כאשר רשתות חשמל לאומיות נסמכות יותר ויותר על אנרגיה מתחדשת ובלתי צפויה, פתרונות חדשניים כמו תחנות כוח וירטואליות הם קריטיים לאיזון בין היצע לביקוש.
בשנת 1935, הקימה בריטניה את רשת החשמל הלאומית הראשונה בעולם – מערכת מהפכנית, שקישרה בין תחנות כוח מרכזיות וגדולות לרשתות אזוריות ברחבי הארץ כדי ליצור רשת רציפה המסוגלת לספק מענה טוב יותר לעלייה בצריכת החשמל.[1][footnoteRef:2] מודל זה של ייצור חשמל רחב היקף וניתן לחיזוי מפחם, מגז ובסופו של דבר ממקורות גרעיניים הניח את היסודות להפצת חשמל אמינה ברחבי העולם במהלך המאה ה-20.
אולם, במהלך העשורים האחרונים, התמקדות גוברת בקיימות הובילה לשינוי באופן הפעולה של מקורות אנרגיה המחוברים לרשת החשמל, כאשר משאבי אנרגיה מבוזרים (DERs), כמו מערכות פוטו-וולטאיות סולאריות (PV) וטורבינות רוח, הפכו למובילים בתחום.
במאמר זה נבחן את החשיבות הגוברת של תחנות כוח וירטואליות (VPPs) בפתרון האתגרים הקשורים למקורות קטנים של אנרגיה מתחדשת, ואת תפקידה של קהילת האלקטרוניקה, לרבות מהנדסים, יצרנים ומפיצים, בקידום טכנולוגיות מתקדמות אלה.
המכניקה של תחנות כוח וירטואליות
ייצור חשמל בהיקף מוגבל באמצעות טחנות רוח ואנרגיה סולארית אמנם מעודד עצמאות אנרגטית וקיימות עבור בתים ועסקים רבים, אך הן מציבות אתגרים חדשים בפני רשתות החשמל הלאומיות. ככל שיותר חשמל מגיע ממקורות מתחדשים אלה, העשויים להשתנות לעיתים קרובות, המודל המסורתי של רשתות חשמל ריכוזיות מאבד רלוונטיות, ונדרשות אסטרטגיות בקרה גמישות יותר כדי להתאים בעקביות את ההיצע לביקוש.
תחנות כוח וירטואליות (VPPs) מאחדות מערך רחב של משאבי DER לפלטפורמה אחידה ומבוקרת דיגיטלית. משאבי DER אלה כוללים פאנלים סולאריים קטנים על גגות, חוות רוח גדולות, מערכות אחסון אנרגיה בסוללות (BESSs) וכלי רכב חשמליים המצוידים במטענים דו-כיווניים מובנים (OBCs). כל אחד מהגורמים הללו תורם אספקת חשמל או ביקוש משתנים בהתאם לתנאי מזג האוויר ולדפוסי הצריכה המקומיים.
שימוש בטכנולוגיות מתקדמות, כגון בינה מלאכותית (AI) ואינטרנט של הדברים (IoT), מאפשר לתחנות כוח וירטואליות (VPPs) לנהל את פעילותם של משאבי אנרגיה מבוזרים באופן מתואם, ולהבטיח שההספק המשולב, או הביקוש לחשמל, יהיו צפויים יותר ויותאמו במדויק לביצועים הנוכחיים של הרשת. ניהול זה מאפשר שליטה יעילה יותר של מפעילי רשתות חשמל על ההיצע והביקוש ברשת בזמן אמת, ותחנות הכוח הווירטואליות (VPPs) מאפשרות איזון עומסים משופר, תגובה לביקוש ועמידות של הרשת תוך הפחתת התלות בדלקי מאובנים כדי לספק מענה לעומסי שיא.
שיפור האיזון של רשת החשמל
תיאום הספק דינמי של משאבי DER מרובים מאפשר לתחנת כוח וירטואלית (VPP) לפעול למעשה כמאגר וירטואלי – לקלוט ולהפיץ מחדש אנרגיה בזמן אמת כדי לשמר אספקת חשמל רציפה. פעולות אלה מסייעות לאזן תנודות בייצור האנרגיה, האופייניות למקורות מתחדשים, כאשר התגובה המתואמת מסייעת להפחית את הסיכון לחוסר יציבות במתח ולהפסקות חשמל – במיוחד בזמנים של ייצור חשמל נמוך או של עומסים גבוהים ברשת.
