Диджитализация в энергосекторе — возможности и технологии

Почему сейчас так много возлагается надежд на использование цифровых технологий в энергетике? Не является ли это новой «любимой куклой», с которой нам предлагают поиграть огромные IT-корпорации, обладающие практически неограниченными мировыми финансовыми возможностями и глобальным влиянием? Почему развитие новой энергетики из возобновляемых источников (ВИЭ) связывается кроме развития аппаратных, так сказать, «материальных» технологий, именно с виртуальными, то есть теми направлениями, к которым нельзя «прикоснуться»?

Прогнозы роста на фоне снижения

Обновленные экспертные оценки развития энергетики свидетельствуют — к середине века доля стоимости энергии в глобальном ВВП будет снижаться (см. Рис. 1), а сама энергия будет относительно дешеветь и станет более доступной. Это будет происходить за счет трех связанных между собой главных факторов:

• совершенствование, развитие, тотальное распространение и удешевление генерации первичной энергии из ВИЭ;
• глобальная электрификация во всех без исключения отраслях экономики будет сопровождаться ростом фактической энергоэффективности;
• совершенствование технологий распределения и доставки энергии сетями различных уровней и способов управления всеми составляющими в энергетике.

Таким образом, мировые инвестиции будут перераспределены. Вложения в традиционную «ископаемую» энергетику существенно уменьшатся, но вырастут общие затраты на ВИЭ-генерацию из разных источников энергии и на развитие сетей. При том, что непосредственно ВИЭ-технологии продолжат удешевляться за счет технического прогресса. Развитие сетей будет происходить в направлении «интеллектуализации» технологий распределения и безперебойной доставки изменяемой энергии.

Пик глобального потребления первичной энергии произойдет в 2030, после чего будет наблюдаться последовательное уменьшение энергопотребления, при том, что к середине века общий мировой ВВП вырастет в 1,3 раза от нынешнего уровня, увеличится население планеты и потребление энергии на одного человека, и тому подобное. Именно эти процессы во многом произойдут благодаря диджитализации энергетики.

Что такое «диджитализация»?

Есть определенные нюансы в терминологии:

• Диджитизация (digitization) — оцифровки, перевод сигналов с аналоговой в цифровую форму и оперирования ими, обработка математических моделей процессов или архивация данных в цифровом виде.
• Диджитализация (digitalization) — новые бизнес-возможности от оцифровки (диджитизации), использование цифровых технологий для изменения бизнес-процессов и повышения эффективности и прибыли; это процесс перехода к «цифровому бизнесу», где оптимальность достигается благодаря вычислению, цифровой связи и автоматизированному менеджменту.
• Цифровая трансформация (digital transformation) — изменение привычных бизнес-моделей благодаря цифровым технологиям и обеспечение новых возможностей для получения дополнительной стоимости в новых или существующих сегментах рынка услуг или производства.

Все три термина, с другой стороны, касаются направлений развития непосредственно цифровых технологий см. Рис.2, которые будут приниматься не только в энергетике, но и в других сферах экономики. В «цифровой зрелости» в энергетике в целом лидируют крупные компании, но более быстрые и более глубокие изменения происходят именно в небольших компаниях, которые буквально встраивают «цифру» в основные бизнес-процессы и в свою внутреннюю стратегию развития. Специфические направления цифровизации в энергетике требуют дополнительных пояснений (см. Рис.3).

• Технология «блокчейн» — децентрализованные энергетические сделки, учет происхождения возобновляемой энергии, ее количества, текущей цены и биллинг.
• Искусственный интеллект/самообучение машин — усовершенствованные модели прогнозирования генерации из ВИЭ, новые возможности по обработке больших массивов данных про оперативные активаы («Big Data»).
• Платформа бизнеса — Обмен данными между владельцами активов, операторами, дистрибьюторами, регуляторами и инвесторами.
• Дроны и удаленная регистрация — повышенная безопасность ВИЭ-генерации с помощью беспилотников для осмотра объектов ВИЭ (например, сетей, ветрогенераторов или массивов солнечных панелей), картографирования по спутниковым данным, автоматизированная оценка локальных условий (для прогнозирования инсоляции или оценки ветровых ресурсов) и т.д. . Сюда относится и IoT — «Интернет вещей» — программно-аппаратная способность устройств передавать данные о своем функционирования в отдаленный центр обработки информации с возможностью удаленного вмешательства в систему в случае сбоев, аварий или ошибок

