Мировая энергетическая революция. Как возобновляемые источники энергии изменят наш мир - Владимир Сидорович

Умная сеть

В связи с тем, что в ближайшем будущем энергия, производимая на основе возобновляемых источников, таких как солнце или ветер, станет дешевле энергии из ископаемого топлива не только сама по себе, но даже в комбинации с соответствующими системами хранения, а именно такой сценарий представляется сегодня достаточно очевидным, энергетические системы будут в значительной степени опираться на ВИЭ, что потребует новых подходов к их конфигурации. И происходящие на наших глазах изменения энергетического уклада приводят уже сейчас к серьезной трансформации существующих систем производства, передачи и учета энергии.

Сегодняшние энергосистемы опираются главным образом на ограниченный круг крупных производителей энергии – электростанций. По использованию установленной мощности они делятся на базовые, работающие почти непрерывно и призванные в любое время обеспечивать минимальное потребление, маневренные и пиковые электростанции, включающиеся в моменты наибольшего потребления. Электроэнергия передается от этих объектов, расположенных, как правило, на удалении от населенных пунктов, по линиям передачи (сетям) высокого напряжения, и, проходя через понижающие трансформаторы и низковольтные линии, попадает к конечному потребителю, который в такой системе является «пассивным» получателем энергии. Характеристикой такой генерации является программируемость выработки энергии (по объемам и срокам), возможность приостанавливать и возобновлять генерацию. А в случае мощностей, которые не обладают высокой маневренностью, таких как атомные электростанции, заранее планировать объем производства энергии.

Регулировать объем выработки электроэнергии солнечными или ветряными электростанциями практически невозможно. Да, на основе исторических данных и прогнозов погоды можно (с погрешностью) планировать выработку энергии, и в последние годы здесь достигнуты серьезные успехи. Тем не менее окончательно преодолеть неопределенность невозможно, и нестабильность производства энергии, присущая ВИЭ, в первую очередь солнечной и ветроэнергетике, в сочетании с повышением их доли в энергетическом балансе очевидно требует новых подходов к организации энергоснабжения. Кроме того, распределенное производство энергии, отличающееся от нынешней практики «централизованной» генерации электричества крупными электростанциями, само по себе создает запрос на иные, чем прежде, методы управления сетями.

Распределенное производство электроэнергии удобно и эффективно. Сам произвожу, сам потребляю и делюсь с соседями, а народное хозяйство в целом выигрывает от снижения потерь электроэнергии при транспортировке и отсутствия затрат на строительство протяженных линий электропередач.

В то же время эта радужная картина при ближайшем рассмотрении оказывается связанной с целым рядом потенциальных проблем. Представьте себе, что в недалеком будущем вырабатывать энергию станут большинство зданий – жилые, индивидуальные и многоквартирные, офисные, производственные, торговые. Для превращения здания в электростанцию существует множество решений, например по интеграции фотоэлектрических элементов в конструкции и оконные стекла и т. д. Таких строений уже сейчас много, но пока они относительно редки. Что же произойдет, когда все или почти все здания станут генераторами электричества? Люди, офисы, магазины, производства живут и работают по разным графикам, соответственно, различаются графики потребления энергии. Здания, разумеется, производят разные и плохо прогнозируемые объемы энергии, зависящие от расположения и площади генерирующих поверхностей. Произведенная энергия станет потребляться на месте, но временами ее не будет хватать, во многих случаях не хватать постоянно, поскольку, например, стены многоэтажного офисного здания или гостиницы вряд ли позволят выработать достаточно энергии для обеспечения всех пользователей. В то же время часто будут возникать локальные излишки произведенной энергии: например, в солнечные летние дни индивидуальный жилой дом с южным скатом кровли, покрытым фотоэлектрическими модулями, практически в любом месте на земле будет производить больше электричества, чем потребляет живущая в нем семья, даже если часть энергии будет складироваться на ночь. Добавьте сюда фактор погоды. В четверг у вас избыток электричества, а в пятницу – недостаток. В общем получается натуральный кошмар для «электриков». Именно поэтому сегодня высказываются опасения, что вся эта система распределенной генерации с большой долей ВИЭ «слетит с катушек».

