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.

К 2030 году и далее потребители будут обеспечивать значительную часть гибкости энергетической системы Великобритании (потенциально около 13 ГВт за счет управления спросом в сочетании с внутрисуточным накоплением энергии), при этом бытовой сектор управления гибкостью будет быстро расширяться по мере внедрения низкоуглеродного отопления домохозяйств и перехода на электромобили.

[1] Transitioning to a net zero energy system. Smart Systems and Flexibility Plan 2021 (https://assets.publishing.service.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/1003778/smart-systems-and-flexibility-plan-2021.pdf)

Общее видение

Умная и гибкая энергетическая система расширит возможности потребителей. Умные счетчики, новые технологии, тарифы и услуги позволят потребителям изменить свои модели поведения, в частности, приоритизировать потребление в период дешевой и обильной низкоуглеродной электроэнергии, дадут потребителям больший контроль над потреблением энергии и уровнями комфорта, сэкономят деньги, помогая сбалансировать энергетическую систему. Это будет обеспечено за счет практик управления потреблением. Реализация этих практик часто будет автоматизирована и запрограммирована с учетом специфических нужд потребителей, например, зарядка электромобиля будет происходить в ночное время, когда цены ниже, чтобы он был готов к поездке на работу, или будет осуществляться накопление более дешевой возобновляемой энергии в аккумуляторе и её использование для обеспечения теплом будет происходить в более дорогие пиковые периоды.

Управление потреблением будет становиться все более важными и выгодными для потребителей, поскольку спрос на электроэнергию будет расти из-за электрификации транспорта, теплоснабжения и промышленных процессов. Гибкость потребителей поможет сократить объем ввода новых генерирующих и сетевых мощностей, необходимых для удовлетворения этого дополнительного спроса и достижения при этом углеродной нейтральности. Это, в свою очередь, снизит затраты для всех потребителей, т.к. гибкость потребителей является одним из наиболее рентабельных способов сокращения выбросов CO2, поскольку зачастую это дешевле, чем строительство дополнительной генерации. Недавнее модельное исследование, проведенное Carbon Trust и Имперским колледжем Лондона, показало, что система, обеспечивающая гибкость, но без гибкости на стороне потребителей, может стоить в 2050 году примерно на 5 млрд фунтов стерлингов в год дороже системы, в которой гибкость на стороне потребителей активно задействована.

Сегодня в Великобритании промышленные и коммерческие потребители предоставляют системе около 1 ГВт управляемой нагрузки. В основном управление спросом осуществляется за счет крупных потребителей. Участие домохозяйств, а также мелких промышленных и коммерческих потребителей остается на ранней стадии. В то время, как в домах и на малых предприятиях Великобритании уже установлено 24,2 миллиона интеллектуальных счетчиков, для этих категорий потребителей доступно относительно немного интеллектуальных тарифов и услуг. Ожидается, что управление гибкостью для данного типа потребителей будет активно развиваться по мере роста количества электромобилей и тепловых насосов, внедрения получасового расчета в масштабах всего рынка, широкого распространения интеллектуальных бытовых приборов, адаптированных для участия в управлении потреблением (для этих целей недавно было выпущены стандарты PAS 1878 и PAS 1879).

Будет расти число организаций — поставщиков услуг гибкости. Они будут играть существенную роль в создании и масштабировании новых бизнес-практик. Они будут стимулировать практическое использование новых технологий, обеспечивающих использование имеющегося у потребителей потенциала гибкости.

Рассмотрим далее крупные направления обеспечения гибкости на стороне конечных потребителей.

Интеллектуальные здания

Здания — жилая недвижимость, офисы, коммерческие центры, административные здания — являются одним из крупнейших источников выбросов в Великобритании, на них приходится около 30% выбросов парниковых газов, и поэтому они имеют решающее значение для достижения цели углеродной нейтральности. Для их обезуглероживания потребуется снизить потребление энергии, и все здания должны будут перейти на экологически чистое тепло. В частности, правительство поставило перед собой цель к 2028 году устанавливать 600 тыс. тепловых насосов в год. Это, правда, будет создавать значительный дополнительный спрос на электроэнергию, однако, используя интеллектуальные технологии, потребность в новых генерирующих мощностях можно будет сократить.

Для обеспечения энергетической гибкости здания должны быть оснащены следующими технологиями:

• Интеллектуальные счетчики, которые регистрируют потребление энергии в получасовых периодах, чтобы помочь более точно измерить спрос и применить интеллектуальные тарифы.
• Интеллектуальные бытовые приборы, например, тепловые насосы, средства управления отоплением, кондиционеры, зарядные устройства для электромобилей и бытовая техника, которые могут работать гибко.
• Накопители энергии, обеспечивающие аккумулирование тепла и электрической энергии. Аккумулирование может принимать несколько форм, включая накопление тепла в структурных элементах здания, хранение горячей воды, тепловые накопители, использующие фазовый переход, и электрические батареи. Накопители энергии различных масштабов могут размещаться для обслуживания отдельных домов, группы зданий или всего города.

