Найти Грааль или накормить всех семью хлебами
О новом слове в языке энергетиков — гибкости (energy flexibility) — в контексте западной и восточной институциональных матриц
Активная теоретическая и практическая работа, направленная в развитых странах на повышение гибкости (того самого таинственного flexibility) в национальных энергосистемах породила соответствующую дискуссию в России. Упрощенно позиции российских энергетиков и экспертов можно свести к двум точкам зрения. Согласно первой, гибкость — это необходимое качество энергосистемы с большой долей вариабельной генерации, ветровой и солнечной энергетики с практически стохастический выработкой. Вторая точка зрения сводится к тому, что гибкость — это рыночная услуга, предоставляемая на основе уже имеющегося на данный момент технического свойства генераторов энергосистемы, именуемого маневренностью.
Для уточнения содержания этого термина, которое было бы адекватным российским условиям, необходимо разобраться в смыслах, вкладываемых в понятие гибкости на Западе. Английский сетевой оператор Ofgem определяет гибкость как способность к изменению паттернов производства и потребления энергии в ответ на внешние, как правило, ценовые сигналы для оказания системных услуг. Экономическая выгода от повышения гибкости в английской энергосистеме оценивается в 17–40 млрд. фунтов стерлингов в 2020–2050 гг. [1]
Выделяют два источника гибкости: распределенные источники энергии и управление спросом на электроэнергию. Классификация гибкости на основе управляющих воздействий определяет следующие виды этой характеристики энергосистем: централизованная гибкость управляется «сверху вниз», децентрализованная гибкость создается распределенной генерацией и управлением спросом по принципу «снизу вверх», явная гибкость используется для решения специфических задач энергосистемы и предусматривает целевое, прямое вознаграждение, неявная «ценовая» гибкость запускается ценовыми сигналами от рынка энергии и мощности.
Другая классификация гибкости включает в себя темпоральную гибкость, или способность агентов изменять во времени свой спрос и/или предложение, географическую гибкость, т.е. способность агентов менять локацию своего спроса и/или предложения, агрегировать переменную генерацию или управляемую нагрузку, негативную гибкость, или способность агента прерывать потребление и/или выработку энергии, гибкость по источнику энергии, т.е. способность переходить на альтернативные схемы энергоснабжения и теплоснабжения от энергосистемы или от газовой инфраструктуры, системную гибкость, другими словами, способность агента оказывать системные услуги (поставку реактивной мощности, регулирование частоты в сети).
Кроме того, необходимо разделять понятия «гибкость» и «эластичность» в энергосистемах. Распределенная энергетика и системы накопления энергии повышают эластичность энергосистемы, обеспечивая повышенную жизнеспособность в условиях природных бедствий или техногенных аварий. Традиционная генерация, в свою очередь, обеспечивает покрытие базовой нагрузки, позволяя ВИЭ интегрироваться в энергосистему.
Бурное развитие ВИЭ привело к существенному увеличению их доли в выработке электроэнергии, поэтому вопрос интеграции нестабильных источников энергии в сеть без ущерба надежности системы стоит на повестке дня во многих развитых странах. Этой актуальной проблеме были посвящены три доклада Международного энергетического агентства в 2014–2017 гг. [2], а также множество исследований научных организаций и консалтинговых компаний [3].
Учитывая тот факт, что стохастичность спроса и предложения энергии изначально закладывалась при проектировании и развитии энергосистем (маневренность мощностей энергосистем), нынешний уровень гибкости иностранных энергосистем технически позволяет справляться с годовой долей ВИЭ в выработке на уровне 25–40%.
Анализ кейсов из опыта работы энергосистемы Германии, в том числе резких скачков выработки ВИЭ и спроса на электроэнергию в период общенациональных праздников, свидетельствует, что рынок энергии и мощности является институциональной технологией, также обеспечивающей определенную гибкость. При превышении предложения ВИЭ над спросом ситуация балансировалась за счет введения отрицательных цен на электроэнергию (до –130 €/МВт∙ч), стимулирующих энергопотребление. В Германии рынок на сутки вперед и балансирующий рынок относительно эффективно справляются с вариациями в выработке ВИЭ и ошибками в прогнозировании, а также дают правильные ценовые сигналы для загрузки германских угольных электростанций и экспорта энергии из ЕС [4].
