Министерство Энергетики

Планирование энергосистем будущего

Дмитрий ХОЛКИН
Директор Инфраструктурного центра «Энерджинет»
e-mail: dvh@internetofenergy.ru

Как мы уже писали в статье «Энергетический переход в контексте «Форсайта столетия» [1], климатическая повестка ускорила переход к новому энергетическому укладу. От простой декарбонизации, направленной на замещение топливной генерации на возобновляемые источники энергии, мир переходит к более сложным, более комплексным решениям, требующим иного подхода к организации энергетических систем и комплексов. Базовыми принципами данного подхода является сообеспечение, соорганизация и соразвитие. При этом изменению подлежат не только инженерно-­технические и организационные решения, но и подходы, методы и инструменты планирования развития энергетики. В данной статье мы сделаем обзор некоторых интересных практик в данной сфере деятельности и обсудим целесообразность их использования в России.

Центр энергетических систем будущего

Недавно энергетическая инициатива Массачусетского технологического института (MITEI) для разрешения климатического кризиса и определения роли энергетических систем в нем создала новый исследовательский консорциум – Центр энергетических систем будущего [2]. В комплексных усилиях консорциума участвуют исследователи из всех подразделений MIT, которые стараются помочь мировому сообществу достичь своей цели по нулевым выбросам углерода. Центр исследует ускоряющийся энергетический переход и сотрудничает с промышленными лидерами в реформировании мировых энергетических систем.
Центр энергетических систем будущего исследует новые технологии, политику, демографию и экономику, которые меняют сегодня ландшафт энергетического спроса и предложения. Центр проводит интегративный анализ всей энергетической системы и реализует целостный подход, необходимый для понимания межсекторального воздействия энергетического перехода.
Центр энергетических систем будущего сочетает в себе глубокие знания Массачусетского технологического института с передовыми инструментами системного анализа для изучения того, как достижения в области технологий и системной экономики могут реагировать на различные политические и общественные сценарии.
Основное внимание центра сосредоточено на комплексном анализе всей энергетической системы. Такой анализ должен обеспечивать понимание сложных многоотраслевых преобразований в трех основных энергоемких секторах экономики – в транспорте, промышленности и строительстве зданий. При этом данные сферы должны сочетаться с основными безуглеродными технологиями: электричеством, хранением энергии, низкоуглеродным топливом и управлением выбросов углерода.
«Глубокая декарбонизация нашей энергетической системы требует общеэкономического взгляда на технологические варианты, потоки энергии, потоки материалов, выбросы в течение жизненного цикла, затраты, политику и социально-­экономические последствия, – говорит Рэндалл Филд, исполнительный директор Центра. – Системный подход необходим для того, чтобы междисциплинарные группы могли совместно работать над преодолением экзистенциального кризиса изменения климата».
С помощью технико-­экономических и системно-­ориентированных исследований Центр будет работать, например, над следующими темами:
Повышение зависимости от переменных возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнечная энергия, усиление электрификации транспорта, промышленности и ЖКХ, которые потребуют расширения управления спросом и других решений для балансировки спроса и предложения электроэнергии в этих областях.

Бугульчанская СЭС
Источник: «Фортум»

Развертывание накопителей энергии в масштабе сети и преобразование электроэнергии в низкоуглеродное топливо (водород и синтетическое жидкое топливо), что аналогичным образом будет необходимо для уравновешивания спроса и предложения. В свою очередь, эти процессы могут сыграть жизненно важную роль в переходе на чистую энергию сегментов, трудно поддающихся «обезуглероживанию»: транспорта, промышленности и ЖКХ.
Управление выбросами углерода (улавливание двуокиси углерода из точечных промышленных источников, а также из воздуха и океанов, ее утилизация и/или преобразование в ценные продукты, ее транспортировка и хранение) будет играть решающую роль в достижении углеродной нейтральности промышленностью, электроэнергией и топливом как в плане снижения эмиссии, так и в плане решений по снижению содержания СО2 в атмосфере.
В качестве исследовательского консорциума центр сотрудничает с промышленными экспертами и лидерами, как со стороны потребителей, так и со стороны поставщиков технологий, чтобы получить информацию, которая поможет исследователям предвидеть проблемы и возможности развертывания технологий в масштабе общей декарбонизации. На сегодняшний день членами консорциума являются AECI, Analog Devices, Chevron, ConocoPhillips, Copec, Dominion, Duke Energy, Enerjisa, Eneva, Eni, Equinor, Eversource, Exelon, ExxonMobil, Ferrovial, Iberdrola, IHI, National Grid, Raizen, Repsol, Rio Tinto, Shell, Tata Power, Исследовательский институт Toyota и Washington Gas.

