Энергия для XXI века.

Началось…

Сразу после принятия в США закона о налоговой реформе концерн «Боинг» заявил о программе масштабных инвестиций в американскую экономику. На первом этапе предполагается вложить 300 млн. долларов.

Любопытна структура рождественского инвестиционного пакета. По словам одного из руководителей аэрокосмической корпорации, Дэнниса Майленбурга, 100 млн. будет направлено на «развитие кадрового резерва» (то есть создание рабочих мест), 100 млн. пойдут на построение «рабочего пространства будущего» (иными словами, автоматизированных и роботизированных производств) и еще 100 млн. — на поощрение персонала.

Таким образом «Боинг» расширяет существующие производственные мощности, закладывает основу для увеличения производства в будущем и одновременно подпитывает рынок, повышая платежеспособность своих сотрудников.

Еще до принятия налогового билля несколько крупных компаний обнародовали планы по переносу производств в США — сказались многочисленные указы Дональда Трампа, направленные на снижение административного давления на бизнес.

Следующей задачей, которую поставил перед собой американский лидер, является принятие так называемого инфраструктурного билля, согласно которому в транспорт, связь, энергосистему и городские хозяйства должно быть инвестировано не менее 1 трлн. долларов.

По другую сторону Атлантики, во Франции, Эммануэль Макрон также предпринимает немалые усилия для продвижения экономических реформ, развития индустрий и инфраструктуры. Автомобильное производство, нефтехимия и системы связи являются приоритетами молодого лидера Пятой Республики. Летом этого года он в категоричной форме потребовал от национальных телекоммуникационных компаний обеспечить всю территорию страны широкополосным интернетом к 2020 году.

Несмотря на продолжающийся правительственный кризис, Германия остается главным драйвером роста еврозоны. После принятия американского налогового билля в Берлине заговорили о возможном «налоговом состязании» Европы и США и необходимости оптимизации налогообложения для поощрения индустриального роста в ЕС.

Китай, как показал прошедший недавно XIX съезд КПК, ставит перед собой поистине грандиозные цели. Одно только создание «широкого слоя среднезажиточных граждан» потребует от КНР серьезных изменений в структуре многих индустрий, а также решения сложных инфраструктурных задач.

Не менее амбициозные задачи стоят и перед Россией. Выступая с предвыборными речами на форумах ОНФ и «Единой России», Владимир Путин ясно дал понять, что следующие годы станут годами экономической и технологической модернизации страны, ее внутреннего обустройства и обновления.

В мире началось новое индустриально-экономическое соревнование. Развитость технологий, гибкость производств, грамотность кадрового резерва, эффективность и надежность инфраструктуры — вот что будет определять успех в этом соревновании.

Разумеется, придется решать вопросы регулирования деловой активности, образования, экологии, охраны здоровья и защиты национального бизнеса как от внешних вызовов, так и от внутренних угроз (коррупции, административных барьеров, неравенства в доступе к инфраструктуре и финансовым ресурсам).

Но не менее остро стоит вопрос обеспечения индустрий и инфраструктуры энергией. Говоря точнее — электроэнергией, поскольку, помимо части транспорта, все в современном мире работает именно на электричестве.

Достаточно ли его вырабатывается сегодня для осуществления нового технологического рывка? Является ли электроэнергия доступной, а энергоснабжение достаточно гибким и надежным для роста индустрий?

Не стоит забывать также, что электрической энергией обеспечиваются не только предприятия и транспорт, но и жилье, медицина, учреждения образования, инфраструктура городов и сел — словом, все то, что непосредственно влияет на качество жизни людей.

В мегаполисах мы настолько привыкли к электричеству, что и не представляем себе, что его может не хватить или не быть вовсе. Максимум, что нас раздражает — это рост тарифов. Между тем, в России и промышленные предприниматели, и фермеры, и даже частные домовладельцы за пределами крупных городов очень часто сталкиваются с тем, что они не могут подключиться к электросетям, во всяком случае, получить ту мощность, на которую рассчитывали.

