26 июля 2017 г.
В энергетике началась активная «цифровая трансформация», что делает эту отрасль особенно интересной для интеграторов и других ИТ-компаний. Технические тренды, которые существовали уже давно, с проникновением новых цифровых технологий обретают новое звучание и радикальным образом начинают изменять энергетику, которая еще недавно выглядела весьма консервативной.
Энергетика: новые масштабы и новое качество
«Энергетика — основа любой экономики. — говорит Ольга Исакова, генеральный директор группы компаний Redenex, — Индустриальная, пост-индустриальная, „экономика 2.0“, мир „цифровой трансформации“ — любой из этих укладов немыслим без мощной, развитой и стабильной энергетической инфраструктуры. Энергетика развивалась всегда, но в последнее время этот процесс перешел на качественно иной уровень».
Мировое потребление энергии растет. Хотя традиционные производства и сервисы становятся все более энергоэффективными, рост населения планеты и появление новых сервисов приводит к увеличению общего энергопотребления. В 2015 году мировое энергопотребление составило 20,76 трлн кВт*ч, по данным Международного энергетического агентства, прогноз на 2030 год — 33,4 трлн кВт*ч, а к 2050 — до 41,3 трлн кВт*ч.
На «цифровую экономику» приходится примерно десятая часть глобального потребления энергии, но эта доля возрастает. Например, пару лет назад майнинг криптовалют был уделом гиков, а сейчас это направление в глобальном масштабе потребляет больше энергии, чем многие страны. Например, майнинг Bitcoin «съедает» за год 14,6 ТВт*ч, а потребление Таджикистана pа год составляет всего лишь 13 ТВт*ч, по данным DigiEconomist, а ведь есть еще и другие криптовалюты, например, на майнинг Ethereum за год уходит около 5 ТВт*ч.
Миру нужно больше энергии, причем, по возможности, за меньшие деньги. Чтобы обеспечить растущие глобальные запросы, энергетике нужны качественные изменения. Для понимания важности концепции «интернета энергий» и ответа на вопрос, почему она возникла именно сейчас, рамочно рассмотрим основные направления, которые определяют развитие современной энергетики. В процессе мы поймем, почему на поле энергетики уже активно работают крупные интеграторы. Например, у «Крок» есть отдел, занимающийся котельными — от создания до реконструкции — что, казалось бы, совсем не профильное направление для ИТ-компании. Однако, если знать современные тренды, то подобные действия ведущих интеграторов оказываются вполне логичными.
Активное использование восстанавливаемых источников энергии (ВИЭ), децентрализация генерации и широкое внедрение «умных сетей» (smart grid) приведут к радикальному снижению стоимости электроэнергии. Принципы «интернета энергий» ровно те же, как и лежащие в основе традиционного Интернета, и также приведут к радикальному снижению стоимости пользовательских затрат.
Восстанавливаемые источники — тренд восходящий, но давний
Использование восстанавливаемых источников энергии общественное мнение чаще всего рассматривает в контексте «зеленой энергетики», которая в процессе работы минимально влияет на окружающую среду, и считает это весьма инновационным направлением, которое появилось совсем недавно. Однако, это не совсем верно.
Классическим примером генерирующих мощностей, использующих ВИЭ, являются гидроэлектростанции, которые по всему миру успешно строят более века. Ветряные, приливные, солнечные, геотермальные и другие электростанции на ВИЭ также разработаны многие десятилетия назад, причем в основу таких решений могут быть положены самые разные технологические подходы. Например, солнечные могут быть оснащены полупроводниковыми панелями, которые напрямую «конвертируют» свет в электричество, а могут представлять собой систему зеркал, которые фокусируют свет на резервуаре и нагревают содержащуюся там жидкость, которая крутит турбину. Вариаций приливных электростанций тоже множество.