Гарантией дальнейшего развития ВИЭ на Западе являются глобальная идеология и локальная экономика: с одной стороны, это борьба с изменением климата за счет снижения эмиссии парниковых газов, а с другой — повышение национальной энергетической безопасности за счет сокращения импорта ископаемого топлива. При этом рост ВИЭ является частью более масштабного процесса декарбонизации энергетики и экономики развитых стран. Помимо увеличения доли ВИЭ в национальном энергобалансе, нестабильность спроса и предложения энергии усугубляется развитием распределенной генерации, электрификацией легкового транспорта, а также секторов тепло- и холодоснабжения.
В процессе декарбонизации ресурсы гибкости в энергосистемах и топливной инфраструктуре становятся все более дефицитными, ценными и востребованными. Поэтому иностранные энергетики формируют дорожные карты по повышению гибкости энергосистем, которые включают в себя эшелонированный комплекс мероприятий:
- Развитие маневренных мощностей генерации и систем накопления энергии, предоставляющих услуги по балансированию для растущего сектора ВИЭ;
- Развитие систем управления спросом от управления умными домами и Интернета вещей до создания новых игроков на оптовом рынке энергии и мощности (виртуальных электростанций, агрегаторов распределенных энергоресурсов и систем накопления);
- Диверсификация ВИЭ по видам генерации (взаимодополнение солнце-ветер), а также по географическому признаку (недопущение появления локальных концентраций ВИЭ), гибридизация ВИЭ: их объединение с другими видами генерации или системами накопления энергии;
- Реформа правил оптового рынка для перенаправления ВИЭ на оказание системных услуг, стабилизацию отдельных энергетических районов, приближение ВИЭ к местам наивысшего спроса;
- Внедрение в практику работы системных операторов и сетевых компаний (TSO, DSO) улучшенных моделей прогнозирования выработки солнечных и ветровых электростанций;
- Изменение схем взаимодействия магистральных и распределительных сетей, а также экономическая интеграция оптового и розничного рынков для эффективного оказания сетевыми компаниями услуг по гибкости для энергосистемы, а также более полному использованию имеющихся систем учета электроэнергии;
- Переход к комплексному планированию развития энергосистем на базе показателя системной ценности переменных источников энергии — value of VRE. Этот показатель оценивает снижение расхода топлива и эмиссии парниковых газов, оптимизацию капитальных затрат генерации, а также транспортировки и распределения энергии вместо нормированной стоимости электроэнергии (LCOE). Кроме того, нужен постоянный мониторинг удешевления технологий ВИЭ для оперативного учета данных процессов при перепроектировании энергосистем.
На дальнюю перспективу в целях повышения гибкости энергосистем прорабатываются вопросы электрификации различных секторов конечного потребления энергии: теплоснабжения, транспорта, а также преобразование электроэнергии в химические вещества, например, метан или водород, по технологии power-to-X [5].
В будущем источники гибкости на стороне централизованной генерации и со стороны распределенной энергетики и конечных потребителей (ВИЭ, накопители, управляемая нагрузка) смогут дополнять друг друга, предоставляя соответствующие услуги по обеспечению, или предоставлению гибкости. В настоящее время традиционная энергетика (крупная генерация и сети) скорее соперничает с новыми агентами на рынке в режиме «победитель получает все» (win-lose) [6].
