Цифровизация и распределенная энергетика

Елена Маркина

Введение

Значение и роль цифровизации в современной энергетике

Цифровизация энергетики в XXI веке переопределяет подходы к производству, распределению и потреблению энергии. В особенности это касается распределенной энергетики, которая становится все более важной составляющей энергетической системы. На 2023 год этот сектор претерпевает значительные изменения, обусловленные внедрением новейших цифровых технологий во все технологические сферы.

Распределенная энергетика — это подход к производству электроэнергии, при котором генерация происходит ближе к месту потребления. Это контрастирует с традиционной моделью, где большие электростанции расположены удаленно от потребителей. Распределенная генерация включает в себя использование малых местных источников энергии, таких как солнечные панели, ветрогенераторы, микро-ГЭС и даже небольшие газовые турбины.

Интеграция в распределенную энергетику цифровых технологий, таких как IoT и большие данные, открывает новые возможности для управления энергетическими системами. Интеллектуальные сети (Smart Grids) позволяют реализовывать более эффективное распределение и потребление электроэнергии, учитывая реальные потребности потребителей и состояние сети в реальном времени. Системы управления распределёнными энергетическими ресурсами (DERMS) способствуют автоматизации процессов управления, увеличивая эффективность и надежность работы системы.

В стратегических и прогнозных документах Российской Федерации преобладает уклон к эволюционному развитию электроэнергетической отрасли. Этот сценарий предполагает сохранение привычной среды для ТЭК страны с высокими мировыми ценами и спросом на энергоресурсы. В области технологической политики акцент делается на достижении технологической независимости энергетического сектора России и развитии ключевых компетенций, необходимых для устойчивого развития отрасли.

Тенденции в распределенной энергетике и цифровизации в России и в мире

Цифровизация вносит революцию в энергетику, предоставляя инструменты для управления потоками энергии, повышения эффективности и оптимизации расходов. Среди ключевых технологий — смарт-гриды (умные электросети), которые позволяют более эффективно распределять энергию, учитывая изменчивость спроса и предложения. Интернет вещей (IoT) способствует сбору данных с множества точек, позволяя точно анализировать и прогнозировать потребление, а системы искусственного интеллекта помогают в принятии оптимальных решений по управлению энергосетями.

В России одним из таких проектов является создание интеллектуальных систем управления для малых электростанций, обеспечивающих автономное энергоснабжение удаленных регионов. Эти системы не только позволяют оптимизировать работу электростанций, но и обеспечивают интеграцию с общенациональной энергосетью.

Инфраструктура распределения электроэнергии в России активно цифровизируется, преобразуя потребителей из пассивных пользователей в активных производителей энергии.

Согласно докладу докладу 2017 года «Цифровой переход в электроэнергетике России» под редакцией В. Н. Княгинина, вице-президента Фонда «Центр стратегических разработок», председателя правления Фонда «Центр стратегических разработок «Северо-Запад», Д. В. Холкина, руководителя Проектного центра развития инноваций Фонда «Центр стратегических разработок», заместителя руководителя рабочей группы НТИ «Энерджинет» и других авторов, облик распределенной энергетики в России определят такие технологические и рыночные тренды:

1. Удешевление технологий возобновляемых источников энергии: снижение стоимости ветроустановок и солнечных панелей делает их всё более конкурентоспособными по сравнению с традиционными источниками энергии;
2. Распространение технологий энергосбережения, направленных на эффективное использование энергии;
3. Уход от централизованного производства электроэнергии: глобальное развитие распределенной энергетики и появление систем хранения электроэнергии открывают новые возможности для рынка;
4. Внедрение цифровых сетей и интеллектуальных систем управления, которые преобразуют сетевую инфраструктуру в кибер-физическую платформу, позволяя потребителям легко подключаться и взаимодействовать с сетью;
5. Развитие новых финансовых технологий, таких как блокчейн и смарт-контракты, которые обеспечивают привлечение частных инвестиций в энергетику, монетизацию потребительских сервисов и формирование практик энергообмена.

