Интернет энергии
19 декабря 2017 г.
Александр Старченко, председатель Наблюдательного совета Ассоциации «Сообщество потребителей энергии», управляющий партнер First Imagine! Ventures.
Принципы, на которых была построена энергосистема, дорого обходятся обществу и уже устарели.
Существующая электроэнергетика, не только российская – любая энергосистема в мире, построена на четырех фундаментальных принципах, сформулированных еще на рубеже XIX–ХХ веков.
Образуя фундамент централизованной энергетики, эти принципы как нельзя лучше отвечали индустриальной экономике. Первый заключался в том, что электричество нельзя хранить. Из невозможности складировать электричество вытекает базовая отраслевая особенность: электроэнергии должно производиться ровно столько, сколько ее в данный момент времени потребляется. Соблюдение баланса производства и потребления электроэнергии в системе в каждый момент времени – важнейший элемент обеспечения устойчивости и надежности работы энергосистемы.
Второй принцип – потребление всегда стохастично и непредсказуемо (за исключением отдельных крупнейших промышленных потребителей). В связи с этим энергосистема всегда строится под максимальное потребление исходя из вероятностной оценки одновременного совпадения спроса со стороны всех потребителей.
Третий принцип состоит в том, что генерацию можно контролировать. Более того, балансирование
системы осуществляется только за счет изменения выработки электроэнергии генерацией (лишь в аварийных случаях вводятся ограничения нагрузки).
И, наконец, четвертый принцип заключается в том, что потоками энергии нельзя управлять – то есть можно регулировать выработку и немного – потребление, но распределение потоков энергии в сети определяется исключительно законами физики, при этом сама сеть остается статичной.
В течение XX века электроэнергетика развивалась в сторону укрупнения и централизации. Экономия от масштаба достигалась за счет строительства крупных электростанций максимально близко к источникам ресурсов. Для передачи электроэнергии с минимальными потерями на большие расстояния строились мощные сети, а координацию элементов и балансирование энергосистемы в целом обеспечивает централизованное диспетчерское управление.
Такое устройство централизованных энергосистем, безусловно, является вершиной инженерно-технической мысли своего времени. Однако оно крайне дорого обходится обществу. В централизованной энергосистеме, построенной под случайный и непродолжительный пик потребления, есть значительный объем генерации и сетевой инфраструктуры для его покрытия. Получается, что общество оплачивает содержание этих пиковых энергоактивов в течение 8760 часов в году только для того, чтобы гарантированно иметь свет в течение одного часа максимума потребления. Исходя из перечисленных выше принципов по-другому построить электроэнергетику невозможно.
Но мир меняется гораздо быстрее, чем мы думаем. Индустриальную экономику сменила постиндустриальная, и за ней следом все более ускоряющимися темпами развивается цифровой мир. Серьезные изменения за последние десятилетия произошли в объеме, размещении и структуре потребления, свою роль сыграла децентрализация индустрии, рост потребления в агломерациях. Наконец, настоящая революция происходит в технологиях производства, управления и потребления электроэнергии. И вдруг для многих стало очевидным, что те принципы, на которых были построены энергосистемы, уже устарели и превратились в мифы.
Если раньше хранение электроэнергии было доступно или в очень большом масштабе – ГАЭС, или в очень маленьком – свинцово-кислотные аккумуляторы, то сейчас палитра технологий и размеров хранения существенно разнообразнее: химические, гравитационные, механические. Таким образом, производство и конечное потребление можно развести во времени.
Потребление электроэнергии стало предсказуемым и управляемым. Появились дешевые средства коммуникации и датчики, новые технологии адресации в интернете позволяют обращаться к конкретным
устройствам: появился интернет вещей. Технологии обработки больших данных о потреблении обеспечивают высокую точность прогнозирования потребления, а возможность управлять через интернет отдельными устройствами в сочетании с хранением энергии на стороне потребителя позволяет смещать нагрузку во времени, не влияя на потребителя. В итоге потребление становится таким же участником энергосистемы, как и генерация.
