Оптимизация энергосетей может сэкономить до $100 млрд инвестиций

Изображение: DC Studio/Magnific

Спрос на электроэнергию растёт быстрыми темпами, однако физическое строительство и расширение сетей не успевают за ним из-за длительных согласований, дефицита кадров и сбоев в цепочках поставок. Как отмечается в отчёте Международного энергетического агентства, строить сети исключительно под максимальные пиковые нагрузки экономически нецелесообразно. Гораздо эффективнее снимать ограничения существующей инфраструктуры с помощью цифровых технологий. Так, внедрение технологий повышения эффективности сетей (GETs) занимает месяцы вместо лет и позволяет отсрочить или избежать дорогостоящего капитального строительства. В частности, 330 ГВт дополнительной мощности (генерации, накопителей и спроса) можно подключить к существующим сетям без физического усиления, что позволит сэкономить до $100 млрд инвестиций в расширение сетей. Высвобождаемый резерв равен суммарной мощности энергосистем Франции и Южной Кореи.Однако для того, чтобы эти технологии стали общепринятым стандартом, государствам и энергокомпаниям необходимо срочно пересмотреть нормативную базу, улучшить качество данных, инвестировать в подготовку мультидисциплинарных кадров и выработать единые стандарты безопасности для алгоритмов ИИ.

Надёжные и доступные электроэнергетические системы, поддерживающие экономический рост и развитие, зависят от сетевой инфраструктуры. За последнее десятилетие спрос на электроэнергию рос примерно в два раза быстрее, чем общий спрос на энергию, отметили аналитики МЭА. Это было обусловлено электрификацией конечного потребления, развитием систем охлаждения и расширением промышленности, а на некоторых рынках — центрами обработки данных. Удовлетворение ожидаемого роста спроса к 2035 году требует увеличения пропускной способности сетей как минимум на 30 %, что эквивалентно прокладке или замене 25 миллионов километров линий. Три четверти этого прироста к 2035 году ожидается в странах с формирующимся рынком и развивающейся экономикой, где расширение сетей останется жизненно необходимым. В то же время во многих странах с развитой экономикой спрос снова растёт после многих лет стагнации, усиливая нагрузку на сети, которые зачастую также нуждаются в модернизации.

Расширение электросетей не поспевает за растущим спросом на электроэнергию и более широкой трансформацией энергетических систем. Последствия уже налицо: в 2025 году по меньшей мере 1700 ГВт проектов в сфере возобновляемых источников энергии на поздних стадиях реализации и 600 ГВт промышленных систем накопления энергии ожидали подключения, в то время как перегрузки обошлись в $12 млрд в США и €4,3 млрд в Европейском союзе в 2024 году. Процедуры получения разрешений, узкие места в цепочках поставок, нехватка рабочей силы и растущие затраты на оборудование — всё это сдерживает реализацию проектов, — отметили исследователи.

Одно лишь расширение не было бы наиболее экономически эффективным решением, даже если бы сети можно было строить быстрее, подчеркнули авторы отчёта. Устранение всех перегрузок означало бы расчёт параметров сети на пиковые нагрузки в любое время, а поскольку ветровая, солнечная энергия и многие новые потребители работают на полную мощность лишь часть времени, такая сеть использовалась бы значительно ниже своей пропускной способности большую часть года. Поэтому определённая степень перегрузки экономически оправдана, а поскольку затраты на сети составляют значительную долю в счетах потребителей, то, насколько эффективно используется существующая мощность, напрямую влияет на ценовую доступность.

По мере расширения сетей их эксплуатация также становится всё более сложной. Распределённые ресурсы, двунаправленные потоки и всё более изменчивые и концентрированные источники предложения и спроса приводят к тому, что условия в сети меняются быстрее и менее предсказуемо. Операторам всё чаще приходится активно управлять напряжением и стабильностью наряду с перетоками мощности и тепловыми ограничениями, зачастую в условиях неполной видимости.

Существующие сети могли бы использоваться более эффективно и пропускать больше энергии, чем сегодня, как за счёт изменения подходов к управлению рисками при эксплуатации, так и за счёт максимальной отдачи от сетевых активов. Операторы поддерживают резервы ниже физических пределов сети для покрытия рисков, которые они не могут полностью отследить, поэтому улучшение информированности может позволить безопасно сузить эти резервы, — говорится в отчёте.