כדי לאזן את צריכת האנרגיה ולייצב את רשת החשמל בבריטניה, פיתחה Octopus Energy תחנת כוח וירטואלית לניהול הטעינה של כלי הרכב החשמליים של לקוחותיה. ה-VPP משלבת ניהול הספק חכם של כלי רכב חשמליים (100MW), הנטענים אוטומטית בתקופות של אנרגיה זמינה בעלות נמוכה (כאשר הספק ייצור החשמל מאנרגיה מתחדשת בשיאו), זאת כדי לאזן בין הביקוש מהרשת להספק הכולל שלה.[2][footnoteRef:3]
Electric car plugged in to charge outside home with power cable איור 1: תחנת כוח וירטואלית יכולה לכלול רכב חשמלי המחובר לבית, ולספק מערכת BESS אמינה וגדולה (מקור: tommoh29/stock.adobe.com)
מערכת ראשונית זו אמנם מתמודדת עם ביקוש בלבד, אך Octopus החלה להציע תעריף רכב לרשת (V2G) חכם לכלי רכב חשמליים המצוידים במטענים דו-כיווניים (OBCs) כדי להתמודד עם אתגרים הנוגעים לאספקת חשמל.[3][footnoteRef:4] מערכת זו מאפשרת לכלי הרכב שנבחרו להחזיר חשמל לרשת במהלך ביקוש שיא, ומשפרת את הייצוב של הפצת החשמל המקומית.
שיפור נצילות הרשת
בבריטניה, כ-6% מהחשמל אובד במהלך ההפצה, [4][footnoteRef:5] והפסדי ההעברה מהווים כ-1.7% מההספק הכולל [5][footnoteRef:6]. אסטרטגיית צמצום ההפסדים של רשת החשמל הלאומית בבריטניה מזהה את המעבר לייצור חשמל מבוזר (לרבות משאבי DER ותחנות VPP משולבות) בתור הזדמנות לצמצם את הפסדי החשמל ברשת על ידי קירוב הייצור לנקודות הצריכה.[6][footnoteRef:7]
איור 2: קווי מתח גבוה יכולים להוליך חשמל למרחק רב. אולם, הם מהווים גם מקור משמעותי להפסד אנרגיה (מקור: דויד קלברטstock.adobe.com)
האסטרטגיה מדגישה גם את הצורך לקדם רשת חשמל חכמה, לרבות יצירת פלטפורמות לסחר עמיתים של אנרגיה – מרכיב מרכזי בתחנות כוח וירטואליות (VPPs) חכמות.[7][footnoteRef:8]
מענה לביקוש
בתקופות של ביקוש שיא לאנרגיה, העולה על ההיצע הזמין, לעיתים קרובות נדרשות רשתות חשמל מסורתיות להפעיל מתקנים משלימים לייצור חשמל שברוב המקרים פחות ידידותיים לסביבה. לעומתם, תחנות כוח וירטואליות יכולות להגיב לביקוש על ידי צמצום זמני של צריכה לא חיונית, פריקת אנרגיה ממערכות BESS או הסטת עומסים לשעות שפל.
בשנים האחרונות, חלה עלייה במספר הפסקות החשמל במערב אוסטרליה – במיוחד בקיץ, בתקופות של טמפרטורות גבוהות וביקוש מוגבר למיזוג אוויר. בתגובה לכך, שילבה Plico, חברה לפתרונות אנרגיה נקייה, 2,500 מצברים ביתיים כדי ליצור תחנת כוח וירטואלית (VPP) בהספק השקול לסוללה אחת של 27MWh.[8][footnoteRef:9]
המערכת פעלה פעמיים בדצמבר 2024, טיפלה בביקוש הגבוה של הקיץ, מנעה הפסקות חשמל וחוסר יציבות באספקת החשמל והתווספה ל-13 היישומים המוצלחים המקבילים בקיץ 2023/2024. תחנת הכוח הווירטואלית (VPP) הוקמה כחלק מהתגובה האסטרטגית למחסור באנרגיה של מפעיל שוק האנרגיה האוסטרלי (AEMO), שזיהה חסר עתודה בהיקף של 326MW במערכת החשמל הראשית של המדינה.[9][footnoteRef:10]
יצירת שוק אנרגיה הוגן יותר
נוסף על השיפורים התפעוליים הללו, תחנות כוח וירטואליות (VPPs) יכולות לקדם מערכת אנרגיה הוגנת יותר על ידי פתיחת אפשרויות לסחר חופשי באנרגיה בין משתמשים. גישה מבוזרת זו מאפשרת ליצרני אנרגיה פרטיים למכור אנרגיה עודפת ישירות לצרכנים תוך עקיפת המתווכים המסורתיים, ולקדם שוק אנרגיה תחרותי ועמיד יותר.
