«Reinventing energy: как новые технологии меняют электроэнергетику»
– Все существующие энергетические системы – российская, французская, американская, китайская похожи друг на друга, поскольку их базовые принципы были заложены 120–130 лет назад. В XX веке электроэнергетика развивалась по принципу укрупнения и централизации. Большие электростанции строились, как правило, вдали от потребления, ближе к источникам топлива – угольным и газовым месторождениям, водным бассейнам. Для передачи электроэнергии от удаленных электростанций к потребителям возводились мощные магистральные сети, и для контроля над этим процессом требовалось централизованное диспетчерское управление. Такая энергосистема создавалась, исходя из непредсказуемости поведения потребителей, невозможности масштабного хранения электроэнергии и управления потоками электроэнергии. Поэтому в энергосистеме были созданы колоссальные резервы мощности под максимальные нагрузки, которые на деле очень редко используются. Очевидно, что такая электроэнергетика дорого обходится потребителям, но стремительное развитие цифровых и энергетических технологий, которое наблюдается в последние годы, кардинально меняет эту ситуацию к лучшему.
В результате централизации в какой‑то момент энергетика стала восприниматься не как инфраструктура, обеспечивающая экономику, а как самодостаточная отрасль, которая производит некую отдельную стоимость. Например, со временем произошла подмена понятий, и обеспечение «надежности» стало возводиться в абсолютный принцип работы энергосистемы. Следовательно, энергетики стали обеспечивать надежность любой ценой. Это касается содержания большого количества энергомощностей для удовлетворения редких непродолжительных пиковых нагрузок и резервирования. В результате в современной российской электроэнергетике, которая еще далека от применения современных принципов и новых технологий, избыток мощности составляет около 40% от пика – практически половина генерации построена только для частичного использования или вовсе простаивает.
И вот теперь в энергетику приходят современные технологии, которые создают новые эффекты и бизнес-модели, а в итоге – принципиально новое качество энергосистемы. Технологические принципы привычной для нас энергетики в настоящее время все чаще оказываются устаревшими. Например, все, кто учился в энергетическом вузе, знают, что электроэнергии всегда производится ровно столько, сколько потребляется, базовый принцип долгое время состоял в том, что электроэнергию нельзя хранить. И если равенство производства и потребления нарушается, в электрической сети начинает расти или падать частота, это сопровождается неприятными техническими последствиями.
Действительно, прежде хранение электро-энергии было доступно или в очень большом масштабе (гидроаккумулирующая электростанция), или в очень маленьком (свинцово-кислотные аккумуляторы). Теперь же появились коммерчески привлекательные технологии хранения энергии разного типа, времени включения, масштаба, начиная с суперконденсаторов и заканчивая механическими накопителями совершенно разной мощности – практически весь спектр применения закрыт разнообразными технологиями. Они отменяют необходимость одновременно производить и потреблять равное количество электроэнергии.
Вторым базовым принципом электроэнергетики в прежнем, привычном нам виде является то, что нагрузка потребителя всегда непредсказуема и случайна, особенно это касается мелких потребителей, тех же домохозяйств. При моделировании энергосистемы или управлении ею такую нагрузку всегда рассчитывали статистическими методами на основе исторических данных. Следовательно, в инструкциях по проектированию до настоящего времени утверждается, что для обеспечения электроэнергией потребителей необходимо устанавливать не один, а два трансформатора – вдруг пики потребления небольших потребителей совпадут, предсказать это невозможно, а основная задача энергосистемы – обеспечить надежное, бесперебойное энергоснабжение.