В целом эти тренды указывают на глобальное изменение подходов к производству, распределению и потреблению электроэнергии в России, с акцентом на инновационные и экологически устойчивые решения, выгодные просьюмерам.

Появление просьюмеров (потребителей-производителей) является результатом изменений в поведенческих моделях потребителей, которые становятся более гибкими и мобильными в эпоху энергетической демократии. Эти потребители начинают самостоятельно производить электроэнергию, используя ветрогенераторы и солнечные панели, тем самым превращаясь в поставщиков энергии. Это вызывает конфликты с устоявшимися нормами регулирования рынка электроэнергии.

Примером успешного зарубежного внедрения такой модели является Германия, где почти половина рынка возобновляемой энергии контролируется частными домохозяйствами. Немецкие потребители не только стали автономными в производстве электроэнергии, но и имеют возможность продавать ее излишки обратно в сеть.

В Европе продажа лишней электроэнергии в сеть давно стала обычной практикой, частично благодаря введению «зеленых тарифов» — системы государственных субсидий, поддерживающей независимых производителей. Однако многие страны ЕС к 2023 году отменили эти субсидии, что способствовало росту спроса на накопители энергии из-за невозможности продажи излишков в сеть.

В России ситуация развивается медленнее. В 2020 году Госдума приняла пилотный законопроект, позволяющий владельцам ветряных и солнечных установок подключаться к электросетям для реализации излишков энергии. Это означает, что Россия также движется в направлении активной интеграции просьюмеров в энергосистему страны.

В контексте инвестиций в возобновляемые источники энергии (ВИЭ) ситуация в России и Европе значительно отличается из-за разницы в стоимости электроэнергии. В Европе, где электроэнергия стоит в четыре-пять раз дороже, чем в России, инвестиции в ВИЭ у отдельного потребителя окупаются за десять лет, а с учетом зеленых инвестиций — еще быстрее. В России же срок окупаемости такой техники составляет около 30 лет. Однако если система продажи сгенерированной энергии обратно в сеть будет работать эффективно, как на Западе, срок окупаемости может сократиться до пяти-семи лет.

Массовое внедрение систем ВИЭ может обеспечить потребителям множество преимуществ, включая:

1. Энергетическую независимость от централизованных сетей;
2. Экономию средств за счет перераспределения энергии ночью;
3. Возможность увеличить мощность дома собственными усилиями;
4. Экологичность, являющуюся альтернативой традиционным генераторам;
5. Бесшумную работу накопителей;
6. Эргономичность и компактность оборудования.

В России уже разрабатываются местные технологии в этой области. Например, российский накопитель VOLTS, который может иметь емкость от 2 до 12 кВт•ч в зависимости от потребностей пользователя и позволяет интегрировать дополнительные модули, также может быть использован в качестве страховки от частых перебоев в подаче электроэнергии в России.

В рамках проекта «Цифровой РЭС» Кузбасский филиал «Россети Сибири» в Топкинском районе в 2019–2020 годах успешно реализовал внедрение инновации в электросети. Была осуществлена модернизация распределительных сетей с монтажом реклоузеров на отводах потребительских линий электропередачи. Эти устройства автоматически отключают поврежденные участки линии, обеспечивая их быстрое восстановление. За первое полугодие с внедрения технологии индекс частоты отключений снизился на 80%, а продолжительность перерывов в подаче электроэнергии уменьшилась на 70%.

Перспективы и угрозы развития распределенной энергетики России

В России уже сейчас складываются благоприятные условия для развития технологий в энергетической отрасли. Это обусловлено несколькими факторами:

• Переход к цифровой экономике. В рамках государственного стратегического планирования до 2030 года большое внимание уделяется развитию цифровой экономики и формированию цифровых экосистем. Это включает повышение технологической зрелости различных индустрий;
• Экологическая повестка и энергетический переход. Процесс энергетического перехода подразумевает смещение фокуса с ископаемых видов топлива на возобновляемые источники энергии. Это также влечет за собой изменение принципов формирования энергетических систем. Важными аспектами здесь являются интеграция просьюмеров, развитие распределенной и возобновляемой генерации, повышение энергоэффективности, а также децентрализация и цифровизация энергетической отрасли.

