מערכות ביתיות לניהול אנרגיה לצריכה

מאת: Yan Vainter, Freescale

הצורך ברשת חשמל חכמה יותר
השינויים במדיניות והשינויים התעשייתיים והחברתיים מניעים את הצורך בשינוי צורתה של שרשרת הערך של האנרגיה. המוקד העולמי באנרגיה ירוקה ובשינויי האקלים, וההסתמכות שלנו, המתרחבת כל הזמן, על טכנולוגיות חשמל ספרתיות דורשים רשת אמינה יותר ודו כיוונית יותר, שמעורבת בכמות משמעותית של משאבי אנרגיה מבוזרים.
ובנוסף, על פי המשוער, דרישת החשמל עומדת להתרחב בשנים הקרובות, כאשר מקורות אנרגיה מסורתיים יוחלפו בחשמל, עובדה זו נכונה בעיקר לגבי מכוניות, כאשר כלי רכב חשמליים ייחשבו בעתיד לפתרון ידידותי יותר לסביבה.
כדי שאפשר יהיה להתאים לכל השינויים הצפויים, דרישות רשת החשמל צריכות לעבור מרשת היררכית, חד כיוונית וממורכזת לרשת מבוזרת עם רשת תקשורת שמקבלת תוספות חשמל שנוצר אצל הצרכנים המשתמשים במשאבי אנרגיה מתחדשת.
כדי להבטיח זמינות אספקה ונצילות הספק, ועל מנת למנוע מצבי אי יציבות ברשת החשמל הנובעים מזרימת הספק דו כיוונית ומדרישות פחות חזויות, יש גם צורך ברשת משולבת של מידע וטכנולוגיות תקשורת (ICT) שפועלת כמישור בקרה.
רשת החשמל המבוזרת והדו כיוונית ומישור הבקרה ICT המיוחס לה, נמצאים בלב לבה של הרשת החכמה, אך עם זאת היא תוכל להגדיל למקסימום את היתרונות שלה, רק אם אפשר יהיה להבטיח את התקשורת אל הבתים ובין המכשירים השונים שבתוך הבתים.
ההבטחות של הרשת החכמה יכולות אם כן להתגשם רק אם תובטח היענות רבה יותר, מעורבות רבה יותר והשתתפות פעילה יותר מצד הצרכנים שבבתים. השתתפות צרכנים פעילה בתוכנית היענות לדרישה תאפשר למשתתפים לתרום לגמישות של הרשת, ותאפשר למשתמשים להתאים את דרישות החשמל שלהם (ומכאן גם את החשבונות שלהם) כתגובה לאותות בנוגע למחיר או לפעולות מבוססות על אמינות הנדרשת מהמכשיר. מעורבות רבה יותר במקורות אנרגיה מבוזרים תציע לצרכנים טווח חסר תקדים של אפשרויות בחירה בכל הנוגע לדרך השימוש, האחסון או המכירה של האנרגיה שלהם, שיעמדו בקו אחד עם הערכים הכלכליים והערכים החברתיים שלהם.
השירותים והיישומים של אנרגיה חכמה המוזכרים לעיל, אשר מתאפשרים על ידי רשת החשמל החכמה לא יהיו על המד החכם, שהיא נקודת הקצה של הרשת המובילה אל בתי המגורים, אלא יהיה עליהם להתארח על מכשירים משלימים כגון קופסת ניהול האנרגיה הביתית. מכשיר מודולרי זה יעזור בהקמת ניהול אנרגיה מקיף במקומות שבהם נמצאים הצרכנים.