Чтобы этого не произошло, разрабатываются так называемые «умные электросети» (англ. smart grids), которые мы определим как комплекс технологических и регуляторных механизмов, обеспечивающих устойчивость и эффективность энергоснабжения, в том числе в условиях большой доли ВИЭ в энергетическом балансе. Такие сети позволяют связать, сбалансировать в единую стройную систему массу производителей/потребителей энергии, обеспечить эффективную коммуникацию между всеми участниками системы, оптимальное и бесперебойное энергоснабжение, аккумулирование или грамотную переброску излишков.

Отличительными характеристиками умных сетей являются:

1. Полный электронный охват и учет всей технологической цепочки энергетической системы, начиная от крупных электростанций и заканчивая бытовыми приборами конечных потребителей.

2. Активный двунаправленный обмен информацией (параметры электроэнергии, режимы потребления и генерации, объемы потребляемой энергии и генерации…) между всеми участниками сети с использованием цифровых коммуникационных сетей и соответствующих интерфейсов с целью оптимизации потребления. Например, серийно встроенная в тепловой насос, стиральную, посудомоечную и т. д. машину программа будет сама выбирать время для стирки с учетом множества параметров, например наличия собственной электроэнергии, нагрузки на электросети и, соответственно, стоимости электроэнергии (разумеется, никто не запретит включить ручной режим и пользоваться техникой в желаемое время).

Подобно тому как сотни миллионов компьютеров связаны и обмениваются сегодня информацией через Интернет, в энергетической системе будущего многочисленные производители/потребители энергии станут обмениваться «энергетической информацией», снабжая энергией друг друга. Не случайно будущую систему иногда называют «энергетическим Интернетом», только она будет «в 100, если не в 1000 раз больше Интернета»[301], поскольку Интернет есть не у каждого, а электроэнергию потребляют все.

Существующие сегодня электрические сети проектируются «с запасом», с учетом максимально возможной пиковой нагрузки. Это означает, что установленная мощность используется в среднем за год лишь частично – на 30–50 %. Половина мощности или даже больше находится в резерве, в ожидании пика. Это своего рода «объективная энергетическая реальность», хотя с точки зрения экономики подобное использование ресурсов не очень рационально. Капитальные затраты на «спящие мощности» не покрываются производимой энергией, и приведенная стоимость производства электричества повышается. Не случайно LCOE пиковых газотурбинных электростанций существенно выше любого иного способа генерации (за исключением дизеля). Одной из задач smart grid является выравнивание, согласование производства и потребления, сглаживание возможных пиков, например путем временного сдвига потребления, что в результате приведет к сокращению «избыточных» резервных мощностей при том же объеме годовой выработки энергии, повысит коэффициент использования установленной мощности системы в целом.

Во многих странах осуществляются пилотные проекты по внедрению smart grid, но пока на государственном уровне не создано полноценных действующих систем. Smart grid – это не волшебная коробочка, которую надо «вставить» в существующую сеть для улучшения характеристик, и не компьютерная программа, от установки которой сеть сразу «поумнеет». Это открытый набор технологических и программных решений, позволяющий повысить управляемость и энергоэффективность системы в целом. Поэтому, естественно, применяется пошаговое внедрение технологий, которое можно начинать с относительно простых решений, таких как дистанционное снятие показателей электросчетчиков и установка «умных измерителей» (smart meter). При этом в действующих энергосистемах даже относительно простые шаги порой даются с трудом. Например, в Германии в 2015 г. большинство потребителей электроэнергии должно, в соответствии с законом, установить «интеллектуальные измерительные системы». Однако оказалось, что технические параметры устройств и инструкции по их установке и использованию до сих пор не согласованы соответствующими подзаконными актами[302]. Так что путь к совершенной, гибкой энергетической системе довольно тернист. Тем не менее дальнейшее развитие технологий и программных средств в сочетании с международной стандартизацией smart grids[303], без сомнения, приведет к успешному внедрению сетей нового поколения в недалеком будущем. К тому времени, когда они однозначно потребуются в условиях доминирующей или 100 %-ной доли ВИЭ в энергетике, такие сети будут действовать.