Трансформация энергосети

Энергетическая отрасль переживает трансформацию, которая быстро приобретает глобальный характер и приведет к коренным переменам в энергетике. Изменятся способы производства, распределения и потребления энергии, а вместе с тем наш образ жизни и окружающая среда. В результате будет создана подключенная к Интернету энергетическая суперинфраструктура для XXI века и на более далекую перспективу. Как и другие отраслевые преобразования такого масштаба, этот процесс можно назвать революцией. Она вызовет глобальные социальные, политические и экономические перемены наподобие тех, что произошли вследствие промышленной революции начала прошлого столетия. Обо всем этом — в статье старшего вице-президента компании Cisco, генерального менеджера подразделения по разработке решений Cisco Smart Grid Лоры Ипсен (Laura K. Ipsen). 27 октября Лора Ипсен выступит с докладом на ту же тему в московском Центре международной торговли при открытии конференции Cisco Expo-2010, а затем там же проведет пресс-конференцию, где объявит о выходе на российский рынок решений и продуктов Cisco для<умных>сетей электроэнергетики Smart Grid.

"Энергетическая революция" станет возможной благодаря технологиям XXI века. Сегодня технологию часто рассматривают в буквальном смысле слова как замену существующих решений, но в данном случае она не заменит, а усовершенствует и улучшит нынешние способы потребления энергии. Это потребует резкой смены парадигмы и иного подхода: на локальном уровне такую задачу не решить. В результате мы перестанем рассматривать энергию как всего лишь поток электронов. В нашем представлении она превратится в поток данных, которые можно передавать, модифицировать и менять по мере необходимости. Существующая сегодня односторонняя связь превратится в многостороннюю коммуникационную систему, оптимизированную для использования всех имеющихся электронных каналов связи.

В основе такой трансформации лежит "умная" технология Smart Grid, надстраиваемая над инфраструктурой электропередачи в соответствии с ключевыми требованиями, необходимыми для выполнения взятых обязательств. При ее создании используются три группы взаимно пересекающихся факторов: политических, технологических и экономических.

Политика

Политические деятели во всем мире рассматривают трансформацию энергосетей как еще одну возможность решения более широких политических задач, связанных с изменениями климата, вопросами энергетической независимости и разработкой экологически чистых технологий. Политики понимают, что энергетическая независимость, а также стабильность и безопасность инфраструктуры стали важнейшими условиями устойчивого экономического роста. В результате принимаются законы и постановления, направленные на фундаментальную трансформацию электроэнергетики. И хотя разные страны преследуют разные политические цели, политика в области решений Smart Grid вращается вокруг пяти основных проблем:

• повышения эффективности сетей электропередачи и сокращения системных потерь;

• использования крупных возобновляемых источников энергии (централизованных и распределенных);

• более широкого доступа независимых поставщиков и потребителей на энергетический рынок;

• повышения загруженности сетей за счет оптимизации энергетических потоков;

• повышения надежности и устойчивости энергетических сетей (в том числе с точки зрения информационной безопасности).

Решение этих вопросов поможет не только добиться устойчивого экономического роста, но и сократить выбросы углеводородов в атмосферу и внести вклад в борьбу с изменениями климата. Вышеперечисленные проблемы имеют большое значение, и для их решения принимаются законы и нормативные акты, требующие крупных международных инвестиций. Все эти инициативы преследуют благородные цели, но для их реализации нужно скоординировать национальные и местные нормативные базы и оценить влияние новых тарифов и программ на конечных пользователей, на скорость распространения новых технологий и на возможности повышения прибыли в этих условиях. Кроме того, общественная и индивидуальная ценность этих политических решений должна непрерывно и доходчиво разъясняться. В США политикам и другим заинтересованным лицам еще только предстоит объяснить потребителям преимущества и уточнить стоимость политики, направленной на борьбу с климатическими изменениями и требующей перехода от сжигания ископаемых видов топлива к более экологически чистым способам производства и использования электроэнергии. В свою очередь, коммунальные службы должны разрабатывать долгосрочные стратегии и планы внедрения технологии Smart Grid, а также разъяснять направление развития отрасли и преимущества новых решений заказчикам, инвесторам и регулирующим органам, чтобы ускорить распространение новых технологий и поддержать его будущими инвестициями.