Самые развитые страны также часто сталкиваются с подобными сложностями. На промышленном юге Германии первые проблемы начались в связи с поддерживаемым государством ростом «зеленой энергетики», генерация которой принципиально нестабильна. Для поддержания энергосистемы «в тонусе» пришлось расконсервировать старые угольные ТЭС, чей ресурс близок к исчерпанию.

В США из-за ураганов на восточном побережье и пожаров на западном генерирующие станции и сети распределения часто выходят из строя. Кроме того, существует проблема пиковых нагрузок. В Калифорнии это летние месяцы, а на северо-востоке — зимние. В результате, самая мощная и разветвленная система энергоснабжения в мире тоже оказывается уязвимой.

Будет ли расти потребление электроэнергии? Достаточно ли ее вырабатывается? И насколько адекватно спросу ее распределение и тарификация?

Попробуем рассмотреть эти вопросы в свете развития новых технологий и мирового экономического соревнования.

 

Спор о генерации: много или мало?

Среди специалистов в области электроэнергетики сегодня существует почти полное согласие относительно состояния генерирующих мощностей в мире.

Страны делятся на две категории — развитые и развивающиеся. В развивающихся странах ощущается острый дефицит электроэнергии, генерирующих мощностей не хватает даже на бытовое потребление.

Но многие страны Третьего Мира пытаются также преодолеть свое индустриальное отставание, в связи с чем дефицит генерации становится еще более острым. Именно такие страны обеспечивают «Росатом» контрактами на энергоблоки для АЭС, а Siemens и General Electric — на газотурбинные блоки.

В развитых странах никакого дефицита генерации нет. Наоборот, наблюдается избыток мощностей. Такая ситуация сложилась в конце 1990-х и начале 2000-х в результате завышенных ожиданий экономического роста и, соответственно, энергопотребления. Инвестиции в генерацию вплоть до 2008 года считались надежным и прибыльным вложением капитала. Но рост был остановлен большой рецессией 2007–2009 гг., от которой мир еще не полностью оправился, а мощности все еще продолжали строиться на деньги, вложенные в их строительство в начале 2000-х.

Россия по данному показателю находится в группе развитых стран. Избыток мощностей является одной из существенных проблем отечественной энергетики, промышленности и ЖКХ, поскольку в тарифах, установленных для потребителей (предприятий и населения), заложена не только цена киловатт часа, но и стоимость поддержания свободных мощностей.

В нашей стране отмечался точно такой же провал на графике потребления электроэнергии (и в абсолютных значениях, и в расчете на душу населения), как и в Германии, США, Канаде и других развитых странах. Вторая «просадка» потребления наблюдалась в 2013 году, когда экономический рост в России практически остановился. В 2014–2015 гг. снова начался рост энергопотребления. Это, кстати говоря, к словам экс-президента США Барака Обамы о том, что «экономика России порвана санкциями в клочья». А вот энергопотребление в Германии — главном экономическом партнере РФ в ЕС — в 2014–2015 гг. наблюдалось падение спроса на электричество.

В нашей стране избыток генерирующих мощностей связан, помимо причин, характерных для других развитых экономик, еще и с двумя чисто российскими факторами. Во-первых, в ходе реформы РАО ЕЭС вводились новые мощности (ТЭС и ГЭС) для привлечения иностранных инвестиций в отрасль. Тогда руководство РАО делало все, чтобы создать впечатление у потребителей и инвесторов, что Россию ожидает быстрый рост спроса на электроэнергию. Этот прогноз не оправдался, более того, увлечение новыми мощностями лишило распределительные сети значительной части необходимых капитальных вложений. Но о распределении электроэнергии мы поговорим чуть позже.

