CC BY
61УДК 621.311 «21»
А.Г. Старченко, В.В. Дзюбенко, И.Ю. Ряпин1
ИНТЕРНЕТ ЭНЕРГИИ: БУДУЩЕЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ УЖЕ НАСТУПИЛО
Аннотация. Анализируются тенденции изменения архитектуры и принципов управления энергосистем на основе синергии цифровых и энергетических технологий. Представлено краткое описание изменения технологических принципов и организации отношений участников энергорынка. Рассмотрены примеры внедрения новых технологических решений и связанных с ними изменений в регулировании развития энергосистем.
Ключевые слова: трансформация энергосистем, интернет вещей, интернет энергии, цифровые технологии, отраслевое регулирование.
A.G. Starchenko, V.V. Dzubenko, I.Yu. Ryapin2
INTERNET OF ENERGY: THE FUTURE OF POWER INDUSTRY HAS ALREADY COME
Abstract. The article analyses the changes in architecture and managing principles of the power systems, driven by the synergy of digital and power technologies. A short description of changes in the technological principles of the power systems and the transactions performed by the participants of the power markets is given. Examples of implementation of the new technological solutions and of changes in the regulation of the development of the power systems accompanying them are provided.
Keywords: transformation of the power systems, internet of things, internet of energy, digital technologies, industry regulation.
В мировой электроэнергетике в настоящее время происходят преобразования, которые принципиально и достаточно быстро меняют архитектуру и принципы управления энергосистем - их традиционное вертикальное устройство трансформируется в более гибкую, надежную и одновременно более экономичную распределенную систему (рис. 1). Основой для этих изменений стала синергия развития цифровых и энергетических технологий, которая появилась и активно развивается в последние годы. Так, появление и достижение коммерчески привлекательного уровня систем хранения энергии, развитие микросетей, управления спросом и самобалансирования, удешевление и доступность оборудования для распределенной генерации - как углеродной, так
и на основе возобновляемых источников, сочетается с бурным развитием межмашинных (М2М) коммуникаций, технологий интернета вещей (1оТ), анализа больших данных и управления на основе искусственного интеллекта (А1). Цифровые технологии стали бурно развиваться в связи с ростом производительности и кратным удешевлением вычислительной мощности компьютерной техники.
В результате базовые принципы, на которых строилась прежняя энергетика, утрачивают свое фундаментальное значение или вовсе исчезают.
Если раньше хранение электроэнергии было доступно или в очень большом масштабе -ГАЭС, или в очень маленьком (относительно энергосистемы) - свинцово-кислотные аккуму-
1 Александр Григорьевич Старченко - управляющий партнёр First Imagine! Ventures, e-mail: alexander@firstimagine.com; Валерий Валерьевич Дзюбенко - заместитель директора Ассоциации «Сообщество потребителей энергии», e-mail: dv@np-ace.ru;
Игорь Юрьевич Ряпин - начальник департамента по внешним связям и стратегии Ассоциации «Сообщество потребителей энергии», e-mail: iryapin@np-ace.ru;
2 Alexander G. Starchenko - Managing Partner, First Imagine! Ventures, e-mail: alexander@firstimagine.com; Valery V. Dzubenko - Deputy Director of the Association «Energy Consumers Community», e-mail: dv@np-ace.ru;
Igor Yu. Ryapin - Head of the Department for External Relations and Strategy of the Association «Community of Energy Consumers», e-mail: iryapin@np-ace.ru.
СЕГОДНЯ - ОДНОСТОРОННИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
РАЗВИТИЕ - ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ «ОБЛАКО»
к
шк
Источник: [1].
Рис. 1. Трансформация архитектуры энергосистем
ляторы, то сейчас палитра технологий и размеров хранения существенно разнообразнее - химические, гравитационные, механические. Благодаря этому производство и конечное потребление электроэнергии можно развести во времени: производить электроэнергию становится возможно тогда и в таких объемах, когда это оптимально с точки зрения затрат (во время наличия бесплатных первичных ресурсов или в оптимальном режиме потребления топлива), вне связи с графиком конечного потребления электроэнергии.
