Zmena podnebia je jednou z najväčších výziev, ktorým ľudstvo čelí. Aby sa podarilo zmierniť globálne otepľovanie, bude potrebné zrealizovať prechod od fosílnych palív na obnoviteľné zdroje energie. Slnečné žiarenie a vietor však nie sú v čase dopytu vždy k dispozícii. Aktuálne prebieha množstvo výskumov týkajúcich sa použiteľných technológií úložiska, pričom kľúčové slovo je Power-to-X (metódy premeny elektrickej energie na kvapalné alebo plynné chemické energetické zdroje, pozn. red.).
Existujú však aj ďalšie možnosti, napríklad elektráreň Huntorf, ktorá je v prevádzke už od roku 1978, a je zároveň jediným úložiskom v Európe využívajúcim energiu stlačeného vzduchu v kombinácii s plynovou turbínou (obr. 2).
Pôvodne bola vybudovaná s cieľom uskladnenia elektrickej energie vyrábanej v noci pri zvýhodnenej tarife a jej dodávku do elektrickej siete počas najväčšej dennej špičky. Elektráreň Huntorf dnes využíva vzduch ako pracovné médium na ukladanie akejkoľvek prebytočnej elektriny v období, keď sa generuje väčšie množstvo elektrickej energie z vetra. Keď je elektrická energia potrebná neskôr, uskladnený stlačený vzduch sa privádza z podzemných zásobníkov do plynovej turbíny spojenej s generátorom, ktorý dodáva energiu späť do elektrickej siete. Prevádzka tak významne prispieva k udržiavaniu stability prenosovej sústavy. Elektráreň na uskladnenie energie stlačeného vzduchu Huntorf dokáže počas troch hodín zabezpečiť stabilný výkon 321 MW.
Zber a vizualizácia prevádzkových údajov
Prevádzka zásobníka stlačeného vzduchu v Huntorfe je riadená na diaľku. Aby to však bolo možné, musí byť operátor v nadradenej elektrárni Uniper schopný monitorovať zariadenie a vykonávať spínanie na diaľku. Elektráreň Huntorf zohrávala kľúčovú úlohu, takže bolo potrebné zodpovedajúcim spôsobom modernizovať existujúcu technológiu.
Nainštalované ovládanie a technické vybavenie sú rovnako staré ako samotná elektráreň (obr. 3). Napriek pravidelnej údržbe bolo zrejmé, že zariadenie nebude schopné čeliť budúcim výzvam. Vzhľadom na tieto skutočnosti nastal čas na modernizáciu častí prevádzky alebo jej vybavenie novou technológiou.
V rámci prvotného rozšírenia elektrárne bolo potrebné načítať kľúčové prevádzkové údaje z existujúceho regulátora elektrárne prostredníctvom zbernicového protokolu Modbus/TCP a zobraziť ich prostredníctvom webovej vizualizácie. Relevantné výstrahy sa posielajú priamo na mobilný telefón zamestnancov, aby operačný personál mohol rýchlo reagovať na poruchy (obr. 4). Okrem toho musia byť všetky prevádzkové údaje sprístupnené nadradenej riadiacej miestnosti v elektrárni Uniper vo Wilhelmshavene.
Rozšírenie o otvorenú platformu riadenia
Riešenie by zároveň malo podporovať budúce technológie. Preto si vedenie elektrárne Uniper pri realizácii projektu rozšírenia závodu vybrala technologický ekosystém PLCnext od spoločnosti Phoenix Contact.
PLCnext Control je iba jednou časťou tohto ekosystému (obr. 5). Ide o otvorenú platformu riadenia založenú na operačnom systéme Linux. V elektrárni Huntorf zariadenie PLCnext Control načíta kľúčové prevádzkové údaje z existujúceho riadiaceho systému elektrárne a preposiela ich do lokálnej webovej vizualizácie, ku ktorej možno pristupovať pomocou štandardného prehliadača.
Na komunikáciu medzi PLC a vizualizáciou sa používa komunikačný štandard OPC UA. Obsluhujúci personál je preto schopný kedykoľvek sledovať stav zariadenia – či už zo svojho počítača v kancelárii, alebo prostredníctvom inteligentného zariadenia. Bezdrôtový modem LTE vytvára VPN tunel do nadradenej riadiacej miestnosti vo Wilhelmshavene. Pripojenie sa nadväzuje aj pomocou protokolu Modbus/TCP (obr. 6).
„PLCnext Control je ideálnym riešením na pripojenie elektrárne Huntorf k existujúcemu riadiacemu systému, ako aj na čítanie a preposielanie údajov,“ uvádza Uwe Krüger, prevádzkový riaditeľ Power Plant Group vo Wilhelmshavene. „Platforma otvoreného riadenia nám umožňuje flexibilne kombinovať staršie existujúce komunikačné cesty s novými riešeniami.
