Энергетика должна решать три противоречивые задачи: безопасность, эффективность, экология

15.10.2020 Николас Хатциаргириу, идеолог микрогридов, директор Национального технического университета Афин

Решения могут быть найдены в развитии современных интеллектуальных микросетей. Современная энергетическая отрасль должна решать три основные, но часто противоречащие друг другу, задачи: обеспечение безопасности, повышение энергоэффективности и борьба за экологическую чистоту. Решения этих проблем могут быть найдены в рамках развития современных интеллектуальных микросетей, которые позволяют оптимально совместить энергию возобновляемых и традиционных источников, а также интересы потребителей и производителей. Об основных принципах работы таких микросетей рассказывает один из главных идеологов современных микрогридов, лауреат премии «Глобальная энергия», директор Национального технического университета Афин (Греция) Николас Хатциаргириу. Как цифровизация и искусственный интеллект меняют управление или разработку современных энергетических систем? Можно ли говорить о революции в энергетике? Цифровизация энергетики – основная особенность происходящего в настоящее время энергетического перехода. Этот переход характеризуется быстро меняющейся структурой производства энергии с явной тенденцией к использованию возобновляемых и распределенных энергоресурсов, включая генераторы, гибкие нагрузки, накопители, электромобили и т.д. Сюда же относятся и новые рыночные модели, благоприятствующие активному участию потребителей, и «интеллектуализация» сетей, сопровождающаяся повышением степени децентрализации управления и автоматизации работы. Чтобы решить задачи безопасной и эффективной работы такой сложной системы, объединяющей в себе различные секторы энергетики – например, электричество, природный газ, отопление и охлаждение, жидкое топливо, транспорт, – необходимы надежные и структурированные данные. Сегодня системным операторам доступен большой объем данных, поступающих от установленных в их сетях обширных систем датчиков, микропроцессоров и интеллектуальных счетчиков. Эти данные могут стать источником новых цифровых услуг и коммерческих возможностей для всех участников рынка энергоресурсов, чья деятельность связана с управлением нагрузками, хранением, интеллектуальной зарядкой электромобилей, энергоэффективностью в промышленном и бытовом секторах, появлением просьюмеров, умных городов и энергетических сообществ. Наконец, они могут быть использованы для создания платформ открытых данных, обеспечивающих доступ к информации и прозрачность для всех граждан. Действительно ли так необходим этот огромный массив данных? Не приведет ли это к тому, что сама система с ними не будет справляться? Наоборот, для системных операторов использование данных может привести к радикальному улучшению обслуживания клиентов, сокращению эксплуатационных расходов, отсрочке инвестиций для обновления сети, самовосстановлению за счет быстрой локализации сбоев и восстановления после них, профилактического обслуживания для эффективного управления активами. Искусственный интеллект вместе с технологиями обработки больших объемов данных (BigData) и «Интернетом вещей» (IoT), делающими возможным цифровое взаимодействие между электрическими устройствами даже на бытовом уровне, откроет новые возможности для участия клиентов в местных энергетических рынках и получения информации о потреблении электроэнергии в режиме онлайн, что приведет к «умному» управлению сетью и эффективной интеграции распределенных энергетических ресурсов. Революция в части поступающей энергии сделает возможным автоматическое непрерывное удовлетворение индивидуальных потребностей в энергии в нужное время, в нужном месте и с минимальными затратами. Разработка Вами микросетевых систем применяется в основном в удаленных регионах. Получится ли со временем добиться более широкого использования таких систем? Микросети определяются как распределительные сети с взаимосвязанными распределенными энергоресурсами в четко определенных границах, которые могут работать в подключенном к сети или изолированном режиме. Эта идея была впервые озвучена в 2001 году. С тех пор было создано несколько исследовательских проектов и экспериментальных установок в Европе, США, Японии и Канаде, а затем с возрастающей скоростью - в Китае, Корее, странах Латинской Америки и других государствах. Это в значительной степени позволило доказать многие технические, экономические, социальные и экологические преимущества микросетей, включая их более высокую энергоэффективность, минимизацию общего энергопотребления, снижение воздействия на окружающую среду, повышение надежности и качества электроэнергии, а также различные сетевые преимущества. Действительно, по-настоящему полезными микросети оказались в основном на не связанных между собой островах и в отдаленных регионах. Они применяются в основном для электрификации сельских районов в развивающихся странах, где передающая инфраструктура пока что не развита или развита слабо. Тем не менее, микросети также эксплуатируются коммунальными предприятиями в США, в основном для повышения устойчивости к стихийным бедствиям, таким как штормы, наводнения, лесные пожары, землетрясения и т.д. Один из таких примеров – микросеть Borrego Springs, установленная компанией «SDG & E». Планируется еще множество установок: например, в Калифорнии коммунальные предприятия устанавливают микросети, чтобы избежать перебоев в подаче электроэнергии во время обесточивания линий из-за искрообразования. В Европе микросети приобретают все большее значение как техническая инфраструктура для поддержки местных энергетических сообществ. За пределами Европы и США Китай недавно объявил о создании 100 микросетей на возобновляемых источниках энергии для изучения соответствующих технологий и бизнес-моделей, подходящих для развития ВИЭ. Если микросети так быстро набирают популярность, то смогут ли они в будущем заменить централизованные энергосистемы? Ожидается, что тенденция перехода на микросети будет усиливаться. Существующие энергосистемы, характеризующиеся большим объемом переменного генерирования ВИЭ, нуждаются в повышенной гибкости, а микросети представляют