Министерство Энергетики

Цифровая трансформация и энергетика

Михаил ТЯГУНОВ
Профессор, д. т. н., НИУ «МЭИ»
e-mail: mtyagunov@mail.ru

Введение

В развитии энергетики сегодня можно отметить три важные тенденции. Первая связана с общей идеей цифровизации, четвертой промышленной революцией, цифровой трансформацией и др.
Вторая и третья относятся непосредственно к энергетике, ее свой­ствам и структуре. Не выделяя их очередность или значимость, отмечу стремление к построению глобальной энергетической системы с одной стороны, и бурное развитие распределенной генерации с другой.
Масштаб дискуссии о цифровизации в большой степени обусловлен неясностью понятий и отсутствием строгих определений. Каждый использует понятие в собственной интерпретации, что не позволяет обсуждать связанные с этим темы на одном языке. Пожалуй, наиболее ясно классификация этих понятий дается в [1]:
Цифровизация – внедрение цифровых технологий в бизнес-­модели компаний.
Индустрия 4.0 – концепция «умного производства» на основе промышленного интернета вещей, объединяющая физическое производство и операции с интеллектуальными цифровыми технологиями.
Интернет вещей – глобальная сеть подключенных к интернету устройств, которые могут взаимодействовать между собой с помощью встроенных технологий передачи данных.
Цифровая трансформация – внедрение современных технологий в бизнес-­процессы предприятия, которое подразумевает фундаментальные изменения в подходах к управлению, корпоративной культуре, внешних коммуникациях. Цифровизацию, Индустрию 4.0 и интернет вещей можно назвать составляющими цифровой трансформации.
В приведенной классификации цифровизация – внедрение цифровых технологий обработки информации в производственные и управленческие процессы деятельности компаний. При этом следует подчеркнуть, что речь идет именно об обработке информации, представленной в цифровом виде, то есть в виде, пригодном для обработки вычислительными устройствами дискретного действия. Это, естественно, меняет процесс управления, замещая, например, бумажный документооборот электронным, повышает обоснованность принимаемых решений за счет возможности рассмотрения большего числа альтернативных вариантов, ускоряет процессы сбора, хранения, обработки и передачи информации, вносит в организацию работы компаний такие новые элементы, как дистанционная занятость или ­интернет-­торговля, снижающие стоимость продукции за счет отказа от рабочих помещений. Нужно отметить, однако, что агропромышленное предприятие как выпускало сельскохозяйственную продукцию, так и будет выпускать ее, а металлургический завод так же будет производить металл, а не его виртуальный образ.

Цифровые технологии на производстве
Источник: importfay.com

Индустрия 4.0 – стратегия правительства Германии, принятая многими странами мира из-за четкости формулировки основных позиций. В определении ясно сказано, что это объединение физического производства с «умными» средствами управления, причем отдельные элементы технологического процесса получают возможность обмениваться информацией между собой, ускоряя и в некоторых случаях уточняя производственный процесс. При этом вид и количество элементов технологического процесса не уточняется, но понимается гораздо шире, чем просто части традиционных систем автоматического управления. Автоматизация и использование в управляющих системах различного оборудования, в том числе и современных цифровых вычислительных устройств, по мнению авторов концепции, характеризует 3‑й этап индустриального развития. Четвертый, то есть нынешний, этап развития – это внедрение в производство комплексов, называемых киберфизическими системами, способных и принимать решения, и отрабатывать их в конкретной производственной операции. Из последних примеров можно привести изготовление отдельных деталей или даже строительных конструкций с помощью 3D-принтеров. При этом согласование действий отдельных частей технологической цепочки может производиться без вмешательства человека путем обмена информацией между элементами этой системы.
Интернет вещей, как видно из определения, – это глобальная сеть, обеспечивающая обмен информацией между различными предметами промышленного, сельскохозяйственного, коммунального или бытового назначения. Это значит, что интернет вещей уже «встроен» в концепцию Индустрии 4.0.
Наконец, цифровая трансформация, по сути, объединяет все выше отмеченные системы и конструкции. Однако, это не добавляет ясности в понимание сути этого термина. Вот несколько примеров высказываний руководителей разного уровня различных организаций, которые довольно красочно иллюстрируют свободу понимания разными людьми одного и того же понятия [1].
«Цифровизация подразумевает модернизацию IT-составляющей, тогда как цифровая трансформация – это история про модернизацию бизнес-­процессов компании, ее организационной системы», – сказал Алексей Никифоров, руководитель подразделения технологических решений Hitachi Vantara.
«Многие технологические компании проходят стадию цифровой трансформации для того, чтобы выйти за рамки традиционного бизнеса и использовать новые информационные технологии. Максимально оперативно это получается реализовать технологическим гигантам и стартапам, которые быстро занимают цифровые ниши на рынке», – сказал Дмитрий Кривицкий, лидер стрима * «IT Трансформация» департамента цифрового бизнеса ВТБ.
Из сказанного понятно только одно: никакая цифровая трансформация не заставит людей питаться виртуальными продуктами, и никакая информация, в том числе и в цифровом виде, не будет передаваться без затрат энергии.

