IDEA — архитектура Интернета энергии. Часть I. Драйверы
EnergyNet подготовил к публикации архитектурный фреймворк по организации децентрализованных энергосистем
Драматические события, происходившие в последние дни в Техасе, заново ребром поставили вопрос о том, за счет каких принципов энергетика может сочетать в себе экономическую эффективность (давать дешевую энергию) с надежность и устойчивостью, в том числе по отношению к все более грозным природно-климатическим катаклизмам, и при этом удовлетворять все более сложным требованиям и желаниям общества и потребителей, включая и запрос на “зеленую” энергию. Этот же вопрос недавно вставал в связи с рекордными лесными пожарами в Калифорнии и Австралии, с грандиозным английским блэкаутом в 2019 году, а совсем недавно — с событиями во Владивостоке после ледяного дождя.
Все эти примеры — “звоночки” реальности, намекающие на то, что мир созрел для новой архитектуры энергетики — Интернета энергии, и что эта архитектура актуальна и нужна, как никогда.
Разработка архитектурного фреймворка Интернета энергии — IDEA (Internet of Distributed Energy Architecture) — велась в рамках реализации дорожной карты Национальной технологической инициативы по направлению EnergyNet. Первая, предварительная версия фреймворка была опубликована в декабре 2018 года [1], основные положения ее уточненной версии — в ноябре 2019 года [2]. Документ прошел обсуждения на профессиональных форумах IEEE, CIGRE, EnergyNet.CON. Создана натурная реализация IDEA (демонстрационный комплекс) на полигоне в МФТИ. На базе IDEA готовятся к реализации несколько пилотных проектов в России и за рубежом.
В первой статье, описывающей новую версию архитектуры Интернета энергии, мы сосредоточим внимание на необходимости в новом архитектурном подходе к построению энергосистем, которая созрела в современной энергетике.
Необходимость новой архитектуры энергосистем
Необходимость разработки новой архитектуры энергосистем определяется тем, что эффективное развитие электроэнергетики в рамках главенствующей парадигмы централизованных энергосистем оказывается более невозможным. Централизованная архитектура электроэнергетики исчерпала свои возможности по удовлетворению требований и запросов потребителей и обеспечению роста эффективности энергосистем. Быстрое развитие и массовое внедрение решений распределенной энергетики строится на новой парадигме, предлагающей близость генерации к потребителю, локализацию энергетических балансов, изменение ролей потребителей и появление в энергосистемах новых типов субъектов, сочетающих свойства генераторов и потребителей, — просьюмеров. С точки зрения удовлетворения желаний потребителей и обеспечения экономической эффективности энергоснабжения распределенная энергетика, особенно при верном сочетании с традиционной, часто оказывается более эффективной, чем централизованное электроснабжение. Например, в нашем докладе «Активные энергетические комплексы — первый шаг к промышленным микрогридам в России» показано, что такое решение распределенной энергетики, как промышленные микрогриды, снижает расходы потребителей в них на величину от 5% до 25% по сравнению с потреблением энергии исключительно из централизованной сети [3].
Централизованная энергосистема предполагает, что электроэнергия вырабатывается на крупных генерирующих мощностях — электростанциях единичной мощности в сотни и тысячи мегаватт — и далее однонаправленно передается через магистральные и затем распределительные электрические сети до потребителей как крупных, так и распределенных мелких. Информация — в данном случае о потреблении — при этом движется в обратную сторону от потребителей через сети и сбытовые компании к централизованной диспетчерской системе управления и крупным генераторам.
Распределенная энергетика в своем предельном варианте представляет собой энергосистему, в которой реализован двунаправленный переток электроэнергии между электрическими сетями и их абонентами. Эти абоненты в общем случае могут быть просьюмерами, то есть в зависимости от обстоятельств как производить и выдавать в сеть, так и принимать из сети и потреблять электроэнергию. Кроме того, в децентрализованной энергосистеме присутствуют распределенная генерация и потребители, в том числе обладающие возможностью управлять своим потреблением. Между всеми этими субъектами поддерживается свободный энергообмен, обеспечиваемый энергетической инфраструктурой, и двусторонний обмен информацией, необходимый для энергообмена и взаимной торговли, осуществляемой на тех или иных рыночных площадках.
