Wanneer ons aan konvensionele elektriese kragopwekking dink, sien ons in ons geestesoog dikwels groot steenkool-, gas- of kernkragsentrales. Miskien sien sommiges van ons dalk ‘n hidro-elektriese kragstasie, dalk ‘n reuse sonkragpark of miskien ‘n windplaas. Die elektriese opwekkingsaanlegte waaraan ons gewoond is, is gewoonlik kragstasies wat ‘n enkelopwekkings-tegnologie, soos steenkoolkragopwekking, gebruik om Megawatt-uitsette te weeg te bring. Sulke opwekkingsaanlegte is gesentraliseerd en is dikwels naby hulle opwekkingsenergiebron, byvoorbeeld ‘n steenkoolmyn, geleë.   Vanaf hierdie kragstasies word groot hoeveelhede elektriese energie met behulp van transmissielyne, landswyd na stede of dorpe versend, vanwaar dit met behulp van verspreidingsnetwerke na die verskillende gebruikers versprei word. ‘n Tradisionele kragvoorsiener soos Eskom maak van ‘n makro-kragnetwerk (macrogrid)  gebruik om ‘n verskeidenheid van kragstasies met elektrisiteitsgebruikers (kliënte) by wyse van transmissielyne en verspreidingsnetwerke te verbind.

Die elektrisiteitsvoorsieningslandskap het in die onlangse verlede baie verander.

Ons lewe in ‘n tyd waar hernubare elektrisiteitsopwekking op die voorgrond tree, enersyds vanweë tegnologiese vooruitgang en andersyds vanweë die sentimente van organisasies en groepe wat  “groen”-waardes ondersteun, bevorder en uitdra. Hernubare energie-opwekkingstelsels, wat kleiner in omvang is as die konvensionele kragstasies, het tot gevolg gehad dat dit vir die kleiner besigheid en selfs vir die gewone man moontlik geword het om met behulp van sonpanele of windgenerators krag vir eie gebruik op te wek. In die groter prentjie het dit veroorsaak dat ‘n portefeulje van klein elektrisiteitsbronne beskikbaar geraak het. Hierdie elektriese energie kan ook goedkoop gestoor word vir aanwending wanneer dit benodig word. Maar meer nog, dikwels word meer elektriese krag deur hierdie fasiliteite opgewek as wat self benodig word. Die probleem is egter dat die beskikbare oorskot-energie relatief klein is en dan ook wydverspreid is. Daar is ook ‘n wisselvalligheid in die opwekking weens die onvoorspelbaarheid van kragopwekking deur middel van wind en son.  

Die behoefte aan elektrisiteit is egter steeds besig om te groei en betroubare, ekonomiese, buigsame en ook veerkragtige elektrisiteitsvoorsiening, veral tydens piekvraagtydperke, het baie belangrik geword. Om hierdie rede het die sinvolle benutting van ‘n verskeidenheid van wydverspreide hernubare energiebronne veroorsaak dat mikro-kragnetwerke tussen gebruikers en energiebronne ontstaan het. Noodwendig sou die daarstelling van virtuele kragsentrales of VKS’e (Virtual Power Plants – VPPs) hieruit volg. Maar wat is die verskil tussen mikro-kragnetwerke en ‘n virtuele kragsentrales? Die kort antwoord is: 

• In ‘n mikro-kragnetwerk word tegnologie-oplossings gebruik om eie elektrisiteitsbehoeftes onderling te bevredig. Die bedryf van die mikro-kragnetwerk is ‘n inskrywing op die uitgawekant van die inkomstestaat en die doel is om elektrisiteitvoorsiening so goedkoop moontlik te bewerkstellig.

• In ‘n virtuele kragsentrale word tegnologie- asook besigheidsoplossings gebruik om elektriese energie met behulp van die makro-kragnetwerk te verhandel. Hier is die bedryf van die virtuele kragsentrale ‘n inskrywing op die uitgawekant sowel as die inkomstekant van die inkomstestaat. Die bedryfsdoelwit is die doelmatige (doeltreffende en effektiewe) bedryf ván, en maksimale wins vír, die virtuele kragsentrale as ‘n onderneming.  

Mikro-kragnetwerke kan gesien word as ‘n dwergweergawe van ‘n makro-kragnetwerk.

Dit het dieselfde funksionaliteit as die makro-netwerk maar funksioneer binne duidelike geografiese grense. Soos wat hernubare energiebronne en -gebruikers verspreid ontstaan en toegeneem het, het die neiging ontstaan om ‘n gelokaliseerde groep van mikro-kragnetwerkelemente onderling aaneen te skakel. Hierdie elemente sluit elektrisiteitsopwekking, elektriese energieberging, kragverspreiding, maar ook die gebruikers van die opgewekte krag in. ‘n Beheervermoë is verder ook aan die  mikro-kragnetwerk voorsien.

