КОНЦЕПЦИЯ ИНТЕРНЕТА ЭНЕРГИИ В РОССИИ: ДРАЙВЕРЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

На сегодняшний день в электроэнерге­тике происходят существенные изме­нения, которые связаны, прежде всего, с цифровизацией, проникновением Интер­нета вещей и интеллектуальных способов управления в различные сферы экономики. Энергетика - одна из ключевых областей, способствующая развитию общества, явля­ющаяся основой функционирования других сфер экономики. Трансформации электро­энергетики в основном способствуют:

Рост потребления электроэнергии. Со­гласно прогнозр компании BP, до 2040 года мировой спрос на электроэнергию ежегодно будет расти на 1,3% по сравнению с уровнем 2016 года. Международное энергетическое агентство прогнозирует еже­годный рост на уровне 3,4%. Ожидается рост в основном за счет развивающихся эконо­мик: Китай, Индия обеспечат более четверти прироста каж­дый. Драйверами повышения спроса на электроэнергию также является увеличение благосостояния населения в развивающихся странах. [BPEnergy Outlook, 2018]. По прогнозу Центра стра­тегических разработок, уже к 2035 году появится 4 млрд новых потре­бителей, у которых пока нет доступа к элек­троэнергии, и еще 1,6 млрд человек за счет прироста населения в мире. В итоге к ука­занному рубежу потребление электроэнергии вырастет на 40-50% [Княгинин В. H., Хол- кин Д.В., 2017]. В России с 2015 по 2040 год прогнозируемая потребность в первичных энершресурсах увеличится на 10-17% [Макарова А.А., Григорьева Л.М., Митро- войТ.А.,2016].

Повышение спроса, следовательно, гене­рации электроэнергии. Рост спроса приво­дит к большему загрязнению окружающей среды. Министерство энергетики США про­гнозирует, что к 2040 году мировые выбросы углекислого газа от сжигания ископаемых видов топлива вы­растут на 16% от уровня 2015 года (рис. 1).

Повышение роли энергоэффективности. Согласно от­чету Международного энергетического агентства (МЭА), меры, предпринимаемые основными странами - основателя­ми МЭА (Германия, Япония, Италия, Франция, Великобрита­ния), позволили в 2016 году добиться снижения потребления энергетических ресурсов на 20% и снижения энергоемкости ВВП. В результате продукция их производителей стала более конкурентоспособной на международном рынке. Для анали­за энергоэффективности в мировом масштабе были выбраны 25 стран, среди них Россия оказалась лишь на 20-м месте, ниже оказались Таиланд, ЮАР, ОАЭ и Саудовская Аравия [Castro-Alvarez F., Vaidyanathan S., Bastian Н. et al., 2018]. На сегодняшний день энергоемкость ВВП России примерно в два раза выше среднемирового уровня. Благодаря реали­зации мероприятий государственной программы Российской Федерации «Энергоэффективность и развитие энергети­ки» [Постановление, 2014] энергоемкость ВВП в 2015 году по отношению к 2007 году была снижена на 5,94% [Сниже­ние, [б.г.]], в 2016 году - на 1,9% [Государственный доклад, 2017]. К 2020 году планируется снижение на 40%, добиться его будет нелегко, поскольку сегодня социально-экономи­ческие условия существенно отличаются от тех, что были в 2008 году, когда был составлен план.

Растущая роль возобновляемых источников энергии (ВПЭ). Доля ВИЭ в общей мировой структуре производ­ства энергии (включая гидроэнергию) составила около 25% в 2017 году. 20% энергии из ВИЭ обеспечили солнеч­ные установки, 30% - ветрогенераторы. ВИЭ обеспечивает 30% энергии, производимой в Европе, 25% - в Китае, око­ло 20% в США, Индии и Японии [GlobalEnergy, 2018]. Со­гласно оценкам Европейской комиссии, внедрение умных сетей и использование умных счетчиков позволит сокра­тить ежегодное потребление первичной энергии в ЕС на 9% к 2020 году [Renewable energy statistics (2018)] и уменьшить вредные выбросы.

