В настоящее время человеческая цивилизация характеризуется большой интенсификацией потребления и генерации электроэнергии. Особое внимание уделяется развитию новых видов возобновляемой энергетики, которые классифицируются как «зеленые» источники. Согласно актуальным данным аналитической компании REN21, доля возобновляемых источников в мировом производстве энергии достигла 10,4%. В развитых странах этот показатель выше: так, в Европейском Союзе доля ВИЭ составила 17,5% при целевом показателе в 20%. Увеличение доли возобновляемых источников энергии неизбежно влечет за собой рост сопутствующих технологических и системных проблем. В данной статье рассматриваются характер этих вызовов, а также роль виртуальных электростанций как метода их решения и общая концепция функционирования таких объектов. Анализ данных компании Enerdata подтверждает общую тенденцию: большинство стран демонстрируют устойчивый рост доли возобновляемых источников в структуре энергопроизводства.
Некоторые страны Европы не только достигли целевых показателей по увеличению доли электроэнергии из возобновляемых источников, но и превысили их. В лидерах Швеция, Финляндия и Латвия. Источник: Eurostat
Наше будущее неизбежно связано с альтернативной энергетикой, а для самых продвинутых стран и отдельных отраслей в них это и вовсе уже настоящее. Так, Нидерландские железные дороги ездят исключительно на электричестве от ветряков. И перевозят таким образом порядка 320 млн пассажиров в год, что в 18,5 раз больше, чем всё население страны (для сравнения: РЖД перевозят в год примерно 1 млрд пассажиров, то есть 7-8 населений России). Другой пример — Норвегия: более 97,8% энергии, производящейся в этой стране, вырабатывается альтернативными источниками.
То есть вроде бы всё здорово, но свои сложности всё-таки есть: при всех своих преимуществах альтернативная энергетика не может обеспечить постоянный уровень производства электричества. Иногда электричества меньше, чем нужно потребителям электросети. Иногда — наоборот, и это тоже проблема, так как излишки электричества нужно куда-то девать. Солнечные батареи работают только днём, их КПД зависит от времени года и погодных условий. Ветряные фермы зависят не только от наличия ветра, но и, к примеру, прекращают работу на время сезонного перелёта птиц. Приливные электростанции и вовсе работают по нескольку часов в день, во время приливов и отливов. В этом и заключается главная проблема и главное отличие от атомных и тепловых электростанций. И чем больше выработки приходится на «зелёные» источники, тем выше важность этих проблем. Также возобновляемые источники энергии часто находятся далеко друг от друга, что требует более сложной инфраструктуры, чем в случае централизованного производства сравнимого объёма энергии.
Что с этим делать?
Для решения этих проблем придумали виртуальные электростанции (ВЭС, они же VPP — Virtual Power Plants). Так называют программно-аппаратные комплексы, которые позволяют управлять огромным количеством разрозненных установок генерации энергии, будто это одна электростанция. Программное обеспечение, созданное с использованием технологий машинного обучения, распределяет электричество между потребителями, а также резервирует излишки, используя их для компенсации суточных спадов. И тут особенно важны внедрённые в код элементы самообучаемого ИИ, которые учатся прогнозировать спады производства и пики потребления, оптимизируя движение энергии внутри системы.
Если объяснять проще, виртуальная электростанция — это биржа продавцов и покупателей электроэнергии, которая уравновешивает спрос и предложение энергии. В результате все потребители электричества пользуются «зелёной» энергией так, как если бы она была сгенерирована классической АЭС или ТЭЦ. То есть электричество в сети есть всегда и напряжение в сети постоянное. А производители энергии гарантированно продают произведённое.
Виртуальная электростанция — всегда индивидуальный проект, поскольку структура возобновляемых источников энергии и их потребителей всегда уникальна и зависит от географических и демографических особенностей региона. Однако в любой ВЭС есть следующие элементы:
- источники энергии (возобновляемые и традиционные),
- потребители электричества (бизнес и население),
- система накопления энергии (аккумуляторы),
- датчики IoT для сбора информации и управления работой потребителей,
- ПО, управляющее работой энергосети.
Виртуальные электростанции могут легко масштабироваться до глобальной всепланетной инфраструктуры, не говоря уже о потребностях любого отдельно взятого государства. Источник: Toshiba
В энергосистемах, где электричество вырабатывается солнечными и ветряными электростанциями и распределение энергии осуществляется без использования виртуальных электростанций, приходится резервировать энергию, и не менее 13-15% выработанной и зарезервированной энергии в норме не используется. В результате выработка электричества оказывается менее выгодной. В системах с виртуальными электростанциями количество ненужных резервов намного меньше. В идеале оно вообще должно стремиться к нулю.
Также программные алгоритмы ВЭС позволяют снизить потребление энергии в системе за счёт минимизации потерь при передаче энергии и тонкой работе с датчиками интернета вещей. Так, с их помощью можно регулировать отопление зимой и кондиционеры летом, экономя энергию при достижении заданных температур. А можно привязать вентиляцию здания к количеству человек внутри, заставив её функционировать на максимум только в рабочие часы.
Перспективность рынка виртуальных электростанций видна по финансовым вложениям. Согласно отчету Markets and Markets, мировой рынок ВЭС составляет 193,4 млн долларов США, а прогноз составляет 709 млн долларов США. В абсолютном выражении это все еще немного, но динамика вполне однозначная, и далее, когда технологии обкатаются, а интернет вещей получит дальнейшее развитие, нас ждёт рывок.
