. Różnią się m.in. pokryciem terenu i zasięgiem oraz możliwością jego zwiększenia, odpornością na zakłócenia, kompatybilnością liczników i obsługą różnych dostawców, a także kosztami obsługi. Różni je także przydatność do różnych zadań związanych bezpośrednio z inteligentnym opomiarowaniem, takich jak: rozliczenia miesięczne, podstawowa analityka i dane godzinowe/dzienne, analityka z wykorzystaniem danych historycznych, wspomaganie podejmowania decyzji w czasie zbliżonym do rzeczywistego (interwał minutowych danych) oraz dwukierunkowa komunikacja związana z podejmowaniem decyzji i kontrolą usług.

Inteligentne opomiarowanie mediów komunalnych wymaga otwartych standardów komunikacji umożliwiających współpracę z licznikami i urządzeniami różnych marek, dzięki czemu doskonale sprawdza się m.in. w sieci ciepłowniczej i wodociągowej. Otwarty system pomiarowy oznacza niezależną od producenta i dostawcy mediów standaryzację komunikacji. Producenci opracowali wspólne specyfikacje, które gwarantują interoperacyjność niezależną od danego dostawcy. Warunkiem wstępnym akceptacji inteligentnych systemów pomiarowych były wymagania dotyczące bezpieczeństwa danych i ochrony dostępu, z tego powodu standardy komunikacji używają szyfrowania danych. Celem wdrażania inteligentnego opomiarowania było osiągnięcie wysokiej przejrzystości zachowań konsumenckich, rozliczania klientów, a także monitorowania sieci i instalacji. Po energii i gazie opomiarowanie objęło wodę i ścieki oraz ciepło i chłód.

W gospodarce wodnej w zależności od wielkości zakładów wod-kan i charakteru odbiorców stosuje się różne rozwiązania. Inne w przypadku małych gmin wiejskich, z produkcją rolniczą, a inne dla zurbanizowanych aglomeracji z dużym przemysłem. W małych sieciach wszelkie odchylenia od standardowych rozbiorów są szybciej zauważalne przez obsługę zakładu uzdatniania i łatwiej je zlokalizować w terenie bez specjalnych systemów i narzędzi. Z kolei do optymalizacji dużych sieci nie wystarczy tylko opomiarowanie i zdalny odczyt wodomierzy. Obecnie wymagają one inteligentnych rozwiązań, które zoptymalizują działanie, zredukują koszty (w tym energii do pompowania) i zminimalizują straty do akceptowalnego poziomu, pozwolą na szybkie wykrywanie i lokalizowanie wycieków i awarii, na monitorowanie i kontrolowanie strumienia objętości przepływającej wody, ciśnienia i oczywiście jakości. Do sprawnego działania konieczne są dane pomiarowe wraz z systemem specjalnego oprogramowania, który nie tylko je gromadzi, ale też interpretuje. Dane te są też punktem wyjścia dla sygnałów sterujących urządzeniami wykonawczymi (zasuwami, przepustnicami, pompami), prowadzi się m.in. sektoryzację sieci oraz okresowe obniżanie ciśnienia.

Podstawowym elementem inteligentnej sieci są urządzenia pomiarowe, czyli inteligentne liczniki. Ale same nie stanowią inteligentnej sieci – muszą być wyposażone w urządzenia do gromadzenia danych i dwustronnej komunikacji. Przykładem inteligentnego wodomierza jest ultradźwiękowy Ultrimis (rys. 1). Posiadany przez niego certyfikat OMS daje gwarancję, że wszystkie urządzenia korzystające z tego standardu będą z łatwością wymieniały informacje między sobą. Wodomierze takie stosuje się zwłaszcza tam, gdzie szczególnie ważny jest precyzyjny pomiar zużycia z zastosowaniem nowoczesnych technologii komunikacji, w tym radiowych i NFC, i gdzie nie ma możliwości stosowania odcinków prostych, filtra i zaworu zwrotnego.

Innym przykładem może być nowy elektroniczny wodomierz jednostrumieniowy Hydrodigit (rys. 2) o wysokiej dokładności odczytu, pracujący we wszystkich pozycjach montażowych. Wyposażono go m.in. w możliwość wysyłania alarmów w czasie rzeczywistym. Może korzystać z różnych standardów komunikacyjnych: M-BUS, OMS, NB-IoT i LoRaWAN.