*Термин «стрим» не вполне понятен в этом контексте: стрим (англ. stream – «поток») – трансляция действий, происходящих на компьютере или игровой консоли в режиме реального времени (URL: https://myrouble.ru/chto-takoe-­strim-i-kak-zarabotat-na-strimah/) или STREAM.PM – подход (технология) построения методологий и систем управления проектами под потребности конкретного заказчика (URL: https://blog.pmpractice.ru/2020/11/16/5730/). 

Цифровая трансформация и интернет энергии

Влияние массовой цифровизации во всех ее качествах не может не повлиять на энергетику, как отрасль производства, и на энергетические системы, как объединения промышленных и коммунально-­бытовых потребителей, генераторов, систем транспорта и распределения энергии.
С одной стороны, на энергетику будет влиять рост потребления электроэнергии, с которым безусловно связан интернет вещей и информационные центры глобальной сети обмена информацией. Значит, сбалансировать этот рост будет возможно только путем наращивания мощности генерации, то есть путем увеличения объема использования первичных энергетических ресурсов разного рода.
С другой стороны, внедрение «умных» устройств в технологические процессы производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии и тепла повлияет на структуру и требования к гарантированной надежности и безопасности работы энергетических систем, которые уже давно приобрели очертание современных кибер-­физических систем.
Как же можно будет оценить рост потребления только электрической энергии за счет цифровизации и интернета вещей? По мнению одного из главных цифровизаторов нашего времени главы Сбербанка Германа Грефа [3], в 2020 году 20 миллиардов вещей будут подключены к интернету, и каждая из них будет каждую секунду генерировать данные. В начале 2021 года пока нельзя сказать, сколько миллиардов вещей подключено к интернету. Но вполне возможно, что число 20 миллиардов уже превзойдено. Если число способных к обмену информацией вещей будет увеличиваться экспоненциально, как обычно в период роста, то и энергопотребление будет увеличиваться по этому же закону.
Но кроме интернета вещей есть еще и «облачные» хранилища данных, которые позволяют наращивать объем обмена информацией и создавать этим новый бизнес – информационный. Рост возможности хранить свои данные в неограниченном объеме ведет к наращиванию этого объема и необходимости создания реальных физических центров хранения данных, называемых «облачными».
Исследователи из Калифорнийского Университета в Беркли и прилегающего Международного компьютерного научного института соответственно, считают, что интернет уже потребляет от 170 до 307 ГВт электрической мощности [4]. И, хотя по оценкам 2011 года, это составляло около 2 % мирового электропотребления, нужно помнить, что это было посчитано 10 лет назад без тех «облачных» хранилищ, которые построены за это время и без учета миллиардов вещей, которые уже подключены к интернету и будут подключаться к нему в будущем.
Энергоснабжение дата-центра Apple в Мэйдене (Северная Каролина, США) обеспечивают 400 тысяч квадратных метров солнечных батарей, которые вырабатывают 42 миллиона кВт·ч в год. Этого хватает на обеспечение лишь около 60 % серверов и систем охлаждения [5]. Это значит, что на энергоснабжение этого дата-центра требуется еще 28 миллионов кВт·ч в год, что в сумме составит 70 млн кВт·ч, что примерно равно годовому потреблению российского города численностью 10 000 человек.
Индустрия центров обработки данных развивается бурно, как видно из рис. 1 [6]. Конечно, это не только облачные хранилища данных – они показаны на рисунке серым цветом, но их доля неуклонно растет. Среднегодовое потребление центров обработки данных к 2020 г. должно было составить 180 ГВт, но данные придется скорректировать на влияние пандемии COVID‑19. Тем не менее можно сказать, что мировая индустрия центров обработки данных потребляет в полтора раза больше электроэнергии, чем Российская Федерация (среднегодовое потребление Российской Федерации – 123 ГВт) или в 30 раз больше, чем г. Москва (среднегодовое потребление г. Москвы – 6 ГВт) [6].