Пока все основные проекты ВЭС либо реализуются, либо уже работают в тестовом режиме. Одним из первых в мире практических примеров применения ВЭС стал проект PowerShift Atlantic, реализованный в канадской провинции Нью-Брунсвик и окрестностях. Он объединил энергосистемы Нью-Брунсвика, Новой Шотландии и острова Принца Эдуарда, состоящие как из «ископаемых», так и возобновляемых источников энергии. В результате запуска виртуальной электростанции, были практически полностью сглажены пиковые нагрузки в сети.
Природные условия на юго-востоке Канады благоприятны для развития альтернативных источников энергии: ветровых ферм и гидроэлектростанций. Однако до внедрения ВЭС их развитие стопорилось невозможностью обеспечить производство энергии на постоянном и прогнозируемом уровне. В рамках реализации проекта PowerShift Atlantic этого удалось добиться. Источник: PowerShift Atlatic
С началом работы ВЭС переключение между источниками энергии начало происходить незаметно для пользователей, устранена зависимость от погодных условий, что позволило дальше развивать ветряные и гидроэлектростанции. Совокупная мощность контролируемой ВЭС энергосистемы составляет более 6200 МВт.
Один из самых известных и масштабных проектов ВЭС, реализуемых прямо сейчас, —детище Tesla, гигантская виртуальная электростанция в Южной Австралии, объединяющая 50 тыс. домов с установленными солнечными панелями и батареями Powerwall 2. Важность проекта заключается в том, что это уже разработка государственного уровня, а не инструмент для решения локальной проблемы. Главная цель австралийской ВЭС — дополнить и усилить общегосударственную энергосистему и снизить стоимость электроэнергии для абонентов. Когда проект будет завершен, солнечная ферма Tesla будет производить 250 МВт энергии, а ее батареи смогут накапливать до 650 МВт/ч. Это крупнейший «зелёный» проект Австралии на данный момент.
Что объединяет эти проекты? Доступность возобновляемых ресурсов (на Атлантическом побережье Канады одна из лучших в мире ветровых обстановок для создания ветряных электростанций; в южной Австралии 180 солнечных дней в году) и наличие жилых кварталов городов с неплотной протяженной застройкой.
Аналогичные проекты реализованы в Финляндии (в результате работы ВЭС, выбросы парниковых газов там снизились на 0,5%), Словении, Германии, Гавайских островах.
Что мешает виртуальным электростанциям?
Развитие виртуальных электростанций серьёзно тормозится на законодательном уровне. Дело в том, что продажа электроэнергии потребителям во многих странах разрешена только для государства, которое выкупает её у частных производителей. Поэтому организовать частную распределенную сеть без государственного участия оказывается невозможно.
Если посмотреть на российский опыт, нужно отметить медленный, но неотвратимый прогресс. Правительство РФ утвердило «План мероприятий по стимулированию развития генерирующих объектов на основе возобновляемых источников энергии с установленной мощностью до 15 кВт», который подразумевает полноценную работу малых возобновляемых источников энергии, таких как частные ветряки и солнечные панели. Специальный льготный «зелёный тариф», по которому владельцы домашних электростанций могли бы продавать государству излишки электричества, до сих пор не введён, но законопроект рассматривается в Госдуме, и есть хорошие шансы, что он будет принят в этом году.
Также слабым местом виртуальных электростанций является высокая стоимость внедрения, которую трудно спрогнозировать. Необходимы альтернативные электростанции, которые производят дорогое электричество, которое само нуждается в субсидировании. Необходима установка и синхронизация IoT-датчиков, которые, в свою очередь, предъявляют высокие требования к качеству интернет-подключения (впрочем, в передовых странах эта проблема будет решена с развёртыванием сетей 5G). Необходимо сложное программное обеспечение и постоянная его поддержка. И это опять приводит нас к необходимости поддержки государства или иного крупного инвестора на этапе запуска ВЭС.
Что нас всех ждёт?
Виртуальные электростанции будут активно развиваться, постепенно продавливая устаревшее законодательство по всем странам мира. Мы станем свидетелями появления совершенно нового рынка электричества, тесно связанного с виртуальными электростанциями, умным распределением энергетических резервов и оптимизацией энергопотребления всех участников рынка. Именно к этому году в США, ЕС и Японии завершатся проекты строительства крупных виртуальных электростанций, и их преимущества станут очевидными.
Налаженные системы ВЭС стимулируют мир увеличить долю альтернативных источников энергии, что поспособствует улучшению экологической обстановки на планете и экономии природных ресурсов. Плюс, полностью поменяется энергетическая инфраструктура: вместо гигантских электростанций и паутины проводов, расходящихся к потребителям, мы получим децентрализованную сеть. А это означает, что будущие энергосистемы человечества станут менее уязвимы в случае катаклизмов — в той же Японии, где доля возобновляемых источников энергии невелика и составляет около 17%, активно интересуются ВЭС именно в этом контексте. Децентрализация энергопотоков поможет японцам избежать массовых отключений электричества во время землетрясений и тайфунов.
Также децентрализованная сеть производителей и потребителей электричества сможет создать больше станций заряда для электромобилей и стимулирует этим отрасль. И не стоит сбрасывать со счетов то, что чем меньше человечество нуждается в сверхмощных производителях электроэнергии, чем меньше вероятность крупных техногенных катастроф. Так постепенно мы делаем нашу планету лучше, комфортнее и безопаснее. И все останутся в выигрыше.
Источник: https://habr.com/