«Google» электрификации

Исследователи из MIT считают [3], что пришло время перехода к новым практикам планирования развития энергетических инфраструктур. По сравнению с достижениями современных технологических компаний (Google, Amazon и другие) традиционные практики планирования электрификации на развивающихся рынках подобны динозаврам юрского периода. Только 54 % опрошенных стран Африки к югу от Сахары официально утвердили планы электрификации, соответствующие стандартам Всемирного банка. При этом разрабатываемые генеральные планы электрификации представляют собой статичные документы, которые быстро устаревают в связи с изменением демографических тенденций и технологических изменений. Обновляются эти планы не чаще, чем раз в пять лет. Представьте, если бы Google обновлял результаты поиска только каждые пять лет!
Используя опыт развития цифровых практик, а также возможности технологий машинного обучения и создания цифровых двой­ников, сегодня уже можно говорить о переходе к новой парадигме планирования электрификации, которая включает в себя следующие аспекты:
Использование моделей планирования. Цифровые системы планирования берут исходные данные о существующей сети, профилях спроса отдельных потребителей и каталогах оборудования, чтобы предоставить рекомендации по оптимальным с точки зрения затрат проектам развития сетевой инфраструктуры, создания микрогридов и автономных систем. Кроме того, они могут сформировать подробные ведомости материалов и затрат, необходимых для составления бизнес-­планов. Хотя человеческий фактор играет важную роль в планировании, его предпочтения все же можно в определенной степени систематизировать в моделях планирования.
Переход к планированию в почти реальном времени. Вместо того, чтобы ждать пять или более лет, пока будут сверстаны и утверждены новые планы, цифровые системы планирования могут включать новые данные и обратную связь от специалистов практически в режиме реального времени. Непредвиденные изменения в графиках развертывания электрификации, тенденциях урбанизации, потребительском спросе и стоимости топлива и оборудования сделают традиционные планы неработоспособными. Цифровые системы для непрерывного планирования могут легко адаптироваться и своевременно предлагать новые планы.
Обеспечение легкого масштабирования. После того, как симуляции и цифровые двой­ники станут доступными, предельные затраты на применение цифровых систем планирования для новых территорий и объектов станут незначительными. При масштабировании они могут сэкономить значительное количество человеко-­часов на выполнение рутинных задач и позволят специалистам по планированию сосредоточиться на важных действиях. По мере того, как эти системы планирования со временем улучшаются, обновления могут быть мгновенно доступны на многих территориях.