В то же время потребление электроэнергии стало предсказуемым и управляемым. Появились дешевые датчики и средства коммуникации, а также технологии адресации в Интернете, которые позволяют обращаться к конкретным устройствам - появился «интернет вещей» (IoT). Теперь мы можем знать о том, когда и как работает конкретное устройство - будь то станок или бытовой прибор. Эта информация может сохраняться и становится доступной для обобщения и обработки - появились технологии работы с «большими данными» (Big Data). Обработка больших данных о потреблении энергоресурсов обеспечивает высокую точность прогнозирования потребления. Искусственный интеллект, основанный на огромных массивах информации о всевозможных параметрах работы энергосистемы и факторах, прямо или косвенно влияющих на эти параметры, уже скоро
сможет управлять режимами энергосистемы намного точнее, чем люди. Более того, только межмашинные коммуникации могут обеспечить управление таким множеством объектов, которое представляют собой подключенные приборы, включая бытовой уровень (электрочайники, кофеварки, кондиционеры, холодильники и пр.) Управление потреблением в сочетании с хранением энергии на стороне потребителя позволяет смещать нагрузку во времени, не создавая проблем для потребителя. В итоге потребление становится таким же активным участником энергосистемы, как генерация.
Появление новых ресурсов регулирования, активизация роли потребления в управлении энергосистемами становятся особенно важными при развитии возобновляемой энергетики, выработка которой зависит от времени суток и погоды. Крупная традиционная генерация пока остается основой крупных энергосистем и важнейшим ресурсом их регулирования, но со временем ее роль будет снижаться.
И, наконец, в результате появления и развития силовой электроники появилась возможность напрямую управлять потоками энергии в сетях переменного тока. В технологическом арсенале для решения этих задач появились Smart Grid, интеллектуальные подстанции, автоматизация питающих линий. В результате упрощается управление режимами энергосистемы, появляется возможность для интеграции в сеть
различных источников энергии, снижается необходимость содержания избыточных сетей и резервной генерации.
Важно еще и то, что все эти новые технологии сейчас стремительно дешевеют: буквально каждая из перечисленных технологий за последние 5-10 лет подешевела в разы, приблизившись к уровню, когда их массовое внедрение стало экономически обоснованным. Так, по данным Массачусетского технологического института [2], с 2008 по 2015 гг. наземные ветроэнергетические установки подешевели на 41%, малые солнечные электростанции - на 54%, большие солнечные электростанции - на 64%, технологии хранения энергии (прежде всего литий-ионные) - на 73% (рис. 2). И важно отметить, что в последующие годы эта тенденция продолжилась.
В результате в электроэнергетике уже появился и стремительно развивается совершенно новый технологический уклад, обеспечивающий свободный и равноправный обмен энергией и другими, связанными с таким обменом товарами и услугами между всеми участниками. Из-за схожести принципов взаимодействия участников новой энергетики с работой инфор-
мационно-телекоммуникационной сети такой формат в России и за рубежом стали называть «интернет энергии».
Ключевым стимулом для развития технологий, появления новых проектов и решений в контексте новой энергетики в зарубежных энергосистемах является повышение надежности и сокращение расходов экономики на содержание большой, малоповоротливой, построенной под пиковую нагрузку, энергосистемы. Классическим примером такого подхода уже стал проект, реализованный в Нью-Йорке компанией ConEdison - Brooklyn-Queens Demand Management Program3. Начиная с 2013 г. из-за роста потребления электроэнергии начали наблюдаться перегрузки на двух подстанциях, снабжающих районы Бруклин и Квинс в Нью-Йорке. Согласно прогнозам компании ConEdison (местной энергоснабжающей компании), к 2018 г. система энергоснабжения этих районов должна была испытывать перегрузку в 69 МВт в течение от 40 до 48 часов в летние месяцы. Традиционным способом решения проблемы было бы строительство новой подстанции, распределительного устройства и фидеров к 2017 г., на
Источник: [2].
Рис. 2. Снижение цены на важнейшие технологии новой энергетики в 2008-2015 годах
3 URL: https://www.coned.com/en/business-partners/business-opportunities/brooklyn-queens-demand-management-demand-response-program.