Но сегодня развитие технологий хранения энергии и интернета вещей позволяет создать управляемое потребление: появляются дешевые средства коммуникации и датчики, «большие данные» о потреблении повышают точность планирования, а хранение электроэнергии на стороне потребителя позволяет смещать нагрузку во времени, не влияя на энергосистему и привычный образ жизни самого потребителя. Более того, новые технологии адресации в интернете дают возможность обращаться к конкретным устройствам, появилось большое количество технологий, обеспеченных возможностью межмашинного взаимодействия M2M (Machine-to-Machine), которое позволяет обрабатывать огромные массивы данных благодаря тысячекратно увеличившейся вычислительной мощности, по сравнению с той, которая была в распоряжении строителей единой энергосистемы. С каждым годом количество таких устройств растет экспоненциально. Это позволяет утверждать, что управление потреблением и спросом больше не является проблемой: в разных странах уже используется технология агрегирования спроса, когда потребители представляют энергосистеме свою мощность разгрузки, а она с точки зрения эффективной мощности для диспетчера является той же самой, как если бы загрузили электростанцию. Пропадает важность статистических методов прогноза потребления – оказывается, потреблением можно управлять даже на бытовом уровне, для этого достаточно использовать в домашнем хозяйстве умные устройства, способные моментально синхронизировать свое включение-выключение. Если прежде диспетчеру необходимо было обращаться к многолетней статистике и анализировать, какая нагрузка была у потребителей в этот день в разные годы, то теперь же ситуация изменилась, есть большое количество не экспериментальных, а вполне реальных примеров работы систем индустриального интернета вещей на уровне бытового потребления, которые позволяют практически полностью избежать пиков в потреблении. То есть в сочетании с системами хранения они исполняют мечту любого энергетика – делают потребление максимально плоским, а значит, не нужно держать наготове большое количество резервов генерации для покрытия пикового спроса.
Таким образом, принцип «старой» энергетики о случайности и непредсказуемости потребления тоже становится мифом.
Еще один принцип, ставший мифом, связан с тем, что генерацию можно контролировать. Для диспетчера крупная генерация является основным инструментом по управлению режимами в энергосистеме, в первую очередь частотой. Чтобы поддерживать заданную частоту энергосистемы, в России и в Европе 50 Гц, в США – 60 Гц, системный оператор исторически пользовался возможностью загрузить или разгрузить электростанцию. Чаще всего речь шла о гидроэлектростанциях, реже – о вращающемся резерве на тепловых электростанциях. Но сегодня мы понимаем, что генерация все меньше является инструментом балансирования системы: хотя крупная традиционная генерация остается контролируемой и управляемой, ветряные и солнечные электростанции вырабатывают электроэнергию тогда, когда дует ветер или светит солнце. Параллельно развивается распределенная энергетика, которая работает, в первую очередь, на обес-печение потребностей владельца.
Справедливости ради, стоит отметить, что большое количество возобновляемых источников энергии влияет на существующие энергосистемы в их старом исполнении, но в сочетании с системами хранения именно распределенная энергетика способна обеспечить энергосистему не только необходимой электроэнергией в те часы, когда она способна ее вырабатывать, но и мощностью в те часы, когда энергосистеме нужна эта энергомощность. Таким образом, большая тепловая генерация перестала быть инструментом балансирования энергосистемы. В свою очередь накопители в сочетании с солнечными электростанциями в целом ряде энергосистем становятся основой базового потребления.
Четвертый принцип носил технологический характер. В то время, когда изобретались, закладывались основы архитектуры современных энергосистем, не было возможности напрямую, в режиме онлайн, управлять потоками энергии. В качестве одного из побочных следствий этого явилось то, что энергосистема была создана на переменном токе, поскольку его уровень напряжения можно было поднять дешево и существующими техническими средствами. Уровень напряжения на постоянном токе поднимать не умели, соответствующей силовой электроники на тот момент не было. Следовательно, и энергосистемы выстраивались, исходя из принципа, что напрямую повлиять на потокораспределение – на то, куда пойдет конкретная электроэнергия, ни диспетчер, ни системный оператор не имели возможности. В настоящее время управление потоками энергии и мощности стало возможным благодаря использованию умных технологий в сочетании с полной наблюдаемостью сети и хранением энергии.
Возвращаясь к принципам централизации и укрупнения, о которых упоминал в начале и на которых строились энергосистемы раньше, отмечу, что это были вполне рациональные для того времени решения, поскольку ранее при строительстве энергетических объектов большое значение имел эффект масштаба. Понятно, что угольная электростанция мощностью 1,5 ГВт была гораздо эффективнее нескольких 100‑мегаваттных станций с низкими параметрами по давлению и по температуре. При этом всем приходилось вынужденно мириться с тем, что плата за экономию на масштабе является достаточно высокой: помимо высокого уровня потерь, требовались достаточно большие капитальные вложения для передачи мощности, которая создается, например, в Красноярском крае или на Севере, в те места, где она реально нужна. Кроме того, диспетчерам было гораздо удобнее управлять большой электростанцией, чем множеством малых. В результате строительства таких крупных электростанций и протяженных линий были построены фантастические по своей сложности энергосистемы. Без преувеличения можно сказать, что это в некотором роде инженерные чудеса света, это технический подвиг огромного количества людей, особенно учитывая технические ограничения, с которыми основателям этой архитектуры пришлось столкнуться с момента возникновения большой энергетики.