Получение большей отдачи от существующих активов означает как передачу большего объёма мощности через уже находящееся в эксплуатации оборудование, так и поддержание его доступности в течение большего времени за счёт сокращения перебоев в работе и ускорения времени восстановления и замены. В отчёте основное внимание уделяется таким сетевым решениям, где основополагающие физические принципы и многие методы эксплуатации являются общими для разных стран. Цифровизация, технологии повышения эффективности сетей и ИИ вместе предоставляют инструментарий для безопасного и эффективного выявления и использования этой мощности.

Более эффективное использование существующих сетей может позволить подключить до 330 ГВт новых источников, накопителей и потребителей за месяцы, а не годы

По оценкам МЭА, динамическое нормирование пропускной способности, оптимизация топологии и передовое управление перетоками мощности могут позволить подключить до 330 ГВт дополнительной генерации, накопителей и спроса к существующим сетям без их модернизации. Это примерно эквивалентно совокупной установленной мощности по производству электроэнергии Франции и Южной Кореи. Подключение такого объёма за счёт расширения сети вместо этого потребовало бы около $100 млрд инвестиций. Эта оценка охватывает три технологии, наиболее широко применяемые в передающих сетях: динамическое нормирование, которое корректирует безопасную пропускную способность линий электропередачи и трансформаторов в зависимости от фактических погодных условий; оптимизацию топологии, которая реконфигурирует сеть для направления мощности в обход перегруженных линий; и передовое управление перетоками мощности, которое перенаправляет электроэнергию на недогруженные участки. Другие цифровые технологии и технологии повышения эффективности сетей позволили бы добавить ещё больше мощностей.

Эти решения дополняют расширение электросетей, а не заменяют его. Большинство из них можно развернуть за несколько месяцев, а не лет, снимая ограничения на период строительства новой инфраструктуры. Их также можно интегрировать в уже работающие сети, при этом плановая замена активов даёт самую дешёвую возможность для внедрения значительной части необходимых цифровых возможностей. Там, где условия благоприятны, они могут отсрочить или позволить избежать точечных инфраструктурных усилений, но высвобождаемая ими мощность ограничена физическими параметрами сети и зависит от погодных и системных условий. Поэтому они не способны обеспечить тот кардинальный скачок в пропускной способности, которого требует рост спроса.

Цифровизация и технологии повышения эффективности сетей уже приносят ощутимую пользу в реальных сетях. Эксперты привели в пример такие результаты, как предотвращение затрат на перегрузки на сумму $64 млн в год за счёт динамического нормирования в США, более 2 ГВт дополнительной пропускной способности за счёт передового управления перетоками мощности в Великобритании и сокращение на 70 % времени, необходимого для анализа вариантов модернизации сети с использованием цифрового двойника — подробной виртуальной модели сети.

Тем не менее, проверенные технологии пока не переходят стабильно из разряда единичных проектов в стандартную практику, пишут аналитики. Внедрение остаётся крайне неравномерным, и технологии, хорошо зарекомендовавшие себя на одном объекте, зачастую «застревают» на этапе между пилотным проектом и стандартом, поскольку каждое новое развёртывание приходится обосновывать заново в отсутствие устоявшихся методов оценки выгод или обмена опытом между проектами.

ИИ добавляет новые области применения и может сделать более широкий инструментарий проще для целенаправленного использования, эксплуатации и масштабирования, считают эксперты. Сетевые операторы уже много лет используют методы на базе ИИ для прогнозирования, инспекций, технического обслуживания и планирования, а последние достижения позволяют моделям обрабатывать гораздо большие и более разнообразные наборы эксплуатационных, погодных и визуальных данных.

ИИ может помочь операторам определить, где имеются неиспользуемые мощности, спрогнозировать, когда их можно безопасно задействовать, и проверить, сохранятся ли они в случае выхода оборудования из строя или изменения других системных условий. Однако уровень внедрения различается в зависимости от функции. Приложения, связанные с планированием и управлением активами, относительно зрелые, в то время как оперативное управление, критически важное для безопасности, остаётся ограниченным требованиями к объяснимости, проверяемости и подотчётности.

Успех в достижении этих преимуществ будет зависеть от действий по пяти направлениям

Основными препятствиями для более широкого внедрения являются институциональные и организационные факторы, а не технологические характеристики. Среди опрошенных сетевых операторов 64 % назвали нехватку навыков и организационную неготовность основным барьером, 60 % — доступность и качество данных, 60 % — проблемы, связанные с доверием, и 56 % — нормативно-правовую базу. Эти четыре аспекта относятся как к цифровизации, так и к технологиям повышения эффективности сетей и ИИ, хотя именно ИИ предъявляет самые высокие требования к качеству данных, специализированным навыкам, тестированию и обеспечению надёжности, а также к управлению. Каждое из этих условий указывает на фронт работ, а международное сотрудничество является пятой возможностью, охватывающей их все. Оно позволяет создавать многое из того, что необходимо каждой стране, один раз, а не разрабатывать снова и снова. Приоритеты будут различаться в разных странах в зависимости от структуры рынка, приоритетов развития, а также возраста и цифровой зрелости инфраструктуры, однако базовые проблемы в значительной степени совпадают, отметили аналитики.