Рис. 1

А если к этому прибавить еще хотя бы 20 миллиардов участников интернета вещей средней мощностью (от компьютеров в 0,3–0,4 кВт до чайников, утюгов и пылесосов в 2 кВт) в 0,5 кВт, то получим еще 10 ГВт мощности, потребляемой вне всякого графика. При этом мы не учитываем потребителей интернета вещей в промышленности, мощность которых обычно превосходит мощность потребителей бытового назначения. Минэнерго России оценивает рост рынка цифровых технологий с 2020 до 2025 г. только в энергетике в 1,2 раза, как видно из рис. 2 [7].

Рис. 2

Второй аспект важного влияния цифровизации на энергетику состоит в изменении самих энергетических систем и правил их взаимодействия.
XIII ежегодная конференция (24 марта 2021 года) «Российская энергетика: как обеспечить баланс в новых условиях» сформулировала следующие проблемы и рекомендации [8]: «В 2020 упало потребление электроэнергии – сразу на 2,4 %, если смотреть в среднем за год, но в отдельные периоды фиксировалось падение более 6 % (данные СО ЕЭС)… Часть энергопотребления была перенесена на население. «Удаленка» сделала свое дело, что в свою очередь вызвало повышение задолженности на энергорынке… Все эти процессы заставляют задумываться о скором пересмотре правил национального рынка электрической энергии и формировании новой парадигмы функционирования энергосистемы».

Новая парадигма развития энергетики

Новая парадигма развития энергосистем уже частично определилась в программах развития распределенной генерации. Минэнерго России отмечает преимущественный рост распределенной генерации в структуре установленной мощности стран мира, что хорошо видно на рис. 3. В то же время основная модель Единой энергосистемы России, рынка электроэнергии и мощности не претерпевают тех изменений, о которых только собираются задуматься, как отмечено выше в рекомендации конференции «Российская энергетика: как обеспечить баланс в новых условиях».
В развитии энергетики явственно наблюдается тенденция глобализации с развитием по двум разным направлениям: первое – построение энергетической системы, структурно и функционально повторяющей глобальную сеть Интернет [9,10]; второе – развитие глобальной энергетической системы на принципах Организации по развитию и кооперации глобального энергетического объединения (GEIDCO) [11]. На конференции 23 марта 2021 г. в Пекине  GEIDCO презентовала новую информационную платформу «Мир энергетических взаимосвязей» как часть глобальной энергетической инициативы и развития «зеленой» и низкоуглеродной энергетики.
Глобальная энергетическая система должна стать основой систем электроснабжения будущего [11]. В основу подхода положено сооружение мощных электростанций на возобновляемых источниках энергии в труднодоступных, но обладающих высоким энергетическим потенциалом районах, связанных с потребителями энергии линиями передачи постоянного тока сверхвысокого напряжения.
Глобальная энергетическая инициатива предлагает решение проблемы устойчивого развития в области энергетики, климата, окружающей среды и ресурсов, а также и в инфраструктурном строительстве, модернизации промышленности, технологических инновациях и экономическом росте стран-­участниц.

Рис. 3

Другой подход отражен в документах Национальной технологической инициативы «Энерджинет» [10]. Интернет энергии понимается как «кибер-­физическая инфраструктура для информационных систем децентрализованного интеллектуального (роботизированного) управления энергосистемами, энергоузлами, системами электроснабжения и интеграции в них распределенных активных потребителей электрической энергии, распределенных источников энергии и энергетической гибкости ». В качестве одной из реализаций подхода предложена IDEA (Internet of Distributed Energy Architecture) – тип децентрализованной электроэнергетической системы, в которой реализовано интеллектуальное распределенное управление, осуществляемое за счет энергетических транзакций между ее пользователями.
Транзакция – базовое понятие, используемое в данном подходе. Энергетическая транзакция определяется как акт взаимодействия двух и более субъектов энергосистемы, которая состоит из трех слоев энергоинформационного обмена:
финансово-­договорного,
информационно-­управляющего,
физического (электрического).
Взаимодействие транзакций представлено на рис. 4. В архитектуре IDEA оно строится на объединении трех систем: Transactive energy – система формирования, контроля исполнения и оплаты смарт-­контрактов; Internet of Things – система межмашинного взаимодействия и обмена управляющими воздействиями между энергетическим оборудованием; Neural Grid – система, обеспечивающая режимное управление и поддержание статической и динамической устойчивости энергосистемы.