Сегодня ВИЭ-решения, принципы действия которых разработаны десятилетия назад, создают с использованием новых материалов и современных инженерных подходов, благодаря чему станции обходятся дешевле и становятся более эффективными. На примере солнечных батарей, в совершенствование которых вложены астрономические средства, такое развитие наиболее заметно, но для увеличения эффективности соответствующих решений есть и другие подходы. Например, в Южной Корее будет построена плавающая солнечная электростанция, батареи которой будут поворотными, чтобы в течение всего дня сохранять оптимальную ориентацию на Солнце. По заявлению компании Solkiss, которая уже испытала прототипы, такой простой подход новому решению позволит увеличить выработку солнечной энергии на 22% по сравнению с наземными электростанциями, использующими стационарные батареи. Размещение батарей на водной поверхности упрощает изменение ориентации панелей, аналогичное решение можно создать и наземное, только оно окажется сложнее и дороже. Напомним, что размещение панелей на воде позволяет избежать нагрева, который сильно уменьшает эффективность солнечных батарей. Как видно, для получения существенного прироста эффективности не понадобилось открывать новые физические эффекты, создавать новые технологии производства полупроводниковых панелей и т.д., а достаточно оказалось традиционных инженерных подходов. Подобных примеров много, внимание инженеров привлечено к «зеленым электростанциям», поэтому изящные решения для этих систем создают десятками.
Сегодня доля ВИЭ в общем балансе мирового потребления невелика — немногим более пяти процентов — но она растет и будет расти, причем очень быстро. Интересно, что «зеленость» электростанций, работающих на ВИ, для бизнеса глубоко вторична. Да, они действительно экологически чисты, но и современные тепловые и атомные станции достаточно экологичны при современном уровне развития очистных сооружений и систем безопасности. «Возобновляемые источники энергии бесплатны, — подчеркивает Эмануэле Вольпе, директор по инновациям энергетической компании Enel. — Потому „зеленые проекты“ более выгодны для энергетических компаний, хотя, конечно, с ними есть определенные проблемы». Основная мотивацией для бизнеса, крайне активно инвестирующего в электростанции на ВИЭ, является вовсе не экологичность, а экономическая целесообразность, а это позволяет быть уверенным в том, что мода на новые направления не спадет в ближайшем будущем
Однако, «зеленая энергетика» ровно по той же причине была выгодна и ранее. Почему же ее бум начался именно сейчас? Прежде всего, причина в росте эффективности соответствующих решений — как за счет прогресса технологий, так и в результате роста объемов производства. Также важно, что индустрия учится решать проблемы, связанные с «зеленой энергетикой», которых тоже немало.
«Зеленые» проблемы
Электростанции на ВИЭ работают нестабильно. По понятной причине в темное время суток солнечные электростанции не генерируют электричество, построенные на других принципах «зеленые» решения в большинстве случаев также сильно зависят от капризов погоды: например, наступает штиль — ветряные электростанции простаивают, а мощность волновых падает на порядки.
Сезонные явления тоже способны существенно изменить эффективность ВИ-станций по причинам, известным из школьного курса природоведения и физической географии. В зимнее время уменьшается световой день, становится меньше ясных дней и солнце ниже над горизонтом — и выработка электричества солнечными батареями снижается не на проценты, а в разы.
Это означает, что «зеленые электростанции» будут эксплуатировать параллельно с генерирующими объектами традиционной энергетики. Получаемый синтез обеспечивает снижение цены электричества при сохранении стабильности энергопитания. Но для смягчения ситуации, вызываемой нестабильностью электростанций на ВИЭ все чаще используют и другие решения. Ситуацию могут несколько смягчить энергонакопители.
Энергонакопители — от насосов до аккумуляторов
Выработанную электрическую энергию надо потреблять сразу, но такая возможность есть далеко не всегда. Ситуации, когда в силу каких-либо причин образовался избыток электричества, зачастую приводят к необходимости утилизации энергии. Все, наверное, помнят, как фирма Google, купившая избыточные мощности, был вынуждена закупать промышленные калориферы, которые грели атмосферу. С экономической точки зрения совершенно непозволительно, но иногда другого выхода просто нет.