что потребовалось бы около 1 млрд долларов. Вместо этого компания предложила решить проблему за счет внедрения комплексного решения, включающего управление спросом на стороне потребителей, развитие распределенной генерации, строительство микросетей, а также традиционных инвестиций в инфраструктуру. Совокупно предложенные меры оценивались в 305 млн долларов. Реализация программы позволила отсрочить строительство новой подстанции до 2026 г., а при ее дальнейшем развитии строительство может не потребоваться вовсе.
Основываясь на опыте, полученном при разработке и реализации этой программы, компания ConEdison с тех пор идентифицировала более дюжины других проектов замещения развития инфраструктуры альтернативными решениями (non-wires alternatives)4, а сама программа Brooklyn-Queens Demand Management Program дала толчок развитию новой энергетической стратегии штата Нью-Йорк - New York Reforming the Energy Vision.
По другую сторону океана - в Великобритании - Служба по рынкам газа и электроэнергии (OFGEM) одной из своих основных задач ставит способствование изменениям в энергетической системе. Признавая, что современная энергосистема и рынки электроэнергии были разработаны для условий, значительно отличающихся от тех, которые характерны для сегодняшнего дня и которые будут характеризовать энергосистему в будущем, регулятор ведет работу по трем направлениям: повышение гибкости энергосистемы и разработка стратегии регулирования энергетики будущего, изменение принципов установления тарифов на передачу для учета повышения доли распределенной генерации и обеспечения более справедливого распределения тарифной нагрузки, обеспечение развития инфраструктуры, необходимой для развития инноваций в энергетике (например, установки «умных» систем учета электроэнергии) [3].
Не менее известна программа Энергетического перехода (Energie Wende), реализуемая правительством Германии. Эта программа предполагает переход энергетики Германии к низкоуглеродной и дружественной для окружающей
среды, но вместе с тем надежной и доступной для потребителей модели функционирования.
Все эти изменения стали возможны, как уже было отмечено выше, благодаря значительному прогрессу сразу по нескольким технологическим направлениям, как энергетическим, так и неэнергетическим - от силовой электроники, материаловедения и вычислительной техники до обработки больших данных (Big Data), искусственного интеллекта (AI)
Одной из основных тенденций, обеспечивающих технологический прорыв в энергетике, является экспоненциальный рост числа подключенных устройств - их количество уже превысило население Земли и к 2020 г. составит от почти 21 млрд, по прогнозу Gartner, до 75 млрд - по прогнозу Morgan Stanley. Кстати, одним из существенных драйверов роста числа подключенных устройств стал переход с 32 битного протокола адресации IPV4, позволявшего адресовать суммарно 2 в 32-й степени устройств (приблизительно 4,3 млрд), на 128-битную адресацию протокола IPV6, увеличившего количество устройств для адресации до 2 в 128-й степени. Всеобщая информатизация позволяет получать детальную информацию о состоянии устройств и управлять ими, включая управление их энергопотреблением, реагируя на технические или экономические факторы - пики нагрузки и колебания цены электроэнергии. Технология оборудования отдельных приборов системами фиксации параметров и автоматической передачи информации в сеть Интернет (создание «подключенных устройств» - connected things) получила название интернет вещей (Internet of Things). В результате ее применения спрос на электроэнергию впервые становится эластичным, а управление энергопотреблением автоматизируется на основе удобных потребителю сценарных условий с применением технологий обработки больших данных и искусственного интеллекта. Это тоже стало возможным только сейчас в связи с кратным ростом мощности и удешевлением вычислительных возможностей. Гибкое управление спросом (Demand Management) позволяет сбалансировать спрос и предложение в энергосистеме на низовом уров-
4 URL: https://www.coned.com/en/business-partners/business-opportunities/non-wires-solutions.
не конечного потребления, без необходимости строить и содержать резервную инфраструктуру и постоянно менять режимы работы крупных электростанций. В конкуренцию на этом рынке наряду с традиционными энергетическими, коммунальными и сбытовыми компаниями уже активно включились 1Т-компании, банки и те-леком-провайдеры. Цифровые платформенные решения для агрегации и управления спросом достаточно быстро окупаются и являются предметом особого интереса инвесторов.