Вторым фактором, увеличившим избыток электроэнергии в России, стал ввод «Росатомом» новых энергоблоков. Поддержанная правительством инвестиционная программа отечественной атомной госкорпорации была, помимо прочего, рассчитана на маркетинг в надежде на получение заграничных контрактов. Этот расчет отчасти оправдался. Кроме того, все новейшие энергоблоки «Росатома» являются надежным и долгосрочным резервом на ближайшие 5-10 лет.

Энергопотребление в России продолжает пусть медленно, но неуклонно расти. Так, по данным Минэнерго, в 2016 году рост потребления по сравнению с 2015-м составил 1.85%. Этот рост министерство связало «в основном» с температурой воздуха, которая была в 2016-м ниже на 4.6^о по сравнению с предыдущим годом. Однако из года в год климатическим фактором объяснять повышение расхода электроэнергии все-таки сложно. При этом, увы, отсутствуют точные данные как о росте спроса на электричество, так и о потерях в распределительных сетях.

С точки зрения макропоказателей, генерация России является весьма надежной и системно избыточной. Фактическое потребление электроэнергии по ЕЭС России в 2016 году составило чуть больше 1 трлн. кВтч. При необходимости суммарное ее производство может быть увеличено на 30-50%. Общая установленная мощность составила 244.1 ГВт, в то время как пиковая нагрузка была зафиксирована на уровне 154.3 ГВт. Тем не менее, в том же году было дополнительно введено 4.29 ГВт мощностей.

Часть энергоблоков вводится в эксплуатацию для скорой замены старых станций, близких к выработке своего ресурса. Но все же основная часть избыточного строительства и ввода новых мощностей — это не что иное, как запас. Вопрос только в том, тянет ли этот запас карман или пригодится в самое ближайшее время.

Одним из индикаторов привлекательности электроэнергетических активов России является поведение иностранных инвесторов. Несмотря на кризис и санкции, они не спешат расставаться со своими долями в российской генерации. Так, итальянская группа Enel, специализирующаяся на энергетических инвестициях, еще в 2015 году объявила о своем решении не уходить с нашего рынка. При этом от газовых активов в РФ она решила отказаться как от непрофильных.

Франческо Стараче (глава инвестиционной группы Enel) посетовал на то, что его компания не может вкладывать деньги в распределительные сети (сегодня по российскому законодательству одна и та же компания или группа компаний не может владеть одновременно и генерирующими, и распределительными активами), но признался, что и владение долями в российской генерации является весьма выгодным и перспективным. При этом он обошел стороной вопрос о том, будет ли, по его мнению, расти спрос на электроэнергию.

Относительно увеличения энергопотребления в ближайшем будущем существуют две диаметрально противоположные точки зрения (в отличие от оценки нынешнего положения дел, тут консенсуса нет). Одни эксперты полагают, что потребление будет неминуемо расти, другие — что пик энергопотребления если не наступил, то вот-вот наступит, так что в долгосрочной перспективе спрос на электроэнергию выйдет на «плато».

Первых в профессиональной среде часто называют «демандистами» (от англ. demand — спрос). На их стороне, в частности, находится Управление энергетической информации (EIA) министерства энергетики США. Вторых прозвали «пикерами» (от концепции переживаемого сегодня «пика потребления»). Их позицию разделяет авторитетный Мировой энергетический совет (WEC).

Старший научный сотрудник Манхэттенского института, бывший советник президента Рейгана по научным вопросам Марк Миллз, справедливо отмечает, что тех и других часто объединяет приверженность так называемой «зеленой» энергетике.

В своей статье на страницах издания Real Clear Energy он пишет:

«Исчерпание предложения (электроэнергии) давало основания требовать немедленного ввода альтернативных мощностей — и к черту разговоры о стоимости! — прежде чем наступит страшный апокалипсис глобального дефицита энергии. К несчастью для алармистов технологии породили избыток практически всего, стерев в порошок глупое предположение об исчерпании предложения.

