Діджиталізація в енергетиці – можливості та технології

Чому наразі так багато покладається на використання цифрових технологій в енергетиці? Чи не є це новою «улюбленою лялькою», з якою нам пропонують погратися величезні IT-корпорації, що мають майже необмежені світові фінансові можливості та глобальний вплив? Чому розвиток нової енергетики з відновлюваних джерел (ВДЕ) пов’язується окрім розвитку апаратних, так би мовити, «матеріальних» технологій саме із віртуальними, тобто тими, до яких не можна «доторкнутися»?

Прогнози зростання на фоні зменшення

Оновлені експертні оцінки розвитку енергетики до середини століття свідчать – частка вартості енергії у глобальному ВВП буде зменшуватися (див. рис. 1), а сама енергія стане доступнішою та відносно дешевшатиме. Це відбуватися за рахунок трьох пов’язаних між собою головних чинників:

• вдосконалення, розвиток, тотальне розповсюдження та здешевлення генерації первинної енергії з ВДЕ;
• глобальна електрифікація у всіх без винятку галузях економіки, що супроводжуватиметься зростанням фактичної енергоефективності;
• вдосконалення технологій розподілу та доставки енергії мережами різних рівнів та способів керування всіма складовими в енергетиці.

Відтак, світові інвестиції будуть перерозподілені, вкладення в традиційну «викопну» енергетику суттєво зменшаться, але виростуть загальні витрати на ВДЕ-генерацію з різних джерел та на розвиток мереж – при тому, що самі ВДЕ-технології за рахунок технічного прогресу продовжать здешевлюватися. Розвиток мереж відбуватиметься у напрямку «інтелектуалізації» технологій розподілу та сталої доставки змінюваної енергії.

Пік глобального вжитку первинної енергії станеться у 2030 р., після чого спостерігатиметься послідовне зменшення енергоспоживання, при тому, що до середини століття загальний світовий ВВП зросте у 1,3 рази від нинішнього рівня, збільшиться населення планети та споживання енергії на одну людину тощо. І ці процеси багато в чому відбудуться завдяки діджиталізації енергетики.

Що таке «діджиталізація»?

Є певні нюанси у термінології:

• Діджитизація (digitization) – оцифрування, перевод сигналів з аналогової у цифрову форму та оперування ними, обробка математичних моделей процесів чи архівація даних у цифровому вигляді.
• Діджиталізація (digitalization) – нові бізнес-можливості від оцифрування (діджитизації), використання цифрових технологій для зміни бізнес-процесу та підвищення ефективності та прибутку; це процес переходу до «цифрового бізнесу», де оптимальність досягається завдяки обчисленню, цифровому зв’язку та автоматизованому менеджменту.
• Цифрова трансформація (digital transformation) – зміна звичних бізнес-моделей завдяки цифровим технологіям та забезпечення нових можливостей щодо отримання додаткової вартості у нових чи існуючих сегментах ринку послуг чи виробництва.

Всі три терміни, з іншого боку, стосуються напрямків розвитку безпосередньо цифрових технологій, див. Мал. 2, які вживатимуться не тільки в енергетиці, але й у інших сферах економіки. У «цифровій зрілості» в енергетиці на загал лідують великі компанії, але швидші та глибші зміни стаються саме в менших компаніях, які буквально вбудовують «цифру» в основні бізнес-процеси та в свою внутрішню стратегію розвитку. Специфічні напрямки цифровізації в енергетиці, див. Мал. 3., потребують додаткових пояснень.

• Технологія «блокчейн» – децентралізовані енергетичні транзакції, облік походження відновлюваної енергії, її кількості, поточної ціни та біллінг.
• Штучний інтелект/самонавчання машин – вдосконалені моделі прогнозування генерації з ВДЕ, нові можливості по обробці великих масивів даних про оперативні активи («Big Data»).
• Платформа бізнесу – обмін даними між власниками активів, операторами, дистриб’юторами, регуляторами та інвесторами.
• Дрони та віддалена реєстрація – підвищена безпека ВДЕ-генерації за допомогою дронів для огляду об’єктів ВДЕ (наприклад, мереж, вітрогенераторів чи масивів сонячних панелей), картографування за супутникових даними, автоматизована оцінка локальних умов (для прогнозування інсоляції чи оцінки вітрових ресурсів) тощо. Сюди відноситься і IoT – «Інтернет речей» – програмно-апаратна здатність пристроїв передавати дані про своє функціонування у віддалений центр обробки інформації з можливістю віддаленого втручання в систему у разі збоїв, аварій чи помилок.

• Підключеність до мобільних мереж та планшетні пристрої – мобільні та планшетні пристрої для стандартизації робочого процесу на місцях та автоматизації збору даних.
• Великі масиви даних («Big Data») та управління даними – прикладні програми для великої кількості різноманітних активів для порівняльного аналізу ефективності, застосування самонавчання та самоадаптації машин тощо.
• API та SaaS – (API – інтерфейс прикладного програмування, завдяки яким одна комп’ютерна програма може взаємодіяти з іншою; SaaS (англ.: software as a service, різновид хмарних обчислень у вигляді надаваної провайдером зовнішньої послуги з користування готовим програмним забезпеченням) – інженерні та аналітичні моделі, що спільно використовуються зацікавленими сторонами, що посилює співпрацю та ефективність оперативного управління.
• «Цифрові близнюки» – детальна «паралельна» математична модель існуючого фізичного об’єкту (наприклад, інвертора PV-установки чи вітрогенератора або розподільчої мережі тощо) для розрахунків ефективної експлуатації у певних умовах, для прогнозування відмов та оцінки надійності тощо.