Как показали эксперименты, ВИЭ позволяют полностью отказаться от традиционных источников энергии, но только на ограниченное время. Так, в 2016 году в период с 7 по 11 мая Португалия отказалась от использования угля и газа как источников энергии. За это время выработка на ветряных и гидроэлектростанциях составила 632,7 ГВт-ч электроэнер­гии, или 45% от всей выработки. Остальная электроэнер­гия была получена благодаря солнечным электростанциям и электростанциям на материале растительного и животного происхождения, к примеру на древесине, торфе и т.д. [Воро­бьева К)., 2016].

Согласно прогнозам, солнечная энергия станет основным источником энергии среди ВИЭ, а доля электроэнергии, ге­нерируемой ВИЭ в общей структуре энергетики, достигнет 40% [World Energy Outlook 2017, [s.a.]]. Navigant Research прогнозирует, что в 2018 году будет введено больше распре­деленных генерирующих мощностей, чем централизованной генерации, к 2026 году разрыв между ними по объему введе­ния новых мощностей составит три раза [Роль, 2017] (рис. 2).

В России доля ВИЭ составляет около 1%, этот параметр ежегодно увеличивается (рис. 3). Медленный переход к «зе­леной» энергетике определяется специфическими особенностями территорий и климата, исторически сложившейся структурой электроэнергетики. Электроэнергия из тради­ционных источников отличается сравнительно невысокой стоимостью [Линдер Н.В., Трачук А.В., 2017]. Во многом это обусловлено перекрестным субсидированием: население оплачивает электроэнергию по цене ниже себестоимости, разницу компенсируют промышленные потребители [Тра­чук А.В., Линдер Н.В., 2017]. В результате в России стои­мость электроэнергии для населения ниже, чем для жителей европейских стран. Таким образом, нет стимулов для прин­ципиального перехода на возобновляемые источники энергии.

Перечисленные выше общемировые тенденции явля­ются драйверами, которые способствуют поиску решений по оптимизации работы энергосетевого комплекса, повыше­нию надежности и эффективности работы сети.

На сегодняшний день многие страны заинтересованы в том, чтобы перейти от традиционной энергетической си­стемы к распределенной энергетике, в которой возможно взаимодействие различных элементов генерации в режиме реального времени. Распределенная генерация представляет собой совокупность электростанций, расположенных близко к месту потребления энергии и подключенных либо непо­средственно к потребителю, либо к распределительной элек­трической сети (если потребителей несколько). При этом не имеет значения тип источника первичной энергии (на­пример, органическое топливо или ВИЭ), принадлежность станции потребителю, генерирующей или сетевой компании или третьему лицу [Хохлов А., Мельников К)., Веселов Ф. и др., 2018].

Распределенная генерация является новой моделью энер­гетического рынка. Его активными участниками становятся потребители электроэнергии, которые могут устанавливать собственные генерирующие мощности, частично или пол­ностью обеспечивать свои потребности в электроэнергии. Излишки электроэнергии потребитель может продавать дру­гим участникам рынка. Оперативное взаимодействие между участниками рынка может обеспечить Интернет энергии - совокупность технологий и бизнес-моделей, обеспечиваю­щая возможность гибкого горизонтального взаимодействия «всех со всеми» по поводу производства, передачи и потре­бления электроэнергии. Благодаря Интернету энергии, воз­можно, изменятся традиционные роли участников рынка в электроэнергетике, в частности один участник сможет со­вмещать роли потребителя и производителя энергии [Систе­мы управления, [s.а.]].

Интернет энергии дополняет внедряемую в некоторых регионах России интеллектуальную сеть Smart grid, ос­нащенную датчиками, которые позволяют обмениваться большим количеством информации, включая погодные условия, цены на электроэнергию, объем потребления в различные периоды времени и т.д. Благодаря механиз­мам искусственного интеллекта можно провести анализ данной информации, составить прогноз потребления элек­троэнергии в будущем, наиболее точно отвечающий требо­ваниям потребителя по объему, цене, времени потребления электроэнергии. Все это в совокупности дает возможность производить, хранить и использовать электроэнергию бо­лее эффективно, позволяет сбалансировать спрос и предло­жение, используя интернет, технологии сбора, обработки и анализа информации.