ההשפעה המשולבת של החידושים המוצעים על ידי תחנות כוח וירטואליות (VPPs) היא רשת חשמל לאומית שאינה רק יציבה ויעילה יותר, אלא גם מגיבה באופן יעיל יותר לדרישות המשתנות של עתיד אנרגטי בר-קיימא.
תפקידם של מהנדסי אלקטרוניקה בקידום טכנולוגיית VPP
תחנות כוח וירטואליות (VPPs) מנוהלות בדרך כלל על ידי מערכת מרכזית לניהול משאבי אנרגיה מבוזרים (DERMS), המייעלת את איסוף הנתונים והבקרה ומספקת בזמן אמת תובנות לגבי ייצור האנרגיה, השימוש בה והיבטים סביבתיים. מערכות DERMS מבוססות על למידת מכונה מתקדמת (ML) ו-AI, ומאפשרות חיזוי קצר טווח והתאמות מהירות לתנודות באספקת החשמל.
עם זאת, הפעולה של מערכת DERMS מבוססת לא רק על תוכנה, אלא גם על אינטגרציה חלקה של חומרת קצה והתקני IoT אמינים – לרבות מהפכים חכמים, מיקרו-בקרים וחיישנים – שחייבים לתקשר באופן מאובטח עם VPP לצורכי משוב ובקרה.
אספקת קישוריות VPP אמינה
שימוש פנימי ב-Ethernet נפוץ בתוך משאבי DER הודות לאמינותו ולחסכוניות שלו למרחקים קצרים. הפופולאריות של 10BASE-T1S Single Pair Ethernet (SPE) גדלה במיוחד בשל פשטותו.
מספר טכנולוגיות אלחוטיות קצרות וארוכות טווח תומכות ברשתות הקוויות בתוך DERs. לתקשורת קצרת טווח בין ה-DERs לרשתות המארחות המקומיות, משתמשים לעיתים קרובות ב-Wi‑Fi המאפשר העברת נתונים במהירות גבוהה לשירותי ענן, בעוד טכנולוגיות Bluetooth® Low Energy ו-Zigbee משמשות לתקשורת קצרת טווח בהספק נמוך, המותאמת באופן אידיאלי לשילוב חיישנים ולניטור בזמן אמת.
טכנולוגיות ארוכות טווח כמו LoRaWAN ו-NB-IoT מרחיבות את הכיסוי לאזורים מרוחקים, ומשלימות רשתות סלולאריות כמו 5G כדי לספק תקשורת בקיבולת גבוהה ובשיהוי נמוך באזורים גיאוגרפיים נרחבים.
השילוב בין טכנולוגיות תקשורת אלה תורם להאצת הדיגיטציה והתבונה של רשתות החשמל, ומאפשר לשלב בקלות מוני אנרגיה חכמים, מהפכים סולאריים ומערכות BESS גם מחוץ לרשתות אלחוטיות מקומיות ואמינות.
הבטחת תקשורת מאובטחת עם ה-VPP
ככל שתחנות כוח וירטואליות (VPPs) הופכות לחלק קריטי מתשתית האנרגיה הלאומית, הצורך בפתרונות מתקדמים לאבטחת חומרה הופך לגורם מכריע. כדי להגן על שלמות הנתונים והסודיות שלהם באלפי התקנים המחוברים זה לזה, מתכנני מערכות קריטיות בתוך תחנות כוח וירטואליות (VPPs) יכולים להטמיע מספר אמצעים לאבטחת חומרה.
