Энергетическая транзиция: Новые вызовы для операторов сетей

Достигнутый уровень развития технологий добычи энергии из возобновляемых источников (ВИЭ) и имеющийся степень их проникновения на рынок благодаря снижению себестоимости ВИЭ-генерации уже сейчас существенно влияет на энергетическую инфраструктуру. Неизбежный глобальный переход на новые источники энергии, сокращение и / или отказ от потребления углеводородных энергоресурсов — «энергетическая транзиция» — неотвратимо усилит влияние на структуру и практическое функционирование энергосетей как с технической, так и с организационной стороны. Изменения в сети для имплементации изменяемой возобновляемой энергетики (VRE) становятся более насущными, а операторы распределительных сетей также должны трансформироваться, что в конце должно изменить их роль в соответствии вызовам времени.

Фото: Локальная солнечная электростанция в распределенной сети, соединенная с общей стационарной электросетью, сообщество в South Table Mountain («Южная столовая гора», Колорадо, США). Проект реализован при поддержке Министерства энергетики США (U.S. Department of Energy, DOE).
Фото: Локальная солнечная электростанция в распределенной сети, соединенная с общей стационарной электросетью, сообщество в South Table Mountain («Южная столовая гора», Колорадо, США). Проект реализован при поддержке Министерства энергетики США (U.S. Department of Energy, DOE).

Энергетический сектор уверенно проторил себе путь к энергетике нового типа, благодаря инновациям и быстрому снижению стоимости технологий солнца и ветра. Во многих странах ВИЭ становятся едва ли не единственным возможным перспективным средством, чтобы перейти к безопасному, экономически эффективному и экологически устойчивому энергоснабжению. ВИЭ уже влияют на устойчивость дальнейшего социально-экономического развития и улучшают экологию, одновременно противодействуют изменению климата и местному загрязнению воздуха. Несмотря на многообещающий прогресс, что к настоящему времени уже состоялся, темпы перехода к энергетике нового типа должны значительно возрасти.

Поэтому, чтобы не отставать от новых разработок и технологических прорывов, наряду с изменениями в рыночной политике, бизнес-политика и условия внедрения технологических инноваций должны постоянно пересматриваться и обновляться.

Интеграция изменяемой возобновляемой энергии (VRE) создает особые вызовы по работе энергосистемы в целом. В условиях, когда доля VRE в производстве электроэнергии растет, по сути, актуальной задачей становится сохранение баланса спроса и предложения в сети. Для минимизации стоимости VRE-генерации и для обеспечения устойчивости функционирования самих электросетей необходимы гибкие и более интегрированные между собой энергосистемы.

Для поддержки эволюции к доступному и надежному балансированию спроса и предложения в энергетике законодатели и системные операторы во всем мире принимают целый ряд мер (см. отчеты IRENA, IEA и REN21, 2018). Для преодоления главных факторов проблем по имплементации ВИЭ на более высоком уровне структура новой энергетики должна иметь:

Гибкость (Flexibility): возможность энергосистемы справиться с изменчивостью и неопределенностью генерации от солнечной и ветровой энергии, для чего должны вводиться различные временные шкалы, от короткого к долгосрочному периоду, избегая сокращения потребления энергии с VRE.

Это означает, что различными средствами нужно компенсировать недостатки VRE:

Сменяемость (Variability): естественная нестабильность генерации из солнечных и ветровых источников, которая превращается в потенциально быстрые изменения производства электроэнергии, от чего возникает несоответствие спроса и предложения энергии.

Неопределенность (Uncertainty): неспособность пока надежно и достоверно прогнозировать будущее производство из солнечных и ветровых источников энергии на разных временных промежутках.

Синергия от сочетания

В последние годы новаторские компании и дальновидные правительства по всему миру создавали, испытывали и разворачивали множество инновационных решений, имеющих потенциал радикально трансформировать энергосистему. Существенное разнообразие решений в сочетании с различиями между местными энергетическими системами может привести к запутанной картины лица, которые принимают решения, чтобы оценить и определить наилучшие решения для каждой страны или локальной ситуации.

Международное агентство по возобновляемой энергетике (IRENA) в своем отчете за февраль 2019 «Innovation landscape for a renewable-powered future» провела широкий и детальный анализ «ландшафта инноваций» для интеграции VRE в энергетику, классифицировала их по категориям и привела различные примеры имеющихся и внедряемых инновационных реформаторских решений.