Среди энергетических технологий, благодаря развитию которых возможны описанные выше изменения, в первую очередь стоит выделить развитие технологий хранения энергии. При этом важно отметить, что наибольший прогресс происходит в сфере относительно небольших и малых установок хранения энергии: даже крупные системы хранения, которые работают сейчас (за исключением ГАЭС), по номинальным показателям значительно уступают показателям электростанций, которыми привыкли оперировать энергетики (рис. 3). Самая большая в мире система хранения энергии - НогшёаЬ
Power Reserve в Австралии, построенная компанией Tesla, имеет установленную мощность 100 МВт и номинальную емкость 129 МВтч. Более того, эта система состоит из модульных элементов (Tesla Powerpack), каждый из которых имеет номинальную мощность 50 кВт и номинальную емкость 210 кВтч. Однако эта система работает в связке с ветропарком, установленная мощность которого - 300 МВт, а также с угольной электростанцией, установленная мощность которой - 1700 МВт. И эта система хранения энергии, установленная мощность которой составляет всего 2% от установленной мощности энергосистемы Южной Австралии, за первые 4 месяца работы обеспечила более половины общего объема системных услуг, необходимых для поддержания частоты, в результате цены на системные услуги упали на 90%. Более того, она уже успела несколько раз предотвратить развитие каскадных аварий в энергосистеме, возникавших вследствие аварийных отключений энергоблоков угольной станции [4]. Но еще более активно развиваются локальные решения для небольших потребителей, позволяющие им
ИБП
поддержание
Поддержание сети сдвж нагрузки
Су пе риоиде нсэторы большой ёмкости
Прсгпмные батареи: цинк-хлор, ц ики-модух, цинк-бром, ванадиевые, гюлисульфид-бромидные, новые технологии
Натри&серные батареи
У совершенств, свинцово-кислотн. батареи
Никель-хлорид натриевые батареи
Лип^к-нонше батареи
Свинцово-иислогные батареи
никель-кадмиевые оатареи
Никель-металл-гндрндиые батареи
Супермаховики
Суперконденсаторы большой мощности
1 кВт 10 кВт 100 кВт 1 МВт 10 МВт
Номинальная мощность модуля
Источник: [5].
Рис. 3. Типовые сферы применения различных технологий хранения энергии
сократить потребляемую мощность и затраты за счет выравнивания графика потребления. Уже сегодня зрелость этих технологий позволяет свободно варьировать размер, тип и технические характеристики накопителя под конкретную задачу. Так, например, для домашних накопителей энергии хорошо подходят химические, в первую очередь литий-ионные батареи, которые бесшумны, недорогие и не требуют обслуживания. А, например, для оперативного регулирования частоты в энергосистеме, где требуется очень быстрая реакция (в диапазоне десятков миллисекунд) и множество циклов заряда и разряда в течение одного дня, прекрасно подходят маховики. Большой интерес представляют проточные батареи, которые уже сейчас могут экономически эффективно обеспечивать хранение больших объемов электроэнергии для выравнивания колебаний потребления электроэнергии в энергосистемах и у крупных потребителей. Для длительного хранения энергии в ряде стран разрабатываются и уже внедряются механические гравитационные накопители, например в США - поезд на железной дороге с уклоном, в России компанией «Энергозапас» создан проект гравитационного накопителя в виде башни с вертикально перемещаемым грузом, в Европе есть примеры использования гравитационных накопителей на базе существующих глубоких шахт.
Еще одним активно развивающимся сегментом является распределенная генерация, то есть источники электроэнергии, установленные непосредственно у потребителей. Помимо уже привычных солнечных, ветряных и биогазовых электростанций, эффективность и доступность которых увеличивается с каждым годом, появляются все более эффективные установки на природном газе, доступные практически любому потребителю, и повсюду растет количество вводов небольших электростанций и стремительно уменьшается ввод новых, пусть даже и очень эффективных, но не гибких и избыточных гигантских блоков. По мере роста эффективности малой генерации, а известны разработки малых газовых турбин, электрический КПД которых достигает 42%, в сочетании с автоматизацией таких установок и уменьшением требуемых операций по их обслуживанию, удобство
и экономическая эффективность использования таких установок непосредственно у потребителя все чаще оказываются выше, чем при энергоснабжении от электрической сети. Как результат - в этом году мировые лидеры по производству крупных газовых энергетических турбин - компании Siemens и General Electric - объявили о сокращениях и реструктуризации соответствующих подразделений. Распределенная генерация вкупе с обвязкой «умными» сетями и созданием микросетей позволяет сделать локальные участки энергосистемы самобалансирующимися и способными обеспечивать энергоснабжение потребителей в случае нарушения энергоснабжения в центральной сети.