В результате этих изменений происходит трансформация архитектуры энергетических систем. Участники рынка вынуждены адаптироваться к новым условиям, искать инновационные подходы к взаимодействию, разрабатывать новые бизнес-модели и направления деятельности. Таким образом, текущая ситуация стимулирует инновационное развитие и открывает перспективы для прогресса в энергетической сфере России.

Цифровизация в энергетике охватывает все аспекты энергосистемы: от оборудования на энергетических объектах до управления потоками мощностей и сбыта электроэнергии. Этот процесс включает не только реализацию цифровых подстанций ЦПС, применение международного стандарта МЭК 61850 и цифрового проектирования, но и осуществление ключевых направлений Национальной технологической инициативы (НТИ) «Энерджинет». В рамках этой инициативы создаются новые цифровые атомные, гидро- и теплоэлектростанции, а также развиваются платформы для взаимодействия на всех уровнях, включая Р2Р (peer-to-peer), Р2О (peer-to-object), M2M (machine-to-machine), B2B (business-to-business) и B2G (business-to-government).

Самое быстрое проникновение цифровизации наблюдается во вторичных цепях, таких как терминалы релейной защиты и автоматики (РЗА), контроллеры присоединений, измерительные системы, учет электроэнергии и связь. За этим следует цифровизация силового и измерительного (трансформаторного) оборудования главных цепей.

Цифровизация в энергетике становится крайне необходимой из-за высокой скорости протекания энергетических процессов, большого объема информации и постоянного усложнения энергосистемы. Эффективное применение информационных технологий в оперативно-диспетчерском управлении становится ключевым фактором для успешного управления энергетическими процессами в условиях цифровой трансформации.

Цифровая трансформация в энергетической отрасли приносит значительные преимущества как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе.

Краткосрочная перспектива:

1. Применение автоматизации и продвинутой аналитики. Внедрение цифровых систем позволяет собирать и анализировать большие объемы данных, что способствует эффективному управлению процессами и повышению эффективности деятельности компании;
2. Улучшение цепочки создания стоимости. Автоматизация и аналитика помогают достигать целевых показателей и улучшать качество услуг;
3. Повышение доходности. Цифровая трансформация может существенно увеличить доходы компаний и стать катализатором для реализации долгосрочных стратегических инициатив.

Долгосрочная перспектива:

1. Разработка персонализированных решений. Цифровизация позволит предоставлять услуги, точно соответствующие потребностям конкретных потребителей;
2. Интеграция с другими отраслями. Существует потенциал для объединения продуктов и услуг энергетического сектора с продуктами и услугами из финансовой сферы, электронной коммерции, телекоммуникаций и других отраслей для расширения портфеля продуктов и источников доход;
3. Повышение потребительской ценности. В долгосрочной перспективе основной акцент смещается на улучшение потребительского опыта и предложение новых, инновационных услуг.

Цифровая трансформация, таким образом, является ключевым фактором для развития энергетической отрасли, позволяющим улучшить как внутреннюю эффективность компаний, так и качество обслуживания клиентов.

На данный момент значительная часть оборудования в национальной энергетической системе России устарела как физически, так и морально. Это делает модернизацию на базе интеллектуальных систем критически важной для повышения эффективности работы отрасли и снижения как капитальных, так и операционных расходов.

Для быстрого перехода необходимо более активное участие государства в процессе модернизации, включая разработку стандартов надежности и безопасности, усиление контроля над конкуренцией и антимонопольных мероприятий, а также поддержку инноваций и отечественных инженеров, особенно в регионах.

