Развитие Smart Grid в России — какого эффекта ждать от интеллекта?

 

Авторы

Веселов Федор, Заведующий отделом развития и реформирования электроэнергетики ИНЭИ РАН

Федосова Алина, Инженер-исследователь экспертно-аналитического центра ИНЭИ РАН, аспирантка НИУ—ВШЭ

 

    Ведущие страны и энергетические компании мира уделяют все больше внимания интеллектуальной энергетике в стратегиях и программах развития отрасли, что отражается на быстро растущих бюджетах капитальных вложений в сферу Smart Grid. Это заставляет все серьезнее относиться к оценке эффективности масштабных инвестиций в инновации, в том числе и в российских условиях, рассматривая перспективы «интеллектуализации» ЕЭС России.
    Характеристика эффектов, ожидаемых при развитии интеллектуальной энергетики
    Интенсивный рост активности в разработке стратегических документов, концепций новой интеллектуальной энергетики, ежегодно увеличивающиеся масштабы финансирования инновационных решений и реализации пилотных проектов на базе «умных» сетей обусловлены, как отмечено в [1], системными вызовами новой экономики XXI в., с которыми столкнулась современная электро­энергетика. Очевидно, что проектирование и последующая реализация интеллектуальной энергетической системы невозможны без развернутого технико-экономического обоснования, в основе которого лежит, с одной стороны, анализ ожидаемых эффектов разного типа, с другой — оценка затрат на внедрение новых технических средств и систем управления, сопутствующих информационных и коммуникационных технологий.
    В настоящее время в том или ином формате оценка затрат и выгод (как правило, качественная) присутствует в любом программном документе или проектном описании в области интеллектуальной энергетики. Наиболее комплексная методическая проработка подходов к анализу и стоимостной оценке эффектов, ожидаемых от интеллектуальной энергетики в отрасли, обществе и экономике в целом, ведется в Electric Power Research Institute (EPRI) — основном американском центре исследований в области экономики энергетики [2]. В последние годы специалистами EPRI была проведена систематизация разного рода эффектов при реализации конкретных пилотных проектов Smart Grid.
    Интеллектуализация электро­энергетики, пройдя естественную стадию апробации различных технологий и систем управления на уровне пилотных проектов, неизбежно эволюционирует к более масштабным решениям по их интеграции в рамках региональной или национальной энергосистемы. Включение России в общий технологический тренд ставит подобную задачу и для ЕЭС страны — одного из крупнейших энергообъединений мира. При этом выбор оптимальных путей и средств ее решения будет во многом зависеть от комплексной оценки эффективности интеллектуальной энергосистемы, учитывающей всю совокупность и синергию частных отраслевых и внешних (экстернальных) эффектов.
    При анализе ожидаемых эффектов необходимо учитывать, что создание интеллектуальной энергосистемы ведет не просто к количественному увеличению ее производственного потенциала, а к изменению существующих или появлению новых функциональных свойств в отдельных структурных подсистемах (генерации, передаче, распределении, потреблении электроэнергии). Примерами таких изменений функциональности являются:
  • повышение регулировочных возможностей у потребителей;
  • возможности для двустороннего активного взаимодействия с энергосистемой потребителей, имеющих распределенную генерацию и/или технологии хранения электроэнергии;
  • повышение наблюдаемости состояния технических устройств генерации, сетевого комплекса, потребителей;
  • автоматизация и удаленное управление техническими устройствами при передаче, распределении и учете потребления электроэнергии;
  • управляемость в реальном времени режимами потребления, сетей разных классов и энергосистемы в целом;
  • повышение качества мониторинга и диагностики состояния оборудования, в том числе без вывода из работы;
  • повышенная устойчивость к повреждениям/авариям, сниженные коэффициенты аварийности;
  • более компактные технические решения и увеличенный срок службы оборудования.
    На основе оценки изменений функциональности (технических свойств) составляются перечень и характеристики локальных и системных технологических эффектов, которые определяют меру изменения производственных параметров энергосистемы и ее структурных подсистем. Стоимостная оценка технологических эффектов позволяет определить прямые экономические эффекты, возникающие на уровне отдельных подсистем (локальные) и энергосистемы в целом (системные). Общим свойством интеллектуальной энергетики являются более эффективное использование существующего производственного потенциала электроэнергетики и снижение потребности в его наращивании для обеспечения целевых балансовых требований и критериев системной надежности и надежности энергоснабжения конечных потребителей. Поэтому прямые экономические эффекты формулируются, как правило, в виде снижения (экономии) затрат на функционирование и развитие энергосистемы.
