Человечество наращивает потребление и производство электроэнергии, уделяя особое внимание возобновляемым или «зелёным» источникам. Согласно данным исследовательской компании REN21, в 2017 году доля возобновляемых источников энергии в мировом производстве составила 10,4%. Причём в передовых странах эта доля выше: ЕС в 2017 году получал 17,5% энергии из возобновляемых источников, а цель на 2020-й год — 20%. По мере увеличения доли ВИЭ в выработке увеличивается и значимость связанных с ними проблем. Что это за проблемы, как их решают виртуальные электростанции и что вообще это такое? Рассказываем.

Что не так с «зелёной» энергетикой?

В целом всё так. На сайте компании Enerdata можно посмотреть данные о производстве энергии за 1990-2017 год с разбивкой по странам — по графикам видно, что большинство стран наращивают долю возобновляемых источников энергии. Наше будущее неизбежно связано с альтернативной энергетикой, а для самых продвинутых стран и отдельных отраслей в них это и вовсе уже настоящее. Так, Нидерландские железные дороги с 2017 года ездят исключительно на электричестве от ветряков. И перевозят таким образом порядка 320 млн пассажиров в год, что в 18,5 раз больше, чем всё население страны (для сравнения: РЖД перевозят в год примерно 1 млрд пассажиров, то есть 7-8 населений России). Другой пример — Норвегия: более 97,8% энергии, производящейся в этой стране, вырабатывается альтернативными источниками.


Некоторые страны Европы не только достигли целевых показателей по увеличению доли электроэнергии из возобновляемых источников, но и превысили их. В лидерах Швеция, Финляндия и Латвия. Источник: Eurostat

То есть вроде бы всё здорово, но свои сложности всё-таки есть: при всех своих преимуществах альтернативная энергетика не может обеспечить постоянный уровень производства электричества. Иногда электричества меньше, чем нужно потребителям электросети. Иногда — наоборот, и это тоже проблема, так как излишки электричества нужно куда-то девать. Солнечные батареи работают только днём, их КПД зависит от времени года и погодных условий. Ветряные фермы зависят не только от наличия ветра, но и, к примеру, прекращают работу на время сезонного перелёта птиц. Приливные электростанции и вовсе работают по нескольку часов в день, во время приливов и отливов. В этом и заключается главная проблема и главное отличие от атомных и тепловых электростанций. И чем больше выработки приходится на «зелёные» источники, тем выше важность этих проблем. Также возобновляемые источники энергии часто находятся далеко друг от друга, что требует более сложной инфраструктуры, чем в случае централизованного производства сравнимого объёма энергии.

Что с этим делать?

Для решения этих проблем придумали виртуальные электростанции (ВЭС, они же VPP — Virtual Power Plants). Так называют программно-аппаратные комплексы, которые позволяют управлять огромным количеством разрозненных установок генерации энергии, будто это одна электростанция. Программное обеспечение, созданное с использованием технологий машинного обучения, распределяет электричество между потребителями, а также резервирует излишки, используя их для компенсации суточных спадов. И тут особенно важны внедрённые в код элементы самообучаемого ИИ, которые учатся прогнозировать спады производства и пики потребления, оптимизируя движение энергии внутри системы.

Если объяснять проще, виртуальная электростанция — это биржа продавцов и покупателей электроэнергии, которая уравновешивает спрос и предложение энергии. В результате все потребители электричества пользуются «зелёной» энергией так, как если бы она была сгенерирована классической АЭС или ТЭЦ. То есть электричество в сети есть всегда и напряжение в сети постоянное. А производители энергии гарантированно продают произведённое.

Виртуальная электростанция — всегда индивидуальный проект, поскольку структура возобновляемых источников энергии и их потребителей всегда уникальна и зависит от географических и демографических особенностей региона. Однако в любой ВЭС есть следующие элементы:

1. источники энергии (возобновляемые и традиционные),
2. потребители электричества (бизнес и население),
3. система накопления энергии (аккумуляторы),
4. датчики IoT для сбора информации и управления работой потребителей,
5. ПО, управляющее работой энергосети.

Виртуальные электростанции могут легко масштабироваться до глобальной всепланетной инфраструктуры, не говоря уже о потребностях любого отдельно взятого государства. Источник: Toshiba

В энергосистемах, где электричество вырабатывается солнечными и ветряными электростанциями и распределение энергии осуществляется без использования виртуальных электростанций, приходится резервировать энергию, и не менее 13-15% выработанной и зарезервированной энергии в норме не используется. В результате выработка электричества оказывается менее выгодной. В системах с виртуальными электростанциями количество ненужных резервов намного меньше. В идеале оно вообще должно стремиться к нулю.

Также программные алгоритмы ВЭС позволяют снизить потребление энергии в системе за счёт минимизации потерь при передаче энергии и тонкой работе с датчиками интернета вещей. Так, с их помощью можно регулировать отопление зимой и кондиционеры летом, экономя энергию при достижении заданных температур. А можно привязать вентиляцию здания к количеству человек внутри, заставив её функционировать на максимум только в рабочие часы.

Перспективность рынка виртуальных электростанций видна по финансовым вложениям. Согласно отчету Markets and Markets, в 2016 годы мировой рынок ВЭС составлял 193,4 млн долларов США, а прогноз до 2021 года составляет 709 млн долларов США. В абсолютном выражении это все еще немного, но динамика вполне однозначная, и далее, когда технологии обкатаются, а интернет вещей получит дальнейшее развитие, нас ждёт рывок.