Дата-центр Google. Серверная комната
Источник: goodfon.ru

Выработка рекомендаций в условиях неопределенности. Некоторые выводы цифровых систем планирования могут оказаться неопределенными из-за недостаточности информации, относящейся к спросу и состоянию существующей сети. В этом случае системы планирования будут давать рекомендации о том, на чем сосредоточить усилия по сбору данных или где инвестировать в гибкую инфраструктуру, например такую, как микрогриды.
Формирование новых онлайн-­рынков. Цифровые системы планирования электрификации станут естественной платформой для проведения тендеров на заключение проектных контрактов. Они также могут служить идеальными платформами рынка данных для организации закупок дата-сетов, заполняющих цифровые двой­ники и системы машинного обучения.
Сопровождение развития систем энергоснабжения. Обеспечение доступа к энергии – это только начальная цель цифровых систем планирования электрификации. Есть еще миллиарды людей с подключением к сети, которые имеют ненадежный доступ. Даже после того, как будет обеспечен всеобщий доступ к энергии, описанные цифровые системы смогут использоваться для облегчения планирования укрепления сети и оптимальной интеграции распределенных энергетических ресурсов (DER).
Системы непрерывного планирования, состоящие из цифровых двой­ников, машинного обучения, моделей оптимизации и онлайн-­рынков, могут перенести практики планирования электрификации в XXI век. Тем не менее, если бы построить такую систему было легко, это уже было бы сделано. Одним из основных препятствий является поиск устойчивой бизнес-­модели.
Цифровые системы непрерывного планирования электрификации обещают значительные социальные выгоды, но влекут за собой высокие затраты и туманные перспективы получения доходов. Задачи моделирования сложны, а получение данных может быть дорогостоящим, что делает затраты на исследования и разработки нетривиальными. Кроме того, бенефициары таких систем, как правило, сильно ограничены в ресурсах, географически рассредоточены и распределены во времени. Ограниченное использование систем непрерывного планирования электрификации отражает неготовность рынка. В качестве глобальных общественных благ создание этих систем может быть обеспечено на правительственном, многонациональном и глобальном уровнях. Это также может быть достигнуто за счет благотворительного финансирования и, возможно, за счет ­каких-то других нетрадиционных бизнес-­моделей.

Устойчивость сети в XXI веке

Климатические изменения задают более жесткие требования к сетевой инфраструктуре и способствуют появлению новых подходов к энергетическому развитию. Этот вопрос подробно разбирается в вышедшем недавно докладе «Микрогрид: немедленное решение для климата» американского партнерства Microgrid Knowledge [4].
Климатические бедствия многократно за последнее десятилетия нарушали работу электросети, подчеркивая уязвимость и хрупкость энергетической системы США. По данным Power Outage US, агрегатора данных об отключении электроэнергии, в 2020 году в США было 1,33 миллиарда часов простоев, что на 73 % больше, чем в 2019 году. Отключения сети варьируются от года к году в зависимости от погоды, но разумно предположить, что в будущем их число продолжит расти, учитывая, что климатические бедствия, как ожидается, будут усиливаться.
Сбои в подаче электроэнергии приводят к экономическим трудностям, вызывая снижение продаж, порчу продукции, упущенные возможности для бизнеса, задержки производства и доставки, а также потерю рабочего времени для сотрудников. Опрос, проведенный S&C Electric и Frost & Sullivan в 2021 году, показал, что 80 % коммерческих и промышленных компаний со средним доходом в $75 миллионов в год ежемесячно сталкиваются с перебоями в работе, что приводит к ежегодным убыткам в размере $1,2 миллиона на компанию. И эти отключения не обязательно должны быть длительными, чтобы быть дорогостоящими. Более половины опрошенных компаний заявили, что очень важно, чтобы подача электроэнергии была восстановлена в течение одной минуты.
Все это происходит на фоне роста потребности в электроэнергии в результате продолжающейся электрификации отраслей экономики. Соединенные Штаты работают над электрификацией транспортного сектора и, в меньшей степени, электрификацией зданий и промышленных процессов. По данным Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, эти изменения, являющиеся частью усилий страны по обезуглероживанию, удвоят потребность в генерирующих мощностях к 2050 году.
Можно сократить простои и снизить затраты на новую инфраструктуру за счет усовершенствованного управления энергопотреблением на базе микрогридов, которое стало возможным благодаря интеллектуальному программному обеспечению и распределенным энергетическим ресурсам (DER). Эти решения добавляют как гибкость, так и контроль над потоками энергии на местном уровне и в сети, чему способствуют автоматические рыночные сигналы. Это позволяет как потребителям, так и производителям воспользоваться тем фактом, что выбросы и цены на энергию сильно зависят от времени и места использования энергии.
Как правило, когда спрос высок, цены на энергоносители растут. Выбросы также могут увеличиваться в периоды спроса, если энергетические компании вынуждены использовать свои самые загрязняющие ресурсы для удовлетворения неотложной потребности в электроэнергии. Альтернативой являются распределенные энергетические ресурсы, такие как микрогриды, солнечная энергия, накопители энергии. Поскольку они децентрализованы, их можно найти рядом с предприятиями, домами и зданиями, разбросанными по всей сети, – и их можно строить для обслуживания сети в местах, недоступных для крупных электростанций. Эти ресурсы также быстро реагируют на мгновенное изменение условий в сети.
Микрогриды и DER порождают более активных клиентов. Эти потребители контролируют свою собственную энергию, как потребляемую, так и производимую, а иногда получают доход и помогают более крупной сети в этом процессе. При правильном их учете в процессе планирования модернизации сети эти распределенные энергетические системы на основе программного обеспечения могут помочь избежать дорогостоящего строительства опор, проводов и электростанций. Это одна из причин, почему больше кирпичей и раствора для электросети не всегда является адекватным ответом в цифровую эпоху.