רכיבים מאובטחים, כמו מודולי אבטחת חומרה (HSMs), פונקציות שאינן ניתנות לשכפול פיזי (PUFs) ומודולי פלטפורמה מהימנה (TPMs), יכולים לספק הצפנה ואבטחה מבוססי חומרה על גבי שבב, ולהבטיח הגנה על מידע רגיש מפני השחתה וגישה בלתי מורשית.
פתרונות האבטחה OPTIGA™ TPM של Infineon Technologies, הזמינים ב-Mouser Electronics, הם בקרי אבטחה מתוחכמים המשתמשים בקריפטוגרפיה מתקדמת כדי להגן על השלמות של התקנים ומערכות משובצי רשת ועל האותנטיות שלהם.
איור 3: פתרונות האבטחה OPTIGA TPM של Infineon תומכים באלגוריתמים הקריפטוגרפיים העדכניים ביותר, ומשתלבים בקלות במערכות (מקור: Mouser Electronics)
ניתן לשלב בקלות פתרונות TPM חדשניים אלה במערכות תקשורת המשובצות תשתית VPP מרכזית, כגון מונים חכמים, מהפכים, פאנלים סולאריים ושערי רשת אחרים. הם נושאים אישורי Trusted Computing Group (TCG), Common Criteria (EAL4+) ו-Federal Information Processing Standard (FIPS). התקנים אלה מאפשרים תקשורת מאובטחת בין הענן לנקודות הקצה, ממזערים את הסיכוי לפרצות אבטחה שמקורן בהתקני קצה ושומרים על האבטחה של תחנות כוח וירטואליות (VPPs).
מהנדסים יכולים להשתמש גם בתכונות האבטחה המשולבות ביחידות המיקרו-בקרים (MCUs) ובמערכות על שבב (SoCs) העדכניות ביותר, כגון אתחול מאובטח, בדיקת תקינות זמן ריצה והצפנה ברמת החומרה, כדי לחזק עוד יותר את קשרי הקצה של תחנת כוח וירטואלית (VPP). השילוב של פתרונות חומרה אלה יוצר הגנה רב-שכבתית, המשלימה פרוטוקולים מבוססי תוכנה ומבטיחה את אבטחת התקשורת בין צומתי הקצה למערכת ה-DERMS VP המרכזית.
סיכום
תחנות כוח וירטואליות (VPPs) צפויות למלא בעתיד תפקיד מרכזי בניהול אנרגיה, ולשדרג את היציבות, הנצילות והעמידות של רשת החשמל באמצעות טכנולוגיות דיגיטליות מתקדמות. אגירה חכמה של מקורות אנרגיה מבוזרים (DERs) ושילוב מערכות תקשורת ואבטחה עוצמתיות מאפשרת להן לסלול את הדרך לעתיד בר-קיימא ודל פחמן.
עם התפתחות תחום האנרגיה, ההצלחה המתמשכת של תחנות כוח וירטואליות (VPPs) תישען על שיתוף הפעולה פורץ הדרך בין מהנדסי אלקטרוניקה, יצרנים ומפיצים כדי להוביל את הפתרונות הדרושים ליצירת רשתות חשמל נקיות וחכמות יותר.
Mouser Electronics
מפיץ מורשה
תמונת נושא: תחנות כוח וירטואליות מאחדות מספר משאבי רשת מבוזרים לישות ניהול אחת (מקור: petovarga/stock.adobe.com)
1 https://www.nationalgrid.com/stories/energy-explained/history-of-energy
2 https://octopus.energy/press/octopus-energy-grows-uks-largest-virtual-powerplant/
3 https://octopus.energy/power-pack/
4 https://www.nationalgrid.co.uk/smarter-networks/losses
5https://publications.parliament.uk/pa/cm201415/cmselect/cmenergy/386/38607.html
6 https://www.nationalgrid.co.uk/downloads-view-reciteme/652217
7 https://www.nationalgrid.co.uk/smarter-networks/losses/changes-tolosses-
as-our-network-changes
8 https://www.ess-news.com/2024/12/13/western-australia-activates-2500-
home-battery-vpp-to-prevent-blackouts/
9 https://www.plicoenergy.com.au/blog/australias-power-future