В качестве примера комплексного решения по энергоснабжению территории на основе новых технологий можно привести проект, реализуемый при поддержке Еврокомиссии на британских островах Силли (Smart islands project). Ранее эти острова снабжались электроэнергией от локальных дизельных электростанций и через кабель, проложенный от Великобритании. Проект предполагает вывод из эксплуатации дизельных электростанций, установку солнечной генерации, домашних накопителей (разумеется, подключенных не только к электрической, но и к информационной сети) и систем управления энергоснабжением домохозяйств («умный» дом), а также развитие электротранспорта и установку «умных» зарядных станций. Но самое главное в этом проекте - объединение всех элементов единой платформой управления, которая будет обеспечивать балансирование энергосистемы и надежность энергоснабжения за счет управления всеми доступными распределенными энергетическими ресурсами. При этом одна из задач реализации этого проекта - к 2020 г. снизить счета за электроэнергию, выставляемые потребителям, на 20%, а к 2025 - на 40%.
Причина столь бурного развития этих технологий в том, что они оказываются выгоднее для общества в целом и для конкретных потребителей в частности. При этом они создают в ранее консервативной отрасли совершенно новые рынки - например, рынок услуг по хранению энергии, которые позволяют всем потребителям участвовать в энергосистеме в совершенно новой роли просьюмеров (активных
потребителей), интегрировать в энергосистему гораздо большее количество ВИЭ и делают систему намного более надежной за счет большей гибкости. Технологическая компоновка новой энергетики почти не затрагивает крупную генерацию и магистральные сети, сохраняя за ними привычные роли базового каркаса энергосистемы. Все самое интересное происходит на уровне потребителей - домохозяйств, зданий, предприятий и городских кварталов.
Нарастающие в зарубежных энергосистемах изменения гораздо быстрее, чем мы думаем, станут главным пунктом энергетической повестки и для потребителей в России. Все необходимое для появления технологий новой энергетики в нашей стране уже доступно - отечественные и зарубежные разработчики и поставщики решений готовы предоставлять широкий спектр инструментов для решения задач различного класса - от оснащения индивидуального домохозяйства до цифровых платформ для энергетики предприятий и городов.
Отечественные разработки во многом концентрируются вокруг проекта EnergyNET, который реализуется в рамках Национальной технологической инициативы. Очень интересны разработки компании ONDER, предполагающие организацию микросети с возможностью торговли электроэнергией между ее участниками на поминутной основе, применением неинвазив-ных датчиков компании Voltaware и технологии блокчейн. Также разрабатывается концепция активных энергетических комплексов, предполагающая создание достаточно крупных самобалансирующихся систем, связь которых с присоединенной электрической сетью ограничена определенными параметрами и жестко контролируется, при этом за счет локальной генерации и управления внутренними распределенными энергетическими ресурсами из внешней сети потребляется гораздо меньшая мощность, чем суммарная потребляемая мощность потребителей, входящих в такие комплексы.
Учитывая растущую стоимость энергоснабжения от централизованной сети, такие решения и в России становятся все более экономически привлекательными. В то же время сценарии, скорость и качество развертывания технологий новой энергетики во многом зависит от адекват-
ности восприятия этого процесса и связанных с ним вызовов и возможностей со стороны отраслевых регуляторов.
Регуляторы за рубежом, руководствуясь критерием общественной пользы, которую несет развитие технологий новой энергетики, переформатируют свое видение и программу действий. Упомянутая выше стратегия британского регулятора OFGEM включает работу по 29-ти пунктам плана трансформации энергосистемы. В США Федеральная комиссия по регулированию в энергетике (FERC) принимает директивы, обязывающие операторов рынков электроэнергии изменить правила рынков таким образом, чтобы обеспечить эффективное участие в рынках системных услуг систем хранения энергии (в том числе, чтобы при оплате системных услуг учитывались скорость и точность выполнения команд диспетчера) [6], а также для устранения препятствий для развития управления спросом (demand response) на организованных рынках [7]. Один за другим штаты в США устанавливают цели по переходу на чистые источники энергии и по развитию систем хранения энергии.