Анализ также показывает, что нововведения в энергосистеме должны внедряться по 4-х ключевых аспектах:

  • Внедрение технологий: новые технологии, которые способствуют интеграции ВИЭ.
  • Бизнес-модели: новые инновационные модели, которые создают новые бизнес-условия для услуг, повышающих гибкость системы и стимулируют дальнейшую интеграцию технологий ВИЭ.
  • Структура рынка: новые рыночные структуры и изменения в нормативно-правовой базе для поощрения гибкости и новой добавленной стоимости услуг по энергоснабжению, которые в свою очередь стимулируют новые возможности для бизнеса.
  • Эксплуатация системы: инновационные методы эксплуатации электроэнергетической системы, позволяющие интегрировать большую долю VRE-генерации.

Главный вывод из отчета: чтобы обеспечить постоянство новой энергетики и ускорить енерготранзицию не существует менее или более важных мероприятий — все мероприятия должны интегрироваться между собой и поддерживать друг друга. В зависимости от местной специфики могут только меняться степень внедрения и масштабы воздействия.

На рис. 1 показаны группы инноваций, которые должны способствовать ускорению енерготранзиции и обеспечить постоянство энергетики нового типа. Эти инновации должны изменить всю цепь отношений «товар (услуга) — деньги». На рис. 2. показан «новый энергетический мир» с использованием значительной доли ВИЭ — благодаря внедрению цифровых технологий связи и обработки данных изменятся роли участников рынка и направления кешфлоу по всей энергетике. В том числе меняется роль сугубо потребителей и поставщиков — они в большей степени превращаются в производителей, поставщиков услуг и дистрибьюторов энергии, то есть частично берут на себя определенные функции собственно операторов распределительной системы (distribution system operators, DSO).

Рис. 1. Комбинация мероприятий и решений, обеспечивающих гибкость в энергетике. Источник: IRENA - «Innovation landscape for a renewable-powered future», февраль 2019.
Рис. 1. Комбинация мероприятий и решений, обеспечивающих гибкость в энергетике. Источник: IRENA - «Innovation landscape for a renewable-powered future», февраль 2019.
Рис. 2. Изменения в цепи поставок в энергетике с увеличенной долей ВИЭ. Источник: IRENA - «Innovation landscape for a renewable-powered future», февраль 2019.
Рис. 2. Изменения в цепи поставок в энергетике с увеличенной долей ВИЭ. Источник: IRENA - «Innovation landscape for a renewable-powered future», февраль 2019.

Будущая роль операторов распределительных систем

Наряду с технологическими изменениями, включая хранением энергии и быстрой отдачей ее в сеть, организацией надежного двустороннего перенаправления энергопотоков, новыми бизнес-технологиями, базирующимися на цифровых возможностях по прогнозированию спроса / предложения, обработки данных и учета стимулирующей цены, которые будут влиять на оптовый и розничный рынки энергии, значительные изменения для ускорения общей енерготранзиции состоятся именно в оперировании энергетическими потоками и изменениями роли операторов DSO см. рис. 3. Эти изменения обусловлены развитием составляющих рынка и связанных технологий, но и сами DSO будут влиять на функционирование энергосистемы нового типа.

Рис. 3. «Инновационный ландшафт» изменений в системной интеграции для увеличения доли ВИЭ в энергетике. Источник: IRENA - «Innovation landscape for a renewable-powered future», февраль 2019.
Рис. 3. «Инновационный ландшафт» изменений в системной интеграции для увеличения доли ВИЭ в энергетике. Источник: IRENA - «Innovation landscape for a renewable-powered future», февраль 2019.
Рис.4. Системные инновации в эксплуатации (оперировании) энергосистемой. Источник: IRENA - «Innovation landscape for a renewable-powered future», февраль 2019.
Рис.4. Системные инновации в эксплуатации (оперировании) энергосистемой. Источник: IRENA - «Innovation landscape for a renewable-powered future», февраль 2019.

Эксплуатация системы в новых условиях (рис. 4) потребует углубленной кооперации между операторами распределительных и передающих сетей (и согласования технических проблем двусторонней передачи энергии на различных уровнях мощности и напряжения). Это также потребует устранения неопределенности между спросом потребителей и мощностью генерации с VRE, то есть развития на новом уровне систем прогнозирования. Благодаря возможностям цифровых решений по учету и прогнозу можно будет несколько отсрочить актуальность в физической перестройке сетевой инфраструктуры. «Виртуальные линии» электроснабжения, представляющие собой батарейные хранилища, расположенные с обеих сторон несбалансированной точки части сети, могут обеспечить такое резервное накопления энергии, способный при необходимости устранить локальные перегрузки. Эти виртуальные линии передачи также откладывают или избавляют от необходимости в немедленном физическом обновлении передающих линий. Для удовлетворения хотя бы части пикового спроса может быть использован накопитель с относительно небольшой емкостью, а дополнительно — это повысит уровень потребления с VRE.