Технология

Подстегиваемые новыми веяниями в сфере энергетической политики, коммунальные службы во всех частях света приступили к проектированию энергетических сетей будущего. Лучшие разработки в этой области основаны на новаторских энергетических и информационно-коммуникационных технологиях. Технология Smart Grid часто рассматривается как чисто информационно-технологическое решение, но она в равной мере относится как к энергетике, так и к информационно-технологической области. Сочетание этих факторов и позволяет строить более "умные" энергетические сети.

Совершенно очевидно, что энергетическая сеть XXI века должна поддерживать сложные многосторонние энергетические потоки и транзакции, не зависящие от прежней парадигмы передачи и распределения энергии. В результате значение физического уровня энергетической сети и ее новых технологических компонентов приравнивается к значению интеллектуальных сетевых функций. По нашему мнению, коммунальным службам очень важно разработать общую архитектуру Smart Grid, отражающую физические изменения энергосистем и интеграцию информационно-коммуникационных технологий. Ниже перечислены основные технологические тенденции, которые окажут значительное влияние на развитие "умных" энергетических сетей.

Распределенная генерация

В ближайшее время североамериканский рынок должен пережить "точку перелома", после которой начнется массовое распространение решений для распределенной генерации (производства электроэнергии). Европа прошла эту точку давно, а в Азиатско-Тихоокеанском регионе эти решения только начинают распространяться. В некоторых европейских странах доля возобновляемых источников энергии в общем энергетическом балансе превышает 50%. В 38 американских штатах приняты стандарты и программы распространения этих источников и стандартов их использования.

Все большее распространение тарифов на энергию, которую потребители не сжигают, а возвращают в энергетическую сеть (feed-in tariffs), показывает, что возобновляемые источники энергии будут распространяться в геометрической прогрессии. К примеру, одна из калифорнийских коммунальных служб заявила, что за два последних года ежегодные темпы роста в этой области составили 60%. Распределенные источники энергии сокращают потребности в строительстве новых генерирующих мощностей, поэтому мы ожидаем, что в обозримом будущем использование возобновляемых источников энергии в сетях распределения будет постоянно расширяться.

Датчики (сенсоры)

В энергетических сетях широко распространяются сенсорные технологии и устройства: синхрофазоры (системы одновременного измерения параметров всех фаз переменного тока), "умные" электронные устройства для подстанций и систем распределения, а также "умные" счетчики. Синхрофазоры особенно важны для подключения возобновляемых источников к общей энергетической сети, увеличения объемов надежно доставляемой энергии и передачи данных в диспетчерские центры коммунальных служб.

Электромобили с подзарядкой от сети переменного тока

Электромобили с подзарядкой от сети переменного тока (Plug-in electric vehicles, PEV) выйдут на массовый рынок в течение ближайшего года. Растущая популярность гибридных автомобилей позволяет предположить, что электромобили PEV завоюют солидную долю автомобильного рынка, которая будет постоянно расти на протяжении ближайшего десятилетия и в более далекой перспективе. По мнению аналитиков, к 2015 году в Европе будет продано около полумиллиона электромобилей этого типа. Другие аналитики утверждают, что к 2020 году машины PEV займут до 20% рынка новых автомобилей США. Прогнозами распространения технологии Smart Grid и влияния этой технологии занимаются Институт исследований электроэнергии (Electric Power Research Institute) и ряд других североамериканских НИИ. Созданная более 50 лет назад технология аналоговых энергетических сетей не способна поддерживать устройства этого типа, имеющие тенденцию подключаться к сети в одно и то же время. Они вряд ли выдержат не только одновременное, но даже последовательное подключение к сети большого числа электромобилей. Это значит, что тарифы в часы наибольшей и наименьшей нагрузок должны быть разными. В результате может возникнуть серьезная нагрузка на сеть Smart Grid, но информационно-коммуникационные технологии помогут решить данную проблему.

Хранение энергии

Хранение электроэнергии может сделать энергетические сети более надежными и стабильными, повысить качество энергии и предоставить потребителям функции управления энергетическими потоками. Климатические и энергетические задачи заставляют смотреть на хранение энергии как на способ решения проблемы сопряжения возобновляемых источников энергии с магистральной энергетической сетью. Технологии хранения энергии, способные динамично реагировать на колебания спроса и предложения, становятся коммерчески выгодными при условии развертывания технологии Smart Grid. Вполне возможно, что с помощью аккумуляторов, подобных тем, что устанавливаются в электромобилях, мы сможем добиться настоящего прорыва в инженерной и экономической области. В этом случае массовое распространение решений этого типа может начаться уже в текущем десятилетии.