Последствия электрификации транспорта

Еще одним фактором, существенно изменяющим ландшафт энергетической инфраструктуры и создающим серьезные проблемы при планировании развития сети, является масштабная электрификация личного автотранспорта (EV). Компания Boston Consulting Group провела исследование по затратам на развитие сети в данном случае [5].
В рамках исследования была разработана подробная модель доходов, затрат и влияния розничных ставок для «референтной» коммунальной компании с 2–3 миллионами клиентов. В зависимости от моделей зарядки электротранспорта потребуется инвестировать от $1700 до $5800 в модернизацию электросетей на каждый электромобиль до 2030 года. Учитывая, что эти вложения будут в значительной степени покрываться за счет сетевых тарифов, стоимость инвестиций в итоге будет транслирована на потребителей. Максимально тарифы могут вырасти на 1,4 цента за кВт·ч, или на 12 %, по сравнению с предполагаемой базовой ставкой в 11 центов за кВт·ч.
Задача коммунальных служб состоит в том, чтобы разработать стратегию, которая поддерживает EV, но минимизирует затраты для клиентов. Например, оптимизация как времени, так и местоположения заправки электромобилей позволит снизить примерно на 70 % затраты на развитие сетевой инфраструктуры.
Основные рекомендации по оптимизации затрат:

  1. Разработать программу, которая позволит развивать сеть для удовлетворения спроса на электроэнергию по разумной цене. Для этого необходимо определить локации, где ожидается существенный спрос на инфраструктуру для зарядки EV. Затем необходимо разделить сегменты сети на требующих минимальные обновления и нуждающихся в существенной модернизации. На основе этого понимания необходимо разработать план развития сегментов сети, нуждающихся в серьезной модернизации.
  2. Внедрять новые технологии, позволяющие ограничить нагрузку, которую EV создают в сети:
    передовые технологии учета электроэнергии, которые позволяют взимать различные тарифы за электроэнергию в зависимости от времени и места зарядки;
    системы реагирования на контролируемый спрос, которые автоматически переносят зарядку на нужное время и в нужных местах на основе ценовых сигналов из сети. Эти системы могут, например, активно управлять тем, что определенным зарядным устройствам разрешено заряжать электромобили только в определенные моменты времени;
    активное управление традиционными источниками потребления электроэнергии, такими как кондиционирование воздуха, отопление и вентиляция;
    использование аккумуляторных батарей на зарядных станциях. Эти системы позволяют заряжать батареи в нерабочее время, чтобы клиенты могли использовать батареи вместо сети для зарядки электромобилей в пиковые периоды.
  3. Формировать поведение клиентов при зарядке. Разработка тарифов, стимулирующих зарядку EV в периоды с низким уровнем нагрузки и препятствующих этому в тех частях сети, где уже ограничена пропускная способность. Необходимо определить, какие расходы должны быть распределены по базе тарифных ставок, а какие должны нести конкретные клиенты.