Ответственность DSO-компаний должна расшириться так, чтобы иметь возможность эффективно управлять распределенными энергоресурсами, подключенными к их сети, которая позволяет интегрировать в их сеть и максимизировать предоставляемые ими преимущества.

Эта новая роль DSO-компаний должна включать в себя:

  • Закупка услуг  электросети с распределенных энергоресурсов.
  • Эксплуатация распределенных энергоресурсов  для оптимизации использования существующих сетей (и отсрочка капиталовложений в существенную перестройку) с помощью прямого контроля или через формирование ценовых сигналов (почасовой или настоящее меняющийся тариф).
  • Ключевые трансформационные меры, которые должны осуществить DSO: разработка интеллектуального учета, системы по начислению платы за зарядку электромобилей, заключение контрактов с агрегаторами (цифровые облачные технологии оптимизации и прогнозирования), создание площадок для оперативной и безопасной рыночной онлайн-продажи электроэнергии в реальном времени ( например, для гибкости, управлением перегрузками, планированием работы электросети на основе оптимизации затрат и бонусных выгод и т.д.).
  • Управление перегрузками в рамках услуг, которые будут закупаться операторами сети для увеличения доли ВИЭ в общем энергопакете, станет неким вызовом, для чего DSO смогут использовать гибкие модели «behind-the-meter» (электрогенерирующий объект, который находится вне пользовании / собственности поставщика энергии). Должны быть созданы новые рынки услуг по управлению перегрузками и соответствующие бизнес-модели для них. Это также долино стимулировать применение систем накопления и сохранения энергии (ESS) различного уровня — от домашних до мощных региональных систем.
  • Взаимодействие с различными производителями энергии с VRE  с возможностью накопления — например, с гидроаккумулирующими станциями (ГАЭС) или PV-станциями с CSP-накопителями избытка генерации энергии в виде тепла.

Нерешенной проблемой сейчас является отсутствие постоянной модели того, каким образом монетизировать услуги DSO и участников рынка, взаимодействующих с ними. Сейчас существует целый ряд доступных технологий с предоставления новых услуг (быстрые электронные балансировки, стабилизация качества электрического тока, согласование мощности и спроса / предложения), необходимых для имплементации в энергосистему существенной доли генерации с VRE. Ключевой вопрос заключается в том, каким образом оперативно, корректно и стимулирующим образом оплачивать новые сервисы, чтобы соответствующие бизнес-модели могли поддерживать дальнейшее развитие и постоянное внедрение VRE-технологий. Эти проблемы также связаны с мотивацией системных инвестиций и привлечением средств на публичных рынках, то есть с широкой пропагандой новых возможностей по получению выгод.

Одним из способов создания новой добавленной стоимости от сервисов и соответствующих потоков доходов является внедрение вспомогательного регулирования. Новые рыночные конструкции должны стимулировать гибкость путем поощрения коммерческого поведения как со стороны предложения, так и за надлежащее вознаграждение в ответ потребителям на сдерживание / увеличение их спроса. Внедряемые инновационные бизнес-модели потребуют переформатирование и адаптации структуры рынка к меняющимся условиям функционирования VRE-системы, включая всю цепь поставки, без чего енерготранзиция или затормозится, или потребует больших затрат.

Однако, даже если отсутствует регуляция, частный сектор все равно может предложить некоторые новые возможности гибких бизнес-моделей, основанные на технологических новациях. Например, при отсутствии программ реагирования на спрос, которые внедряются регулирующим органом, частные компании могут предлагать потребителям в обмен на более низкий счет за электроэнергию такие услуги, например, как перенос нагрузки на другое время, временное ограничение энергопотребления, использование аккумуляторов и искусственного интеллекта.

С увеличением уровня децентрализации и цифровизации энергосистемы, многие технологии нового поколения становятся ориентированными именно на конечного потребителя. Новые цифровые технологии могут поддерживать выгоды от оптимизации спроса и других услуг для самой электросети, что в конечном итоге увеличивает фактическую пропускную способность сетей и создает устойчивые региональные рынки с высокой местной долей VRE.

Оптимальная стратегия интеграции увеличенной доли VRE должна учитывать специфику страны, технологические условия, состояние и результаты ситуационного анализа деятельности DSO вследствие взаимодействия системных инноваций по всем аспектам, что позволит создать надежные и доступные системы энергоснабжения, основанные преимущественно на ВИЭ.