Таким образом, регуляторы на передовых рынках становятся в авангарде трансформаций, происходящих в электроэнергетике. Действуя в интересах потребителей электроэнергии и, соответственно, национальной экономики, они создают условия для эффективной интеграции новых технологий в существующие энергосистемы и дальнейшей трансформации энергосистем на новых принципах - создания более надежных и гибких энергосистем, снижения экологического ущерба, наносимого энергетикой, способствования развитию инноваций и строительству предпринимательства в энергетике и в конечном итоге - повышения доступности для потребителей энергоснабжения, которая является базовым условием функционирования экономики любой страны.
В практике отраслевых регуляторов в России наблюдается иная, отличная от зарубежных примеров, ситуация. Представители федеральных органов исполнительной власти, регулирующих электроэнергетику, с одной стороны, охотно участвуют в публичных мероприятиях, конференциях и семинарах, посвященных циф-
ровизации, технологиям новой энергетики, более того - декларируют необходимость их развития в стратегических отраслевых документах. Но принимаемые ими практические решения не только не способствуют, но и зачастую препятствуют появлению нового технологического уклада. Так, конкурентные рыночные механизмы в отрасли в последнее время все шире подменяются административным перераспределением платежей, увеличиваются виды и объемы перекрестного субсидирования, множатся тарифные «заповедники», вводится лицензирование энергосбытовой деятельности.
Из-за стремления регуляторов и ряда отраслевых игроков сохранить комфортную для себя прежнюю систему отраслевых отношений, развитие инноваций лишается своей естественной питательной среды - конкурентного состязания технологий. Это противоречие между неизбежным развитием технологий новой энергетики, уже доказавших свою состоятельность и привлекательность, с одной стороны, и отсутствием адекватных регуляторных действий - с другой, ведет к стихийному и, вероятнее всего, неоптимальному развитию процессов смены технологического уклада. Среди актуальных задач регулирования - создание условий для появления и развития новых бизнес-моделей и рынков, расшивка узких мест, препятствующих внедрению новых технологий в нормативном правовом и
техническом регулировании, стандартизация для совместимости устройств и систем управления, кибербезопасность. Без продвижения в решении этих задач в ближайшие годы регулятор столкнется с кризисной для себя ситуацией и отраслевые изменения, которые могли бы уже сегодня внедряться эволюционно, будут «взламывать» архаичную систему отраслевых отношений самым непредсказуемым образом.
Благодаря активному развитию и все большей доступности новых, в первую очередь цифровых, технологий, энергосистемы видоизменились и продолжают меняться. Первым результатом этих изменений является существенное (на десятки процентов) падение спроса на пиковую мощность. Масштабная смена технологического уклада в электроэнергетике неизбежно затрагивает все существующие в мире энергосистемы, меняя их облик, а там, где энергосистемы не успели развиться до масштабных централизованных структур, как в США, Европе или в России, сразу формируется распределенная архитектура. Будущее электроэнергетики, бесспорно, уже наступило. В энергосистемах постепенно утрачивается роль мощных транзитных энергомостов, поскольку вся энергетика становится более распределенной, порождая новые рынки и новых игроков, и самое главное - создает новое, ранее недоступное качество энергосистемы в интересах всех ее участников.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
1. From Smart Grid to Neural Grid, Navigant Research. 2018.
2. Utility of the Future, MIT. 2016.
3. 2017-2018 OFGEM Annual Report and Accounts.
4. Initial operation of the Hornsdale Power Reserve Battery Energy Storage System, AEMO, April 2018.
5. Electricity Storage Handbook, DOE/EPRI, 2015.
6. FERC Order 841. Electric Storage Participation in Markets Operated by Regional Transmission Organizations [RTOs] and Independent System Operators [ISOs], FERC, 2018.
7. FERC Order 745. Demand Response Compensation in Organized Wholesale Energy Markets, FERC, 2011.
Поступила в редакцию 17.09.2018 г.