Хотя крупная традиционная генерация остается контролируемой и управляемой, ветряные и солнечные электростанции вырабатывают электроэнергию тогда, когда доступен ресурс, – эта генерация перестает быть инструментом балансирования энергосистемы. По мере роста доли таких генерирующих источников в общем балансе генерации управлять системой только за счет генерации все сложнее.
И, наконец, потоками энергии теперь можно управлять. Технологии «умных» сетей в сочетании с полной наблюдаемостью сети и хранением энергии позволяют управлять потоками электроэнергии и мощности, в технологическом арсенале для решения этих задач появились Smart Grid, интеллектуальные подстанции, автоматизация питающих линий. В результате снижается необходимость содержания избыточных сетей.
Важно еще и то, что все эти новые технологии сейчас стремительно дешевеют: буквально каждая из перечисленных технологий за последние пять-десять лет подешевела в разы, приблизившись к уровню, когда их
массовое внедрение стало экономически обоснованным.
Пожалуй, одним из первых и наиболее ярких примеров осознания изменившегося энергетического мира и комплексного применения новых технологий можно назвать стратегию энергоснабжения штата Нью-Йорк в США – New York Reforming the Energy Vision. О необходимости ее разработки в 2015 году объявил губернатор штата – после того, как централизованная энергетика оказалась неспособна противостоять стихии.
Живым примером нового подхода к удовлетворению потребности в электроснабжении в рамках этой стратегии является проект энергокомпании ConEdison в районах Бруклин и Квинс. В наиболее жаркие часы года питающая эти районы подстанция начинала испытывать перегрузки. Однако, понимая, что перегрузка кратковременная, даже сами энергетики ConEdison традиционное решение с помощью строительства новой подстанции, распределительного пункта и фидеров за 1,1 млрд долларов посчитали чрезмерно дорогим и неэффективным. Вместо этого они выполнили расчет инновационного решения – снятия пиковой нагрузки через укрепление сети, Volt/Var оптимизацию в сети 4 кВ, установку накопителей мощностью 12 МВт, использование существующей распределенной генерации и управление нагрузкой потребителей. Оказалось, что стоимость этого решения будет вдвое ниже – всего 487 млн долларов. При этом о какой-либо необходимости инвестиций в строительство подстанции можно забыть как минимум до 2026 года.
Таким образом, на конкретных примерах, подобных этому, стало очевидным, что новая архитектура энергосистем хотя и становится более сложной, но при этом является более надежной и эффективной. Свободный обмен энергией, который позволяют создать новые технологии: интернет вещей, большие данные, хранение энергии, искусственный интеллект и новая силовая электроника, – наиболее точно можно определить как интернет энергии по аналогии с интернетом традиционным, в котором происходит такой же свободный обмен информацией.
Важно понимать, что централизованная электроэнергетика при этом не исчезает – меняется ее роль. Центр тяжести перемещается на сторону децентрализованной энергетики, к потребителям, которые становятся центральным звеном энергосистемы. Растет доля распределенной энергетики (возобновляемой и традиционной), развивается использование местных и вторичных энергоресурсов, управление спросом (Demand response), возникает прямой обмен энергией между потребителями. На порядки растет количество управляемых ресурсов: с управлением таким количеством элементов сможет справиться только искусственный интеллект. Вот образ новой энергетики. И она придет намного быстрее, чем многие из нас думают, потому что она становится доступнее, надежнее и, главное, дешевле именно за счет распределенности. Но Россия из-за подмены рыночных механизмов административным принуждением и присущей ей гигантомании – ДПМ для крупной генерации и оптовых ВИЭ, мусоросжигательных заводов, ДПМ-штрих для ТЭС, или, например, идеи по строительству гигантских накопителей энергии через такие же ДПМ – рискует снова остаться в устаревшей реальности.