Электроэнергия очень плохо поддается «консервированию», но энергонакопители все же существуют, причем довольно разнообразные. Заметим, что энергонакопители также не являются продуктом последней пятилетки, подобные решения существовали давно, еще в доцифровую эпоху. Например, энергонакопителем является система, которая при избытке энергии насосами перекачивает воду в гидросистеме с нижнего уровня на верхний, а в последствии эта вода может быть использована для вращения генераторов, вырабатывающих электричество, когда оно нужно потребителям. Разумеется, потери будут огромными — КПД и у насосов, и у турбин далеки от стопроцентных, а также нужно обслуживать сложные и дорогостоящие гидросооружения — но в ряде случаев применение таких систем оказывается экономически обоснованным.
Сегодня все чаще в качестве энергонакопителей применяют аккумуляторы. Аккумуляторная батарея для дома, которую предлагает Элон Маск, по понятной причине является наиболее известным продуктом такого плана. Напомним, что одна из компаний Маска предлагает домохозяйствам систему из солнечных батарей и аккумулятора. Батареи в светлое время суток обеспечивают домашние электроприборы энергией и заряжают домовой аккумулятор, а когда солнца нет — электричество дом получает уже от аккумулятора. Конечно, это не единственное такое решение, аналогичные системы предлагают и российские компании, например, «Эковольт».
Сегодня к аккумуляторам подключают целые регионы! Например, австрийская компания Luna создает накопителей энергии общей мощностью 100 МВт на основе литий-ионных аккумуляторов. Согласно планам, в текущем году будут построены системы хранения энергии — они будут расположены в Австрии и в Германии — общей мощностью 60 МВт, а первой половине следующего года должны быть введены в строй оставшиеся 40 МВт. Разработчиком систем является японская Nidec, батареи поставляет LG. Накопители представляют собой сорокафутовые контейнеры, каждый из которых может хранить около 3 МВт. По заявлению компании, создаваемая система энергонакопителей будет позволять в течение часа обеспечивать электроэнергией примерно 350 тысяч домохозяйств.
Как видно, энергонакопители могут смягчить проблемы, вызываемые нестабильной работой электростанций на ВИ, но — увы! — не могут решить их полностью. Эффективность всех типов существующих сегодня накопителей оставляет желать лучшего, но все же лучше использовать их, чем попусту греть атмосферу, как в рассмотренном выше примере. Проблема нестабильной работы «зеленых электростанция» приводит к росту значимость и, соответственно, популярность решений собственной генерации.
Собственная генерация от «ко-» до «микро-»
Собственные генерирующие мощности — по сути, маленькие электростанции — давно присутствуют на большом количестве объектов. В первую очередь это, разумеется, удаленные от централизованных сетей электроснабжения площадки — строительные, геологоразведочные, промысловые, туристические и т.д. Но существует и большое количество ситуаций, когда собственные генерирующие мощности актуальны и на территориях с развитой инфраструктурой, в том числе, и электрическими сетями.
Иногда наличие решений собственной генерации — требование нормативов ГО и ЧС, предписывающих наличие таких решений на объектах, которые не могут остаться без электричества в любой ситуации. Централизованное электроснабжение по какой-либо причине — от стихийного бедствия до техногенных аварий — может пропасть, а без энергии даже на короткое время не могут остаться больницы, родильные дома аварийные службы, убежища и т.д. Иногда наличие мощностей собственной генерации — требование бизнеса. Любой бизнес-центр, оставшийся без электричества, понесет убытки, но существует множество площадок, на которых перебои с энергопитанием: дата-центры, узлы связи и т.д. Практически на всех перечисленных объектах есть дизель-генераторы, запуск которых в аварийных условиях обеспечит электричеством палаты интенсивной терапии, серверы, боксы для новорожденных и другие элементы инфраструктуры.Если в отдаленных от цивилизации районах мощности собственной генерации нагружены постоянно, в городах их чаще всего используют как резервные источники питания на случай аварийных ситуаций, но существует и другой вариант — когда их используют для снижения затрат на электричество. В ряде случаев такой подход экономически оправдан.