Но реализация распределенной энергетики с использованием централизованной архитектуры энергосистем оказывается неэффективной: возникают существенные проблемы и издержки при интеграции распределенной энергетики в централизованные энергосистемы, зачастую при этом снижается системная надежность энергосистемы, а потенциал распределенной энергетики не удается раскрыть в полной мере. В итоге это приводит к появлению различных административных и технологических барьеров во взаимодействии распределенной и централизованной энергетик. Распределенная энергетика и централизованная архитектура больших энергосистем конфликтуют друг с другом.
С другой стороны, электроэнергетику неверно развивать по принципу полной автономизации и автаркии, когда каждый потребитель владеет своей собственной генерацией, обеспечивающей только его нужды в энергоснабжении. Простой анализ показывает, что в этом случае имеющиеся мощности используются с более низкими КИУМ, а расходы на электроснабжение при том же уровне надежности, которые обеспечивает сетевая электроэнергетика, возрастают в 3 раза и более. Автономизация имеет смысл исключительно на удаленных от сетей централизованной энергетики, изолированных и труднодоступных территориях, но и там целесообразным является создание локальных энергосистем, а не самообеспечение каждого потребителя по отдельности.
В итоге, распределенную энергетику, имеющую огромный экономический потенциал, оказывается невозможным эффективно развивать без новой подходящей для нее архитектуры, которая предложила бы децентрализованной подход к построению энергосистем и управлению ими.
Изменение характера спроса на электроэнергию
Характер спроса на электрическую энергию и запросы ее потребителей в мире за последние 10–15 лет существенным образом изменились. Во-первых, эти запросы дифференцировались. Рост значимости климатической повестки и глобальная борьба с изменением климата, приведшая к принятию Парижского соглашения и различных национальных и региональных программ и планов по его реализации, сделали важнейшей характеристикой электроэнергии величину ее углеродного следа. Для массы потребителей в Европе, США, Канаде, Японии, Австралии и многих других странах оказывается важным то, насколько «зеленую» электроэнергию они получают, и эта характеристика становится важнее цены на энергию, что подтверждается как введением соответствующего национального регулирования, так и ростом популярности «зеленых» тарифов. Для других потребителей, напротив, наиболее существенное значение имеют расходы на электроснабжение. Это ощутимо как в индустриальных, так в аграрных развивающихся экономиках, особенно — в тех, где процесс электрификации еще не завершен в полной мере. Наконец, появился новый тип потребителей, получивший условное название «цифрового спроса», для которых определяющим является качество электроэнергии (в основном, постоянство уровня напряжения) и надежность электроснабжения (величины CAIDI и CAIFI). Как правило, такие потребители связаны с вычислительной техникой (дата-центры), прецизионными промышленными процессами и аддитивными технологиями. Рост требований к качеству и надежности электроснабжения со стороны «цифрового» спроса предсказывался RAND Corporation еще 20 лет назад [3] и сегодня подтверждается исследователями из Ланкастерского университета, которые предсказывают темпы роста электропотребления цифровыми устройствами и ICT-инфраструктурой на уровне 7% в год и показывают, что в Великобритании и Нидерландах пиковое потребление по часам совпадает с пиками использования цифровой техники и ресурсов Интернета [4].
Таким образом, появление перечисленных групп спроса на электроэнергию с качественно разными требованиями к ней должно приводить к кастомизации предложения на энергетическом рынке. Но традиционная электроэнергетика и составляющие ее основу централизованные энергосистемы не предполагают возможности такой кастомизации, они обеспечивают поставку стандартизированной и одинаковой для всех потребителей электроэнергии и практически не позволяют потребителям влиять на такие ее характеристики, как качество или происхождение.
Во-вторых, за счет роста энергоэффективности как в развитых, так и во многих индустриальных развивающихся экономиках практически прекратился рост электропотребления, но растет удельное число потребляющих электроустановок в расчете на одного потребителя. Например, в Великобритании с 1972 по 2017 годы темпы роста ВВП увеличились с 1% до более, чем 3%, тогда как прирост электропотребления весь этот период находился на уровне 1% в год, а с 2008 года планомерно падает до значений, меньших 0,8% [5] Появление таких новых типов энергопринимающих устройств, как электромобили и мобильные роботы, изменило сам характер спроса в электроэнергетике: при незначительном росте спроса на электроэнергию резко растет спрос на мощность, в частности, необходимую для зарядных станций. Так, по оценкам McKinsey & Company, суточная неравномерность потребления электроэнергии домохозяйствами (пиковое потребление) при массовом распространении электромобилей вырастет на 30% по сравнению с сегодняшним уровнем [6]. Это означает, что рыночная ценность мощности, подведенной к потребителю, будет расти намного быстрее ценности электроэнергии. При традиционной, централизованной архитектуре энергосистем это приводит к росту издержек на строительство и содержание соответствующих генерирующих и сетевых мощностей при снижении эффективности из использования, в частности, снижении КИУМ и загрузки инфраструктуры. Рост этих издержек неизбежно влечет рост стоимости электроснабжения для конечных потребителей.