Рис. 4

Если системы финансово-­договорные и информационно-­управляющие не вызывают ­какого-либо непонимания при объединении их в сеть, что уже сделано во многих отраслях и производствах, то «техническое соединение устройств с электрической сетью выполняется по принципу plug and play с гарантированным поддержанием статической и динамической устойчивости системы, несмотря на большое количество влияющих друг на друга устройств пользователей» [10, 12] не так ясно сформулировано, как требуется для реализации.
В источнике [12] процедура функционирования интернета энергии представлена следующим образом:
«Пользователи взаимодействуют с интернетом энергии через приложения, которые работают с платформой Transactive Energy и формируют смарт-­контракт.
Из Transactive energy информация об обязательствах по смарт-­контракту передается в систему Internet of Things, происходит согласование режимов работы оборудования.
Из системы Internet of Things на оборудование системы Neural Grid поступают параметры режима.
Система Neural Grid установит новый режим и передаст фактические данные об электрических параметрах обратно в систему Internet of Things.
Система Internet of Things за счет измерений подтверждает факт исполнения смарт-­контрактов, сформированных в Transactive Energy.
Система Transactive Energy отобразит исполнения смарт-­контракта путем перераспределения денежных средств между пользователями согласно его условиям.
Система Neural Grid может посылать через систему Transactive Energy запрос на дополнительные ресурсы в случае невозможности установить требуемый режим.
Интернет энергии через систему Neural Grid подключается к распределительным электрическим сетям и устанавливает электрическую связь с внешней, централизованной энергосистемой.
Традиционные автоматизированные системы управления могут обмениваться данными с приложениями».
Эта длинная цитата позволяет понять: что именно ожидается от построенной по предлагаемому принципу объединению, регулируемому в режиме оперативного управления.
Однако, известно, что оперативное управление обеспечивает бесперебойное энергоснабжение потребителей при условии наличия достаточных резервов, обеспечивающих гарантию непрерывных поставок. А это условие обеспечивается планированием ресурсов и резервов, которые должны быть обеспечены необходимыми энергоресурсами. Они, в свою очередь, должны быть добыты и подведены к объекту генерации. Таким образом, в рамках системы управления энергетической системой должен быть реализован комплекс задач планирования и оперативного регулирования, привязанный к временным характеристикам энергоснабжения, производства электроэнергии, распределения энергоресурсов, в том числе возобновляемых. Следовательно, не трудно понять, что приведенная выше модель не может быть общей моделью построения энергосистемы будущего.

Цифровой двойник НПЗ
Источник: keywordbasket.com

Но и система глобальной энергетики, предлагаемая моделью GEIDCO, не может гарантировать устойчивое развитие, так как мир стал очень чувствителен к политическим колебаниям, торговым вой­нам и санкционной борьбе. Экономические средства стали новым оружием, которое активно применяется в новой информационно-­экономической борьбе, которую пока еще не хотелось бы называть вой­ной. Поэтому идеальная для утопий XVIII и XX веков глобальная энергетическая система вряд ли принесет человечеству XXI века благоденствие, так как локальные противоречия станут влиять на международные отношения все в большей мере.
Отсюда следует, что энергетическая стратегия стран должна строиться на принципах дружественности к природе (это наша общая среда обитания), максимальной независимости от внешних поставщиков энергии или энергоресурсов, использования собственных ресурсов первичного и вторичного передела, привлечения человеческих ресурсов, которые будут нести свои, а не привнесенные, ценности, создающие и сохраняющие каждое из существующих обществ.
Простым выражением этой общей стратегии в части энергетики будет построение любой энергосистемы – от малой муниципальной до национальной и межнациональной, в том числе глобальной, по принципу содружества самообеспеченных энергорайонов. Степень обеспеченности каждого энергорайона может быть разной, но каждый должен обеспечивать свои критические нужды самостоятельно. И это будет лежать за пределами понятий экономики. Это будет вопросом выживания.
Может ли такой принцип реализоваться в рамках существующих подходов к управлению энергосистемами? Может и уже реализуется. В [13] дано частичное описание системы управления системой, связанной с внешней энергосистемой перетоков положительной, отрицательной и нулевой величины. Это значит, что идея соединения в единую энергетическую систему самобалансирующихся энергоузлов уже имеет вполне реальное воплощение.

Заключение

Из выше сказанного следует, что существует множество различных подходов к развитию принципов и путей строительства энергетики будущего.
Существуют подходы глобального развития, строящиеся на принципах интернета вещей и других систем всемирного распространения.
Однако, глобализация не должна влиять на индивидуальность развития отдельных стран и регионов, что делает необходимым их ориентацию на самообеспечение при сохранении разумного разделения труда.
Отсюда стратегия развития энергетики должна строиться на основе объединения самобалансирующихся энергоузлов, имеющих возможности свободно переходить на параллельную работу с внешней энергосистемой и так же свободно отключаться от нее по мере необходимости.