Базовые понятия

Существует невероятный вызов связанный с тем, что энергетика, будучи одной из самых консервативных областей, начала стремительно меняться. И она начала меняться не в силу внутренних причин, а в силу сочетания внутренних и внешних причин. Дело в том, что есть два очень мощных фактора, которые требуют повышения гибкости работы энергосистем. Один фактор - это стоимость дальнейшего развития и эксплуатации электроэнергетики в централизованном режиме. Если мы посмотрим на эволюцию энергосистем в течении 20 века, то мы увидим, что они либо исходно были очень централизованными, как это было в СССР, либо они постепенно становились более централизованными и более сбалансированными, как это было, например, в США и Японии. При этом дальнейший рост энергопотребления и дальнейший рост иерархических сетей, которые являются глубоко централизованными, при увеличении неравномерности нагрузки на сети, становится все более и более дорогостоящими.

По сути своей стоимость электроэнергии падала в течении всего 20 века. Для экономики это не очень обычное понятие, это почти непрерывное эффективное падение стоимости электроэнергии. Понятно, что были нефтяные кризисы, было изменение стоимости энергоносителя - это не могло не сказаться на тарифах, но если мы не посмотрим именно функцию полезности, то мы будем понимать, что электроэнергии расходовалось все больше в течение 20 века, что энергообеспеченность на человека росла везде или практически везде, мы не можем говорить про отдельные страны в Африке, но даже если в целом брать африканский континент, то на африканском континенте тоже почти непрерывно росла.

Это все вместе приводит к тому, что получается очень большой объем инвестиций, очень большой объем роста сетей, и в целом все бесконечно привыкли к этому процессу. Привычка к тому, что электроэнергия становится всегда дешевле, сети всегда становятся более централизованными, надежными, сбалансированными, резервированными, что у вас есть отдельные законопроекты, которые обязуют тех, кто генерирует энергию или распределяет энергию, держать резерв мощности, баланс мощности, эта огромная совокупность факторов, конечно же, привела к определенному процессу развития. И последние 15 лет этот процесс развития наткнулся на резко выросшую неравномерность потребления электроэнергии. Это означает, что в каждой локальной точке возникли сравнительно большие пики потребления, у вас возникло очень много субъектов или клиентов, которые потребляют в больших количествах электроэнергию, у вас резко выросло потребление электроэнергии домохозяйствами, офисами, везде появились кофеварки, быстрые чайники. Просто, вообще-то, 30 лет назад большинство чайников в мире готовились на газовых плитках, вовсе не в 2 Кв чайниках от сети, которые могут создавать мгновенную нагрузку, которая сопоставима с заводом. Поэтому, если вы все в 8 вечера пьете чай, то в городе, как будто бы, появился новый завод, причем на 3 минуты. И энергосистема не очень приспособлена к такому типу поведения, потому что это означает огромные дополнительные резервы. Это первый факт, он чуть-чуть внешний, но в-первую очередь внутренний.

Логика развития иерархических сетей с огромным резервированием это логика, которая не очень справляется с вот этими факторами внезапного немонотонного потребления с резкими скачками и при постоянном их росте. Энергия становится все дешевле, нам не трудно делать все больше приборов, которые работают на электроэнергии, это у нас еще электромобили толком не поехали, когда электромобили поедут, то это будет не как чайник, а как десяток чайников одновременно и не на 2 минуты, а на 2 часа, или на 4, или на 6, в зависимости от типа зарядки – это будет очень весело, потому что электромобиль, если заряжается быстро, он потребляет больше, чем весь ваш остальной частный дом, не квартира. Это все один фактор, который говорит нам, что невероятно необходимо, чтобы появилась другая архитектура.

Есть другой фактор, это больше внешний. Он связан с экологией, он связан с политикой, он связан с весьма важными законопроектами, международными соглашениями об уменьшении эмиссии CO2 и других парниковых газов, он связан с развитием возобновляемой энергетики, он связан с субсидиями на развитие возобновляемой энергетики. Когда сталкиваются два этих фактора, они приводят к тому что, первое – у нас не получается с тем же запасом мощности для настолько неравномерного и растущего потребления дешево создавать сеть, то есть дорого мы можем, никакой проблемы нет, но это дорого. Это многократное резервирование существующего, а существующую сеть строили не год. Есть еще один момент, существующие энергосистемы строились 50-60-70 лет, вы посмотрите на возраст ГЭС или возраст многих ТЭЦ, или возраст многих АЭС, и что они занимают ключевое положение. Посмотрите на то, когда построены ключевые распределительные сети, магистральные, высокого напряжения, передающие высокую мощность и выяснится, что все сложилось не за 10 лет и даже не за 20, и даже не за 30 лет. То есть современный облик энергосистемы складывался в течение всего 20 века, а то, чем мы пользуемся сейчас может иметь возраст и 30 лет, и 40 лет, и 50, и 60, особенно это касается крупной генерации, гидрогенерации, атомной генерации и более важных магистральных линий электропередач. Мы не можем отреагировать на быстрые изменения также быстро, таким же размером инфраструктуры, который к тому же будет еще и очень избыточен в некоторых вопросах.