Часто в инфраструктуре — развернутой или создаваемой — есть элементы, которые можно заставить заодно крутить генераторы. Простейший пример — котельные, создающие достаточно количество потоков воды и пара, которые можно использовать для вращения генераторов. Такие решения, способные кроме тепла давать еще и электричество, и называют системами когенерации. Решения для собственной генерации не сводятся к упомянутым «дизелям» и котельным «двойного назначения», способным заодно с отоплением выдавать и электричество. Иногда, например, генераторы крутят сточные воды и это пример того, как собственная генерация может быть «зеленой».
Все чаще в решениях собственной генерации используют солнечные батареи. Наиболее выразительный пример — кампус Apple, крыша которого покрыта солнечными батареями, вырабатывающими столько энергии, что хватает и самому «яблочному» офису, и даже на продажу. Но этот пример не единственный — солнечные батареи все активней применяют в студенческих кампусах, дачных поселках и даже в отдельных офисах и жилищах. Решения, развернутые в масштабах дачного участка, квартиры, дома или жилого квартала относят к микрогенерации. Разумеется, мощность каждого отдельного такого решения невелика, но их очень много и их количество растет, соответственно, увеличиваются вырабатываемые ими мощности. Системы микрогенерации начинают конкурировать с традиционными электростанциями, с которыми успешно сосуществуют.
Как потребители становятся продавцами
Еще недавно энергетика базировалась на традиционных централизованных сетях электроснабжения, где генерирующие мощности были тепловыми, атомными или гидоэлектростанциями. Решения для собственной генерации во всех ее формах были нишевыми, а «зеленые» — экзотическими. Но сегодня ситуация становится принципиально иной, ключевое изменение не столько в буме ВИЭ-решений и собственной генерации во всех ее формах, важнее диверсификация поставщиков электричества, а также возможность трансформации покупателей энергии в продавцов на какое-то время, после чего следуют обратные переходы, которые могут происходить по несколько раз в сутки.
Посмотрим на ситуацию с точки зрения потребителей. Представим себе, предположим, бизнес-центр, небольшое предприятие или управляющую компанию городского квартала или дачного поселка. Потребитель хочет приобретать энергию подешевле, при этом ее источники не важны: нет разницы получено ли потребляемое электричество на ветряной электростанции или АЭС, выработана на собственных солнечных батареях или взята из энергонакопителя. Обилие возможностей приводит к усилению конкуренции и, как следствие, к снижению цены на электричество.
Заметим, что потребитель может легко оказаться в ситуации, когда у него избыток электроэнергии, которую надо продать. Причем это может быть как приобретенное «с запасом» у внешних поставщиков электричество, которое надо перепродать, так и произведенное на собственных мощностях, которое также требует реализации. Граница между потребителями и продавцами стирается: дом может покупать электричество у соседнего дома, район — у района и т.д.
Важно, что колебания цен на электроэнергию сейчас становится процессом очень динамичным и непредсказуемым. К прежним зависимостям от времени года и времени суток, среднесуточной температуры, etc. — сейчас добавлены новые факторы: скорость ветра, облачность и т.д. В результате вполне возможна ситуация, когда, например, университетский кампус днем может обходиться собственной генерацией, а если ее мощностей будет недоставать, то обращаться к ресурсам собственных энергонакопителей, утром и вечером ему придется покупать электричество у централизованных сетей, первую половину ночи можно обходиться энергонакопителями, а вторую лучше покупать «централизованное» электричество, цена которого в это время минимальна, для зарядки аккумуляторных батарей, а в выходные можно продавать соседним поселкам излишки, полученные на мощностях собственной генерации. При этом все очень динамично, например, в зависимости от температуры может расти энергопотребление на обогрев помещений или, наоборот, на вентиляцию и кондиционирование, а это, соответственно, приводит к необходимости оперативной коррекции политики приобретения электричества.
Разумеется, для обеспечения работы такого рынка «со стертыми границами» требуются инфраструктурные решения, как «умные электросети» (smart grid), так и решения для учета и контроля, способные снизить стоимость процедур, сопровождающих процессы купли-продажи энергии. Для этого ИТ-индустрия предлагает новый инструмент — «умные контракты» — о которых CRN/RE писал.
