Интеллектуальная и гибкая система электроснабжения

В прошлом году правительство Великобритании и национальный регулятор энергетики Ofgem опубликовали доклад «Smart Systems and Flexibility Plan 2021» [1], который излагает концепцию и рабочую программу создания интеллектуальной и гибкой системы электроснабжения для обеспечения энергетической безопасности и перехода к низкоуглеродному энергоснабжению страны.

Вероятно, что после событий начала 2022 года некоторые параметры и сроки реализации данного плана изменятся (пока писалась настоящая статья Правительство Великобритании опубликовало «Стратегию энергетической безопасности», предусматривающую ускорение энергетического перехода), однако этот документ интересно изучать с точки зрения метода его создания, реализации системного подхода по осуществлению достаточно взвешенного и рационального энергетического перехода. Британцы, наравне с масштабным переходом на ВИЭ, продолжают последовательно развивать атомную энергетику, считают, что в среднесрочной перспективе (до появления экономически доступной водородной энергетики) газовая генерация будет продолжать играть важную роль для удовлетворения пикового спроса и предоставления системных услуг.

Кроме того, они уделяют большое внимание вопросам энергетической гибкости, а также цифровизации энергетики как способа извлечения экономического потенциала от использования новых технологий. Собственно, этому и посвящен указанный доклад. По некоторым кейсам, о которых мы писали в телеграм-канале «Internet of Energy», можно говорить, что Великобритания перешла на новую фазу энергетического перехода, лучше всего характеризующуюся принципами «3С» — со-обеспечением, со-организацией, со-развитием. Поскольку, как мы считаем, позитивная парадигма энергоперехода «3С» приходит на смену деконструкции, зашитой в подходе «3D» [2], изучению этого документа стоит уделить внимание.

Стратегия низкоуглеродного развития энергетики Великобритании

В апреле 2021 года правительство Великобритании объявило о целях по сокращению выбросов парниковых газов на 78% к 2035 году по сравнению с уровнем 1990 года и на 100 % — к 2050 году. Великобритания уже сократила выбросы парниковых газов более, чем на 40%, в период с 1990 по 2019 год при одновременном росте экономики почти на 80%, что является самым быстрым ростом среди стран G7. В 2020 году около 60% выработки электроэнергии уже приходилось на низкоуглеродные источники. Однако еще предстоит много что сделать, и прогресс в данной сфере необходимо ускорить.

Белая книга по энергетике 2020 года и План премьер-министра по зеленой промышленной революции из десяти пунктов [3] излагают стратегию, которая преобразует национальную энергетику, поддерживает восстановление окружающей среды и обеспечивает справедливые условия для потребителей. Великобритания взяла на себя обязательство построить к 2030 году морскую ветроэнергетику мощностью 40 ГВт. С 2030 года в Великобритании прекратится продажа новых бензиновых и дизельных автомобилей и фургонов, а с 2035 года все новые автомобили и фургоны должны будут иметь нулевой уровень выбросов. Правительство поставило цель устанавливать 600 тыс. тепловых насосов в год к 2028 году для замены систем отопления, работающих на ископаемом топливе.

Это означает, что в течение следующих нескольких десятилетий к электроэнергетической системе Великобритании добавятся значительные объемы выработки, вырастет спрос, и потребуется серьезная модернизация энергетических сетей для передачи энергии потребителям.

Новая генерация будет все более изменчивой в зависимости от времени суток, сезона и преобладающих погодных условий. Спрос на электроэнергию будет увеличиваться по мере электрификации теплоснабжения и транспорта и потенциально может удвоиться к 2050 году. Без принятия специальных мер этот спрос часто будет «пиковым» — в домохозяйствах одновременно включают системы отопления, когда становится холодно, и заряжают свои электромобили, когда люди возвращаются домой с работы. Необходимо обеспечить интеграцию этих новых технологий в систему, сохраняя при этом баланс спроса и предложения электроэнергии и сводя к минимуму объем новых генерирующих и сетевых мощностей, необходимых для удовлетворения потребностей. Для этого требуется интеллектуальная, гибкая энергетическая система.

