Что такое интернет энергии и как он сделает электроэнергию в России дешевле, зачем электроприборам общаться и как им договориться, а также что может убедить целую отрасль перейти на новую модель взаимоотношений, читайте в материале InScience.News.
Согласно докладу «Цифровой переход в электроэнергетике России», современные энергосистемы достигли предела эффективности. Если они продолжат развиваться при существующем технологическом укладе, сделать их на порядок качественнее, доступнее и экологичнее уже не получится. Из-за неравномерных нагрузок энергосистемы изнашиваются, растут издержки. Обеспечивать электричеством отдаленные территории становится все более невыгодно. В развитых странах экологичность энергии выходит на первый план, и тепловые электростанции на угле, которые отрицательно влияют на климат и загрязняют атмосферу, либо уходят в прошлое, либо облагаются углеродным налогом. Спрос на энергетическом рынке становится специфическим: одним нужен постоянный ток, другим — более низкое напряжение, да и график потребления в разных домохозяйствах начинает сильно отличаться. Все это снижает эффективность централизованной сети и электроэнергетики в привычном нам виде. Решить проблему призван новый подход — интернет энергии.
Интернет энергии и зачем он нужен
Читатель может предположить, что понятие «интернет энергии» как-то связано с интернетом вещей, и будет прав. В новой модели энергетики можно будет так же быстро и легко подсоединиться к сети с индивидуальными настройками, как мы подключаемся к интернету. Работа строится на прямых взаимодействиях (транзакциях) потребителей и производителей. Те и другие образуют экосистему, где можно торговать различными услугами. В России идеологом этого подхода стал инфраструктурный центр Национальной технологической инициативы (НТИ) «Энерджинет», а первой компанией, реализовавшей бизнес-модель «провайдера интернета энергии», стал фонд «Форсайт».
«Интернет энергии — общий инженерный подход (фреймворк) "Энерджинет", который помогает создавать комплексные решения из различных технологий и продуктов, разрабатываемых в других проектах. По сути, интернет энергии — киберфизическая инфраструктура для децентрализованного интеллектуального управления распределенными энергосистемами и бесшовной интеграции в них активных потребителей, распределенных источников энергии и гибкости», — так рассказывает о системе директор Инфраструктурного центра «Энерджинет» НТИ Дмитрий Холкин, который разрабатывает архитектуру интернета энергии. По его словам, для многих проектов «Энерджинет» уже разработаны стандартные методы и набор технических решений, благодаря которым могут функционировать экосистемы новой энергетики. «Интернет энергии в будущем, так же как и обычный интернет в настоящее время, открывает огромный потенциал для практического использования и коммерциализации новых технологий, продуктов и сервисов», — добавляет он.
Интернет энергии становится востребованным по мере развития распределенной энергетики: малой генерации, систем накопления энергии, управляемой нагрузки, зарядной инфраструктуры для электротранспорта, размещаемой внутри «потребительского контура» или в распределительной сети возле центров нагрузки. Стоимость решений на основе распределенной энергетики уже в ряде случаев стала конкурентной традиционным вариантам энергоснабжения.
Neural Grid и говорящая бытовая техника
Но при распределенной генерации растут затраты на экономические взаимодействия (транзакции) и интеграцию интеллектуального оборудования в контуры управления и электрические сети. Чтобы этого избежать, для внедрения интернета энергии требуется новая архитектура сети, которая разрабатывается в проекте IDEA (Internet of Distributed Energy Architecture). Такая архитектура выглядит как система систем: на первом уровне — система формирования, контроля исполнения и оплаты смарт-контрактов при энергетических транзакциях; на втором — система взаимодействия и обмена управляющими воздействиями между энергетическими ячейками и энергетическим оборудованием (интернет вещей); на третьем — система режимного управления, поддержания баланса мощности и обеспечения статической и динамической устойчивости энергосистемы Neural Grid.
Важная особенность интернета энергии — «общение» приборов благодаря интернету вещей. Такие интеллектуальные устройства сами смогут «договариваться» друг с другом об использовании сети и снижать активность в пиковые часы, когда стоимость электроэнергии максимальна. «За качество электроэнергии и устойчивость режима электропередачи при энергетических трансакциях, за надежность в этом плане в интернете энергии отвечает специальная подсистема — Neural Grid. Она состоит из регуляторов перетоков мощности (энергетических роутеров, хабов) и адаптивной релейной защиты. Эти специальные устройства — роутеры интернета энергии — поддерживают напряжение, позволяют генерации работать синхронно с сетью и параллельно друг с другом, регулируют выдачу мощности, ограничивают ее, если необходимо. Для стабилизации напряжения и регулирования частоты в системе Neural Grid используются такие новые технологии, как, например, накопители электроэнергии», — поясняет Дмитрий Холкин.
Интересно, что интернет энергии позволяет отслеживать недобросовестный подход отдельных потребителей в мелочах (попытках «подкрутить» счетчики или использовать сеть соседа). «В рамках разворачиваемых на основе данной инфраструктуры систем управления такой контроль возможен, — рассказывает эксперт. — Обычно он реализуется за счет алгоритмической проверки показаний измерительных приборов, находящихся на различных уровнях инфраструктуры».