Тезис-антитезис-синтез
Как видно, современная экономика является результатом «суперпозиции» традиционных подходов с использованием новых техник (причем ВИЭ является только одним из новых трендов) и ИТ. Причем последнее пронизывает все направления энергетики — все, сказанное о преимуществах использования IoT в промышленности, полностью справедливо для решений, задействованных в производстве, трансформации, передачи и потребления энергии. Свой вклад в развитие инфраструктуры энергетики вносят и другие новомодные инструменты, например, BigData, а с внедрением систем «умных контрактов» начнет вносить и блокчейн.
Заметим, что ИТ позволяет оптимизировать потребление ресурсов — в том числе, и энергии, причем в самых различных формах. Например, широкое внедрение IoT счетчиков, о перспективах которого CRN/RE писал, позволит снизить накладные расходы — за счет автоматизации сбора данных, минимизации возможностей для мошенничества и т.д. — а также откроет новые возможности для оперативного управления. Разумеется, такие решения — составные элементы более масштабных структур: «умного дома», «умного здания», «умного города» и т.д. Мы писали о важности управления энергопотреблением в таких системах, рассматривая оба варианта smart-домов/зданий — как активных, так и пассивных — но рассмотрение современных тенденций в энергетике со стороны потребителя является темой отдельного рассмотрения.
Что это значит для российского ИТ-рынка
Развитие энергетики требует участия локальных интеграторов на всех уровнях и на всех этапах. Разумеется, масштабные проекты, охватывающие города и регионы, могут быть реализованы крупными интеграторами, имеющими ресурсы и соответствующие компетенции (как чисто «айтишные», так и специализированные — от энергетики до ТГВ), причем в ряде случаев такие проекты потребуют привлечения различных субподрядчиков.
Однако SMB может выступать как в качестве субподрядчиков для крупных проектов, так и создавать свои решения. Например, упомянутая выше компания «Эковольт» создает решения собственной генерации для частных лиц, построенная по такому же принципу, что и знаменитый проект Маска из солнечных батарей и домового аккумулятора. Система компании пользуется спросом у российских дачников, только если на американском и европейском рынках такие системы ставят для экономии, то россияне в основном используют такие решения там, где централизованное электроснабжение или отсутствует вовсе, или работает нестабильно.
Может показаться, что собственная генерация в домашних условиях для российских реалий малоприменима, однако, в июле этого года Правительство РФ утвердило правила, по которым население сможет продавать в общую сеть электроэнергию «домашней микрогенерации» — установок до 15 кВт, работающих на возобновляемых источниках энергии. Гарантирующие поставщики (энергосбыт региона) будут обязаны выкупать создаваемые домохозяйствами объемы, причем получаемые гражданами от этого доходы не будут обложены налогами. Минэнерго, Минэкономики и ФАС должны подготовить проект соответствующего закона к январю будущего года, проекты постановлений правительства об упрощенном присоединении микрогенерации к сети энергосбыта должны быть готовы уже к апрелю. Разумеется, к взрывному росту микрогенерации это не приведет, но данная инициатива является одной из комплекса аналогичных действий, направленных на создание регуляторов для «интернета энергий».
Как видно, основы для «интернета энергий» активно закладывают в даже на территории РФ, и компаниям надо готовиться для участия в соответствующих проектах. Проектов по внедрению smart-решений будет много и на них будут выделены большие деньги. Следует также помнить о многих сопредельных рынках (например, «умных домов», решений для энергосбыта и т.д.) и сопутствующих задачах (IoT, обеспечения кибербеопасности, построения «цифровых копий» и пр.), которые тоже открывают широкие перспективы для локальных компаний. Заметим, что энергетика — не единственное поле для «смартизации», есть и другие, например, агропром, но про «умные поля» и smart-фермы мы расскажем в другой раз.
Источник: Александр Маляревский, внештатный обозреватель СRN/RE