Водородный кластер в Техасе

Многообещающей и одновременно сложной задачей является развитие энергетики на базе водорода в качестве универсального и экологичного энергоносителя и сырья для некоторых производственных процессов. При её решении возникает необходимость согласованного планирования развития не только энергетики, но и других секторов экономики.
Например, по информации платформы бизнес-­аналитики Recharge [6] проект Hydrogen City мощностью 60 ГВт, анонсированный местным стартапом Green Hydrogen International (GHI), будет базироваться на энергии ветра и солнца, а также использовать соляные каверны для хранения водорода. По выходу проекта на полную мощность здесь будет производиться более 2,5 млн тонн зеленого водорода в год, который будет использоваться в том числе для производства чистого ракетного топлива для SpaceX Илона Маска.
В настоящее время SpaceX разрабатывает новый тип ракетного двигателя под названием SpaceXRaptor, который будет использовать жидкий метан и жидкий кислород, а не топливо на основе керосина, которое компания использовала до сих пор. Для этого двигателя GHI и планирует производить синтетическое топливо на основе «зеленого» водорода и собираемого в атмосфере CO2.
Кроме этого, GHI изучает следующие варианты конечного использования своего водорода:
чистое авиационное топливо;
«зеленый» аммиак для производства удобрений или экспорта в Азию;
замещение природного газа на электростанциях.
Особую пикантность проекту добавляет то, что он разворачивается в штате, являющимся крупнейшим в США поставщиком нефти. Наличие такого большого водородного завода рядом с масштабными проектами по бурению нефтяных скважин в Техасе сформирует разительный контраст [7].