Może Cię zainteresuje: Technologie i narzędzia informatyczne dla firm serwisowych i instalatorów

Wielu producentów urządzeń pomiarowych oferuje urządzenia z różnymi nakładkami standardów komunikacyjnych do wyboru. W ostatnim czasie w dużych aglomeracjach szybko rozwija się technologia LoRaWAN (rys. 3), którą samorządy używają już do innych usług i zadań, jak np. systemy informacyjne dla komunikacji miejskiej czy do zarządzania parkingami. Protokół komunikacji LoRaWAN to łączność radiowa w zakresie bezpłatnego pasma 868 MHz. Takie technologie to element tworzący podwaliny pod Smart City. Na rynku widoczny jest trend sprzedaży usług, a nie tylko produktów, oferowane są platformy zarządzania obejmujące wiele zadań samorządów na poziomie SMART, np. produkty IoT: do zarządzania energią elektryczną (w tym od prosumentów i lokalnych źródeł PV i wiatrowych) w systemach rozproszonych, oświetleniem, komunikacją, ciepłem, wodą, ściekami, odpadami, parkingami i ładowarkami do samochodów, systemem wynajmu rowerów i samochodów itp.

Oczywiście inne stosowane i sprawdzone technologie, w tym takie, jak z powodzeniem stosowane w dostawach wody i ciepła Walk-by i Drive-by, także mają auty i w wielu miejscach pozostaną. One również dostarczają dane do chmury obliczeniowej, które wykorzystywane są przez oprogramowanie analityczne i portale konsumentów oraz systemy bilingowe i komunikacyjne.

Narzędzia korzystające z chmury danych są ważne nie tylko dla dostawców i administracji, ale także dla klientów końcowych, którzy muszą mieć wymagany przez prawo coraz większy dostęp do informacji, pozwalający im kształtować postawy oszczędnościowe i ekologiczne, a tym samym oszczędzać wydatki na energię, ciepło i wodę. Nowoczesne narzędzia analityczne wykorzystujące dane z urządzeń pomiarowych mają wpływać na podaż i zużycie mediów nie tylko na podstawie danych z tych urządzeń, ale także w oparciu o dane z prognoz i informacji bieżących o pogodzie (IoT) oraz modelowanie zachowań klientów w oparciu o ich wcześniejsze rzeczywiste zachowania i zmienne warunki w budynkach.

Przykładem reakcji na oczekiwania użytkowników może być m.in. podzielnik Hydroclima 2 – urządzenie dwuczujnikowe obliczające jednostki zużycia ciepła w zależności od temperatury grzejnika oraz temperatury pomieszczenia. Rozliczenia za ciepło budziły bowiem wiele uwag lokatorów, spowodowanych m.in. dużymi różnicami w opłatach za ciepło. W celu sprawiedliwego rozliczania kosztów ogrzewania oraz eliminacji zachowań niezgodnych ze społecznym poczuciem uczciwości nowoczesne podzielniki rejestrują statystyki temperaturowe grzejnika i otoczenia i wykrywają lokale ogrzane przez sąsiadów lub nadmiernie chłodzone. Ponadto przekazują m.in. wskazania jednostek w aktualnym okresie rozliczeniowym i dwóch poprzednich oraz w układzie miesięcznym i półmiesięcznym, temperaturę otoczenia i grzejnika w układzie miesięcznym i półmiesięcznym z aktualnego oraz poprzedniego okresu rozliczeniowego (24 miesiące), średnią temperaturę otoczenia w aktualnym i poprzednim okresie rozliczeniowym, średnią temperaturę grzejnika w aktualnym i poprzednim okresie rozliczeniowym, minimalną oraz maksymalną wartość temperatury podzielnika wraz z datą, a nawet alarmy (np. otwarcia podzielnika wraz z datą). Dane te umożliwiają sprawiedliwy podział kosztów w zależności od zachowań lokatorów.

Cyfryzacja usług komunalnych idzie coraz dalej i obejmuje nowe obszary, w tym gospodarowanie odpadami. Tu nie ma historycznych uwarunkowań i usługi informatyczne bardzo szybko się rozwijają dzięki smartfonom i aplikacjom na nie. Funkcjonują np. aplikacje na telefon pozwalające m.in. zamawiać usługi wywozu odpadów poremontowych czy śledzić harmonogram odbioru odpadów dla danego adresu. W przypadku gospodarowania odpadami warto wspomnieć o funkcjonującej od stycznia 2020 r. Bazie Danych o Odpadach (BDO). W wielu gminach zastosowane zostały także inne narzędzia technologiczne, takie jak wagi dynamiczne instalowane w śmieciarkach czy chipy RFID, które umożliwiają precyzyjne określenie ilości odpadów odbieranych w poszczególnych punktach.