הצורך במנהל אנרגיה ביתית
לרוב הצרכנים יש בקושי מושג קלוש באשר לכמות האנרגיה שבה הם משתמשים למטרות השונות. אך עם זאת הם מוטרדים למדי בנוגע לחשבונות החשמל שהם מקבלים לתשלום, ורוצים לחסוך כסף, להתנהג באופן ירוק יותר, ולחסוך באנרגיה, בתנאי שיבינו לאן החשמל הולך, כמה הם מבזבזים ובתנאי שיבינו איך הם יכולים להפיק יתרונות ממשיים מצריכה אופטימלית.
לכן, חשוב מאוד שהצרכנים יוכלו לעקוב אחר עלויות האנרגיה בזמן אמת, ושיהיו מסוגלים להבין את זרימות האנרגיה השונות בתוך הבתים או המבנים. אם תובנות אלו ואמצעים למימושי בקרה מרחוק, יהיו זמינים במכשירים קלים להתקנה ופשוטים לשימוש ואפשר יהיה לגשת אליהם בדרך מקוונת או דרך מכשיר נייד, בתוך הבתים או בלוח תצוגה מרחוק, הם יעניקו לצרכנים את היכולת ויעזרו להם לשנות את התנהגותם ולהקטין את חשבונות הצריכה שלהם.
המד החכם מאפשר לצרכנים לשמור על חשבונות האנרגיה שלהם אך אינו עושה זאת בעצמו – מדים חכמים עוזרים בעיקר לחברות תשתית לקבל קריאות טובות יותר לגבי שימוש בחשמל ויעזרו לחברות התשתית לחסוך אנרגיה וכסף. על מנת לסייע לצרכנים לעשות אותו דבר תוך כדי שהם מבטיחים לענות על הציפיות של חברות התשתית בנוגע לשיעור האימוץ הצרכני כתגובה לדרישה או לפי תוכניות ניהול עומסים, דומה שחוץ ממדים חכמים, ההשקה של מכשירים ידידותיים לצרכן בתוך הבתים הופך להיות הכרחי.
קופסת ניהול האנרגיה הביתית המחוברת למכשירים רבים בתוך הבית – החל במד חכם, מכונת כביסה חכמה, מערכות מיזוג אוויר ואוורור חכמות (HVAC) ועד תחנת טעינה של רכב הייברידי חשמלי שמתחבר לחשמל (PHEV) – היא דוגמה למכשיר ידידותי לצרכן כזה. היא יכולה לכלול תוכניות אוטומטיות של מענה לדרישה המגיבות להודעות חברות התשתית, בהתאם למדיניות שנקבעה על ידי המשתמש, אבל היא גם כוללת תוכנה לביטול הצטברות עומס הרסנית וגורמת למשתמש הקצה להיות מודע לתבנית ולהתנהגות של צריכת האנרגיה שלו בזמן אמת.
קופסת הניהול שנמצאת במצב פועל 24/7 יכולה לעזור בפתרון הבעיה של ניהול אנרגיה בתחום של המשתמש ולפעול כמלווה ומדריך בנושא אנרגיה, או לנקוט תפקיד פעיל יותר ולפעול כבקר דינמי מסיט עומסים. מלווה האנרגיה יכול להציע עצות לחיסכון באנרגיה, כשהוא מכוון לפרופיל האנרגיה הכולל ובקר הסטת העומס יכול לנהל בשקט את שימוש האנרגיה בבתים או בעסקים קטנים, ויצירת רצף פעולה שאינה מתרחשת בו זמנית של מכשירים ניתנים לבקרה, לזמנים שבהם עלות האנרגיה נמוכה, על בסיס שעה-אחר-שעה או אפילו דקה-אחר-דקה.

בעתיד הקופסה תוכל גם לפעול כמנהל אנרגיה המתאם את זרימות האנרגיות בתחום השייך למשתמש. על פי שיעורי חשמל לפי זמן השימוש בזמן אמת, יכולות הפקת חשמל מקומית ורמות אחסון חשמל מקומיות, הקופסה יכולה לאזן את רמת הנוחות של המשתמש ואת סגנון חייו עם חשבון ממוזער של חברת השירות ועם החלטות מקומיות אופטימליות של שימוש באנרגיה, אחסונה ומכירה של אנרגיה.