Во-вторых, выросла возобновляемая электроэнергетика, это значит, что у нас появились стохастические генераторы, а как с ними работать в бесконечной иерархической системе? Он, то генерирует, то не генерирует – это реально зависит от погоды, это хуже, чем от настроения, погода имеет большую изменчивость, чем настроение и, когда возникает такого сорта система, то с ней надо работать по другим законам. Первые проблемы с возобновляемыми источниками энергии ровно в том и заключались. Предполагалось, что их можно использовать изолированно от больших энергосистем. Во-первых, это экономически очень дорого и они становятся хорошими в тот момент, когда они включаются в энергосистему, но это совершенно другая логика работы. Дальше, если мы посмотрим на то, что мы должны включить еще их, то есть третий фактор – это множество пользователей, та самая мультиагентность, которая начинает становиться достаточно активной, и с пользователями можно начинать договариваться про то, что они увеличивают-уменьшают нагрузку в разное время и работать с этим через тариф или еще какие-то разные системы. Все это вместе приводит к необходимости пересмотреть архитектуру того, что такое энергосистема и как она распределяет интернет энергию. Это принципиальная штука, на это по всему миру были потрачены достаточные усилия и продолжают тратиться, и это очень хорошо, потому-что те интеллектуальные усилия, которые тратятся в этой области, они всегда бесконечно меньше, чем те материальные усилия, которые были потрачены на строительство существующих энергосистем.

Надо понимать, что архитектура энергий это нечто, что возникает не в пустоте. Оно не может возникнуть в пустоте - энергетика это невероятно большая отрасль, которая уже есть. Это значит, что это всегда новые решения, которые вписаны до определенной степени в существующую систему и они должны работать совместно. Архитектура интернета энергии подразумевает несколько ключевых вещей, она подразумевает, что у нас возникает очень важный слой обмена информации. Она подразумевает, что у нас возникает понятие гибкости, то есть способности влиять на генерацию, способность влиять на потребление, способность перераспределять мощности, способность работать с балансом мощности, как с отдельной задачей, которая является не технически обслуживающей, как в иерархических системах, а как с самостоятельной задачей. Это совершенно другой способ думать.

В архитектуре интернета энергии у нас возникает очень важный раздел, связанный с тем, что экономика начинает сильнее влиять на технику и техника начинает сильнее влиять на экономику. И это означает, что у нас должна применяться логика приборов учета. То есть, если 10 лет назад с счетчика частном доме, с которого можно снимать показания раз в месяц и все сравнительно предсказуемо и можно это делать – это одна история и, когда вы непрерывно работаете с большой сложной системой, в которой вы в каждый момент времени должны понимать, кто сколько потребляет. Это отсчеты, которые идут на секунды, на минуты – это радикально другой объем данных. Это радикально другой подход с точки зрения системы управления. И поэтому в архитектуре интернета энергии обычно выделяется три основных слоя.

Первый слой, самый верхний, слой экономических транзакций – то есть вы должны каким-то образом договориться про то, что у вас возникает динамическое ценообразование, динамические контракты или базовые контракты, которые дополняются динамическими контрактами. Там можно делать очень много всего, это просто определенный слой, в котором могут возникать отдельные договора, приложения, способы регулирования – это один слой.

Должен возникать слой, который связан с учетом, с измерением, и это физическая шина данных, которая должна сопровождать любую энергетическую шину данных, то есть к любому энергетическому кабелю у нас должен идти информационный кабель, к любому акту передачи энергии у нас должен стоять цифровой счетчик, задача которого является вовсе не передача данных человеку, а передача данных по машин-машинному, не человеко-машинному, а машин-машинному взаимодействию, накопление этих больших данных, но при этом он же должен и фиксировать запрос, подача энергии, потребление энергии – вот все эти вещи должны существовать в этой шине данных, которая позволяет проводить одновременно измерения, физические данные и т.д.

И, наконец, у вас должна быть силовая архитектура - собственная способность сетей быстро делать три вещи. Во-первых, это все не работает, если вам нужно писать заявки на согласование, потому-что вам нужно сейчас увеличить мощность или поставить ветряк или сделать еще что-то. Это должна быть достаточно гибкая архитектура, которая близка к plug-and-play, то есть вы должны иметь возможность подключить, чтобы сразу заработало. Во-вторых это особый тип соединений шины данных на уровне физических линий, подстанций, микроподстанций, цифровых подстанций, просто шлюзов, которые, должны быть, в том числе, достаточно маленькими, компактными, способными работать, способными сохранять качество энергии в сети и системе. В третьих, они должны обладать способностью еще и к маневру мощности, то есть вы должны в одну и ту же сеть вбрасывать мощность, потреблять мощность. Иногда в одной и той же точке вы должны это иметь возможность делать.

Вот эти три уровня ключевого протокола, который критически необходим для возникновения интернета энергии. Про то, как можно реализовывать каждый уровень, мы поговорим дальше.

Для размышления

Найдите примеры существующих проявлений архитектуры интернета энергий.

Материалы

• Онлайн-курс «Применение сквозных технологий для рынка Энерджинет» для всех желающих понять, как устроена энергетика будущего и благодаря чему она станет «умной».
• Статья Игоря Чаусова о переходе от локальных практик к рынкам энергетической гибкости “Эра энергетической гибкости”.