Postęp w informatyce i transformacja cyfrowa w dziedzinie gospodarki komunalnej, w tym wodnej, już prowadzi do tworzenia wirtualnych reprezentacji systemów, w oparciu o które odbywać się będzie zarządzanie zasobami wody. Pozwoli to w czasie rzeczywistym reagować na potencjalne problemy i minimalizować ryzyko awarii. Branża komunalna sięgać będzie także po narzędzia wykorzystywane do zadań związanych z utrzymaniem ruchu i zarządzaniem przedsiębiorstwami, jak np. systemy EAM (Enterprise Asset Management) oraz CMMS (Computerized Maintenance Management System), co wpłynie korzystnie na efektywne wykorzystanie zasobów. Wraz z rzeczywistością wirtualną i uczeniem się tych narzędzi otworzy to nowe możliwości, jak np. automatyczne generowanie modeli uszkodzeń instalacji, a w efekcie szybkie identyfikowanie zagrożeń dla funkcjonowania systemu.

Cyfryzacja gospodarowania wodą to również zarządzanie jakością wody. To także możliwość przewidywania warunków pogodowych na podstawie zebranych danych i dopasowywania do nich sposobu funkcjonowania systemu. I w końcu – technologia oparta na cyfryzacji umożliwi przygotowanie skutecznych strategii w zakresie zapobiegania skutkom powodzi i burz, a zwłaszcza skutkom zmian klimatu i prognozowanego dla naszego kraju deficytu wody nadającej się do spożycia.

W Polsce wdrażane są także rozwiązania informatyczne przeznaczone do gospodarowania ściekami nieujmowanymi w sieciach kanalizacyjnych. Jest to szczególnie istotne w przypadku obiegu nieczystości płynnych na terenach nieskanalizowanych. Zastosowane już narzędzia umożliwiły skuteczne realizowanie ustawowych obowiązków nakładanych na najmniejsze jednostki administracyjne i firmy komunalne, przede wszystkim jednak pozwoliły na wprowadzenie sprawnego monitoringu obiegu wody i ścieków. Monitoring nieczystości płynnych polega w tym przypadku na tym, że przedsiębiorstwa wodno-kanalizacyjne (oczyszczalnie miejskie i gminne) oraz firmy asenizacyjne są wyposażane w program informatyczny wraz z aplikacją mobilną asenizacja.online. Umożliwia ona pracownikom oczyszczalni pełną kontrolę ilości i pochodzenia nieczystości przywożonych przez firmy asenizacyjne. Monitoring odbywa się w formie podglądu na żywo. Pracownicy firmy asenizacyjnej w swoim panelu WWW lub w aplikacji mobilnej uzupełniają wszystkie dane dotyczące zlecenia, w tym adres, objętość oraz rodzaj pobranych nieczystości. Na podstawie tych danych tworzone są gotowe raporty.

Podsumowanie

Gromadzenie dużej ilości danych dotyczących codziennych zachowań mieszkańców i ich potrzeb oraz funkcjonowania infrastruktury miejskiej nie jest już dziś problemem technicznym. Dla tego typu działań widać również duże poparcie społeczne, oparte z jednej strony na widocznych korzyściach płynących z wygody, jaką niesie ze sobą cyfryzacja, a z drugiej na zaufaniu, jakim darzone są przedsiębiorstwa komunalne. Mieszkańcy w znakomitej większości wierzą, że powierzone firmom komunalnym dane są wykorzystywane w sposób bezpieczny.

Rewolucja cyfrowa trafiła również na specyficzny okres – z jednej strony zyskała „sprzymierzeńca” w pandemii, jest też niezbędna do realizacji planu odejścia od nośników energii pochodzących z Rosji, pozwala bowiem na efektywne wykorzystanie dostępnych zasobów. Oczywiście konieczna jest też przy tym zmiana zachowań społecznych w kierunku bardziej zrównoważonego gospodarowania energią i pozostałymi mediami.

Idąc z duchem czasu, większość przedsiębiorstw komunalnych wdraża nowe technologie, choć wiele jest jeszcze do zrobienia. Jednak możliwości, jakie daje cyfryzacja, są szansą na poprawienie komfortu życia i jednocześnie dbałości o środowisko naturalne. To też pole do popisu dla firm komunalnych, które na podstawie posiadanych danych mogą dopasować ofertę do oczekiwań klientów.

Nowoczesne technologie cyfrowe decydują o innowacyjności i konkurencyjności gospodarki. Ich wykorzystanie w sektorze publicznym i obrocie gospodarczym jest papierkiem lakmusowym poziomu rozwoju społeczno-gospodarczego państwa.