Технологическая концепция SmartGrid — облик электроэнергетики будущего

Рубрика:

Зарубежный опыт

 

Авторы

Глушко Сергей, эксперт

Пикин Сергей, директор Фонда энергетического развития

 

Современная технологическая концепция SmartGrid в переводе на русский означает «интеллектуальные сети», а точнее — «интеллектуальные энергосистемы». По существу, «интеллектуальная энергосистема» — это модификация энергетических систем XX столетия (которые, как правило, «передают» энергию от нескольких электрогенераторов большому количеству пользователей). Она способна в качестве альтернативы более рационально распределять мощности с учетом малейших изменений параметров и условий спроса и предложения и позволяет увязать стоимость и время потребления энергии. Благодаря принципам построения «интеллектуальной сети» система может реагировать на любые колебания в любом из ее звеньев — генерации, распределения и потребления энергии. В большинстве случаев изменения в перетоках мощности могут произойти под воздействием следующих факторов: окружающая среда (температура, облака, снижающие освещенность), рынок электроэнергии (высокие цены в пиковые часы нагрузки), распределительные сети (сбой в работе трансформатора среднего напряжения, а значит, и в линии электропередачи или непосредственно у потребителя).

Сейчас появилась уникальная возможность трансформировать всю устаревшую систему электроснабжения в мире. Преобразовав аналоговые сети электропередач в высокоточные интеллектуальные коммуникационные SmartGrid, энергетические компании смогут управлять всей сетью энергоснабжения как единой системой, потребители — точно регулировать собственный расход энергии, а власти — создавать интеллектуальную энергетическую инфраструктуру. Такого рода усовершенствованные энергетические сети продвигаются правительствами разных стран в качестве способа разрешения проблем энергетической безопасности, глобального потепления, надежности энергосистемы.

Под комплексной инфраструктурой SmartGrid в настоящее время понимается совокупность практически всех направлений развития новых технологий в электроэнергетике, объединенных общей целью — обеспечить максимально возможную отдачу от электротехнических активов при сохранении высокого уровня надежности и безопасности энерго­снабжения потребителей. По сути, выстраиваемая на открытых стандартах SmartGrid — это уже следующий этап технологической эволюции электроэнергетики.

И здесь наблюдается интересная тенденция: технологическая высокозащищенная концепция SmartGrid сама по себе является стратегическим выбором любого сильного государства безотносительно необходимости модернизации промышленности. Почему?

Дело в том, что потребности современной промышленности в электроэнергии существенно превышают технологически возможные темпы увеличения мощности энергосистем. Капитальное строительство в электроэнергетике крайне затратно и продолжительно по времени. Давно известен базовый принцип развития промышленности — энергетика должна значительно (на 7—10%) опережать промышленность с тем, чтобы обеспечить резервы для поддержания ее роста. В связи с этим SmartGrid позволяет придать процессу развития электроэнергетики интенсивный (а не экстенсивный) характер путем создания условий для повышения КПД уже существующих активов энергосистем (в основном это касается линий электропередачи) и стимулирования массового возведения объектов так называемой «малой генерации» — электростанций для собственных нужд предприятий, ТЭЦ уровня микрорайонов, микроГЭС, а также использования альтернативных источников энергии (ветроэнергетики, биоэнергетики и пр.). Ввести в эксплуатацию подобные мощности вполне по силам малым инвесторам типа города, промышленного и сельскохозяйственного предприятия и пр.