Но урок не был выучен. Теперь многие из тех людей и организаций, которые ранее говорили о дефиците предложения, теперь говорят об исчерпании роста спроса. И это тоже аргумент для использования дорогостоящих альтернативных источников энергии. А именно: общество будет относиться к дорогим альтернативам куда терпимее в условиях роста экономики при сохранении спроса на электроэнергию на прежнем уровне, ведь в таком случае доля ВВП, потраченная на энергию, будет оставаться на приемлемом уровне».

В России, по всей видимости, более «проходным» считается аргумент об «апокалипсисе». Так, Анатолий Чубайс, глава «Роснано» и бывший руководитель РАО ЕЭС, в интервью «Российской газете» недавно заявил, что наша страна через 4-7 лет столкнется с тотальным дефицитом генерирующих мощностей. Одним из решений «неминуемого кризиса» Анатолий Борисович считает ускоренный ввод «зеленых» мощностей. При этом развитие «зеленой» энергетики г-н Чубайс назвал своей «принципиальной позицией».

Но если отбросить в сторону рассуждения о весьма сомнительных, на мой взгляд, перспективах «альтернативных источников энергии», все же остается вопрос: как будет выглядеть спрос на электроэнергию в будущем?

В данном вопросе важно различать два момента — размер спроса и его структуру. Начнем с размера.

 

Технологии экономят, но не электричество

Существует расхожая точка зрения, что внедрение новейших технологий ведет к энергосбережению. Действительно, заменяя лампы накаливания на светодиодные, можно добиться примерно семикратной экономии на освещении помещений, улиц, дворов и автотрасс. Более того, поскольку светодиодная лампочка гораздо долговечнее ее «старшей сестры», то и на производство осветительных элементов тратится гораздо меньше энергии.

Если бы всё потребление электричества сводилось исключительно к освещению, а количество осветительных элементов росло бы медленно, то спрос на энергию действительно со временем вышел бы на «плато».

К счастью или к сожалению, характер энергопотребления в современном мире совершенно иной. Даже в быту произошли существенные изменения. На что тратилась энергия в стандартном жилье раньше? Несколько лампочек накаливания, радиоприемник, один телевизор на ЭЛУ с экраном в 14-17 дюймов, холодильник… а еще утюг время от времени.

Прогноз потребление энергии вычислительными мощностями мира по данным Ассоциации полупроводниковой промышленности в Дж/год (шкала логарифмическая). 1 — объем производимой человечеством энергии; 2 — реально наблюдаемое потребление (10-14 Дж/бит); 3 — прогнозируемое максимальное снижение энергопотребления чипами следующего поколения (10-17 Дж/бит); 4 — теоретический минимум энергопотребления при совершении вычислительных операций согласно принципу Ландауэра (10-21 Дж/бит).

 

Теперь в средней квартире, как правило, два телевизора с большими плазменными экранами, стиральная и посудомоечная машина, электроплита, электрочайник, пару компьютеров, Wi-Fi-роутер и несколько гаджетов, которые также необходимо постоянно заряжать. Те, что интенсивно используют смартфоны, планшеты и ноутбуки вне дома, заряжают еще и пауэрбанки. Холодильники увеличились в размерах. Их оснащают гораздо бóльшими морозильными камерами, так что все равно потребляют они никак не меньше, чем какой-нибудь старенький малютка «Днепр».

У многих дома полы с электроподогревом. Те, что все еще не отказались от домашнего телефона, пользуются беспроводным аппаратом. А это тоже расход электричества — и на зарядку, и на передачу сигнала от базы к трубке. Беспроводными становятся и зарядки для гаджетов. Сегодня это функция флагманских моделей Apple и Samsung, завтра появятся ноутбуки, получающие энергию по воздуху по всей площади жилого помещения. Это как минимум вчетверо увеличит потребление электричества на подзарядку.