Интеллектуальная и гибкая энергосистема

«Интеллектуальность» и «гибкость» — не просто красивые слова, с использованием которых легче получать бюджеты на инновации. Настоящая интеллектуальная и гибкая энергетическая система снижает счета потребителей за электроэнергию за счет сокращения количества генерирующих и сетевых активов, которые необходимо построить для удовлетворения пикового спроса. Она дает потребителям больший контроль за своими счетами за электроэнергию благодаря доступу к интеллектуальным технологиям и услугам. Она облегчает интеграцию локальных решений для низкоуглеродной энергетики, тепла и транспорта. Она создаст рабочие места и привлечет инвестиции в британские компании.

Интеллектуальность означает способность устройств реагировать в режиме реального времени на различные сигналы для предоставления услуг.

Гибкость — это способность сдвигать во времени или менять место потребления или выдачи энергии в сеть.

Умная и гибкая система — это система, которая использует интеллектуальные технологии для обеспечения гибкости системы, баланса спроса и предложения и управления ограничениями в сети.

На сегодняшний день большая часть гибкости, которая уравновешивает спрос и предложение и обеспечивает стабильность энергосистемы, была обеспечена работой угольных или газовых электростанций. В будущем нужна энергетическая система, которая сопоставляет новые источники спроса с возобновляемой генерацией — как на национальном, так и на местном уровне — за счет использования низкоуглеродной гибкости во всей системе.

Низкоуглеродная гибкость может быть обеспечена следующими технологиями:

• Хранение энергии, реализуемое решениями с низкими выбросами парниковых газов. Это могут быть накопители энергии домохозяйств, промышленных и коммерческих объектов. Это могут быть сетевые накопители энергии большой мощности, такие как ГАЭС. Это могут быть электромобили с возможностью выдачи электроэнергии обратно в сеть.
• Гибкий спрос: смещение спроса от периодов, когда энергии в системе не хватает, к периодам избытка выработки, когда энергия дешевая и чистая. Например, это зарядка электромобиля ночью, когда в локальной сети более низкий спрос, или использование посудомоечной машины в течение дня, когда в системе много солнечной энергии.
• Гибкая генерация: низкоуглеродные «пиковые» установки, например котлы на биомассе или газовые установки с улавливанием и захоронением углерода, которые могут управлять генерированием электроэнергии в короткие сроки. В будущем это может включать сжигание водорода в турбинах. Низкоуглеродная стохастическая генерация, такая как солнечная и ветровая, также может обеспечить гибкость.
• Интеллектуальные сети и сетевые связи с другими странами: перемещение электроэнергии между сетями и между странами туда, где это необходимо. Это позволяет выровнять различия в погодных условиях на больших территориях, например, импортируя электроэнергию из континентальной Европы, когда там ветрено, и наоборот.

Сколько нужно гибкости?

Потребность в гибкости будет быстро возрастать, поскольку переменная возобновляемая энергия заменяет источники ископаемого топлива, происходит электрификация тепла и транспорта. С использованием модели электроэнергетического сектора Великобритании, которой владеет BEIS, а также модели динамического диспетчерского управления был произведен анализ стоимости будущей системы электроснабжения при различных предположениях о гибкости. Цель анализа заключалась в том, чтобы понять роль и значение гибкости в декарбонизированной энергетике, а также определить степень и тип гибкости, необходимой в этой системе.

Моделирование показывает, что повышенная гибкость обеспечивает значительную экономию средств в обезуглероженном энергетическом секторе. В проанализированных сценариях повышение гибкости системы обеспечило снижение её стоимости на 10 млрд фунтов стерлингов в год (цены 2012 г. без учета дисконтирования) в 2050 г. при интенсивности выбросов 5 г CO2-экв./кВт·ч. Гибкость обеспечила экономию во всех сценариях, кроме сценария с более низким спросом или с водородным производством, обеспечивающим альтернативный источник гибкости с более низкими затратами.

Гибкость необходима для эффективной интеграции возобновляемых источников энергии при одновременном удовлетворении растущего спроса на электрифицированное тепло и транспорт. Наибольшая системная экономия достигается за счет снижения капитальных затрат на производство электроэнергии. Гибкость позволяет смещать генерацию и спрос, что приводит к более эффективному использованию низкоуглеродной генерации и меньшему чрезмерному наращиванию мощностей, а также из-за уменьшения пиковых нагрузок на систему, позволяет снижать затраты на модернизацию сети.