С точки зрения глобальных проблем российская энергетическая отрасль сталкивается с теми же вызовами, что и другие традиционные сферы, где многие компании используют устаревшее оборудование, несовместимое с современными высокотехнологичными системами. Поэтому цифровизация в энергетике должна рассматриваться как интегральная часть ее комплексной модернизации.

Другие известные проблемы цифровизации в России включают в себя:

• Увеличение энергопотребления. В условиях цифровизации все аспекты жизни требуют повышенного потребления энергии;
• Высокие технологические требования. Цифровизация обуславливает строгие требования к стабильности и качеству электроснабжения;
• Устаревшая инфраструктура и зависимость от ископаемых топлив. Существующая энергетическая инфраструктура устарела и сильно зависит от традиционных энергоресурсов;
• Нужда в финансировании. Современная модернизация российской энергетической системы потребует значительных инвестиций, оцениваемых как минимум в 300 миллиардов долларов;
• Зависимость от импортных технологий при низком темпе импортозамещения;
• Отсутствие координации между участниками рынка. Компании внедряют новые технологии индивидуально, не учитывая потребности всей энергетической отрасли;
• Недостаток практического опыта. Нехватка квалифицированных специалистов и опыта применения новых технологий приводит к пониженной производительности и неверным управленческим решениям;
• Ограниченное финансирование и отсутствие единой нормативной базы.

Но при позитивном сценарии цифровизация энергетики окажет положительное воздействие на всех участников отрасли.

Цифровизация в энергетической отрасли России повлечет за собой улучшение управления электрическими режимами в энергосистемах, позволит более эффективно распределять нагрузку на экономически выгодные электростанции, ускорит и повысит качество операций в электроустановках, уменьшит вероятность ошибок персонала энергообъектов и сократит время на устранение аварий.

Генерирующим и сетевым компаниям это даст возможность создать единый информационный объем отрасли, уменьшить издержки на автоматизацию обмена информацией за счет отказа от устаревших систем, сократить расходы на интеграцию систем различных производителей, увеличить нагрузку на выгодные станции, уменьшить операционные расходы, снизить риск травматизма и аварийность оборудования.

Потребители же ощутят улучшение энергоснабжения благодаря сокращению объема и длительности ограничений при устранении аварий, а также повышению качества электроэнергии, в том числе благодаря современным методам выявления низкочастотных колебаний частоты тока.

Заключение

На российском рынке распределенной энергетики также наблюдается тенденция к внедрению цифровых технологий

Сравнение российского опыта с мировыми тенденциями показывает, что цифровизация распределенной энергетики является глобальным трендом. Эксперты прогнозируют дальнейшее развитие этого направления, подчеркивая важность инноваций и интеграции новых технологий для достижения устойчивого развития независимого энергетического сектора.

В ближайшие годы российская энергетика активно будет развиваться в направлении цифровизации. Это направление поддерживается государственной энергетической политикой, в частности вступлением в силу Федерального закона № 522-ФЗ от 27 декабря 2018 года и проектом Постановления Правительства РФ 31 мая 2019 года, о переходе учета коммерческого потребления электроэнергии под управление сетевых и сбытовых компаний, а также введением требований к организации интеллектуального учета.

Перед сетевыми и сбытовыми компаниями ставятся задачи по:

1. Разработке и внедрению интеллектуальной системы учета;
2. Интеграции текущих и новых систем контроля и учета с единой платформой интеллектуального учета энергоресурсов;
3. Созданию систем телемеханики и телесигнализации на объектах сетевых компаний;
4. Обеспечению бесперебойного доступа пользователей к данным интеллектуальной системы учета.

Уже сейчас отраслевые компании проявляют интерес к инновационным решениям в сфере сбора и обработки данных, организации интеллектуального учета электроэнергии и возможностям интеграции с действующими энергосистемами.

Цифровизация и переход к распределенной энергетике предоставит энергетической отрасли значительные возможности для развития и увеличения эффективности, способствуя созданию гибкой и устойчивой энергосистемы России.