Неслучайно ведущие страны мира давно и активно занимаются проблематикой SmartGrid. Начиная с 70-х годов прошлого века в Европе и США проводятся эксперименты по внедрению «умных» сетей. Сегодня бюджеты государственных инвестпрограмм по формированию новой энергетической инфраструктуры в Америке и Европе говорят сами за себя. Правительство США в феврале 2009 г. приняло инвестиционную программу по развитию интеллектуальных энергетических проектов в размере 4,5 млрд долл. Разработка новой концепции интеллектуальных сетей спонсируется Департаментом обороны и Департаментом энергетики Правительства США и объединением IntelliGrid Consortium, в которое входят все ведущие производители электротехнического оборудования и операторы крупнейших энергосистем США и Канады. Аналитики американской компании Cisco прогнозируют, что потенциальный рынок «умных» сетей от 100 до 1000 раз больше, чем Интернет. Предполагается, что уровень будущих вложений в него в Америке составит более 100 млрд долл. В Европе под эгидой некоммерческой организации «Объединение очень больших энергетических сетей» (VLPO) в 2005 г. начала функционировать SmartGrids European Technology Platform for Electricity Networks of the Future. В течение ближайщих 30 лет Евросоюз намерен вложить в инфраструктуру SmartGrid около 750 млрд евро, в передачу энергии — 90 млрд, в распределительные сети — 300 млрд и в генерацию — 900 млрд евро. Подготовленные в Евросоюзе программы также предполагают сокращение энергопотребления в странах ЕС именно за счет роста энергоэффективности посредством SmartGrid к 2017 г. на 9%. Аналогичные инициативы на уровне государства сейчас обсуждаются и в странах Азии. Министерство энергетики США подсчитало, что модернизация энергетических сетей страны с учетом возможностей интеллектуальных энергетических систем позволит в течение 20 лет сэкономить от 46 до 117 млрд долл. Давая такие преимущества, интеллектуальные энергетические системы помогут увеличить энергоэффективность путем управления низкоприоритетными устройствами в домашних хозяйствах, например водонагревателями, и таким образом, можно получить выгоду от использования разных тарифов на электро­энергию в разное время суток.

Модернизация электроэнергетики с целью построения на базе ЕЭС России эффективно работающей энергосистемы нового поколения, основанной на принципах SmartGrid, позволит одновременно решить пять важнейших государственных задач:

  • существенно повысить энергетическую безопасность нашей страны;
  • придать мощный импульс развитию смежным с электроэнергетикой отраслям промышленности: металлургии, строительной сфере, а также науке, электронике, телекоммуникациям, нефтехимии и др.;
  • сформировать условия для роста всех без исключения отраслей российской промышленности после выхода мировой экономики из кризиса;
  • создать конкурентоспособную на мировом рынке отрасль, способную приносить в российский бюджет существенные налоговые поступления за счет реализации дорогостоящих проектов за рубежом, прежде всего на рынках развивающихся стран и стран СНГ;
  • модифицировать устаревшую и крайне изношенную инфраструктуру электроэнергетики (в том числе без строительства дорогих, но избыточных мощностей).

К сожалению, у нас не так много времени. Китай и Индия уже активно модернизируют свои энергетические системы и наращивают потенциал своей электротехнической промышленности невиданными темпами. Так, например, сегодня Китай ежегодно вводит более 40 ГВт новых мощностей по выработке электро­энергии. По данным Центра исследований постиндустриального общества, с 1995 по 2008 г. объем электрогенерации в Китае увеличился в 2,8 раза (в России — на 18%). По причине бурного развития инфраструктуры как главного элемента модернизационных проектов в Китае и Индии почти всю продукцию электротехнической отрасли пока потребляет внутренний рынок. Но через 5—7 лет он насытится, и тогда вся мощь электротехнической промышленности Китая и Индии выплеснется на мировой рынок.

С технической точки зрения технологии SmartGrid охватывают четыре основных направления:

1) Продвижение экономически эффективных технологий малой и средней генерации, включая альтернативные источники энергии (ветер, солнце, приливы-отливы, геотермальные и биологические источники и пр.). При массовой эксплуатации малых и средних электростанций генерация в энергосистеме из сосредоточенной становится существенно распределенной. Вместо нескольких сотен очень крупных электростанций появятся сотни тысяч малых, что значительно снизит требования к горячим резервам в энергосистеме и обеспечит надежность электроснабжения в целом. При распределенной генерации возникновение серьезных последствий для потребителей от аварии на единичной станции станет невозможно в принципе! И это при том, что подобные технологии помогут сократить потребление электроэнергии на 10—15% для каждого частного лица. В Дании, например, за год smartgrid-семья экономит до 200 евро (согласно пилотным проектам Правительства Дании).

2) Разработка «активного» элект­ротехнического сетевого оборудования, объединенного термином FACTS — Flexible Alternating Current Transmission, т. е. способного гибко менять характеристики передачи или преобразования электроэнергии с целью оптимизации режимов сети сразу по нескольким критериям: пропускная способность, уровень технологических потерь, качество электроэнергии и пр. По разным оценкам, применение оборудования FACTS до 20% повысит пропускную способность существующих ЛЭП и до 40% уменьшит потери на электропередачу. В масштабах России это сотни миллиардов рублей сэкономленных инвестиций и тысячи мегаватт дополнительной освобожденной мощности.