Сети

Коммунальные службы в разных странах пересматривают свои телекоммуникационные и инфраструктурно-архитектурные потребности. В инфраструктурно-архитектурной области им нужны постоянно доступные проводные сети с малой задержкой для связи между подстанциями и диспетчерскими центрами, а также надежные, хорошо защищенные беспроводные полевые сети для автоматизации распределения энергии, координации мобильных ремонтных групп и работы с "умными" счетчиками. Сегодня энергетические компании переходят к архитектурам Ethernet/IP и внедряют сети с многопротокольной коммутацией по меткам (MPLS), чтобы лучше справиться с переходом от традиционных систем к новым решениям, включающим синхрофазоры и системы удаленной защиты. Коммунальные службы оценивают свои потребности в полевых коммуникациях для решения двух задач: управления энергетической сетью и укрепления отношений с заказчиками. Сегодня у них преобладает двухуровневая архитектура, состоящая из полевой сети (Field Area Network, FAN) и целого ряда специализированных сетей — например, районных (Neighbourhood Area Network, NAN) для поддержки "умных" счетчиков, а также систем защиты распределительных каналов и средств управления, работающих с низкой задержкой. Полевая сеть основана на широкополосной беспроводной технологии, установленной либо в принадлежащих заказчику частных каналах, либо в выделенных виртуальных частных сетях, работающих в лицензируемом или нелицензируемом диапазоне. Она создается для мониторинга и контроля все более многочисленных распределенных источников энергии и для поддержки предстоящего перехода от централизованного к распределенному одноранговому управлению сетевыми устройствами. Полномасштабная комплексная коммуникационная IP-сеть позволит коммунальным службам управлять распространением "умных" датчиков и устройств (включая домашние устройства, отделенные от коммунальной службы потребительским счетчиком), внедрять передовые мобильные системы автоматизации, передавать данные, поступающие с "умных" счетчиков, и поддерживать передачу больших объемов измерительной и управляющей информации в режиме, близком к реальному времени.

Анализ данных

Аналитические системы будут принимать данные из множества источников — таких, как "умные" счетчики, "умные" распределительные устройства и устройства для подстанций, а также фазоры (датчики для измерения параметров фаз переменного тока). Передовые аналитические системы позволят автоматическим системам, сотрудникам и клиентам коммунальных служб быстрее принимать обоснованные решения. В результате управление лавинообразным потоком информации станет более эффективным. Оптимизировать управление данными помогут инструментальные средства, работающие на уровне коммуникационной сети. Современные технологии управления данными будут использоваться в центрах обработки данных коммунальных служб и в сетевых "облаках". Чтобы выделить из лавины данных полезную информацию и передать ее специалистам, будут использоваться средства визуализации и "умные" системы предупреждений.

Электронная безопасность

Появление миллионов "умных" сетевых и пользовательских устройств создает проблемы для информационной безопасности. Критически важное значение технологии Smert Grid и предоставляемых ею услуг делает эту технологию важной целью террористических атак. Поэтому переход традиционных энергетических сетей на технологию Smart Grid требует разработки всесторонней стратегии безопасности, способной защитить критически важную инфраструктуру. При этом передовые коммунальные предприятия должны не ждать появления соответствующих законов и стандартов, а в упреждающем порядке оценивать уязвимость своих систем, разрабатывать меры безопасности и планировать контрмеры на случай чрезвычайных ситуаций.

Распределенные "умные" функции

Мы уже перечислили ряд тенденций, стимулирующих рост количества и разнообразия распределенных систем и устройств, которым необходимы сетевые подключения и координация. Эти тенденции требуют пересмотра физической архитектуры систем распределения электроэнергии и информационно-коммуникационных архитектур. Сегодня коммунальные службы разных стран всерьез задумываются над созданием архитектуры с распределенными "умными" функциями.

Распределенная "умная" функциональность включает обработку цифровых сигналов и установку программных средств в разных точках энергетической инфраструктуры для ее гибкой автоматизации. Средства обработки соединяются друг с другом через сеть. При этом они могут выполнять эксплуатационные и деловые функции без централизованного управления как в автономном режиме, так и в режиме совместной работы. Эти системы могут быть полностью распределенными или сочетать распределенные элементы с централизованным управлением и координацией. К примеру, передовые системы управления напряжением и силой тока могут использовать распределенную "умную" платформу для сокращения потерь в распределительных каналах и повышения качества электроэнергии. Использование распределенных "умных" функций помогает коммунальным службам внедрять масштабируемые системы, интегрировать больше распределенных возобновляемых источников энергии и повышать эффективность эксплуатации энергетических сетей.