    Опыт разработки концепций и стратегий развития интеллектуальной энергетики в разных странах мира показывает, что ее создание не должно оцениваться только как сложнейшая инженерная задача, нацеленная на преодоление конкретных технических, управленческих и экономических проблем в электроэнергетике [2, 3]. Интеллектуальная энергетика справедливо рассматривается как целостная технологическая платформа, отвечающая энергетическим нуждам инновационной экономики XXI в., запросам постиндустриального общества, требованиям устойчивого развития (Sustainable Development). Именно поэтому все большую актуальность (и политическую значимость) приобретает оценка так называемых внешних, экстернальных, эффектов Smart Grid. Данные эффекты демонстрируют, в какой мере построение интеллектуальных электроэнергетических систем с активно адаптивной сетью (ИЭС ААС) соответствует социальному запросу общества и экономики к новым стандартам энергоснабжения, и поэтому также должны стать составной частью развернутого технико-экономического обоснования создания интеллектуальной энергетики, дополняя основные технологические и прямые экономические эффекты. В качестве наиболее значимых эффектов можно выделить:
  • снижение экологической нагрузки, включая сокращение выбросов загрязняющих веществ, парниковых газов, уровней электромагнитного излучения, отчуждаемых площадей;
  • инновационный импульс для экономики, обусловленный массовым спросом на научно-исследовательские, опытно-конструкторские работы в энергомашиностроении, электротехнической промышленности, в сфере информационных и коммуникационных технологий, без которых невозможно достичь качественно нового уровня автоматизации, наблюдаемости и управляемости электроэнергетики;
  • повышение энергетической безопасности путем обеспечения надежности энергоснабжения потребителей за счет автоматизации управления сетями, развития источников распределенной генерации и аккумулирования электроэнергии, микросетей, создающих возможности для оперативного перехода потребителей к автономному энергоснабжению в случае системных аварий;
  • улучшение условий для экономической интеграции и конкуренции посредством управления режимами сетей, пропускными способностями и потоками мощности, внедрения интеллектуальных систем учета электроэнергии, перехода к динамическому ценообразованию и активному взаимодействию потребителей с энергосистемой;
  • повышение производительности и безопасности труда за счет внедрения автоматизированных систем удаленного контроля и управления, технических устройств со сниженными показателями аварийности, увеличенным эксплуатационным ресурсом.
    Экстернальные, так же как и прямые экономические эффекты определяются изменениями функциональности структурных подсистем электроэнергетики и порождаемыми ими «базовыми» технологическими эффектами. Практически все экстернальные эффекты могут быть оценены количественно, однако их последующая корректная стоимостная оценка возможна не всегда. Кроме того, существующие в настоящее время подходы дают чрезвычайно широкий диапазон неопределенности. Поэтому в рамках технико-экономического обоснования создания интеллектуальной энергосистемы целесообразно в качестве основных рассматривать прямые экономические эффекты, используя экспертные оценки экстернальных эффектов как дополняющие (либо ограничивающие) условия.
    Прогнозные оценки изменений балансовых условий в ЕЭС России при развитии интеллектуальной энергетики
    Создание ИЭС ААС будет сопровождаться рядом общесистемных эффектов, имеющих значительное влияние на балансовую ситуацию в ЕЭС России. Основные их типы связаны с переходом к новому качеству управления в энергосистеме:
  • эффекты управления спросом обеспечивают изменение режимов электропотребления, снижение максимума и уплотнение графика нагрузки в энергосистеме, а в некоторых случаях сопровождаются и общим снижением уровня электропотребления;
  • эффекты управления потерями при передаче и распределении электроэнергии формируются за счет сокращения ненагрузочных потерь при внедрении новых типов проводов и силового оборудования и уменьшения нагрузочных потерь при переходе к интеллектуальному управлению режимами сети, а также вследствие изменения режимов электропотребления при реализации эффектов управления спросом;
  • эффекты управления пропускными способностями линий в основной и распределительной сети обеспечивают увеличение предельно допустимых балансовых перетоков мощности за счет внедрения технологий гибких передач и новых систем автоматизированного мониторинга статической устойчивости сети;
  • эффекты управления генерацией позволяют добиться рационального использования крупной и распределенной генерации при том же (а в ряде случаев — при сниженном) уровне относительного резерва мощности в энергосистеме. Одним из важных эффектов в этой сфере является интеграция в энергосистему больших объемов распределенной генерации и повышение управляемости потоками электроэнергии, производимой на электростанциях с нерегулярными режимами выработки энергии (ветровых, солнечных и др.);
  • эффекты управления надежностью и качеством энергоснабжения обеспечивают снижение частоты и продолжительности аварийных ситуаций, служащих причиной прямого недоотпуска электроэнергии потребителям или ненадлежащего качества поставки. При этом, как следствие, снижаются прямые экономические потери потребителей из-за упущенной финансовой выгоды, порчи сырья, оборудования, расходных материалов и пр.