Более того, централизованная электроэнергетика к настоящему моменту достигла предела своей эффективности. Это справедливо как в плане технологического совершенствования, выражающегося в росте КПД генерации, снижении удельного расхода топлива, снижении потерь при передаче электроэнергии и улучшении других технических параметров, так и в плане улучшения экономики энергетики, выражающейся в таких показателях, как приведенная стоимость электроэнергии на жизненном цикле (LCOE) крупной генерации и совокупные затраты потребителей на электроснабжение. Эффект масштаба, при котором рост единичной мощности электростанции приводил к снижению удельных затрат на выработку электроэнергии, перестал быть значимым фактором еще в начале 1990 годов [7]. Сами эти удельные затраты у традиционных типов генерации практически не снижаются уже более десятилетия. Возможность снижения технологических потерь в сетях также практически исчерпана. При этом издержки конечных потребителей электроэнергии на энергоснабжение в централизованных энергосистемах растут несмотря на то, что стоимость топлива может снижаться, причем иногда — во время резких падений цен на нефть — снижаться существенно. Например, согласно анализу Ассоциации «НП Сообщество потребителей электроэнергии», в России в 2019 году средняя цена на электроэнергию для промышленных предприятий выросла на 2,7% в долларовом выражении при том, что курс рубля к доллару за это время снизился, а без учета курсовой разницы рост цены составил 6% и в 2 раза превысил среднегодовую инфляцию [8].
Одновременно меняются возможности самих потребителей по отношению к энергосистеме. Появление цифровых технологий позволяет потребителям эффективно управлять своими нагрузками и передавать удаленное управление этими нагрузками другим субъектам. Это означает появление «активных потребителей», влияющих на балансы в энергосистемах за счет регулирования своего потребления. Другим значимым фактором изменения роли потребителей в энергосистемах в последнее время становится распространение систем накопления электроэнергии, технологии которых дешевеют, а сами накопители оказываются доступными для потребителей. Накопители обеспечивают потребителям гибкость в отношении к потреблению из сети вплоть до возможности временно не потреблять и даже выдавать электроэнергию обратно в сеть. Наконец, удешевление малой распределенной генерации, как газовой, так и основанной на использовании ВИЭ, в том числе микрогенерации, делает потребителей одновременно генераторами, которые могут за счет этого также и снижать потребление электроэнергии из сети, и выдавать излишки электроэнергии в сеть. Понятно, что потребители хотели бы реализовать эти новые возможности в своих интересах, но архитектура централизованной энергетики не позволяет этого сделать из-за того, что не предполагает ни двунаправленных перетоков энергии, ни такой роли, как просьюмер.
Таким образом, традиционная энергетика больше не может обеспечить потребителей электроэнергией с теми качественными характеристиками и по той стоимости, которые этим потребителям нужны, и дать им те возможности по участию в работе энергосистем, которые они хотели бы получить.
Энергетический переход и интеграция ВИЭ в энергосистемы
Важным драйвером перехода к новой архитектуре энергетики является энергетический переход. Процесс энергетического перехода (energy transaction), как известно, определяется тремя составляющими, так называемыми, 3D:
1. Декарбонизацией (переходом к углеродно-нейтральной энергетике);
2. Децентрализацией (переходом к распределенной энергетике);
3. Диджитализацией (переходом к цифровым технологиям в энергетике).
При этом декарбонизация, связанная в первую очередь с использованием ВИЭ, приводит к децентрализации энергетики, поскольку многие типы ВИЭ, такие как солнечные электростанции и в ряде случаем ветровые электростанции не требуют концентрации их мощностей в одном месте. В их случае не работает эффект масштаба: от концентрации мощностей удельная стоимость их электроэнергии не снижается, а значит при их распределенном размещении вблизи потребителей появляется возможность снизить сетевые издержки на транспорт электроэнергии до этих потребителей.