Prenos dát v blockchaine
Celá aplikácia, ktorá beží na riadiacom systéme, je v súlade so štandardom IEC 61131, bola vytvorená vo vývojovom prostredí PLCnext Engineer. Tento nástroj sa používa na konfiguráciu, programovanie a vykonávanie diagnostiky zariadení PLCnext Control. V prípade, že bude potrebné ďalšie rozširovanie, otvorená platforma umožňuje aj integráciu softvérových programov v jazyku vyššej úrovne, ako sú C++ alebo C# (obr. 7).
Spolu so zariadením PLCnext Control a vývojovým prostredím používa elektráreň Uniper modul PLCnext Store. Spoločnosť Phoenix Contact a ďalší poskytovatelia ponúkajú softvér prostredníctvom tohto digitálneho trhu. Nájdete tu položky od funkčných blokov a rozšírení pre jednotlivé funkcie až po aplikáciu pripojenia do cloudu. Pre projekt rozšírenia elektrárne Huntorf si zamestnanci stiahli knižnice na komunikáciu Modbus, aby mohli pripojiť existujúci riadiaci systém elektrárne. Verejne dostupná podpora nových technológií, napríklad blockchain, je jedným z hlavných dôvodov, prečo sa tím Uniper rozhodol použiť technológiu PLCnext. Na rozdiel od existujúceho riadiaceho systému dokáže PLCnext Control prenášať načítané hodnoty v blockchaine. Vďaka tomu možno ukladať a balansovať veternú energiu generovanú v regióne vo vzťahu k energii, ktorá sa dodáva a odoberá z elektrárne Huntorf.
Ochrana pred neoprávneným prístupom
Elektrárne patria medzi kritickú infraštruktúru, a preto zohrávajú zásadnú úlohu pri udržiavaní kľúčových potrieb spoločnosti. Z hľadiska IT bezpečnosti vyžadujú osobitnú ochranu, aby útočníci nemohli získať neoprávnený prístup k jednotlivým technickým prostriedkom. Na zaistenie integrity, dostupnosti a predovšetkým dôvernosti všetkých údajov ponúka PLCnext technológiu zabezpečenia už od návrhu. Hardvér a softvér sú preto vyvinuté tak, aby boli čo najsilnejšie a najodolnejšie kybernetickým útokom. To znamená, že bezpečnostné aspekty možno implementovať v súlade s časťou 4-1 hlavnej medzinárodnej normy týkajúcej sa bezpečnosti IEC 62443.
Zariadenia PLCnext Control preto už obsahujú širokú škálu bezpečnostných funkcií, ako je zabudovaný firewall, šifrovanie prichádzajúcej a odchádzajúcej komunikácie pomocou VPN (Virtual Private Network), napríklad pomocou IPsec alebo OpenVPN, a TLS (Transport Layer Security) na bezpečný prenos údajov cez internet. Uniper používa správu používateľov na základe ich úloh, čo znamená, že aplikačný program, ktorý beží na PLC, môže vzdialene upravovať iba oprávnený personál. Každému zamestnancovi je priradený individuálny prístupový účet spravovaný zodpovedajúcim spôsobom. Pokiaľ ide o spracovanie certifikátov, zariadenie PLCnext Control na to obsahuje modul Trusted Platform Module (TPM). Je to mikročip, ktorý poskytuje základné bezpečnostné funkcie na úrovni hardvéru. Modul TPM umožňuje bezpečné generovanie kryptografických kľúčov a ich ukladanie takým spôsobom, aby ich externé strany nemohli meniť.
Integrácia budúcich technológií
Revolúcia v energetike predstavuje nové výzvy pre skladovanie energie stlačeného vzduchu v prevádzke Huntorf. V centre pozornosti je modernizácia závodu staršieho ako 40 rokov, aby bol schopný pohodlne zvládnuť budúce požiadavky (obr. 8).
Preto sa prevádzka Uniper rozhodla pre ekosystém PLCnext Technology, pričom hlavnými dôvodmi bola otvorená platforma a kompatibilita, ktorú poskytuje pri technickom rozširovaní existujúcich prevádzok. Riešenie spĺňa aj všetky požiadavky na zvýšenie bezpečnosti údajov. Technológie, ktoré sa ešte len vyvíjajú, sa dajú navyše ľahko integrovať do ekosystému neskôr, napríklad pomocou aplikácií z PLCnext Store. Týmto spôsobom zostane elektráreň v budúcnosti pripravená na ďalšie desaťročia.