Die mikro-kragnetwerk wat so ontstaan is aan ‘n enkele gemeenskaplike punt met die tradisionele sentrale- of makro-kragnetwerk gekoppel en funksioneer in sinchronisasie daarmee saam. Die mikro-kragnetwerk het egter die eienskap dat dit van die makro-kragnetwerk ontkoppel kan word en dan onafhanklik, soos ‘n eiland,  as ‘n alleenstaande kragstelsel (Standalone Power System – SAPS) funksioneer. Opgewekte elektrisiteit word binne die mikro-kragnetwerk verbruik. Fisiese en ekonomiese omstandighede bepaal of die mikro-netwerk netvas of netlos sal funksioneer.

In die mikro-netwerk word elektrisiteitsopwekking bewerkstellig deur verspreide energiebronne (Distributed Energy Resources – DERs) wat bestaan uit ‘n verskeidenheid potensiële of kinetiese energiebronne wat kan insluit, hidro-opwekking, sonkrag, windkrag, geotermiese opwekking, energiebronne wat beskikbaar word deur die aanwending van kogenerasie of te wel gekombineerde hitte- en krag- (CHP) opwekking, en ook bronne wat energieberging doen. Energieberging kan op ‘n verskeidenheid van maniere gedoen word soos onder andere meganiese, termiese, chemiese, elektro-chemiese, asook elektriese berging soos byvoorbeeld die gebruik van superkapasitors.

Virtuele kragsentrales integreer energiebronne en koppel aan die makro-kragnetwerk.

Soos die mikro-kragnetwerk, bewerkstellig ‘n virtuele kragsentrale kragopwekking deur elektriese energie van verskillende gedesentraliseerde, heterogene energiebronne (DERs) te versamel. Gesamentlik tree die energiebronne as ‘n betroubare enkelkapasiteit kragbron of kragsentrale op. Die virtuele kragsentrale het ten doel om elektrisiteitsopwekking te bewerkstellig en om met hierdie elektrisiteit op die elektisiteitsmark handel te dryf. Elektriese krag kan ingekoop of verkoop word afhangende van omstandighede. Die uitsette van die verskillende energiebronne is gesinchroniseer en word in die regte formaat opgewek. Energiestoorkapasiteit, ten einde elektriese krag op spitstye te lewer, word ook in die kragnetwerk voorsien. Verder word onderlinge verbruikers van energie in die kragnetwerkstelsel geakkomodeer.

Die netwerk verskil van die mikro-kragnetwerk deurdat ‘n gesofistikeerde wolkgebaseerde meting- en beheer van lewering en verbruik in die kragnetwerk gedoen word. Weens die eise wat ekstern aan die virtuele kragsentrale gestel word sal die VKS-kragnetwerk eienskappe begin vertoon van die sogenaamde Slim-kragnetwerk (Smart grid). ‘n Slim-kragnetwerk is ‘n elektrisiteitstelsel wat inligtingstegnologie en kragvoorsieningstegnologie gebruik ten einde insette en uitsette van alle deelnemers wat aan die net geskakel is te integreer en te bestuur. Hierdie deelnemers sluit in elektrisiteitsopwekkers, elektriese energiestoorders en/of gebruikers van energie. Sinergie en simbiose van elektriese krag tesame met informasie-tegnologie maak dit moontlik om elektriese krag volhoubaar, ekonomies en veilig te lewer.

‘n Verdere onderskeid met die mikro-kragnetwerk is dat die virtuele kragsentrale te alle tye gekoppel móét wees aan die makro-kragnetwerk.

Belangrike tegnologieë om virtuele kragsentrales tot stand te bring sluit in volhoubare energieopwekking, energieberging, kunsmatige intelligensie (AI), internet-van-dinge (IoT) asook inligtings- en kommunikasietegnologie.

Hoe lyk die VKS-wêreldlandskap?

Die daarstelling van virtuele kragsentrales is ‘n baie nuwe konsep en opwekkingskapasiteit  in vergelyking met konvensionele kragstasies is inderdaad tans nalaatbaar. Voorbeelde van VKS’e bestaan in die VSA, Europa en Australië. Ook Duitsland en die Nordiese lande is huidig besig om hierop te eksperimenteer. ‘n VKS-projek in Suid-Australië wat deesdae baie aandag trek is op lae-inkomste huishoudings gefokus en kry groot media-blootstelling.

Die Suid-Australiese regering, in samewerking met Tesla Inc., is besig om ‘n kragnetwerk te ontwikkel wat potensieel bestaan uit 50 000 bekostigbare huishoudelike sonkragstelsels van regoor Suid-Australië. Elke sonkragstelsel bestaan uit sonpanele en ‘n energiestooreenheid. Onderling word die sonkragstelsels aaneengeskakel om ‘n kragnetwerk te vorm. Gesofistikeerde sagteware beheer hierdie kragnetwerk om ‘n virtuele kragsentrale te vorm. Tesla voorsien aan elke huishouding ‘n 5kW dak-geïnstalleerde sonpaneelopstelling tesame met ‘n 13,5 kWh Tesla Powerwall 2 batteryeenheid. Die Tesla Powerwall kos US$6,500 per eenheid met ‘n verdere US$1,100 vir die Powerwall Backup Gateway 2 wat die energiemoniterings- en bestuursfunksie van die sonkragstelsel behartig. Installasiekoste beloop tussen US$1,000 to US$3,000, afhangende van die kompleksiteit van die installasie.