מנהל האנרגיה הביתית בבית
באיור 1 אפשר לראות תרחיש פרישה אופייני עבור קופסת ניהול אנרגיה ביתית בתוך הבית.
קופסת ניהול האנרגיה הביתית:
מקבלת אל הבית תרחישי מחירים או אירועים בתגובה לדרישה, באמצעות רשת של תשתית מדידה מתקדמת (AMI) וממשק המודד החכם שלה (או לחלופין, דרך ממשק הפס הרחב)
מנטרת ומבקרת קבוצה של יישומים בעלי יכולת היענות לדרישה (למשל, תרמוסטט, דוד חימום מים, תנור חימום ועוד…).
מנטרת ומבקרת קבוצה של יישומים בעלי יכולת לאוטומטציה ביתית (למשל, מכונת כביסה, עמעום אורות ועוד…).
קוראת את נתוני ההספק מתוך המודדים והעומסים השונים, על בסיס תקופתי.
מספקת ניתוחים מעמיקים (למשל, תוצאות אי הצטברות העומס) לתצוגות מקוונות, ניידות או מקומיות שונות.
ואז היא מוכנה כדי:
להפעיל יישומים קטנים (ווידג’טים) רבי ערך ובעלי אישור של צד שלישי (למשל, יישומים לחיסכון באנרגיה)
לנטר את ההפקה המתחוללת ביחידות ייצור חשמל זעירות
לנטר טעינה של רכב חשמלי

איור 1

פלטפורמת הפיתוח של מנהל האנרגיה הביתית של Freescale
הפלטפורמה לייחוס של מנהל האנרגיה הביתית שפותחה על ידי Freescale היא פלטפורמה פתוחה לפיתוח חומרה ותוכנה, המיועדת להניע את התכנון של מוצרים חדשים שמשלימים את השקתו של המודד החכם.
הפלטפורמה של Freescale יכולה לספק את הבסיס למכשירים המכוונים אל אותם צרכנים שמעונינים לנהל ולבקר בזמן אמת את צריכת החשמל ואת עומסי האנרגיה האחרים בבניין או בבית. הפלטפורמה מצוידת בטכנולוגיות שעברו תיקוף מראש ומאפשרות למתגוררים בבתים או למי ששוכן בבניין לבקר או לתכנת מרחוק את המערך של ההתקנים האוטומטיים, כדי לנהל את השימוש באנרגיה בדרך חכמה ולהתחבר בחיבור פנימי אל הטכנולוגיות השונות שבבית.
על אף שמלכתחילה הפלטפורמה נועדה לניהול אנרגיה, זמן השימוש, או מכשירים מוכנים להיענות לפי דרישה על ידי צרכנים, בדרך כלשהי רואים בה פלטפורמה שבעתיד תוכל בקלות לענות על הדרישות העתידיות של פריסת יישומים בעלי ערך מוסף (כגון עצות ורמזים ייחודיים ללקוח, לביצוע אופטימיזציה של צריכת האנרגיה, יוזמות עידוד של חברות התשתית, ועוד) או דרישות עתידיות של אבחון / חיזוי תקלות במכשירים ובציוד או של השגחה דרך וידיאו, של ניטור יחידות זעירות להפקת חשמל, של אחסון מבוזר או של הדרישות לטעינת רכב חשמלי.
לפלטפורמה לניהול אנרגיה ביתית של Freescale יש יכולת שמספיקה כדי לאסוף נתוני זמן אמת שהועברו דרך רשת של מודדים וחיישנים חכמים, אך גם כדי להפעיל עיבוד של תשתית עד לאספקת הדמיות לביצוע אבחון באופן חזותי אינטואיטיבי ורב עוצמה, באמצעות כמה שיטות גישה לרבות מסך מגע, טלפונים ניידים ודפדפנים ברשת.
כתוצאה מכך, הפלטפורמה של שער חיבור האנרגיה הביתית מספקת בסיס איתן לפיתוח של התקנים ברשת התקשורת הביתית (HAN) שהם קלים להתקנה ועשירים בתכונות, ותומכים בדרכים מרתקות לשילוב אנשים, לחינוכם, לעידודם ולהאצלת יכולות לשימור משאבים ולחיסכון כספי.