Экономичность

В течение ближайших 20 лет мир затратит триллионы долларов на развитие энергетической инфраструктуры и создание технологий, которые сделают сети электропередачи более современными, безопасными, надежными и эффективными. Львиная доля этих инвестиций, как обычно, будет включена в счета за электричество и оплачена потребителями. Однако нынешний экономический кризис сделал потребителей гораздо более чувствительными к повышениям тарифов и осложнил коммунальным службам процессы капиталовложений. Поэтому, чтобы поддержать эффективное распространение новых технологий, нужно четко разъяснять их преимущества для индивидуальных пользователей, корпоративных заказчиков и общества в целом.

Общественная ценность

Общественная ценность новых решений определяется климатическими проблемами, вопросами энергетической независимости, повышением надежности и преимуществами для конечных пользователей. Эксперты аналитической компании McKinsey оценили общественную ценность перечисленных выше пяти политических аспектов Smart Grid в 130 млрд долларов США. Таково денежное выражение пользы, которую технологии Smart Grid будут ежегодно приносить американским потребителям вплоть до 2019 года. В этом прогнозе учитывались все аспекты капиталовложений в Smart Grid на рынке Соединенных Штатов. Компания McKinsey именует такой подход "ценностью на кону" (value at stake). Получены и более точные оценки общественной пользы технологии Smart Grid в области борьбы с изменениями климата и повышения надежности энергетических сетей. Так, по оценкам Climate Group, к 2020 году технология Smart Grid поможет сократить выбросы двуокиси углерода в атмосферу в объемах, равнозначных экономии энергетических расходов на сумму в 264 млрд долларов.

Оценивая надежность энергетических сетей, организация Galvin Electricity Initiative обнаружила, что в США ущерб от отключений электроэнергии достигает 150 млрд долларов в год. Хотя эти цифры помогают определить, какую экономию может дать модернизация энергетических сетей, их вряд ли можно использовать для оценки тарифов, бизнес-анализа и расчета выгоды для индивидуальных пользователей.

Преимущества для индивидуальных пользователей

Важнейшим условием привлечения инвестиций к проектам Smart Grid и разработки новых бизнес-моделей становится оценка преимуществ технологии Smart Grid для пользователей и их информирование об этих преимуществах. Как правило, эти преимущества бывают двух типов: вознаграждение пользователей за переход к новым методам использования энергии и внедрение новых услуг на базе новой технологической платформы. Считается, что потребителей нужно вознаграждать за динамические изменения уровней энергопотребления в зависимости от времени суток и нагрузки на электросети. Хотя программы реагирования на колебания спроса и повышения энергоэффективности появились еще 30 лет назад, эволюция этих программ, повышение скорости реагирования и доступности генерирующих мощностей могут значительно расширить возможности конечных пользователей.

Так или иначе, вопрос состоит в том, какие программы окажутся успешнее: вознаграждающие пользователей за переход на новые технологии или наказывающие их за отказ от такого перехода? Здесь необходимо понять, как потребитель оценивает услугу доставки электричества с точки зрения своего бизнеса, жизненного стиля, удобства и комфорта. Нужно глубже изучить предпочтения пользователя и его личные особенности, а это требует четкой сегментации пользовательской базы и анализа полученных сегментов. В процессе разработки новых продуктов и их продвижения на рынок нужно использовать методы идентификации и активации отложенного спроса и изменения поведения пользователей. С этой целью можно попытаться использовать механизмы непрерывной обратной связи и привлекательные для заказчиков короткие циклы разработки новых решений.

На рынке появляются удивительные возможности по разработке новых продуктов и услуг, основанных на новых технологических платформах. Все большее распространение открытых стандартов и IP-сетей позволяет заниматься новаторством на уровне пользовательских услуг и функций. Повсюду пользователям предлагают широкий ассортимент новых услуг и продуктов, в том числе информационные и финансовые услуги, управление использованием энергии и домашним хозяйством, пакетные услуги. Появление новых электрических технологий (солнечных батарей с "умными" инверторами, электромобилей и "умных" энергетических устройств) также создает возможности для разработки привлекательных и полезных пользовательских услуг.