В отличие от США и ЕС восточные страны используют свои преимущества в коллективной организации общества и разрабатывают оригинальные концепции развития энергетики, которые создают альтернативные источники гибкости системы. Так, например, Китай в полном соответствии с постулатами легизма разрабатывает концепцию «кибер-физически-социальных» сетей, которые объединяют в себе три технологических передела, управляющих совокупными потоками энергии в различных физических формах (добыча и поставка первичной энергии, вторичное преобразование и транспортировка энергии, а также конечное энергопотребление), с системами социальных рейтингов [7]. Последние контролируют поведенческие паттерны граждан и включают системы тотального видеонаблюдения, общенациональные базы данных и алгоритмы скоринга граждан с применением искусственного интеллекта [8].
Япония реализует концепцию «Общество 5.0», несущую в себе дух синтоизма и основанную на повсеместном внедрении кибер-физических систем, сочетании локального (stand alone) и облачного, распределенного искусственного интеллекта, а также использовании людей, роботов и IoT в качестве источников big data для тотальной оптимизации технологических и социальных процессов в стране [9].
Восточные страны выходят за ограничения технократического западного стиля мышления. Там, где США и Европа дискутируют о новой границе раздела ответственности между энергосистемой и просьюмерами (на входе в умный дом или с охватом всех «умных» вещей данного домохозяйства), восточные страны используют коллективизм для открытия новых — социально-технических — измерений гибкости.
Рассмотрим, как обстоят дела с климатическими и экономическими драйверами гибкости в нашей стране. Россия за 1990–2015 гг. снизила выбросы парниковых газов на 45,8% по сравнению с уровнем 1990 г. (с учетом эмиссии сельского и лесного хозяйства) [10], что гарантирует выполнение национальных обязательств в рамках Парижского соглашения к 2030 г. без введения дополнительных мер государственной политики. Таким образом, климатический дискурс не дает существенных оснований для опережающего развития «зеленым» технологиям.
За 2012–2017 гг. 200 крупнейших инвесторов вложили в России порядка 33,5 трлн. рублей, из которых 57% — это инвестиции в нефтегазовый сектор [11]. Избыток собственных топливно-энергетических ресурсов в отличие от западных стран гарантирует России энергетическую безопасность и делает нецелесообразным наращивание мощностей ВИЭ.
Согласно данным Минэнерго РФ, на сегодняшний день доля ВИЭ в производстве электроэнергии России составляет менее 1%, и по прогнозам к 2035 г их доля возрастет до 3,2%. Поэтому тезис о том, что маневренности генераторов ЕНЭС хватит для полной интеграции вариабельной ВИЭ-генерации, выглядит вполне обоснованным. Более того, развитие новой генерации через механизм ДПМ наряду с отсутствием механизма вывода из эксплуатации устаревших электростанций привело к наличию в российской в энергосистеме 50 ГВт избыточных мощностей. Мощности традиционной генерации на российском рынке являются достаточным балансирующим резервом для ВИЭ вплоть до 2050 г.
Поскольку ни климатическая, ни экономическая повестка не дает возможности опереться на нее для определения будущего вектора эволюции подходов к формированию гибкости, необходим поиск других оснований для выдвижения гипотез о качественном развитии ЕНЭС. Учеными из Института экономики РАН для анализа материально-технологической среды в России предложены Х и Y институциональные матрицы [12].
Институциональная матрица — это устойчивая, исторически сложившаяся система базовых институтов, регулирующих экономическую, политическую и идеологическую подсистемы общества. Закрепляющиеся в обществах институты представляют собой конкретные социальные отношения, результат спонтанного поиска разных социальных групп. Это наиболее эффективное средство организации национального хозяйства на конкретной территории. Период формирования институциональных матриц составляет сотни лет, в отличие от 50-летних циклов технологических укладов в промышленности и энергетике, поэтому институты определяют особенности технологического развития в разных странах.
Институциональное ядро Y, или западных матриц составляют следующие институты. В экономической сфере — это институты рынка, или обмена, в политической сфере — федеративные начала государственного устройства, в идеологической сфере — доминирование индивидуальных, личностных ценностей, приоритет “Я” над “Мы”. Институциональное ядро Х, т.е. восточных матриц образуют иные базовые институты. В экономической сфере — это институты нерыночной (раздаточной) экономики, в политической сфере — институты унитарно-централизованного государственного устройства, в идеологической сфере — доминирование коллективных, надличностных ценностей, приоритет “Мы” над “Я”.