• Планшетные устройства и подключенность к мобильным сетям — мобильные и планшетные устройства для стандартизации рабочего процесса на местах и автоматизации сбора данных.
• Большие массивы данных («Big Data») и управления данными — приложения для большого количества различных активов для сравнительного анализа эффективности, применения самообучения и самоадаптации машин и т.п.
• API и SaaS — API — интерфейс прикладного программирования, благодаря которым одна компьютерная программа может взаимодействовать с другой; SaaS (англ.: software as a service) — разновидность облачных вычислений в виде предоставляемой провайдером внешней услуги по пользованию готовым программным обеспечением. Эти инженерные и аналитические модели совместно используются заинтересованными сторонами, что повышает качество сотрудничества и эффективность оперативного управления.
• «Цифровые близнецы» — детальная «параллельная» математическая модель существующего физического объекта (например, инвертора для PV-станции или ветрогенератора, или распределительной сети и т.д.) для расчетов эффективной эксплуатации в определенных условиях, прогнозирования отказов и оценки надежности и тому подобное.

Динамика диджитализации

Цифровое проникновения в энергетику усиливается с каждым годом. Распространение ВИЭ уже начинает глобально влиять на производство, потребление энергии и на функционирование электросетей, особенно в странах, где доля ВИЭ в «энергетическом» блоке превышает 10%. Переход от нынешних моделей прогнозируемой генерации с преимущественно постоянной мощностью к сетям, к которым подключены переменные ВИЭ-мощности, очевидно потребует больших перемен.

Имплементация изменяемой и распределенной ВИЭ-генерации потребует больших усилий по управлению потоками энергии в сети, ее перераспределения и накопления. Задача отрасли — выработать такую операционную модель, которая будет преимущественно ориентированной на клиента, устойчивой к внешним воздействиям и эффективной.

Диджитализация может решить вызовы, которые будут только усиливаться в будущем, развертыванием в трех измерениях: «разумное» создание энергии, «разумное» оперирование ею и взаиморасчетами с клиентами и «разумное» ее потребление. Общий знаменатель у всех этих измерениях — это потребность в огромном количестве данных, требующих обработки, чтобы понимать, как работает сеть в любой момент времени, чтобы в условиях постоянного изменения ее параметров можно было управлять переменными факторами, прогнозировать их, оценивать текущие потребности клиентов и способности поставщиков энергетических услуг.

Существующая модель управления энергетикой с каждым днем теряет свои возможности. То есть речь идет именно о необходимости изменения модели работы и взаимодействия составляющих энергетики, чтобы сделать сети более отзывчивыми к нагрузке от альтернативных источников генерации в условиях меняющегося спроса. Второй вызов, с которым столкнутся поставщики услуг на коммунальном уровне, — это увеличение конкуренции, обусловленной ростом предложения распределенных доступных энергетических услуг. Таким образом, продавцы энергетических услуг для удовлетворения потребностей потребителей должны действовать проактивно, предлагая им индивидуально оптимизированный сервис, одновременно защищая конфиденциальность операций и обеспечивая безопасный контроль данных транзакций между участниками энергетического рынка.
Специфика характера ВИЭ-генерации обуславливает не только необходимость решения проблем обеспечения стабильной доставки энергии в соответствии со спросом, но и потребует создания мощностей по накоплению излишков энергии, сгенерированных в определенное время, быстрой балансировки и управления качеством непосредственно самой энергии.

Эти вызовы можно преодолеть созданием искусственной «интеллектуальной» энергосистемы. Иными словами энергетика с оперативной точки зрения должна стать «разумнее» и эффективнее, что далеко выходит за рамки того, что мы имеем сегодня.
Что касается «разумной» энергии, то следает сказать, что самый «чистый мегаватт» — это тот мегават, который не используется потребителем впустую, и его не придется производить напрасно. Для этого регуляторам следует учить потребителей, внедряя программы по энергоэффективности и энергосбережению. Поведение потребителей необходимо изучать и корректировать. Это также потребует дополнительного сбора специфических данных о «портрете» потребителей, которые необходимо анализировать в национальных или региональных масштабах.

Следует подчеркнуть, что альтернативная энергетика значительно легче поддается процессам внедрения диджитализации, нежели традиционная ископаемая. Степень влияния и трудности во внедрении цифровых систем в традиционную энергетику и в связанные с ней нефтегазовую и угольную отрасли можно оценить по диаграмме на Рис. 4.

Распределение компонентов сбалансированной диджитализации в ВИЭ-энергетику показано на рис. 5. Эта диаграмма охватывает направления развития и применения цифровых технологий в сегментах менеджмента «новой» энергетики в соответствии с нынешними возможностями и состоянием развития цифровых систем. В дальнейшем приведенное распределение может измениться, например, благодаря успехам, которые могут произойти благодаря имплементации технологий искусственного интеллекта и др.

Специфику внедрения диджитализации в ветровую и PV-энергетику следует рассмотреть отдельно, что является темой отдельной статьи.