Динаміка діджиталізації

Цифрове проникнення в енергетику посилюється з кожним роком. Розповсюдження ВДЕ вже починає глобально впливати на виробництво, споживання енергії та на функціонування електромереж, особливо в країнах, де частка ВДЕ в «енергетичній» суміші перевищує 10%. Перехід від нинішніх моделей прогнозованої генерації із здебільшого постійною потужністю до мереж, до яких під’єднані змінювані ВДЕ-потужності, вочевидь потребуватиме великих змін. Імплементація змінюваної та розподіленої ВДЕ-генерації потребуватиме більших зусиль щодо керування потоками енергії у мережі, її перерозподілу та накопиченню. Завдання галузі – випрацювати таку операційну модель, що буде більше орієнтованою на клієнта, стійкою до зовнішніх впливів та ефективною.

Діджиталізація може вирішити виклики, що лише посилюватимуться у майбутньому, розгортанням у трьох вимірах: «розумне» створення енергії, «розумне» оперування нею та взаєморозрахунками з клієнтами та «розумне» її споживання. Загальний знаменник в усіх цих вимірах – це потреба в величезній кількості даних, які потребуватимуть обробки, аби розуміти, як працює мережа в будь-який момент часу, аби за умов постійної зміни її параметрів можна було керувати змінними чинниками, прогнозувати їх, оцінювати поточні потреби клієнтів та спроможності надавачів енергетичних послуг.

Існуюча модель керування енергетикою з кожним днем втрачає свої можливості. Тобто мова йде саме про нагальність зміни моделі роботи та взаємодії складових енергетики, аби зробити мережі більш чутливими до навантаження із змінюваних джерел генерації в умовах змінюваного попиту. Другий виклик, з яким стикнуться надавачі послуг на комунальному рівні – це збільшення конкуренції завдяки збільшенню розподіленої доступної пропозиції енергетичних послуг. Таким чином, надавачі енергетичних послуг для задоволення потреб споживачів мають діяти проактивно, пропонуючи їм індивідуально оптимізований сервіс, водночас захищаючи конфіденційність операцій та забезпечуючи безпечний контроль за даними транзакцій поміж учасниками енергетичного ринку.

Специфіка змінюваної ВДЕ-генерації, окрім проблем забезпечення сталої доставки енергії у відповідності з попитом, потребуватиме створення потужностей із накопичення перегенерованої в певний час енергії, швидкого балансування та керування якістю самої енергії.

Ці виклики можна подолати створенням штучно «інтелектуалізованої» енергосистеми, тобто енергетика з оперативної точки зору має теж стати «розумнішою» та ефективнішою, що далеко виходить за рамки того, що використовуються сьогодні. Що стосується «розумної» енергії, то «найчистіший мегават» – це той, який не використовується, і його не доведеться виробляти намарно. Для цього знадобиться освіта споживачів із застосування регуляторами програм з енергоефективності та енергозбереження. Їх вплив треба обраховувати та корегувати. Це також потребуватиме додаткових та специфічних даних про «портрет» клієнтів, що мають аналізуватися в національному чи регіональному масштабі. ВДЕ-енергетика, значно легше піддається впровадженню діджиталізації, аніж традиційна викопна. Ступінь впливу та труднощі у впровадженні цифрових систем у традиційну енергетику та у пов’язані з нею нафтогазову та вугільну галузі можна оцінити на діаграмі на Мал. 4.

Розподіл компонентів збалансованої діджиталізації у ВДЕ-енергетику показано на Мал. 5. Ця діаграма охоплює напрямки розвитку та застосування цифрових технологій в сегментах менеджменту «нової» енергетики відповідно із нинішніми можливостями та станом розвитку цифрових систем. В подальшому наведений розподіл може змінитися, наприклад, завдяки успіхам, що можуть статися шляхом імплементації технологій штучного інтелекту тощо.

Специфіку впровадження діджиталізації у вітрову та PV-енергетику слід розглянути окремо.

Авенстон фокусує свої зусилля на будівництві комерційних сонячних електростанцій будь-яких типів та видів. Ми встановлюємо сонячні батареї на дахах, земляних ділянках та використовуємо спеціальні механічні пристрої для відслідковування напрямку на сонце. Проектування сонячних електростанцій разом з реальним практичним досвідом їх експлуатації є запорукою високої якості та надійності інженерних рішень від Авенстон. Інженери нашої компанії використовють найсучасніші інструменти та програмні комплекси для моделювання і проєктування сонячних електростанцій, починаючи від розрахунків оптимального кута нахилу сонячних батарей аж до прогнозування швидкості деградації обладнання після 20 років експлуатації.