Но в настоящее время эффект масштаба в производстве электроэнергии стал пропадать. За счет использования новых материалов, новых инженерных решений и новых машиностроительных технологий стало возможным производство небольших генераторов, не менее эффективных, чем гигантские памятники индустриальной эпохи. Кроме того, все больше ускоряется развитие так называемых возобновляемых источников энергии. Несмотря на то что их доля в энергобалансе мира пока остается небольшой, в развитых странах – Германии, США, Великобритании они приобретают все большее значение уже не как технологическое явление и цель на 2035 год, а как значимые источники энергии, за счет которых в некоторые дни энергосистема полностью обеспечивает энергией потребителей.
И наконец, в централизованных энергосистемах, опирающихся на четыре базовых принципа, как правило, не возникает прозрачной и логичной системы управления в отношении тарифообразования и принятия решений о перспективном развитии сетей и генерации, о том, например, какие генерирующие источники и где должны быть построены, на каком топливе они будут работать и т.д. В российской энергосистеме, в силу ее централизации, решения о развитии энергосистемы принимает государство и регулятор. Между тем, во всей остальной экономике, которая в Российской Федерации по‑прежнему частично остается рыночной, решения принимаются без участия регулятора. Таким образом, люди принимают решение о строительстве доменных печей, новых установок по производству алюминия или удобрений, не оглядываясь на точку зрения Минэнерго РФ или проблемы, с которыми столкнется Системный оператор. Их интересы сталкиваются только в тот момент, когда потребитель, заплатив за строительство завода, узнает, что для подключения к энергосетям ему придется потратить приличную сумму, и начинает задумываться, как бы этого избежать.
Возможность сделать управление развитием энергетики прозрачным и гибким, ориентированным на реальные потребности экономики и общества, открывают интернет вещей, распределенная генерация, хранение энергии и управление спросом. Все они помогают формировать открытую экосистему для новых игроков. С их помощью вместо традиционной вертикальной иерархической структуры энергосистемы создается интернет энергии – сфера многостороннего взаимодействия всех участников, позволяющая обеспечить энергоснабжение потребителей более надежным и эффективным способом. Сейчас для обозначения новой энергетики достаточно часто используется понятие интернета энергии, поскольку по архитектуре такая энергетика похожа на архитектуру интернета, когда обеспечивается непрерывная коммуникация между пользователями. Эти по-иному организованные энергосистемы имеют огромное количество плюсов по сравнению с традиционной архитектурой, что совершенно не отменяет роли традиционной энергетики, в том числе в появлении и продвижении этих технологий. Понятно, что, например, у Российской Федерации, имеющей гигантские резервы по мощности как в сетях, так и в генерации, есть определенные преимущества перед системами, в которых потребление с производством сбалансировано гораздо более жестко и тонко. Но новая энергосистема более надежна и экономична, она способна развиваться не исходя из инвестиционных потребностей каких‑то отдельных монополий, не в соответствии с заветами правительства и регулятора, а в соответствии с реальным спросом на электроэнергию и мощность, причем для каждого конкретного случая. Она способна самобалансироваться, в ней не нужно держать огромные резервы. Соответственно, если мы при регулировании энергетики использовали бы критерии общественного блага, как это пытаются сделать регуляторы в некоторых других странах, то нам пришлось бы считать нагрузку на экономику, в которой необходимость поддержания резервов традиционной энергосистемы было бы необходимо каждый раз сопоставлять с инвестициями в развитие именно цифровой распределенной и умной энергетики.
