Проект EDISON: беспроигрышная стратегия для нации, энергосистемы и потребителей

    Весь мир заинтересован в том, чтобы максимально ослабить зависимость от ископаемого топлива, и наиболее привлекательными альтернативными вариантами в этом отношении, особенно в Европе, являются такие возобновляемые источники энергии, как ветер, солнце и биомасса. Благодаря доступу к огромным ветровым ресурсам Дания стала лидером в ветроэнергетике. Но и ветроэнергетика в силу своей специфики не избавлена от проблем, поскольку ветер не может дуть непрерывно. Невозможно точно предсказать, когда электро­энергия будет вырабатываться в изобилии, а когда нет, и это усложняет управление сетью и серьезно затрудняет использование ветра в качестве основного источника энергии.
    «Если удастся согласовать графики потребления и генерации и аккумулировать излишки энергии для ее дальнейшего расходования по мере необходимости, мы сможем значительно повысить интенсивность использования энергии ветра, уменьшить зависимость от дорогостоящих резервных генераторов, включаемых на короткий срок для балансировки нагрузки, а также сократить расходы и выбросы углекислого газа», — отмечает Ким Бенке (Kim Behnke), координатор программы финансирования ForskEL и главный инициатор проекта EDISON в компании Energinet.dk.
    Множество энергетических компаний создали энергетические «резервы» или нашли способы накапливать энергию в периоды, когда она дешевая и производится в избытке, а затем при необходимости возвращать ее в сеть. Одним из таких примеров является гидроаккумулирование — технология, с помощью которой Норвегия быстро предоставляет Дании требуемую мощность для балансировки сети. В Норвегии вода из нижних бьефов закачивается насосами в верхние, используя дешевую энергию, вырабатываемую датскими ветровыми электростанциями ночью, когда потребление на низком уровне. Затем в течение дня вода спускается через электрогенераторы, которые поставляют электроэнергию по максимальным тарифам, когда в Дании наблюдается безветрие.
    Электромобили аккумулируют энергию для электросети
    Дания делает ставку на инновационные и автономные средства аккумулирования энергии для электросети — электромобили. Полностью электрические автомобили будут оснащены крупными аккумуляторными батареями, которые можно подключать к сети, когда машина не находится в эксплуатации. К тому же в подобных «резервуарах» можно будет хранить излишки энергии и подавать ее в сеть в любое удобное время. Это многообещающая идея, но перед запуском программы в национальном масштабе требуются основательные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.
    Для детального анализа столь перспективной концепции компания Energinet.dk и Датская энергетическая ассоциация (Dansk Energi) подготовили проект EDISON. Задача консорциума, который является частью датской энергетической отрасли и проводит всевозможные исследования, — создать необходимый фундамент для реализации серьезных планов Дании по увеличению к 2020 г. производства электроэнергии из возобновляемых источников до 50% от суммарного энергопотребления. Начальный этап проекта предусматривает моделирование процесса использования электромобилей и ветрогенераторов на датском острове Борнхольм с населением 40 тыс. человек.
    Цель проекта EDISON — разработать действующие модели интеграции электромобилей в повседневную жизнь, не только внедрить аккумуляторные батареи, но и изучить практические аспекты их применения, влияние на рынок и взаимодействие с существующей электрической сетью. В ходе осуществления проекта коммерческие партнеры консорциума смогут получить ценный опыт и протестировать передовые технологии.
    Нахождение правильного баланса
    С внедрением электромобилей, кроме их высокой стоимости и ограниченности применения, сопряжены определенные трудности. Во-первых, из-за широкого распространения этих средств передвижения значительно поднимется спрос на электроэнергию, а масштабное строительство новых электростанций невозможно ни с экономических, ни с экологических позиций. Во-вторых, при одновременном подключении к сети большого количества электромобилей и без того перегруженная сетевая инфраструктура мегаполиса может не выдержать дополнительного напряжения.