Сами квартиры тоже стали больше. А значит — мощнее Wi-Fi-роутер и больше лампочек. И ведь лампочки используются не только в люстрах и единственной настольной лампе, как в 1970 году. Подсветка декоративная, подсветка кухонной плиты, подсветка разделочного пространства…

Это все может показаться мелкобуржуазным излишеством, но люди всем этим пользуются, и нет никаких оснований полагать, что завтра они захотят от этого отказаться.

Теперь — город. Больше станций метро, аэроэкспрессов, электричек и т.д. — больше расход электричества. Сами города тоже будут расти. И чем больше люди будут пересаживаться на общественный транспорт, тем выше будет потребление электричества.

Из светодиодных ламп, возможно, удастся выжать еще 10-15% экономии (что уже совершенно несущественно), из всего остального — вряд ли. Увеличение мощности процессоров и чипов памяти уже не сопровождается столь же быстрым повышением их энергоэффективности. Согласно исследованию специалистов Ассоциации полупроводниковой промышленности, чем «глубже» отметки 10 нанометров уходят технологии, тем сложнее становится сделать их экономичными.

Между тем, размеры облачных хранилищ, мощность банковских серверов, поисковиков и прочих банков данных растет не по дням, а по часам. Еще быстрее растет скорость обработки данных, что также требует больше электроэнергии. Так что уже к 2040 году только компьютерные мощности могут потребовать больше электроэнергии, чем генерируется сегодня на нашей планете.

Ну а теперь об индустриях. Обычное производство без значительной модернизации станет, по всей видимости, несколько более  энергоэффективным в расчете на любую материальную единицу продукции. Возможно, это спасение для «синих воротничков», потому что любая автоматизация, любое сокращение ручного труда будет стоить киловатт часов.

Закон сохранения энергии не обманешь. Заменяя работу человека работой автомата, мы трижды увеличиваем расход электроэнергии — собственно на движения, ранее осуществлявшиеся человеком (сервоприводы, вращающиеся части и т.д.), на сенсоры и датчики для определения, когда и куда двигаться частям автомата, и на вычислительные мощности, управляющие процессом.

Появление в промышленности и в быту полнофункциональных человекоподобных роботов вызовет очередной скачок в объеме энергопотребления — не только на их производство и подзарядку, но и на всю индустрию их обслуживания, которая обещает быть куда более сложной и энергоемкой, чем сегодняшняя индустрия технического обслуживания автомобилей.

Возможно, человечество не пойдет по пути полномасштабного перехода на электромобили и беспилотные транспортные средства. Но какую-то нишу в нашей жизни они займут. А это снова повышение электропотребления.

В свое время выдающийся агитатор за «зеленую» энергетику и новейшие технологии, бывший вице-президент США Ал Гор, утверждал, что переход промышленности с нынешних технологий изготовления товаров на 3D-печать даст значительную экономию электроэнергии. Прошло более 15 лет, а 3D-принтеры с улучшением качества производимых ими изделий становятся лишь прожорливее.

Исследования показали, что изготовление пластикового объекта методом 3D-печати в расчете на грамм требует в десять раз (!) большей энергии, чем обычный индустриальный термопласт-автомат. А металлического — в сто раз (!!!) больше, чем литье или механическая обработка.

Однако 3D-принтеры позволяют сделать производство максимально гибким и удобным для конструкторов и инженеров, особенно когда речь идет об изготовлении малой серии. Поэтому трехмерная печать пластиком, металлом и другими «чернилами» будет развиваться. Что означает неминуемое повышение потребления электроэнергии, а также, что не менее важно, увеличение амплитуды и частоты перепадов загруженности сетей.

«Пикеры» часто приводят следующий аргумент: увеличение потребления будет компенсировано новыми энергосберегающими технологиями. Как мы видели на примере вычислительных мощностей, этот аргумент не выдерживает никакой критики. А пример с 3D-принтерами показывает, что для сохранения «плато» энергопотребления придется нарушить не только законы физики, но и математики.

Как бы ни стремилась к энергосбережению развитая нация, она будет потреблять больше электроэнергии, чем догоняющие ее страны. За развитие и качество жизни приходится платить килокалориями и киловатт часами.