Нормативно-правовая база должна позволять операторам предлагать любое решение, которое наилучшим образом удовлетворяет конкретную потребность сети, и эффективно возмещать свои затраты. Зачастую перед операторами открыты более чёткие пути для развёртывания новой физической инфраструктуры, чем для внедрения цифровых или эксплуатационных альтернатив, решающих ту же самую задачу. Возможные решения включают правила финансирования, которые не отдают приоритет капитальным затратам на новое оборудование перед цифровыми или операционными решениями; стимулы, привязанные к измеримым результатам (таким как высвобождение мощностей и предотвращение перегрузок); а также надёжные методы оценки системных выгод, которые способствовали бы принятию более эффективных инвестиционных решений. Регуляторные «песочницы», позволяющие операторам испытывать новые подходы в условиях временного освобождения от стандартных правил, и финансирование инноваций предлагают путь к формированию доказательной базы для инструментов, которым ещё только предстоит доказать свою эффективность.

Улучшение качества данных и повышение прозрачности наиболее остро необходимы на распределительном уровне, где операторы располагают ограниченной информацией, а потребность в данных растёт быстрее всего из-за всё большего числа подключаемых крышных солнечных панелей, электромобилей и тепловых насосов. Многим операторам распределительных сетей не хватает прозрачности на значительных участках их систем, а та информация, которая всё же существует, зачастую хранится в несовместимых форматах в разрозненных подразделениях. Улучшение качества данных и видимости, а также совместимые модели данных, позволяющие информации перемещаться между системами, и надёжные механизмы обмена данными будут способствовать развитию как цифровизации, так и ИИ. Тем временем общая инфраструктура данных и среды тестирования также могут снизить затраты и способствовать обмену знаниями.

Энергетическим компаниям и регулирующим органам необходимо наращивать комбинированный опыт как в сфере энергосистем, так и в области цифровых технологий, а также адаптировать соответствующие процессы. Специалисты, объединяющие эти две дисциплины, остаются в дефиците, а кадры, обслуживающие электросети, стареют: число работников в возрасте 55 лет и старше выросло почти на 50 % в период с 2015 по 2024 год по сравнению с 20 % для тех, кому меньше 55 лет. Обучение должно сопровождаться изменениями в рабочих процессах и операционной деятельности, чтобы проверенные инструменты вышли за рамки пилотных проектов и стали частью рутинных операций.

Обеспечение надёжности и безопасности должно закладываться с самого начала и калиброваться в зависимости от критичности каждого приложения. 70 % опрошенных операторов широко используют ИИ для технического обслуживания, но лишь 23 % применяют ИИ в операциях в режиме реального времени, привели данные авторы отчёта. Это отражает требования к объяснимости, проверяемости и подотчётности в тех случаях, когда ИИ служит основой для принятия решений, критически важных для безопасности, поскольку операторы продолжают нести ответственность. Единые подходы к валидации, сертификации и человеческому контролю способствовали бы более широкому внедрению, при этом кибербезопасность должна рассматриваться как базовое требование на этапе проектирования, с особым вниманием к тому, где хранятся операционные данные, кто контролирует модели, используемые в критически важных функциях, и как управляются стратегические зависимости.

Международное сотрудничество может снизить затраты, ускорить развёртывание и расширить доступ к проверенным решениям, помогая странам более эффективно использовать существующую инфраструктуру, повышать доступность электроэнергии и ускорять электрификацию безопасным путём. До сих пор внедрение технологий повышения эффективности сетей концентрировалось в Европе и Северной Америке. Обмен опытом, испытательными мощностями, а также подходами к валидации и сертификации помогает странам выстроить доверие к новым технологиям и управлять стратегическими зависимостями по мере того, как сети всё больше полагаются на программное обеспечение, данные и ИИ. Странам с формирующимся рынком и развивающейся экономикой проверенные нормативные подходы, общие технические ресурсы, а также целевые гранты и кредиты по ставкам ниже рыночных могут помочь энергетическим компаниям раньше внедрять цифровые решения, повышать прозрачность и управляемость за счёт циклов замены активов, а также получать доступ к навыкам, которые трудно развить в одиночку.