איור 2

הפלטפורמה לפיתוח שער חיבור האנרגיה הביתית של Freescale
חברת Freescale עוזרת להגשים את החזון של בית חכם יותר וירוק יותר בעזרת הפלטפורמה הקומפקטית (8.5 ס”מ  7.8 ס”מ) שלה, לפיתוח שער חיבור האנרגיה הביתית, הניתנת לשדרוג ומבוססת על גורם צריכת הספק נמוך מודולרי, (הנראית באיור 2) ואשר כוללת:
מעבד יישומים רב יכולת שפועל בהספק נמוך (מבוסס על ARM® 926) – המשבץ יחידה לניהול הספקים, יחידת הצפנה וקבוצה רחבה של בקרים לקישוריות, על מנת לאפשר הפעלה קבועה של מכשירי HAN חכמים יותר וירוקים יותר, בהספק נמוך ובעלות נמוכה.
תקשורת רדיו בפס ISM (תעשייתי, מדעי ורפואי) או תקשורת רדיו אלחוטי – ®ZigBee – (עם הכנה לחיבור מודם בקו המתח)  – על מנת לאפשר קישוריות חלקה מסוג ‘תקע והפעל’ עבור מודדים שנמצאים ברשת התקשורת הביתית, אשר לאחר מכן, יעניקו ללקוחות שמעונינים את היכולת לנטר ולנהל את ניצול האנרגיה שלהם עם טכנולוגיה קשיחה מהשורה הראשונה שפועלת בהספק נמוך.
תקשורת רדיו ZigBee אלחוטי (עם הכנה לחיבור מודם בקו המתח) – על מנת לאפשר קישוריות חלקה מסוג ‘תקע והפעל’ אל מערכת האוטומציה של רשת התקשורת הביתית, וכדי לפשט את הבקרה היומיומית של הלקוחות על מכשירים ביתיים, בעזרת טכנולוגיה קשיחה מהשורה הראשונה הפועלת בהספק נמוך.
ממשק רדיו WLAN אלחוטי או ממשק Ethernet אלחוטי (עם הכנה לחיבור מודם 3G/GPRS) – כדי לאפשר ביצוע בטיחותי של פעולות בקרה וניטור מקצה לקצה ברשת התקשורת הביתית (HAN), בין אם באופן מקוון או באמצעות מכשירים ניידים, דרך גישה בפס רחב אל האינטרנט.
ממשק תצוגה – על מנת להעלות את מודעותו של הלקוח לאנרגיה ולפשט את ניהול הבית באמצעות מעורבות שלו, ובעזרת ממשקי משתמש אינטואיטיביים (עיין באיור 2).
על אף שהפלטפורמה לפיתוח ניהול האנרגיה הביתית עברה אופטימיזציה על מנת להתאים לצורכי השוק של היום, היא מודולרית ומתוכננת להיות מתאימה לעתיד ולעמוד בדרישות העתידיות ובצרכים הניתנים לחיזוי, כמו למשל ניטור של יחידות זעירות להפקת חשמל וניטור של טעינת כלי–רכב חשמליים. כמו כן קיימים בפלטפורמה חיבורים ומחברים המשמשים להרחבה (למשל, עבור מודמים לקו המתח, ממירי מתח ישר למתח חילופין (אינוורטרים) מבוססי תקשורת RS-485 ומודולי תקשורת נוספים.
פלטפורמת הפיתוח עומדת לרשות המתכננים וכוללת תיעוד, רשימת חומרים, תרשימים וספרי הדרכה לייחוס. ערכת פיתוח התוכנה אשר כוללת תוכנת הדגמה, את ZigBee Smart Energy גרסה 1.0 ואת המחסניות Home Automation שקיבלו אישור (BeekitTM של Freescale) וכן את מערכת ההפעלה
(Embedded Compact 7 לסביבת ®Linux ולסביבת ®Windows) – כולם זמינים עבור משתמשים רשומים.
כמו כן תוכנה נוספת בעלת ערך מוסף בצורה של מסגרת עבודה ®OSGi או בצורה של מסגרת עבודה לאוטומצית הבית זמינה מאת שותפי המערכת הסביבתית, ומאפשרת ללקוחות להקטין את מחזור התכנון הכולל שלהם ובכך להקטין את הזמן הכולל הכרוך ביציאה לשוק.