Смежные потребительские технологии — например, приложения для "умных" устройств — ускоряют разработку новых предложений на основе конвергенции нескольких платформ. В качестве примера можно привести недавно представленный домашний энергетический контроллер Cisco Home Energy Controller (HEC), позволяющий заказчику подключаться к "умным" счетчикам, "умным" домашним электронным устройствам и разнообразным внешним приложениям для управления домашней энергетикой через HEC, Интернет и "облачные" услуги Cisco. В результате создается уникальная пользовательская среда для управления домашним хозяйством.

Преимущества для корпоративных заказчиков

В большинстве развитых стран системы электроснабжения были построены 40-50 лет назад. Сегодня значительная часть этой инфраструктуры нуждается в обновлении. Модернизация стареющей инфраструктуры и внедрение технологии для подключения к сети миллионов датчиков потребует крупных инвестиций. По мнению Cisco, на протяжении ближайших 20 лет инвестиции в технологию Smart Grid будут постоянно расти, поскольку отрасли необходимо заменить значительную часть инфраструктуры энергоснабжения. По прогнозам Института имени Эдисона, за 20 лет коммунальным службам США предстоит инвестировать в энергетическую инфраструктуру более одного триллиона долларов. Какая часть этой суммы пойдет на технологии Smart Grid, пока неясно, но, по прогнозам аналитической компании Pike Research, в мировом масштабе на эти цели будет затрачено 200 млрд долларов. (Впрочем, эти оценки явно занижены: по прогнозам тогоо же Института им. Эдисона, только в США объем этих расходов может составить 175 млрд долларов). В любом случае, регулируемый возврат этих инвестиций должен позволить коммунальным службам в течение длительного времени наращивать свои доходы, повышать качество обслуживания потребителей и надежность услуг. Кроме того, на рынке возникают новые возможности для развития коммунальных служб, а также существующих и новых конкурентных поставщиков энергии. Все они, как уже говорилось, могут предложить заказчикам новые ценные услуги. Существует множество методов монетизации новых возможностей — от традиционной продажи продуктов до оптового реагирования на колебания спроса, хранения энергии и финансовых услуг (например, предоплаты, многоуровневых тарифов и прямого финансирования). Можно также попытаться использовать ряд "бесплатных" рыночных моделей, возникших за последнее десятилетие в других отраслях. Хотя электрическая отрасль во многом уникальна, совершенно ясно, что традиционная для нее регулируемая бизнес-модель будет меняться. Наряду с этим будут появляться новые бизнес-модели, несущие потребителям новые преимущества и позволяющие решать более широкие политические задачи.

Выводы

Развитие технологии Smart Grid займет не менее 20 лет, а может, и больше. На этом пути предстоит решить множество политических, технологических и экономических проблем. Чтобы ускорить этот процесс, законодатели должны разработать энергетическую политику, поощряющую открытые стандарты и инновации, стимулирующую внедрение более "умных" и разнообразных методов доставки электроэнергии, повышающую надежность энергетической инфраструктуры и общую жизнеспособность национальной экономики. При этом политикам нужно увязывать ускоренное развитие энергетики со сроками доступности энергетических и информационно-коммуникационных технологий, необходимых для достижения поставленных политических целей.

Важную роль в выборе политических и технологических решений играют и экономические факторы. Они включают оценку социального, личного и корпоративного значения новых технологий. Эти вопросы широко обсуждаются заинтересованными лицами, но ясности в оценках значения новых технологий для каждого из перечисленных секторов до сих пор нет. Ситуация осложняется множеством разнородных и сложных законодательных и нормативных требований, существующих в мировом масштабе и на местном уровне в разных юрисдикциях и странах. Эти факторы оказывают большое влияние на способность энергетической отрасли успешно планировать и функционировать в новой энергетической экономике. Чтобы решить перечисленные задачи, коммунальные службы, поставщики технологий и новые участники рынка из разных стран вкладывают средства в инфраструктуру, новые продукты и услуги. Крайне важно при этом внедрять новаторские энергетические и информационно-коммуникационные технологии, которые позволяли бы доставлять услуги, способные удовлетворить нынешние и будущие требования заказчиков и сохранить гибкость для адаптации к изменениям рыночных структур и пользовательских предпочтений. Сочетание этих усилий может вызвать "энергетическую революцию" и преобразовать энергетические сети, коммунальные службы и пользовательские услуги с помощью экологически чистой, надежной, эффективной и стабильной сети XXI века — Smart Grid>.