По оценкам разработчиков документа, в 2030 году (когда в системе будет 40 ГВт ветра) потребуется около 30 ГВт низкоуглеродных ресурсов гибкости (хранение энергии, управление спросом и взаимосвязь с энергосистемами других стран) для экономически эффективной интеграции высоких уровней возобновляемых источников энергии, что представляет собой трехкратное увеличение гибкости относительно сегодняшнего уровня.

К 2050 году потребуется около 60 ГВт гибкости, при этом около 30 ГВт гибкости, вероятно, будет обеспечиваться за счет комбинации краткосрочного хранения энергии и управления спросом и 27 ГВт — за счет сетевых связей с континентальной Европой. Это приведет к самой низкой стоимости энергосистемы.

Косвенные эффекты

К 2050 году внутренний рынок интеллектуальных систем и гибких решений может составить до 1,3 млрд фунтов стерлингов в год и создать около 10 тыс. рабочих мест. Эти рабочие места охватывают широкий спектр профессий, включая монтажников, электриков, специалистов по данным и разного рода инженеров.

Великобритания является мировым лидером в области технологии и науки, лежащей в основе интеллектуальных систем. По мере того, как будет накапливаться опыт в процессе достижения национальных целей, британские компании смогут использовать значительные экспортные возможности, возникающие в результате глобального энергоперехода. Экспортный потенциал в 2050 году может принести экономике Великобритании до 2,7 млрд фунтов стерлингов в год и создать 14 тыс. рабочих мест.

Выводы

Мы пока не можем прогнозировать, как будет трансформироваться энергетическая стратегия России. Стартует ли у нас энергопереход в том масштабе, о котором заявлялось в прошлом году при представлении стратегии низкоуглеродного развития, или же цели будут пересмотрены. Однако, отдельные практики и технологии управления энергетической гибкостью в России уже прижились, как на уровне потребителей, так и на уровне всей энергосистемы (например, управление спросом или использование СНЭ). А для решения задач эффективного энергоснабжения удаленных и изолированных территорий энергетическая гибкость является сейчас наиболее важной темой. В этой связи, из британского доклада можно извлечь для себя некоторые полезные выводы:

• Взвешенный энергетический переход означает поиск экономически оптимального сочетания безуглеродных и низкоуглеродных источников энергии. ВИЭ, ГЭС, АЭС, газовые ТЭС с системами CCUS — все пойдет в дело. Об этом говорим и мы, когда обсуждает первую составляющую концепции «3C» — со-обеспечение (сo-sufficiency): получение рассеянной энергии из окружающей среды без необратимого нарушения полезных свойств этой среды, хранение и превращение этой энергии в удобные для использования формы, её сочетание с традиционными источниками энергии [1].
• Энергетическая гибкость — решающий фактор для обеспечения энергетической безопасности и экономической приемлемости низкоуглеродной энергетики. Она позволяет сократить потребность в строительстве генерирующих и сетевых мощностей, лучше и полнее использовать имеющиеся мощности, что приводит к существенной экономии. В нашем докладе «Цифровой переход в электроэнергетике России» мы указывали на задачу повышения эффективности использования мощности как одну из ключевых задач энергоперехода [4].
• Цифровая трансформация энергетики нужна, прежде всего, для высвобождения и использования колоссального ресурса энергетической гибкости. Именно здесь будет находиться самый большой сегмент рынка цифровых решений для энергетики, происходить самое бурное развитие новых бизнес-практик. Подробнее об этом читайте в нашей статье «Быстрая цифровая эволюция продолжается» [5].
• Наибольшие экономические эффекты от использования ресурсов энергетической гибкости обнаруживаются тогда, когда оценка потребности в гибкости и планирование её использования осуществляется «сверху вниз» в масштабах всей энергосистемы, но сами ресурсы гибкости при этом ищутся и располагаются «внизу» системы с максимальным вовлечением конечных потребителей в предоставление этих ресурсов гибкости.

Мы планируем продолжить разбор британского плана развития энергетики в следующих наших публикациях. Мы рассмотрим вопросы обеспечения гибкости на стороне потребителей, устранения барьеров для обеспечения гибкости сети, реформирования рынков для поощрения работы с гибкостью, цифровизации энергосистемы. Подписывайтесь на канал «Internet of Energy».