    Последнее подчеркивает критический аспект деятельности энергетических компаний: электросеть всегда должна быть сбалансированной, уровень потребления должен соответствовать объему генерации. Возрастающая потребность в электроэнергии может стать причиной перерывов в электроснабжении и отключений. Слишком высокий уровень генерации также может привести к коллапсу электросети.
    «Это как дырявое ведро, — говорит Пер Норгаард (Per Noergaard), старший инженер отдела ветроэнергетики при Национальной лаборатории Ризо Технического университета Дании (DTU). — Чем сильнее утечка, тем больше воды нужно добавлять, чтобы поддерживать ее уровень постоянным, и наоборот. Тем не менее это серьезный вызов, т.к. увеличение мощности с трудом может удовлетворить активный спрос ввиду частых и значительных колебаний мощности возобновляемых источников энергии». Действительно, как пояснил Майкл К. Эсперсен (Michael K. Espersen), старший оператор электросети в Oestkraft, региональной энергетической компании острова Борнхольм, в изолированном состоянии (островная электросеть не подсоединена к Северо-Европейской магистральной электросети) сеть Борнхольма теряет стабильность, если более 18% потребляемой электро­энергии покрывается за счет ветра. Таким образом, интеграция новых возобновляемых источников энергии невозможна, и для балансировки имеющейся на сегодняшний день аналоговой электросети необходимо использовать генераторы на ископаемом топливе.
    Потребность:интеллектуальная сеть
    Возможности балансировки сети и решение связанных с этим вопросов являются основной целью проекта EDISON. Чтобы на практике реализовать идею аккумулирования энергии на базе электромобилей, следует учесть множество факторов.
    Для начала нужно согласовать потребности и предпочтения водителей и привлечь каждого из них к участию в программе, чтобы у людей появился стимул использовать собственный электромобиль для накапливая энергии. Однако ни один водитель — ни альтруист, ни соблазненный финансовой выгодой — не захочет включить зажигание и обнаружить, что заряда батарей недостаточно для поездки. Точно так же никто не заинтересован в отказе от контроля над личным транспортом в пользу энергетической компании и многих пугает быстрый износ аккумулятора из-за ненадлежащего управления электрической сетью.
    Необходимо наличие высокотехнологичной системы, способной регулировать процесс зарядки и разрядки каждого электромобиля, а также определять периоды подачи энергии на электромобиль (для минимизации последствий одновременной зарядки большого количества машин) и ее поступления от аккумуляторных батарей в сеть. Интеллект такой системы должен быть достаточно высок, чтобы предсказывать уровень потребления, пропускную способность сети и следить за объемом запасенной электроэнергии (числом подключенных к сети электромобилей и уровнем заряда их аккумуляторов). Другим важным фактором является то, что в программе будут задействованы имеющиеся, а не созданные с нуля электрические сети. Предлагаемое решение должно расширить возможности управления существующими электрическими сетями и функционал рынков электроэнергии и мощности.
    Электростанция, не похожая на другие
    В проекте EDISON применен глобальный подход. Центральный элемент концепции — виртуальная электростанция, созданная на базе электромобилей (EV-VPP), в которой все подключенные к сети устройства собраны в одну группу и рассматриваются как единый потребитель/производитель электроэнергии, помогающий сбалансировать мощность ветровых электростанций, объединенных через рынок электроэнергии. Идея EV-VPP является ключевой, т.к. с точки зрения крупной электросети и рынка электроэнергии виртуальная электростанция может заменить любой другой генератор электроэнергии. Это означает, что она позволяет использовать существующие системы управления потоками мощности и подключать к сети новые возобновляемые источники энергии. К тому же она гармонично встраивается в действующую инфраструктуру.
    «Ограниченность острова является одной из причин, по которой мы используем Борнхольм в качестве испытательного полигона», — рассказывает К. Бенке. — Мы можем грамотно смоделировать энергетическую инфраструктуру и найти оптимальный способ взаимодействия рынка и потребителей, изолируя сеть от крупных европейских энергосистем, чтобы эффективно удерживать ее в рамках эксперимента».