Пока все основные проекты ВЭС либо реализуются, либо уже работают в тестовом режиме. Одним из первых в мире практических примеров применения ВЭС стал проект PowerShift Atlantic, реализованный в канадской провинции Нью-Брунсвик и окрестностях в 2010-2015 годах. Он объединил энергосистемы Нью-Брунсвика, Новой Шотландии и острова Принца Эдуарда, состоящие как из «ископаемых», так и возобновляемых источников энергии. В результате запуска виртуальной электростанции, были практически полностью сглажены пиковые нагрузки в сети.



Природные условия на юго-востоке Канады благоприятны для развития альтернативных источников энергии: ветровых ферм и гидроэлектростанций. Однако до внедрения ВЭС их развитие стопорилось невозможностью обеспечить производство энергии на постоянном и прогнозируемом уровне. В рамках реализации проекта PowerShift Atlantic этого удалось добиться. Источник: PowerShift Atlatic

С началом работы ВЭС переключение между источниками энергии начало происходить незаметно для пользователей, устранена зависимость от погодных условий, что позволило дальше развивать ветряные и гидроэлектростанции. Совокупная мощность контролируемой ВЭС энергосистемы составляет более 6200 МВт.

Один из самых известных и масштабных проектов ВЭС, реализуемых прямо сейчас, —детище Tesla, гигантская виртуальная электростанция в Южной Австралии, объединяющая 50 тыс. домов с установленными солнечными панелями и батареями Powerwall 2. Важность проекта заключается в том, что это уже разработка государственного уровня, а не инструмент для решения локальной проблемы. Главная цель австралийской ВЭС — дополнить и усилить общегосударственную энергосистему и снизить стоимость электроэнергии для абонентов. Когда проект будет завершен, солнечная ферма Tesla будет производить 250 МВт энергии, а ее батареи смогут накапливать до 650 МВт/ч. Это крупнейший «зелёный» проект Австралии на данный момент.

Что объединяет эти проекты? Доступность возобновляемых ресурсов (на Атлантическом побережье Канады одна из лучших в мире ветровых обстановок для создания ветряных электростанций; в южной Австралии 180 солнечных дней в году) и наличие жилых кварталов городов с неплотной протяженной застройкой.

Аналогичные проекты реализованы в Финляндии (в результате работы ВЭС, выбросы парниковых газов там снизились на 0,5%), Словении, Германии, Гавайских островах.

Что мешает виртуальным электростанциям?

Развитие виртуальных электростанций серьёзно тормозится на законодательном уровне. Дело в том, что продажа электроэнергии потребителям во многих странах разрешена только для государства, которое выкупает её у частных производителей. Поэтому организовать частную распределенную сеть без государственного участия оказывается невозможно.

Если посмотреть на российский опыт, нужно отметить медленный, но неотвратимый прогресс. В 2017-м году Правительство РФ утвердило «План мероприятий по стимулированию развития генерирующих объектов на основе возобновляемых источников энергии с установленной мощностью до 15 кВт», который подразумевает полноценную работу малых возобновляемых источников энергии, таких как частные ветряки и солнечные панели. Специальный льготный «зелёный тариф», по которому владельцы домашних электростанций могли бы продавать государству излишки электричества, до сих пор не введён, но законопроект рассматривается в Госдуме, и есть хорошие шансы, что он будет принят в этом году.

Также слабым местом виртуальных электростанций является высокая стоимость внедрения, которую трудно спрогнозировать. Необходимы альтернативные электростанции, которые производят дорогое электричество, которое само нуждается в субсидировании. Необходима установка и синхронизация IoT-датчиков, которые, в свою очередь, предъявляют высокие требования к качеству интернет-подключения (впрочем, в передовых странах эта проблема будет решена с развёртыванием сетей 5G). Необходимо сложное программное обеспечение и постоянная его поддержка. И это опять приводит нас к необходимости поддержки государства или иного крупного инвестора на этапе запуска ВЭС.

Что нас всех ждёт?

Виртуальные электростанции будут активно развиваться, постепенно продавливая устаревшее законодательство по всем странам мира. Приблизительно к 2021 году мы станем свидетелями появления совершенно нового рынка электричества, тесно связанного с виртуальными электростанциями, умным распределением энергетических резервов и оптимизацией энергопотребления всех участников рынка. Именно к этому году в США, ЕС и Японии завершатся проекты строительства крупных виртуальных электростанций, и их преимущества станут очевидными.

Налаженные системы ВЭС стимулируют мир увеличить долю альтернативных источников энергии, что поспособствует улучшению экологической обстановки на планете и экономии природных ресурсов. Плюс, полностью поменяется энергетическая инфраструктура: вместо гигантских электростанций и паутины проводов, расходящихся к потребителям, мы получим децентрализованную сеть. А это означает, что будущие энергосистемы человечества станут менее уязвимы в случае катаклизмов — в той же Японии, где доля возобновляемых источников энергии невелика и составляет около 17%, активно интересуются ВЭС именно в этом контексте. Децентрализация энергопотоков поможет японцам избежать массовых отключений электричества во время землетрясений и тайфунов.

Также децентрализованная сеть производителей и потребителей электричества сможет создать больше станций заряда для электромобилей и стимулирует этим отрасль. И не стоит сбрасывать со счетов то, что чем меньше человечество нуждается в сверхмощных производителях электроэнергии, чем меньше вероятность крупных техногенных катастроф. Так постепенно мы делаем нашу планету лучше, комфортнее и безопаснее. И все останутся в выигрыше.