Правильное сочетание этих технологий будет меняться в зависимости от предпочтений потребителя, от климатических условий, от особенностей строения здания. Универсального решения не будет.

Интеллектуальные электромобили

В 2019 году на автомобильный транспорт приходилось около 24% выбросов парниковых газов в Великобритании, при этом 19% выбросов приходилось на автомобили и легкие фургоны. Таким образом, переход от автомобилей и фургонов, работающих на бензине/дизеле, к транспортным средствам, которые могут работать на низкоуглеродном электричестве, является критическим элементом плана по достижению климатических целей Великобритании.

Правительство объявило о своем намерении прекратить продажу новых бензиновых и дизельных автомобилей и фургонов в Великобритании с 2030 года. По состоянию на сентябрь 2020 года насчитывалось более 373 тыс. автомобилей со сверхнизким уровнем выбросов. Ожидается, что приобретение электромобилей резко возрастет в течение следующего десятилетия: по оценкам, к 2030 году на дорогах будет около 15 миллионов электромобилей. Это увеличит общий спрос на электрическую энергию примерно на 30 ТВт·ч в 2030 году и на 65–100 ТВт·ч в 2050 году, что составит около 10% от общего потребления электроэнергии. Потребность в электроэнергии для электромобиля составляет почти три четверти от общего потребления электроэнергии типичной семьи.

Электромобили и зарядная инфраструктура предоставляют значительные возможности в качестве нового источника низкоуглеродной гибкости для энергосистемы. Крайне важно, чтобы электромобили заряжались гибко, чтобы справляться с пиковыми нагрузками и помогать сбалансировать систему по доступной цене для потребителей. Эти преимущества станут возможными благодаря технологиям интеллектуальной зарядки; системам управления зарядом батареи на основе информации о ценах на электроэнергию, о емкости и уровня зарядки батареи, о потребностях потребителей.

Интеллектуальная зарядка транспортных средств приведет к снижению счетов для всех потребителей энергии (из-за более низких затрат на энергосистему) и для владельцев транспортных средств (которые могут заряжать свои автомобили, когда цены на электроэнергию низкие, например, ночью). Владельцы электромобилей смогут получать дополнительные доходы от предложения гибких услуг в сети через агрегаторов. Кроме того, владельцы электромобилей смогут использовать свои автомобильные аккумуляторы для поставки электроэнергии туда, где она необходима, например, для поддержки сети общего пользования (vehicle-to-grid, или V2G), домашней (V2H) или корпоративной (V2B) системы энергоснабжения.

Внедрение интеллектуальных локальных энергетических решений

Декарбонизация потребует четкой координации в области электричества, тепла, водорода, транспорта и зданий. Это означает, что местные субъекты могут быть сильными движущими силами изменений, обеспечивая скоординированное планирование и взаимодействие с рынками, а также поддерживая более чистую, дешевую и более эффективную энергию, одновременно внося значительный вклад в местную экономическую стратегию.

Интеллектуальные локальные энергетические системы — это местные инициативы, которые объединяют ряд энергетических вопросов, как правило, включая тепло, электроэнергию и транспорт, для комплексного сокращения выбросов, а также для развития местных рабочих мест и бизнеса. Для организации таких систем будут создаваться цифровые платформы, поддерживающие как инвестиции в строительство новой инфраструктуры, так и эффективное оперативное управление системой.

Выводы

• На стороне потребителей находится самая дешевая энергетическая гибкость, это связано с тем, что в большинстве случаев мы имеем дело с приборами и устройствами, выполняющими какую-то свою полезную для потребителей функцию, а гибкость является их побочным свойством. Наиболее распространенными источниками гибкости на стороне потребителей будут климатические системы, устройства производство тепла и холода, электромобили и накопители энергии.
• На стороне потребителей находятся самые распределенные источники гибкости. Они могут дать максимально разнообразные эффекты для системы, так как позволят закрывать потребность в гибкости как на локальном уровне, так на уровне распредсети или всей системы. Но это станет возможным только если удастся обеспечить согласованное управление ими. Здесь будут существенным образом полезны современные цифровые технологии: интеллектуальные счетчики, сенсоры и датчики, системы управления, цифровые платформы.
• На стороне потребителей находится самая сложная для мобилизации энергетическая гибкость, это связано с тем, что мотивация потребителей по участию в сервисах гибкости не устойчива и может со временем изменяться. Это очень неудобно для организации системных услуг. Решением здесь является работа с избыточным пулом гибкости, которая может осуществляться агрегаторами, а в будущем и платформенными решениями, и полная автоматизация участия в услугах гибкости на стороне потребителей. Не менее важно создать такие правила рынка, которые позволят лучше монетизировать полезные свойства гибкости.

В случае с гибкостью на стороне конечных потребителей мы имеем классический случай sharing economy, когда избыточный ресурс гибкости, прежде всего появляющийся в результате электрификации тепла и транспорта, может быть вовлечен в экономический оборот в режиме доступа к нему заинтересованных участников.