Но все ли платят одинаково?

 

Не сколько, а как

Один из лидеров энергосбережения, Германия, потребляет, по данным Всемирного банка, на душу населения около 7,1 тысяч киловатт-часов в год (включая, разумеется, промышленность, транспорт и проч.) А вот Канада, которая прошла те же циклы индустриального и постиндустриального развития, а также энергосбережения, что и ФРГ, потребляет почти 15,5 тысяч киловатт часов на человека в год. Даже Соединенные Штаты, где тарифы на электроэнергию, дизель и газ очень низкие по западным меркам, потребляют меньше Канады — около 13 тыс. кВт ч. Для сравнения в России данный показатель равен 6,5 тыс. кВт ч.

По данном ВБ, у РФ есть запас примерно в 0,7-0,8 тысяч киловатт часов в год на душу населения за счет применения технологий энергосбережения, давно внедренных в Европе, США и Канаде. Но если Россия будет развиваться и дальше, она неминуемо увеличит потребление и обгонит Германию, где климат теплее, а население живет весьма компактно на всей территории.

Улучшение качества жизни также скажется на потреблении энергии. Стандартная московская «трешка» потребляет в месяц 200-220 киловатт часов. Небольшой двухэтажный загородный дом с газо-водяным отоплением — 350-380 кВт ч. А вот среднее американское домохозяйство — более 900 кВт ч. Прижимистые немцы (задавленные немалыми тарифами, включая специальный «зеленый» тариф) умудряются укладываться в 330-350 кВт ч, лишая себя множества современных технологий и устройств, кроме, разумеется, энергосберегающих.

Германия, таким образом, демонстрирует, что экономить электричество можно даже при развитой промышленности и высоком уровне жизни. Как я уже сказал выше, ей помогает в этом компактность (и относительная равномерность) заселения территории. Разумеется, с ростом применения новых технологий (3D-печать, обработка и хранение данных, автоматизация и роботизация), а также с новым витком индустриализации потребление электроэнергии будет расти и в ФРГ.

Однако у Германии есть одно существенное отличие от России. Ее промышленность во многом состоит из малых и средних предприятий, распределенных по всей стране. Соответственно, и сеть распределения выстроена относительно равномерно. Она потребует модернизации (хотя бы просто для увеличения пропускной способности), но разветвленность энергосистемы уже сейчас придает ей значительную гибкость.

Гибкость и ориентированность на потребителя — это именно те качества, которые потребуются энергосистеме будущего. Индустриальные и цифровые технологии потребуют не только бóльших мощностей, но и нового качества сетей распределения — они должны быть готовы к существенным перепадам потребления и новым значениям пиковых нагрузок.

В России для развития новых индустрий и внедрения передовых технологий потребуется одновременно решать две задачи — устранять перекосы в промышленной политике и заново расселять людей по стране со всеми теми технологическими удобствами, которые они имели бы в мегаполисе.

Это потребует совершенно новых подходов к распределению электроэнергии. Оно должно стать по-настоящему «умным». Как сейчас стали говорить специалисты, сети должны стать «интеллектуальными».

Уже упомянутый нами глава инвестиционной группы Enel Франческо Стараче оценивает перспективы мировой энергетики так:

«Отрасль будет прибыльной, но сильно изменится. Сегодня, когда речь заходит об энергетике, 80% дискуссий посвящены генерации, а 20% — распределению электричества. Я думаю, что через десять лет соотношение будет обратным: 80% будет посвящено распределению и только 20% — генерации».

Однако будет ли старая, сильно централизованная генерация соответствовать новым требованиям распределения? Как сочетать в большой энергосистеме, скажем, местные солнечные батареи (на крышах индивидуального жилья или фабрик) и поставки через крупные сети? Можно ли будет без проблем и бюрократических проволочек брать энергию в долг у соседа и делиться с ним излишками.