В традиционной системе энергетические сети-монополисты выполняют две важных задачи: совмещают графики нагрузки от различных потребителей и выравнивают суммарную генерацию энергии для них. Но обе эти функции можно переложить на накопители энергии. По подсчетам фонда «Форсайт», через пять лет построить с нуля российскую энергосистему на малой генерации и накопителях получилось бы на 50% дешевле, чем создать единую энергосистему. Стоимость системы микросетей и накопителей продолжает снижаться с каждым годом.
В результате многие ключевые задачи, которые нужно решать в электроэнергетике, переносятся в область IT, цифровой трансформации. Интернет энергии не уничтожит существующую систему производства и распределения этого ресурса, а поможет создать динамичный симбиоз традиционного способа и более автономных, индивидуализированных подходов к генерации на краю сети. Срастись с электроэнергетикой благодаря новым технологиям может и транспортная отрасль. Такая «Индустрия 4.0» может стать новой ступенью эволюции промышленности.
Умные заправки, рестораны и цеха
Не стоит думать, что до сих пор интернет энергии существует только на словах. Первый в России модельный испытательный комплекс «Testbed Энерджинет» для разработки и тестирования архитектурно-технических решений в этой области был запущен еще в 2019 году. В основе полигона — четырехквадрантные усилители мощности, которые могут не только выдавать мощность, но и потреблять ее. Благодаря этому удается симулировать обмен энергией между цифровой и физической частями модели по технологии Power Hardware in Loop. Оборудование уже загружено испытаниями новых устройств на 75%, причем 45% загрузки приходится на внешние организации.
Фонд «Форсайт», провайдер интернета энергии, активно участвовавший в разработке законодательства для интернета энергии, уже предлагает коммерческие решения на этот счет. За последние два года фонд установил программные продукты на десятках объектов (ресторанов, магазинов, АЗС, бизнес-центров, заводов), где энергопотреблением управляет «Дроид-энергоменеджер» на основании рекомендаций искусственного интеллекта. Такие объекты расположены на территории всей страны — от Владивостока до Урала, от Саратова до Москвы.
«Дроид-энергоменеджер» умеет работать с любым энергопотребляющим оборудованием, в случае необходимости дополнительные датчики доустанавливаются на объекте, причем останавливать работу магазина или ресторана не приходится. Актуальные данные об энергопотреблении и других важных параметрах (например, температуре, влажности, количестве посетителей) поступают в систему. Там они анализируются и оцениваются: не слишком ли высокая или низкая температура, достаточно ли воздуха поступает в помещение. Понять и смоделировать, на чем можно сэкономить, позволяют математические модели, созданные с помощью искусственного интеллекта при поддержке специалистов. Управлять процессом позволяет «дроид-энергоменеджер», который следит за нагрузками, соблюдением критичных для бизнеса показателей, устраняет избыточное потребление, ищет ошибки и формирует отчеты и советы для руководства. Эта система становится дирижером в «социальной сети вещей» и может функционировать и как консультант, и как автопилот, самостоятельно принимая решения. Такой подход помогает сэкономить 15–25% от прежнего счета за электричество и тепло. Помимо интеллектуального управления энергопотрбелением фонд «Форсайт» предлагает управление «зелеными» технологиями.
Сейчас уже не составляет труда купить и установить солнечную панель или источник бесперебойного питания с современными аккумуляторами. Но как эти технологии будут встраиваться в действующий объект, как разумно управлять им, как сбалансировать потребление от централизованной сети и, например, от накопителя? Поручить это оператору в ручном режиме неудобно и трудозатратно: слишком много факторов нужно оценивать, чтобы быстро и эффективно принимать решения. В такой ситуации без искусственного интеллекта уже не обойтись. Например, на предприятии может быть установлен накопитель, который поможет спрогнозировать потребление, сэкономить на электроэнергии, сбалансировать фазовые токи, а в случае отключения срабатывает как источник бесперебойного питания. В итоге 40% предприятий, запрашивающих дополнительную мощность, она оказывается не нужна, стоимость технологического присоединения к сети в 70% случаев падает как минимум вдвое, а затраты на внутреннюю инфраструктуру и обновление технических условий нередко уменьшаются на 30%.
Команда фонда «Форсайт» создает цифровые двойники будущих нагрузок при строительстве жилых домов, куда тоже можно поставить интеллектуальный накопитель. Для предприятий химической промышленности реализуют подходы «умного цеха», где моделируются нагрузки во время производства. Все это первые ласточки прихода интернета энергии.
«Этот процесс требует смены организационной модели»
По оценкам специалистов, к 2035 году больше половины мирового рынка электроэнергии будет составлять «новая энергетика». А ведь объем этого рынка еще в 2015 году равнялся 2,5–3 триллионам долларов! Казалось бы, если новый подход выгоднее, почему все поголовно не перейдут на него? Но нужно понимать, что электроэнергетика — не только капиталоемкая, но и чрезвычайно консервативная отрасль, в которой немало старых, но пока еще работающих активов. Среди кадров — технического персонала и менеджмента — велика доля специалистов, воспитанных в старых реалиях. По мнению управляющего партнера фонда «Форсайт» Андрея Абрамова, люди привыкли взаимодействовать по одной и той же модели.