    В основе концепции EV-VPP лежит пилотное программное обеспечение, созданное исследователями и разработчиками Центра электрических технологий (CET) университета DTU в Копенгагене и исследовательского центра IBM в Цюрихе и размещенное на облачном сервере IBM® BladeCenter®. EV-VPP оперирует широким спектром информации, включая поступающие от рынка сигналы о текущей цене, данные о нагрузке локальных сетей и состоянии электромобилей и учитывает при этом индивидуальные предпочтения водителей. «Используя библиотеки инструмента IBM ILOG® CPLEX® Optimization Studio, EV-VPP автоматически в режиме реального времени определяет способ управления парком электромобилей, который позволит получить преимущества от будущих предложений на рынке электроэнергии и динамичного регулирования цен, избежать перегрузки распределительной сети, оптимизировать срок службы батарей и удовлетворить индивидуальные потребности водителей», — отмечает Дитер Гантенбайн (Dieter Gantenbein), глава представительства IBM в проекте EDISON.
    Стимулирование водителей
    Ключевым фактором данных преобразований является определение реальных потребностей и предпочтений владельцев электромобилей. «Эти батареи принадлежат не нам, и мы не можем управлять ими по своему желанию, — комментирует Андерс Фуснэс (Anders Foosn?s), консультант по энергосистемам Датской энергетической ассоциации. — Их основное предназначение — питание автомобиля, а не помощь в работе интеллектуальной сети. Таким образом, вся власть находится в руках водителей, и они всегда могут игнорировать команды системы». Владельцы электромобилей вправе задавать свои режимы, например «экологичный», и устанавливать при этом время и уровень зарядки транспортного средства, или VIP, при котором осуществляется немедленная полная «заправка» машины. Чтобы стимулировать водителей к использованию экологичного режима, им предлагается компенсация в виде сниженных тарифов на зарядку, при этом они имеют возможность в любой момент переключиться в режим VIP через смартфон или веб-интерфейс.
    Электромобиль всегда должен быть заряжен так, чтобы водитель без проблем мог ездить по своим делам. Поэтому в систему управления должен быть «вложен» интеллектуальный алгоритм, способный прогнозировать график эксплуатации каждого автомобиля на основе исторических данных и позволяющий водителю указывать уровень зарядки, необходимый для следующей поездки. Профили должны быть максимально подробными для каждого дня недели и каждого часа в течение дня.
    Зарядка может осуществляться в любой точке системы, т.к. местоположение каждого электромобиля отслеживается. После считывания карточки владельца через специальные устройства станции зарядки EV-VPP будет знать, какой электромобиль подключен. Имея информацию о станции, от которой подпитывается электромобиль, система может определить оптимальный режим зарядки в соответствии с состоянием локальной сети.
    Располагая данными о состоянии сети и батарей, система может сместить время зарядки на периоды слабой нагрузки на сеть, например на середину ночи, а также выбрать скорость зарядки батарей и управлять уровнем зарядки каждой из них.
    Это уменьшает суммарную нагрузку на сеть и риск возникновения неисправностей или отключений, а также продлевает срок службы оборудования электросети. Активное управление процессом зарядки батарей также дает преимущества и владельцам электромобилей: равномерность циклов зарядки — разрядки увеличивает срок работы батарей.
    Электромобили в реальном мире
    По завершении проекта EDISON, учитывающего актуальные потребности и ограничения, потребители электроэнергии имеют шанс получить пригодные к внедрению технологии и модели управления сетью.
    Подход, используемый в проекте EDISON, не требует кардинальных изменений человеческих привычек, рынка электроэнергии и имеющейся инфраструктуры. Он гармонично вписывается в существующую энергосистему, одновременно решая критически важную задачу по увеличению количества подключенных к сети возобновляемых источников энергии. «Это то, где EDISON показывает такие обещающие перспективы, — подводит итог Д. Гантенбайн. — Это реальная беспроигрышная стратегия для нации, энергосис­темы и потребителей».