    Для предварительной оценки возможных системных эффектов в ЕЭС России при создании интеллектуальной электроэнергетики были использованы данные по результатам пилотных проектов и более комплексным программам развития Smart Grid, реализация которых начата в различных странах. Из-за низкого уровня готовности многих новых технологий, отсутствия опыта их интеграции, совмещения с системами интеллектуального управления сохраняется крайне высокая неопределенность ожидаемых эффектов от внедрения элементов Smart Grid. Тем не менее представленные ниже обобщения целевых установок или первых результатов позволяют уточнить ранее приведенные диапазоны возможных эффектов в ЕЭС России [4]. Итоговые параметры изменения балансовых условий приведены в табл. 1. Они отражают средние и нижние показатели рассмотренных пилотных проектов. Параметры для 2020 г. предполагают реализацию четверти проекта ИЭС ААС.
    Совместное влияние данных эффектов количественно отражается на балансовой ситуации в ЕЭС России через изменение потребности в электроэнергии и установленной мощности (рис. 1). Так, изменение потребности в электроэнергии определяется с учетом снижения:
  • конечного электропотребления в результате активного управления спросом (технологический эффект у потребителей);
  • потерь электроэнергии за счет внедрения новых технологических элементов, обеспечивающих снижение ненагрузочных потерь, и систем управления потоками мощности (технологический эффект в сетях).
    Аналогичным образом оценивается суммарное изменение потребности в установленной мощности, которое формируется с учетом снижения:
  • максимума нагрузки в результате активного управления спросом и выравнивания режимов электропотребления (технологический эффект у потребителей) и пропорционального ему снижения абсолютных объемов резерва генерирующих мощностей;
  • относительного уровня резерва мощности за счет технологических эффектов в сетях и у потребителей, повышающих уровень надежности энергоснабжения.
    Таким образом, вклад резервных генерирующих мощностей в обеспечение заданного нормативного уровня надежности может быть снижен за счет альтернативных мер, реализуемых в сетях и непосредственно у потребителей (включая развитие распределенной генерации и систем аккумулирования электроэнергии).
    Важно отметить, что совместное влияние технологических эффектов на балансовые условия приводит к их взаимному усилению (синергии). В результате изменения потребности в электроэнергии и установленной мощности электростанций оказываются больше, чем рассчитанные в виде простой суммы эффектов. Оценки, сделанные для исходных балансовых условий базового варианта Генеральной схемы размещения объектов электроэнергетики, показывают, что реализация к 2030 г. основных мероприятий по созданию интеллектуальной энергетики в России позволит снизить потребность в установленной мощности более чем на 10% (на 34 ГВт) и электропотребление почти на 9% (140 млрд кВт•ч). При этом относительный уровень потерь в сетях последовательно снизится на 30% — с 12 до 10 % в 2020 г. и до 8% в 2030 г.
    Стоимостные оценки затрат и эффектов при развитии интеллектуальной энергетики в ЕЭС России
    На основе ожидаемых изменений балансовых условий в ЕЭС России могут быть получены интегральные экономические оценки эффектов от развития интеллектуальной энергетики в части управления спросом, потерями электроэнергии, крупной и распределенной генерацией, надежностью и качеством энергоснабжения, которые выражаются в снижении:
  • капитальных затрат на строительство новых генерирующих мощностей (исходя из сниженной потребности в мощности);
  • капитальных затрат на строительство электросетевых объектов (исходя из увеличения пропускной способности сети и сниженной пиковой мощности);
  • эксплуатационных затрат в генерации и сетях, прежде всего топливных затрат, за счет изменения объемов ввода и режимов загрузки ТЭС.
    Количественная оценка изменений параметров развития ЕЭС России на период до 2030 г. была выполнена с использованием разработанной в ИНЭИ РАН динамической оптимизационной модели развития электроэнергетики в рамках ТЭК страны [5], а их стоимостная оценка представлена в табл. 2.