При этом страны с базовой Х-матрицей (Россия, Китай, ряд стран Азии и Латинской Америки) используют Y-матрицу для периодического разгона своей экономики на основе технологического трансфера. В свою очередь ЕС и США с базовой Y-матрицей используют дистрибутивную Х-матрицу для компенсации наиболее вопиющих провалов рынка и обеспечения социального баланса.
Произведённый анализ свидетельствует, что страны с Y-матрицей основывают свою политику развития энергосистем на интенсивной разработке и внедрении передовых, капиталоемких технологий в приватизированной материально-технологической среде. Соответственно, гибкость в энергосистеме — это пакет услуг, капитализирующий усилия частных агентов на рынке энергии и мощности. Страны с Х-матрицей при развитии энергетики делают упор на масштабные государственные программы внедрения заимствованных технологий в материально-технологической среде, имеющей общественный характер. Гибкость в этом случае — централизованно заданная характеристика системы, которую необходимо достичь в ходе освоения государственных капиталовложений [13].
Проектам Энерджинет и всей российской энергетике предстоит сделать выбор — ориентироваться на обретение нового Грааля гибкости энергосистемы, как рыночной услуги, или пытаться накормить семью хлебами всех стейкхолдеров, жаждущих гибкости энергосистемы как гарантируемого государством «общественного блага».
- Defining Flexibility — 2018. https://www.energy-uk.org.uk/publication.html?task=file.download&id=6625
- Сидорович Владимир. Интеграция ВИЭ в энергосистему: практика, мифы и легенды. http://renen.ru/integration-of-res-into-the-energy-system-practice-myths-and-legends/
- Сидорович Владимир. Гибкость — необходимое и ключевое свойство энергосистемы. http://renen.ru/flexibility-is-a-necessary-and-key-property-of-the-power-system/?fbclid=IwAR1Ga6xeD9IP3jrgXZ4_EFugZBlvW9M-qPnk45piYGjFClm4PbbAD8vzKnM
- A world of flexibility. The German Energiewende in practice: how the electricity market manages flexibility challenges when the shares of wind and PV are high. — Agora Energiewende, September 2018.
- International aspects of a POWER-TO-X roadmap. — World Energy Council, Germany, October 2018.
- Evan Polymeneas, Humayun Tai and Amy Wagner. Less carbon means more flexibility: Recognizing the rise of new resources in the electricity mix. — McKinsey & Company, October 2018, рp. 2–11
- Yusheng Xue, Xinghuo Yu. Beyond smart grid: cyber–physical–social system in energy future. — Proceedings of the IEEE, Vol. 105, Issue 12, December 2017, рp. 2290–2292.
- Юрьев Алексей. Все вижу, все слышу, всем все расскажу. — «Эксперт» №44 (1095), 29 октября 2018.
- Мамедьяров Заур. Дорога к «Обществу 5.0». — «Эксперт» №44 (1095), 29 октября 2018.
- Национальный кадастр антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов, не регулируемых Монреальским протоколом, за 1990–2015 гг. http://www.meteorf.ru/upload/pdf_download/NIR-2017_v1_fin.pdf
- Евгений Огородников, Максим Ремизов. За краем нефтегазового горизонта. — «Эксперт» №42 (1093), 15 октября 2018, сс. 24–37
- Кирдина С.Г. Экономические институты России: материально-технологические предпосылки развития. — Общественные науки и современность. № 6, 1999, сс. 36–45
- Energy Transitions in G20 Countries. Energy transitions towards cleaner, more flexible and transparent systems. — IEA, 21 September 2018. https://webstore.iea.org/energy-transitions-in-g20-countries-energy-transitions-towards-cleaner-more-flexible-and-transparent-systems
Подготовлено Центром развития цифровой энергетики
Автор: Дмитрий Тимофеев