Новые подходы к энергетическому планированию в России

Приведенные в обзоре примеры демонстрируют, что по мере появления в энергетике реальных инноваций возникает вопрос об изменении подхода к энергетическому планированию. Дело в том, что качественно новые технологии и практики не просто обеспечивают рост технологического совершенства существующих элементов в энергетической системе, но и изменяют их функциональные свой­ства, а в некоторых случаях добавляют новые элементы, реализующие другие функции. К примеру, накопление энергии позволяет развести режимы производства и потребления энергии, что раньше было практически невозможно. Появление накопителей энергии в энергетической системе (особенно, вблизи к потребителям) позволяет по-другому осуществлять её развитие. Поэтому надо внимательно изучать новые подходы к энергетическому планированию, возникающие в мире, примерять их на себя, а также разрабатывать свои оригинальные методы и инструменты.
Необходимо как минимум различать три уровня планирования: объектовый, региональный, национальный отраслевой. Наш опыт работы с инновационными проектами в рамках Национальной технологической инициативы, такими как создание бизнес-­практики цифровой трансформации распределительных электрических сетей или организации микрогридов в изолированных территориях, и анализ материалов на зарубежных примерах говорит о том, что в настоящее время особая актуальность возникает в подходах, методах и инструментах энергетического планирования территориального уровня. Мы пришли к такому выводу, проводя аналитические исследования по различным аспектам развития водородной экономики в России. Проиллюстрируем его на примере задачи создания водородных кластеров.
В концепции развития водородной энергетики Российской Федерации, утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 5 августа 2021 г. № 2162‑р, указано, что одним из ключевых механизмов развития водородной отрасли являются водородные кластеры, способствующие одновременно созданию экспортно-­ориентированного производства водорода и формированию и развитию практик применения водорода в России. Планируется создание не менее трех водородных кластеров.
Эта задача решается относительно тривиально. Планирование микроэкономики таких проектов кластера осуществляется известными методами и инструментами. Определенную сложность представляет планирование производственной цепочки и необходимой кооперации со множеством субъектов, так как мы в данном случае имеем дело с инновационными техническими решениями, для которых еще отсутствуют необходимые нормы проектирования и технические стандарты, подтвержденные многими годами опыта. Однако и с этими сложностями удастся справиться команде проекта при поддержке экспертов и инженерных консультантов. Другое дело, что полноценный водородный кластер должен представлять собой образец водородного экономического уклада, а для этого нужно сделать гораздо больше, чем один или несколько проектов водородной инфраструктуры. Для получения положительных экономических эффектов важно развернуть работу по развитию практик использования водорода в различных секторах экономики.
В рамках национального отраслевого планирования эти кросс-­секторальные эффекты становятся более очевидными постольку поскольку, используемые здесь методы и инструменты макроэкономического анализа, формирования межотраслевых балансов, теории больших систем позволяют обнаружить системные зависимости между разными сферами экономической деятельности. Кроме того, национальный масштаб планирования позволяет лучше решать задачи формирования критически важных технологий и компетенций, создания производственных объектов и инфраструктуры новой отрасли. Именно на этом уровне лучше всего программировать исследования и разработки, планировать пилотные проекты, организовывать разработку технических стандартов и норм рыночного регулирования, системно заниматься подготовкой кадров и международным сотрудничеством. Конечно, нужно проводить системные исследования, направленные на изучение влияния новых технологий и практик на энергетические системы, и развивать с учетом этого методологию энергетического планирования, но нельзя сказать, что в данном вопросе мы встречаемся с новой сложностью. Эта сложность возникает на уровне ниже, когда отраслевые планы проецируются на конкретные территории. Именно здесь водородный кластер, отражаемый в отраслевых планах как одна из множества узловых точек схемы большой системы, превращается в самостоятельный предмет планирования.
На территориальном уровне планирования, особенно с учетом процессов децентрализации энергоснабжения и электрификации новых сегментов экономики (например, транспорта) мы встречаемся со сложностью двух типов: полисферность и мультисубъектность предмета планирования. В случае создания водородного кластера, как уже отмечалось, речь идет не только о строительстве объектов производства водорода и необходимой инфраструктуры, но и о формировании и масштабировании практик использования водорода в различных секторах экономики: транспорте, промышленности, энергетике, ЖКХ. Это задает полисферность планирования. Как в случае с техасским примером из нашего обзора, без формирования такого крупного потребителя водорода в регионе, как SpaceX, а также без целенаправленного формирования спроса на водород в других секторах экономики, запланированный проект Hydrogen City не имеет экономического смысла. А это значит, что планы реализации различных проектов должны быть жестко синхронизированы, технические решения согласованы, а экономические модели должны описывать общие экономические эффекты и их распределение между участниками водородного кластера.
Следствием полисферности является то, что в становлении водородного уклада оказывается задействовано много различных субъектов: лидеров проектов, потребителей, держателей инфраструктур, руководителей региональных и муниципальных администраций, просто жителей на территории кластера. Залогом успеха реализации всего комплекса проектов и планов является учет разнообразных интересов этих субъектов. Это задает мультисубъектность энергетического планирования в масштабе регионов, городов и поселений.
Еще в 2015 году при планировании дорожной карты Национальной технологической инициативы «Энерджинет» мы прогнозировали появление методов и инструментов энергетического планирования нового типа, обеспечивающих согласование, синхронизацию и общую оптимизацию комплекса тесно связанных между собой планов развития различных сфер экономики, разрабатываемых и реализуемых различными участниками с учетом интереса множества субъектов. Сейчас мы видим, что в мире стали появляться такие решения. Очевидно, что в России в рамках работ по модернизации распределительных электрических сетей, созданию заправочной инфраструктуры для электротранспорта, формированию водородных кластеров, формированию систем энергоснабжения удаленных и изолированных регионов, строительству энергетической инфраструктуры для районов новой застройки и для новых городов (например, Экополиса на Сахалине) новые подходы, методы и инструменты энергетического планирования будут востребованы. Проблема их формирования и распространения состоит в отсутствии института, целенаправленно занимающегося системным обеспечением развития новой энергетики. Здесь представляется очень важным кейс по созданию в MIT Центра энергетических систем будущего. В России также необходимо создать аналогичный центр, который будет заниматься системными исследованиями и разработками в сфере новой энергетики, формированием и развитием новой методологии энергетического планирования, системным обеспечением разработки и реализации комплексных пилотных проектов, обучением специалистов.