Существуют различные подходы к тому, каким должен быть Интернет энергии. Во многих концепциях используют­ся термины информационных технологий (IP-адрес, марш­рутизатор, протокол связи и др.), в других - термины, приме­няемые в описаниях интеллектуальной сети.

Интернет представляет собой сеть, основу которой со­ставляют связи коммуникационных протоколов с общим языком и к которой можно подключить другие компьютеры. Конкретные процессы обмена информацией могут быть на­значены определенным адресатам. Само отправление той или иной информации может быть запланировано, сохране­но или отложено во времени.

Поток электроэнергии следует физическим законам, которые отличаются от законов потока информации. Сгене­рированная электроэнергия и энергия, используемая потре­бителем (включая потери энергии и накопители), должны быть сбалансированы в каждый момент времени. Поток электроэнергии следует правилам Кирхгофа, где на каждом электрическом узле ввод и вывод обязательно сбалансирова­ны в любой момент времени и нет возможности сохранения или задержки. Даже при аномальном состоянии электросе­ти существуют сбалансированные отношения. Дисбаланс мощности будет происходить только на роторах генератора или роторах двигателя.

В Интернете энергии, представляющем собой симбиоз физических систем и информационной сети, информацион­ный поток должен полностью поддерживать безопасность и оптимизацию всего потока энергии.

По сути, Интернет энергии - это сеть генерации, пере­дачи и распределения энергии, усиленная цифровым кон­тролем, мониторингом и телекоммуникационными возмож­ностями. Он обеспечивает не только двусторонний поток электроэнергии в режиме реального времени, но и автома­тизированный двунаправленный поток информации. Сле­довательно, все заинтересованные стороны в цепи электро­снабжения - от генерирующих станций до коммерческих, промышленных и бытовых потребителей - получают пол­ную информацию о потоке электроэнергии и транспортной инфраструктуре.

Чтобы добавить интеллект в существующую инфра­структуру, в нее необходимо ввести новые цифровые датчи­ки и актуаторы. Этот новый слой цифрового оборудования объединяет все активы, фактически представляет собой Ин­тернет вещей в действии.

Интернет вещей построен путем интеграции интер­нет-соединений во всевозможные установки, оборудование и устройства, подключения этих устройств к интеллектуаль­ным сетям и использования переданных этими устройствами данных для принятия осмысленных и действенных решений. В контексте интеллектуальной сети это означает распределе­ние вычислительной информации по всей инфраструктуре. Так, в энергетике будут задействованы самые разные эле­менты - от встроенных датчиков в лопатках ветровых тур­бин, которые управляют их шагом, вращением и функцией в режиме реального времени в зависимости от условий ве­тра, до систем управления подстанциями, которые быстро реагируют на аномальные события и минимизируют время простоя, связанное с сетевыми нарушениями.

Однако реальная ценность Интернета вещей заключает­ся в том, что создается возможность реализовать потенциал данных, которые находятся в существующих, несвязанных инфраструктурах. После сбора данных о каждом аспекте цепи электроснабжения операторы системы могут исполь­зовать средства аналитики, имитационные модели и сцена­рии «что если» для создания более точных прогнозов в от­ношении широкого спектра факторов начиная от состояния сети до погодных условий. Возможности, связанные с пред­сказательной аналитикой, и переход от реактивных к пре­вентивным операциям являются одной из определяющих и наиболее важных особенностей интеллектуальной сети. Электрические компании и системные операторы получат следующие преимущества:

• Сокращение капитальных затрат. Благодаря ин­теллектуальной сети можно точнее прогнозировать соответствие спроса и предложения. Утилиты могут удовлетворить пиковый спрос без использования до­полнительных генерирующих мощностей и могут обе­спечить наиболее эффективные пути распределения, что минимизирует затраты на транспортировку и обе­спечивает оптимальную работу активов.
• Управление спросом. Глубокое понимание моделей потре­бления и лучшие прогностические способности позволят реализовать больше инициатив по энергосбережению, сбалансировать спрос и предложение и свести к миниму­му потери, вызванные базовой или пиковой нагрузкой.
• Увеличение возможности использования ВПЭ. Утили­ты могут более эффективно реагировать на непостоянную подачу электроэнергии, получаемой от ВИЭ, на что может влиять, к примеру, их сезонный характер, сохраняя стабильность поставок.
• Уменьшение эксплуатационных расходов. Анализ активности различных генерирующих, передающих и распределяющих активов позволяет дистанционно диагностировать неисправности и обеспечивает опе­ративную техническую поддержку там, где это необ­ходимо в данный момент.
• Улучшение взаимодействия с клиентами. Поставщи­кам электроэнергии все чаще требуется конкурировать на нерегулируемых рынках и достигать целевых пока­зателей экономии энергии на регулируемых рынках. Электроэнергетические компании могут использовать информацию, предоставленную самими потребителя­ми, для разработки более точной модели потребления и предоставления кастомизированных услуг

Другими словами, Интернет энергии - интеллектуальная система управления энергопотреблением, которая позволяет удерживать стабильность и работоспособность всей форми­рующейся децентрализованной модели энергетики (рис. 4).

Многие страны Европы занимаются внедрением наци­ональных программ по развитию интеллектуальных сетей. В 2011-2014 годах в Еермании, Великобритании, Дании, Франции, Австрии, Швеции, Словении и Ирландии были приняты дорожные карты и стратегии по внедрению ин­теллектуальных сетей, подразумевающие государственную поддержку, в том числе финансовую [Цифровые технологии, 2017].

В рамках финансируемого Европейским Союзом проек­та Artemis Internet of Energy исследователи Siemens изуча­ли, как электрические транспортные средства могут быть интегрированы в энергетической инфраструктуре. Электри­ческие автомобили будут потреблять гораздо больше энер­гии, чем существующие энергетические системы могут вы­работать. Если бы уже сейчас были подключены миллионы электрических транспортных средств к транспортной сети, то имели бы место перебои в подаче электроэнергии. Вместе с тем транспортные средства могут также быть использова­ны в качестве буферов энергии и возвращать неиспользуе­мую электроэнергию обратно в сеть. Итак, электрические транспортные средства могут создавать проблемы для энер­гетических систем в существующем виде, соответственно, последние нуждаются в улучшении.

По мнению экспертов Siemens, решение заключается в создании Интернета энергии, что позволит потребителям и производителям эффективнее координировать предложе­ние и спрос. Интернет энергии должен быть оснащен интел­лектуальными системами прогнозирования, которые будут использовать прогнозы погоды, ожидаемые потоки трафика и другую информацию для прогнозирования будущего спро­са на энергию.

Te страны, где проводится активная политика по вне­дрению интеллектуальных сетей, отмечают снижение по­терь электроэнергии при передаче и распределении энергии (рис. 5). В США в отчете за 2016 год отмечалось, что в ре­зультате развития интеллектуальной энергетики удалось сократить индекс средней продолжительности отключений по системе на 20%, среднее количество длительных пере­рывов в электроснабжении на одного потребителя - на 30% [Distributionautomation, 2016]. Также в США большую часть установленной мощности распределенных энергоресурсов составляет не генерация, а ценозависимое снижение по­требления и мероприятия по повышению энергоэффектив­ности. Только программы по стимулированию снижения потребления электроэнергии в часы наибольшего спроса способны сократить пиковое потребление (а соответственно, и необходимость в строительстве дополнительных блоков и сетевой инфраструктуры) на 5-6%, что в масштабах США составляет несколько десятков гигаватт. Например, компа­ния ConEdison сэкономила более I млрд долл. инвестиций, требующихся для расширения сетевой инфраструктуры в нескольких районах Нью-Йорка, путем запуска масштаб­ной программы по снижению нагрузки на 52 МВт в пиковые часы, затратив на ее реализацию 200 млн долл. Программа предусматривает многочисленные меры - от замены лампо­чек на более эффективные до установки накопителей энер­гии у потребителей.