    Результаты моделирования показывают, что переход к инновационному варианту развития ЕЭС России на базе интеллектуальной энергетики будет сопровождаться существенным снижением вводов новых электростанций и связанных с ним сетевых объектов для выдачи мощности. Снижение капиталовложений является наиболее значимым системным экономическим эффектом, и до 2030 г. их объем может снизиться почти на 2 трлн руб.1
    Вторым наиболее крупным эффектом является снижение топливных затрат электростанций на 750 млрд руб. Снижение условно-постоянных затрат в электроэнергетике при меньших объемах вводов оценивается в период до 2030 г. на уровне 560 млрд руб. Дополнительный эффект может быть достигнут с учетом экономической стоимости выбросов парниковых газов: даже при сравнительно невысокой цене 600 руб./т СО2 (эквивалентно 20 долл./т) экономия за счет снижения платы за эмиссию составит 180 млрд руб.
    Таким образом, суммарный экономический эффект при развитии интеллектуальной энергетики в ЕЭС России до 2030 г. может составить около 3,5 трлн руб. Однако его величина должна быть сопоставлена с инвестициями, которые необходимо затратить на массовое внедрение новых технологических средств и систем управления у потребителей, в распределительном комплексе, единой национальной электрической сети (ЕНЭС), генерации, в контурах технологической и коммерческой диспетчеризации.
    Поскольку системные проектные решения по развитию интеллектуальной энергетики в ЕЭС России в настоящее время пока отсутствуют, предварительная оценка инвестиций может быть выполнена методом аналогов (табл. 3). За основу приняты типовые показатели затрат на устройства и системы интеллектуального управления, применяемые для проекта интеллектуализации национальной энергосистемы США, выполненного EPRI в 2011 г. [6].
    С учетом масштаба и технологических особенностей ЕЭС России предварительная потребность в капиталовложениях на развитие интеллектуальной энергетики на базе глубокой модернизации существующей инфраструктуры ЕНЭС и распределительной сети, энергетического хозяйства потребителей электроэнергии, а также систем диспетчерского управления может составить в период до 2030 г. 2,4—3,2 трлн руб.
    Сопоставление недисконтированных значений экономических эффектов и необходимых затрат на создание ИЭС ААС (рис. 2) показывает, что уже к 2030 г. экономические выгоды от реализации проекта интеллектуальной энергетики в масштабе ЕЭС России окажутся сопоставимыми с необходимыми капиталовложениями. Даже при пессимистической оценке капиталовложения на интеллектуализацию ЕЭС России будут полностью компенсированы полученными эффектами, а при более низкой оценке стоимости реализации программы ИЭС ААС эффекты превысят капитальные затраты почти на 1 трлн руб. При этом значение чистого эффекта после 2030 г. будет дополнительно прирастать примерно на 1 трлн руб. за пятилетие в период последействия принятых ранее инвестиционных решений по развитию интеллектуальной энергетики.
    Полученные экономические оценки показывают потенциальную привлекательность и эффективность вложений в «интеллектуализацию» ЕЭС России и необходимость перехода от стадии поисковых исследований к интенсивной концептуальной проработке и практическому проектированию новой электроэнергетики России, выбору рациональных технических решений, обоснованию оптимальных подходов к системе интеллектуального управления энергосистемой. При этом принципиально важно не допустить, чтобы задача создания интеллектуальной электроэнергетики ставилась и решалась исключительно как совокупность нескоординированных по срокам и техническим решениям инновационных программ отдельных энергокомпаний и потребителей, ориентированных на достижение частных корпоративных эффектов от внедрения отдельных элементов новой энергетики. Только в случае действительно системного подхода к проектированию и созданию национальной интеллектуальной энергосистемы у России появится шанс на подлинно инновационное, а не догоняющее развитие электроэнергетики.
    Литература
    1. Веселов Ф.В., Федосова А.В. Smart Grid — «умный» ответ на вызовы «умной» экономики // Энергорынок. — 2011. — № 5.
    2. EPRI (2010) Methodological Approach for Estimating the Benefits and Costs of Smart Grid Demonstration Projects.
    3. Кобец Б.Б., Волкова И.О. Инновационное развитие электроэнергетики на базе концепции Smart Grid. — М.: ИАЦ Энергия, 2010.
    4. Макаров А.А., Дорофеев В.В. Активно-адаптивная сеть — новое качество ЕЭС России. // Энергоэксперт. — 2009. — № 4.
    5. Веселов Ф.В., Волкова Е.А., Курилов А.Е., Макарова А.С., Хоршев А.А. Методы и инструментарий прогнозирования развития электроэнергетики. // Известия РАН. Энергетика. — 2010. — № 4.
    6. EPRI (2011) Estimating the Costs and Benefits of the Smart Grid. A Preliminary Estimate of the Investment Requirements and the Resultant Benefits of a Fully Functioning Smart Grid.