Для того чтобы проиллюстрировать, как это работает, предлагаю обратиться к реальным кейсам. В 2014 году на подстанции, снабжающей районы Бруклин и Квинс (Нью-Йорк) была зафиксирована перегрузка на 69 МВт до 40–48 часов в летние месяцы. Традиционный способ решения этой проблемы предполагал строительство подстанции, распределенного пункта и фидеров. Стоимость проекта оценивалась в 1,1 миллиарда долларов. Такой вариант не устроил энергетиков, и они решили разобраться, с чем связан дефицит мощности. Оказалось, большая часть нагрузки приходится на системы охлаждения воздуха в жилых домах и офисных зданиях, которые в жару включались одновременно, создавая тот самый 70‑мегаваттный пик. Тогда было найдено инновационное решение: энергетики смогли выстроить систему, купив и поставив большое количество девайсов, которые управляют потреблением не только на уровне фидеров и систем кондиционирования, но и на уровне крупных потребителей типа лифтового хозяйства здания, госпиталей и других объектов с относительно крупной нагрузкой. Увязав их в единую сеть, удалось добиться рассинхронизации момента включения всех устройств, допускающих такую рассинхронизацию. На практике это выражается в том, что если вы хотите получить горячую воду из своего чайника немедленно, то заплатите тариф по пику потребления, а ваш сосед, который готов подождать 15 минут, заплатит в разы меньше. Учитывая, что в Бруклине порядка ста тысяч чайников, подобное решение стоимостью 487 миллионов долларов позволило ко всему прочему вдвое снизить совокупные затраты потребителей и отложить необходимость инвестиций в строительство подстанции как минимум до 2026 года.
Безусловно, такого рода усложнение технологий энергоснабжения требует адекватных технологий для взаиморасчетов. О применении технологии блокчейн (blockchain) и смарт-контрактов в энергетике проводится огромное количество конференций, запущено около сотни стартапов. Более того, есть несколько примеров, когда использование данной технологии позволяет организовать M2M-транзакции, чтобы и с коммерческой точки зрения, и с точки зрения бизнес-моделей, сбыта и продажи розничной электроэнергии можно было организовать взаимодействие владельцев мелкой генерации, систем хранения и, собственно, потребителей напрямую, минуя гигантскую инфраструктуру оптового и розничного рынков. Кстати, в России и оптовый, и розничный рынок электроэнергии работают по абсолютно условной модели: транзакции осуществляются между условными покупателями и поставщиками на условном электричестве. Как они потом реально что‑то потребляют, и что‑то друг другу поставляют – вопрос последующих расчетов. Технологии IoT при их полном развитии, включая расчетные системы, напротив, позволяют рассчитываться практически за физическую электроэнергию.
Подводя итог, хотелось бы отметить, что сочетание этих энергетических и цифровых технологий меняет устройство отрасли, создается нечто совершенно новое с технологической и архитектурной точек зрения. Мы становимся свидетелями перехода от вертикальной структуры с однонаправленным потоком, которая от генераторов распределяет электроэнергию до подстанций, уже подключенных к плоской двунаправленной самобалансируемой системе – она включает в себя и производство, и потребление в одной и той же точке за счет того, что системы хранения распределенной генерации могут принадлежать любому субъекту в этой системе. Она предъявляет совершенно другие требования к управлению, потому что любой из субъектов может являться как потребителем, так и производителем энергии. И она совершенно не похожа на существующие системы с точки зрения избыточности, потому что ей эта избыточность зачастую просто не нужна. В отдельных случаях внедрение даже простого управления спросом и некоторых элементов хранения энергии в рамках пилотных проектов приводит к снижению спроса на мощность в этих энергосистемах примерно на 35–40%. Это, на мой взгляд, тот результат, к которому стоит стремиться, потому что любой избыточный резерв не существует сам по себе, он не бесплатный, мы за него уже заплатили и заплатим еще больше, если реализуются проекты по реконструкции «музейных экспонатов».
Если энергетики и регуляторы будут руководствоваться не сиюминутными интересами, а устойчивой перспективой для энергетики и общества в целом, с помощью новых технологий нам достаточно быстро удастся построить более сложную, но вместе с тем более надежную и эффективную электроэнергетику. Централизованная энергетика при этом останется, но ее роль изменится. В центре процессов в новой энергетике будут потребители, которые будут производить и обмениваться энергией, управлять своим потреблением, на этой основе будут развиваться прямые транзакции; вырастет доля распределенной генерации; на порядки увеличится количество управляемых энергетических ресурсов, причем диспетчерские функции будут осуществляться на основе технологий искусственного интеллекта. Возможно, буквально несколько лет назад такой сценарий выглядел далеким и даже маловероятным, но теперь, с доказавшими свою состоятельность и широко распространяющимися технологиями новой энергетики, это только вопрос времени.
Александр Старченко, управляющий партнер First Imagine! Ventures, председатель Наблюдательного совета Ассоциации «Сообщество потребителей энергии»