Но интеграция ВИЭ, как сосредоточенных, так и распределенных, в энергосистемы оборачивается существенными проблемами. Эти проблемы возникают в связи со сложным диспетчерским управлением энергосистемами с большой долей ВИЭ, при которой в силу стохастического характера выработки электроэнергии на базе ВИЭ возрастают требования к регулированию частоты и баланса мощности и требования к соответствующим мощностям. Кроме того, интеграция распределенных ВИЭ усложняет вопросы реализации релейной защиты и автоматики в распределительных сетях. Рост доли так называемой «электронной» генерации, то есть генерации, присоединенной к электрическим сетям через инверторы, также приводит к нежелательным последствиям для управляемости энергосистем и устойчивости режимов электропередачи в них.
Без новой архитектуры построения энергосистем дальнейший существенный рост доли ВИЭ в них оказывается практически невозможен. Более того, рост этой доли приводит к снижению системной надежности централизованных энергосистем. Например, одной из причин известного блэкаута в Великобритании, произошедшего 9 августа 2019 года, был недоучет распределенной генерации, присоединенной к сетям низкого напряжения, и влияния ее отключения от системы при отключении соответствующих фидеров на баланс мощности в системе [9]. По утверждению директора Центра интеграции энергетических систем Университета Ньюкасла профессора Фила Тейлора, сделанного им на Сингапурской энергетической неделе в ноябре 2019 года, аварийное отключение ряда линий низкого и среднего напряжения вместо того, чтобы разгрузить систему, привело к выпадению мощности, обеспечиваемой муниципальными ВИЭ, из системы и дальнейшему развитию аварийной ситуации.
Цифровизация энергетики, напротив, открывает технологические возможности для реализации распределенной энергетики в рамках нового архитектурного подхода, поскольку обеспечивает возможность необходимых для этого информационных потоков и определяет необходимую для этого плотность цифровых управляемых устройств, в том числе на стороне потребителей, в частности, цифровой учет электроэнергии и удаленный доступ к электроустановкам потребителей.
Три типа издержек распределенной энергетики
Как видно из приведенного анализа, реализация распределенной энергетики в парадигме централизованных энергосистем и ее интеграция в эти энергосистемы приводит к очевидным проблемам и неустранимым коллизиями и конфликтам новых энергетических практик и старой, традиционной архитектуры энергетики. Эти проблемы можно обобщить в виде трех типов издержек, к росту которых приводят попытки интеграции распределенной энергетики в современные энергосистемы:
1. Трансакционные издержки, растущие по мере роста числа активных участников работы энергосистемы, в частности, числа участников энергообмена;
2. Издержки информационной интеграции, связанные с необходимостью включения большого числа участников работы распределенной энергетики в контуры управления и информационные каналы обмена данными и командами;
3. Издержки интеграции силового оборудования в сети, связанные со сложностью обеспечения надежности работы сетей, а также статической и динамической устойчивости режимов передачи электроэнергии при большом числе участников энергообмена, в том числе присоединенных к сетям через инверторы.
Архитектура Интернета энергии (IDEA) призвана снять указанные издержки и решить проблему интеграции объектов распределенной энергетики в энергосистемы и построения полностью распределенных энергосистем.
О концептуальной модели и основных use case Интернета энергии мы расскажем в следующей статье.
Справка
Архитектура Интернета энергии (IDEA — Internet of Distributed Energy Architecture) была разработана, чтобы удовлетворить потребность стремительно развивающейся распределенной энергетики и новых, связанных с ней бизнес-практик, в новом подходе к построению энергосистем и управлению ими.
Интернет энергии — кибер-физическая инфраструктура распределенной энергетики, на базе которой реализуются систем децентрализованного интеллектуального (роботизированного) управления этой энергетикой и осуществляется интеграция в нее распределенных источников энергии и энергетической гибкости, а также активных потребителей.
Подготовлено IC ENERGYNET / Авторы: Игорь Чаусов, Дмитрий Холкин, Илья Бурдин
Источники:
4. Morley J., Widdicks K., Hazas M. Digitalization, energy, and data demand: The impact of Internet traffic on overall and peak electricity consumption. — Energy Research & Social Science, №38, 2018, pp. 128–137
5. Eyre N. Energy demand in the energy transition. — Energy World, №479, 2019, pp. 14–15