В 2016 году в России также была принята Дорожная карта «Энерджинет», ставящая своей целью к 2035 году занять 10-12% в сегменте надежных и гибких интеллек­туальных сетей и 3-6% в сегменте интеллектуальной рас­пределенной энергетики. В рамках данной инициативы ре­ализуются пилотные проекты, цели которых: повышение надежности электроснабжения, снижение временных затрат на ликвидацию аварий, сокращение потерь электроэнергии и оптимизация эксплуатационных затрат. Так, с 2016 года в Калининградской области компания «Янтарьэнерш» реализует проект по внедрению «умных» счетчиков, в реали­зацию проекта на Мамоновской и Багратионовской район­ных электростанциях вложено 290 млн руб. По подсчетам специалистов «Янтарьэнерш», «умные сети» окупят себя уже через 8-9 лет. В результате реализации проекта «умные» счетчики позволили снизить потери электроэнергии на 37%, время обнаружения участка, где произошла авария, и время ее ликвидации сократилось в пять раз [Проект, 2017].

В Тульской области «Тулэнерш», филиал ПАО «МРСК Центра и Приволжья», установило более 32 тыс. интеллек­туальных приборов учета электроэнергии у физических и юридических лиц. По итогам 2017 года потери электроэ­нергии сократились на 23,7 млн кВт-ч. Внедрение «умного учета» позволило снизить потери, связанные с недостовер­ным учетом отпущенной электроэнергии, неисправной ра­ботой счетчиков, и предупредить хищение электроэнергии [В 2017 году филиал, 2017].

С 2013 года в Уфе внедрением интеллектуальных сетей занимаются компания «Сименс» и АО «БЭСК». Планируется, что в результате реализации проекта электросетевой комплекс города полностью перейдет на интеллектуальное управление. В 2014 году потери электроэнергии сократились на 16-17%, по оценке компаний, к 2020 году потери уменьшатся в 2 раза по сравнению с существующими [Шароваров Д., 2016].

В 2016 году элементы «умных сетей» стали внедряться в Казани, Набережных Челнах и Нижнекамске. Результаты внедрения интеллектуальных технологий таковы: среднее время перерывов электроснабжения в распределительных сетях, оснащенных системами секционирования, уменьши­лось на 32%, средняя частота отключений - на 37%. Эти показатели надежности достоверно сопоставимы с резуль­татами деятельности восточноевропейских электросете­вых организаций. Наблюдается положительная динамика: с 2016 года продолжительность отключений снижена с 206 до 118 минут на одного потребителя, а количество отключе­ний в год - с 4 до 2 [Семеркин С., 2018].

Внедрение интеллектуальных сетей и Интернета энергии должно быть комплексным, наибольшего эффекта можно ожидать только при повсеместном переходе на интеллекту­альную, распределенную энергетику. Интернет энергии дает пользователям большие возможности и в то же время предъ­являет повышенные требования к безопасности сети, к су­ществующей модели рынка. Интернет энергии предполагает, что появится потребитель нового типа, элементы, которые не входили в традиционную модель рынка. В связи с этим изменения должны сопровождаться разработкой норматив­но-правовой базы, которая бы учитывала новые требования.

Широкомасштабное внедрение и развитие Интернета энергии в промышленное применение должно учитывать следующие факторы:

• масштабируемую интеграцию распределенных источ­ников альтернативной энергии с другими доступными системами электросетей;
• усовершенствованные системы измерения, монито­ринга и контроля: наблюдаемость, управляемость и предсказуемость - критически важные аспекты су­ществования Интернета энергии, мониторинг и кон­троль в реальном времени возможны только при нали­чии точных данных о потреблении энергии, необходим глубокий анализ пользовательской модели потребле­ния;
• управление данными в области кибербезопасности и конфиденциальности: Интернет энергии обеспечи­вает обмен большими объемами информации между участниками рынка электроэнергии, повышаются тре­бования к безопасности передаваемых данных, пре­дотвращения возможных утечек информации, защите от несанкционированного вмешательства.