собой отличный способ повысить гибкость вышестоящей сети за счет агрегирования распределенных энергетических ресурсов. Но, хотя это технически осуществимо, я не ожидаю, что микросети заменят централизованные энергетические системы. Скорее всего, будет преобладать синергетическое сосуществование этих двух типов организационных моделей, как наиболее экономичное и безопасное решение. Можно ли будет создавать большие централизованные системы с использованием искусственного интеллекта? Насколько это будет эффективно и экономически целесообразно? Искусственный интеллект можно охарактеризовать как науку о том, как заставить машины выполнять действия, требующие человеческого интеллекта. Он включает в себя эффективные технологии, такие как искусственные нейронные сети (ИНС) и нечеткую логику, применяемые для обработки данных и извлечения знаний из огромных объемов данных. Область его применения в энергосистемах обширна, начиная от прогнозирования нагрузки и производства возобновляемых источников энергии, управления и защиты в реальном времени, технического обслуживания и т.д., что позволит добиться экономии, эксплуатационной безопасности, повышения эффективности. При этом, несмотря на все преимущества искусственного интеллекта, маловероятно, что крупные централизованные системы будут полагаться исключительно на него, разве что как на ценный инструмент. Люди-операторы останутся незаменимыми, поскольку лишь они смогут принимать важные решения, обеспечивающие безопасность работы энергетических систем. Микросети предполагают использование различных источников энергии как традиционных, так и нетрадиционных (дизельное топливо, газ, возобновляемые источники энергии). Вы поддерживаете параллельное развитие традиционных и нетрадиционных источников энергии? Не способствует ли это развитию жесткой конкуренции между ними? Микросети - это распределительные структуры, наиболее эффективно интегрирующие распределенные источники энергии любой технологии. Однако, современные энергетические решения должны сбалансированно удовлетворять трем основным требованиям, а именно: энергетическая безопасность (включая надежность энергоснабжения), экономическая эффективность и экологическая безопасность. Зачастую три эти требования противоречат друг другу, и решения зависят от местных климатических условий, наличия местных ресурсов, затрат, социальных факторов. Решение этой многоцелевой задачи оптимизации позволит обеспечить оптимальное соотношение между традиционными и нетрадиционными источниками энергии. Тогда каким путем можно достичь развития микросетей на основе синтеза ВИЭ и традиционных источников энергии, учитывая планы Европы по отказу от углеводородов как источника энергии? Суть микросетей заключается в координации распределенных генераторов и гибкого спроса с целью максимизации их преимуществ для потребителей и сетей. В их составе используются местные источники генерации. В основном это возобновляемые источники, например, фотоэлектрические системы, особенно в странах, где много солнечных дней, небольшие ветряные турбины, установки на биомассе и мини-гидроэлектростанции. Фактически в Европе микросети рассматриваются как эффективный способ увеличения проникновения возобновляемых источников энергии и расширения прав и возможностей активных граждан путем создания сообществ по возобновляемым источникам энергии. В то же время в более холодных странах был достигнут значительный прогресс в разработке небольших ТЭЦ, предназначенных для удовлетворения потребностей потребителей микросетей как в электроэнергии, так и в тепловой энергии. Применение генераторов на основе ВИЭ вместе с микро-ТЭЦ увеличивает общую эффективность использования первичных источников энергии и, следовательно, обеспечивает значительную экологическую выгоду по части сокращения выбросов углерода, что является краеугольным камнем энергетической политики ЕС. Основная проблема интеллектуальных микросистем – их чрезвычайно высокая затратность. Как сделать такие проекты более рентабельными? Микросети основаны в основном на возобновляемых источниках энергии и накопителях. Стоимость этих технологий постоянно снижается, достигнув в последнее время уровней, сравнимых по цене с традиционными тепловыми технологиями и даже дешевле. Например, стоимость киловатт-часа (кВтч) литий-ионных батарей упала почти на 90% с 2010 года. Аналогичным образом нормированная стоимость энергии, вырабатываемой солнечными электростанциями, упала на 82% с 2010 года, в то время как их цена снизилась на 13% только за последний год. Распределенная генерация, расположенная близко к нагрузкам, не нуждается в инфраструктуре сетей передачи и распределения, обеспечивая при этом два важных фактора: сокращение потерь и потенциальная способность заменить сетевые активы. То есть постепенно такие сети могут внедряться и в менее развитых регионах мира, испытывающих дефицит энергии? Да, я считаю, что микросети в настоящее время являются предпочтительным решением для менее развитых регионов, поскольку позволяют заменить или дополнить собой ненадежные источники энергии. Россия продолжает активное освоение Арктики. Какого рода микросеть может понадобиться в условиях низкой плотности населения, полярного дня и полярной ночи, очень низких температур, наличия труднодоступных районов и полярных условий перевозки топлива? Для арктического региона как отдаленного района с исключительными условиями и низкой плотностью населения обеспечение электроэнергией через микросети выглядит гораздо более рентабельным по сравнению с расширением централизованной энергетической системы. Очевидно, что в данном случае понадобятся специализированные исследования, направленные на выявление наиболее подходящих источников генерации с учетом имеющихся на местах ресурсов, условий окружающей среды с очень низкими температурами, полярного дня и ночи, потребностей в хранении и транспортировке полярного топлива. Более того, удаленные, труднодоступные районы создают особые проблемы в отношении обслуживания и оперативного устранения незначительных несоответствий: здесь потребуется обучение местного населения основным инженерным работам. Фотография предоставлена пресс-службой ассоциации «Глобальная энергия»