Die VKS-projek word in fases geïmplementeer waar reeds 1100 huishoudings tydens fase 1 en 2 in die stelsel geïntegreer is. Tydens fase 3 sal die res van die 50 000 huishoudings geleidelik in die projek saamgevoeg word. Met voltooiing van die projek sal die hele virtuele kragsentrale 250 MW aan die Suid-Australiese makro-kragnetwerk lewer met ‘n elektriese stoorvermoë van ongeveer 650 MWh.

Die projek word gefinansier met ‘n subsidiebydrae van AU$2 miljoen en ‘n lening van AU$30 miljoen deur die Australiese regering.

Die oogmerk van die projek is om:

• elektriese energiepryse te verlaag,
• die makro-kragnetwerk se stabiliteit te verhoog,
• verskansing te bied gedurende kragnetwerkonderbrekings,
• sigbaarheid van kliënte se enegieverbruik te verhoog, en om
• Suid-Australië se oorgang na ‘n hernubare energie-gebaseerde ekonomie te ondersteun .

Daar is ‘n duidelike beweging na VKS’e wat gestimuleer word deur die ontwikkeling van hernubare enegiebronne en energieberging. Kenners is dit eens – daar is ‘n belowende toekoms vir virtuele kragsentrales!

Wat is die voordele van ‘n virtuele kragsentrale?

Persoonlik dink ek dat konvensionele enkeltegnologie-kragsentrales altyd met ons sal wees. Sekerlik sal daar op hierdie terrein ook ‘n beweging na Megawatt-kragsentrales wees, wat van hernubare enkeltegnologiebronne gebruik sal maak. Ons sien reeds groot windplase en sonkragstasies wat deel uitmaak van die makro-kragnetwerk en wat deur ‘n slim-kragnetwerk beheer word. Maar virtuele kragsentrales bied egter besliste voordele en geleenthede bo konvensionele kragstasies. Die volgende voordele word aan die gebruiker, produseerder en die prosumer (produseerder wat ook ‘n verbruiker is) gebied.

• ‘n Virtuele kragstasie bied ‘n buigsame, modulêre en soepel oplossing aan al die rolspelers. Afhangende van nuwe behoeftes wat ontstaan, laat hierdie kragopwekkingskonfigurasie toe vir uitbreiding, deur eenvoudig nuwe verspreide energiebronne tot hierdie virtuele platvorm toe te voeg. Uitbreiding is gevolglik skaleerbaar deurdat klein groei-inkremente by die virtuele kragsentrale gevoeg kan word. In die geval van konvensionele kragstasies sal enige uitbreiding reuse kostes impliseer vanweë die doelgemaaktheid, fokus en omvang (Megawattvermoë)  daarvan.
• Virtuele kragstasies bied ‘n vermindering in transmissie- en verspreidingsverliese. Konvensionele kragstasies moet hulle volle lewering eers, gewoonlik oor lang afstande, versend en dan versprei wat transmissie en verspreidingsverliese meebring. By virtuele kragsentrales is opwekking en verspreiding geïntegreerd in die kragnetwerk. Baie van die opgewekte energie word reeds by die opwekkingspunt gebruik en die elektrisiteitsverspreiding is meer lokaal wat ‘n vermindering van die las op die lyne te weeg bring.
• ‘n Faling van ‘n sleutelkomponent by ‘n konvensionele kragstasie bring gewoonlik ‘n stelselfaling mee wat ‘n hele kragstasie tot stilstand dwing. Daarteenoor voorsien virtuele kragsentrales in oortolligheid (redundancy) vanweë gedesentraliseerde opwekking deur verskeie klein kragopwekkers en kragbergingseenhede wat reeds by die stelsel ingebou is. ‘n Faling van ‘n opwekkingselement in ‘n virtuele kragsentrale veroorsaak slegs ‘n klein kapasiteitsverlies op die stelsel.
• Virtuele kragsentrales bied ‘n verskeidenheid van interessante besigheidsmodelle en finansieringskemas vir gebruikers, kragproduseerders en prosumers.  Omdat die voordele van die virtuele kragsentrale gedeel word kan die finansiering vir al die partye ‘n belegging wees. Nutsmaatskappye kan, as ‘n voorbeeld,  ‘n insentief daar stel dat voornemende  prosumers eie opwekkings- en bergingseenhede installeer, benut en selfs ‘n inkomste verdien, in ruil daarvoor dat die nutsmaatskappy toegang kry tot die hernubare elektriese energiebronne in die kragnetwerk, wat sinvol met ‘n slimplatvorm beheer word. Die VKS, so verkry, vervul dan baie van die funksies van ‘n konvensionele kragstasie.

Ek is van mening, gegewe Suid-Afrika se unieke omstandighede, naamlik die verspreidheid van gebruikers en terselfdertyd bogemiddelde sonskyn, kan virtuele kragsentrales beslis aangewend word om verskeie voordele vir verskillende rolspelers te realiseer.