3) Создание нового поколения устройств автоматизации (автоматизированные системы управления технологическим процессами — АСУ ТП) и автоматики (релейная защита и противоаварийная автоматика — РЗА), благодаря которым можно корректировать уставки и алгоритмы срабатывания в зависимости от параметров режима функционирования энергосистемы, состояния технологического оборудования, метеоусловий, сложившейся на данный момент конъюнктуры рынка электроэнергии и сопутствующих рынков практически в темпе технологического процесса (в электро­энергетике это реальное время!) с целью недопущения и/или минимизации последствий предаварийных или аварийных ситуаций. Новейшие достижения в области сверхпроводимости, отказоустойчивость, устройства памяти, диагностика компонентов в корне меняют фундаментальные характеристики и особенности электрических сетей.

Данные технологии, среди которых научно-исследовательские изы­скания, включают в себя: гибкие устройства системы передачи переменного тока, постоянный ток высокого напряжения, сверхпроводящие провода первого и второго поколения, кабель сверхпроводимости высокой температуры, устройства распределения и сохранения энергии, сложные проводники и «интеллектуальные» («умные») приборы. Потребности в таких технологиях и устройствах со стороны SmartGrid огромны, что гарантирует мощный импульс развитию электронной и телекоммуникационной промышленности страны.

4) Разработка новых инфор­маци­онно-технологических систем для центров управления энергосистем, осуществляющих регулирование режимов энергосистем на базе новых возможностей, которые предоставляют диспетчеру распределенная генерация, активное сетевое оборудование и подстанционная и станционная автоматика. Современный уровень средств вычислительной техники позволяет решать очень сложные задачи оптимизации режимов работы энергосистемы практически в темпе реального времени, что дает толчок развитию науки (электрофизики, электродинамики, прикладной математики), созданию программного обеспечения, мини-суперкомпьютеров для центров управления энергосистемами. Кроме того, это поможет энергокомпаниям успешно бороться с коммерческими потерями электроэнергии (сегодня 10—20% потребленной мощности не оплачивается, т. е. попросту разворовывается). Фактически SmartGrid — новая идеология управления энергосистемой, которая помимо передовых технических характеристик будет учитывать и возможности рынка электроэнергии и мощности (заявки на генерацию и потребление от участников рынка, состояние предложений на балансирующем рынке и будущем рынке системных услуг, категории потребителей и пр.).

Нельзя сказать, что технологии SmartGrid являются для нас некой заокеанской диковинкой. Еще в 70-е годы ХХ в. советские энергетики начали использовать в практической деятельности некоторые технологий SmartGrid: управляемые устройства компенсации реактивной мощности, вставки постоянного тока, электромеханические преобразователи частоты и пр. От советской школы прикладной математики мы получили высокоэффективные численные методы решения нелинейных расчетных режимных задач. В области противоаварийной автоматики советская и российская энергетика до сих пор занимают лидирующие позиции в мире. Однако широкого распространения эти технологии так и не нашли.

Сегодня для активного внедрения технологий SmartGrid в ЕЭС России существуют четыре серьезных сдерживающих фактора:

  • недостаточное оснащение на­учно-технической базы и ограниченные технологические возможности отечественной электротехнической промышленности по выпуску новых типов оборудования;
  • недостаточный человеческий потенциал, потенциал подготовленных, творческих и мотивированных людей;
  • отсутствие технических регламентов и стандартов и их взаимной гармонизации;
  • отсутствие мотивирующих факторов со стороны государства по практическому применению энергоэффективных технологий SmartGrid в электроэнергетике.

Очевидно, что для устранения этих препятствий государство должно четко сформулировать и реализовать свою политику в области развития электроэнергетики. Прежде всего это касается вопросов организации управления самим процессом модернизации, максимального использования материальных ресурсов внутреннего рынка на создание внутреннего спроса на продукцию отрасли, создания эффективно действующих механизмов технического регулирования, восстановления научно-технической базы электро­энергетики, кадрового резерва, создание экономических мотивирующих факторов для развития отрасли и пр.

Хочется надеяться, что новое направление государственной политики России в направлении модернизации экономики в скором времени начнет «наполняться» реальными практическими шагами.