«У нас был забавный пример, когда менеджер подразделения одной крупной компании, к которому нас направил непосредственно собственник, сказал, что "зачем мне нужны сенсоры и облако, у меня есть 200 инженеров, которых я могу отправить вручную собирать показания с приборов"», — Андрей Абрамов, управляющий партнер фонда «Форсайт».
То, что энергетическая отрасль с ее магистральными сетями и крупными энергоблоками, аварии на которых могут стать катастрофой, живет по принципу надежности, логично и ожидаемо. Правда, подчас этот принцип трактуется как «если что-то работает, лучше не трогать». С таким подходом сетевые энергетические компании перестают искать менее затратные технологии и думать о том, какой уровень надежности и другие индивидуальные условия хотел бы получить конкретный потребитель. А в интернете энергии последнее как раз ставится во главу угла: уровень надежности может выбирать тот, кто получает услугу, без участия сетевой компании. В этой ситуации заводы или институты с капризным высокотехнологичным оборудованием, которому повредит малейший перепад напряжения в сети, будут готовы доплатить за дополнительные гарантии, а остальные получат возможность сэкономить.
Кроме того, крупные энергетические компании имеют черты монополий, а новый подход создаст для них конкурентную среду, в которой не все желают оказаться. Можно ли убедить их кардинально перестроить привычную модель работы? «Отрасль начнет меняться сама, и мотивировать ее будет потребитель, который получает в новой модели иную роль. Так что, скорее, главный вопрос — как замотивировать самих потребителей, — считает Абрамов. — Технологии интернета вещей, интернета энергии позволяют оптимизировать работу всего предприятия, а не отдельных подразделений. Но этот процесс для компаний-потребителей требует смены организационной модели».
От энергетиков-финансистов к энергетикам-айтишникам
Подход интернета энергии (под названиями Internet of Energy, Transactive Energy, Energy Cloud, FREEDM Systems) развивается в разных странах мира, но в большинстве случаев находится на уровне прототипов, концептов и пилотных проектов. «Главный вопрос состоит в том, как превратить эти технологии в устойчивую бизнес-модель, создающую добавленную стоимость для клиента, как убедить клиента ее покупать или даже — кто является клиентом. Даже в простой, казалось бы, сфере производства сенсоров мы наблюдаем порочный круг: интересных разработок много, но они дорогие, из-за этого решения не окупаются и спрос на них ограничен, а из-за ограниченного спроса поставщики держат высокие цены», — приводит пример Абрамов.
Можно ли чему-то научиться на ошибках зарубежных коллег? Российские сторонники интернета энергии предлагают «не исправлять чужие недостатки, а создавать собственные достоинства». Ключевой фактор для развития технологий за рубежом — возобновляемые источники энергии, поэтому для новых подходов там есть мощный стимул и государственные дотации. «Тем не менее по части смены менталитета и перехода на новые бизнес-модели там тоже все не происходит мгновенно, — считает Андрей Абрамов. — Консерватизм и сопротивление традиционных игроков и менеджмента потребителей также присутствует. Мы, например, сталкивались с ситуацией, когда менеджмент очень крупной мировой компании в Европе при применении технологии, которая резко снижала затраты на электроэнергию, поставил условие: нужно снижать затраты не так стремительно, не более, чем на 2% в год, иначе у них будут проблемы с постоянными улучшениями и бонусами в последующие годы».
У российских энергосетей есть особенности, которые пока играют не в нашу пользу. Например, низкая плотность нагрузки системы: из-за больших расстояний на 1 кВт требуется в полтора, а то и в три раза больше сетевых активов (объектов для распределения энергии), чем за рубежом. Из-за больших расстояний и географических особенностей нашей страны нагрузка на генерирующие энергию объекты часто меньше положенной, а стоимость строительства электростанций у нас может быть на 20–40% выше, чем в Европе. На 1 МВт установленной мощности в России приходится в 10 раз больше работников, чем в США. В результате потребители в России платят за электроэнергию в разы больше, чем в странах США и ЕС.
Долго ли это будет продолжаться? Насколько наша энергетика вообще восприимчива к новому? «Похожие, но меньшие по масштабу изменения уже произошли с генерацией 20 лет назад, когда был сформирован оптовый рынок электроэнергии и менеджмент энергокомпаний неожиданно обнаружил, что им нужно превратиться в финансистов, так как их активы — это на самом деле не "железо", а то, что принято называть в финансовой теории "реальные опционы", стоимость которых легко может уйти в ноль. Многие инвестиционные банки в это время приобретали генерирующие активы, именно рассматривая их как "опционы". Сегодня энергетики должны стать IT-компаниями или IT-компании должны стать энергетиками. И превратить это в масштабируемую бизнес-модель — создать свою "операционную систему", стать провайдерами интернета энергии», — резюмировал Абрамов.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