Специалисты во многих странах пришли к выводу, что такие возможности необходимы энергосистемам будущего. Появился даже особый термин — «интернет электричества», описывающий интеллектуальные сети нового поколения. Если говорить точнее — экосистему генерации, распределения и потребления.

В обиход новое понятие ввели сразу несколько человек в мире. Раньше других его стали употреблять в энергетическом департаменте американской компании DHL и в руководстве российского проекта EnergyNet.

О том, какие наработки существуют в этой области у нас в стране и в мире и как это поможет намечающемуся новому индустриально-технологическому рывку, мы обсудим в следующей части.

Общество энергопотребления

Мир стоит на пороге больших перемен. Стремление развитых стран к реиндустриализации, догоняющее развитие стран Третьего Мира, внедрение новых технологий, экспоненциальное наращивание вычислительных мощностей и объемов передачи данных, а также повышение качества жизни и повседневного комфорта — всё это в самое ближайшее время скажется на казавшемся незыблемым пять лет назад статусом-кво в генерации и распределении электроэнергии.

Для промышленно развитых стран в целом характерен избыток генерирующих мощностей. Экономический рост, прерванный кризисом 2008 года, стимулировал инвесторов вкладывать значительные средства в электрогенерацию, которая по состоянию на середину 2010-х оказалась «лишней».

В Европе, Канаде и США сыграл свою роль дополнительный фактор, приведший к превышению предложения мощностей над спросом. Это политически мотивированное развитие так называемой «зеленой энергетики». Значительная ее доля приходится на сжигание биомассы (от метанола до древесного топлива), то есть на старые добрые ТЭС под другой вывеской, а также на гидроэлектростанции, но визитной карточкой альтернативной энергетики являются, несомненно, мощности, осваивающие энергию солнца и ветра.

Ветряки и «солнечные поля» являются крайне нестабильными поставщиками электричества — как известно, ветер не дует по заказу, да и солнце светит отнюдь не всегда. Отсюда — необходимость в коммутации с традиционными электростанциями. Германия — лидер «зеленой генерации» Европы — для поддержания альтернативной энергетики была вынуждена расконсервировать старые угольные ТЭС.

Таким образом, в состоянии постоянной готовности находятся и ТЭС, и ветряки с солнечными станциями, и «новые» генерирующие предприятия, работающие на биомассе. Отсюда и дополнительные излишки мощностей.

В России избыток предложения электроэнергии, помимо прочего, связан с искусственно завышенными в ходе реформы РАО ЕЭС ожиданиями в отношении спроса на мегаватты, а также с инвестиционными программами «Росатома», ориентированными на технологические наработки и маркетинг для внешних рынков.

Тем не менее, главной причиной избыточности генерирующих мощностей в развитых странах является расхождение прогнозов энергопотребления, сделанных на рубеже XX и XXI вв., с фактическим спросом на электричество.

В краткосрочной перспективе излишек мощностей будет негативно сказываться на экономических показателях и индустриальном развитии. Стоимость киловатт часа для потребителя будет завышенной, поскольку в нее будет входить не только цена генерации, но и содержания неработающего (или недозагруженного) оборудования.

Отечественный потребитель, оплачивая счета на электричество, покрывает капитальные вложения инвесторов в те мощности, которые ему пока не нужны. А европейцы, канадцы и отчасти американцы платят так называемый «зеленый тариф», раскошеливаясь на содержание политически «правильных» ветряков, а также устаревших угольных ТЭС, поддерживающих функционирование альтернативной энергетики.

Но излишки мощностей просуществуют недолго. Во всем мире энергопотребление неуклонно увеличивается. Автоматизация и роботизация производства, взрывной рост компьютерных мощностей, систем хранения и передачи данных, а также внедрение новейших индустриальных и бытовых технологий с каждым годом требует все больше и больше энергии.

Одна только обработка данных может к 2040 году потребовать всех мощностей, которые имеются сегодня в распоряжении человечества. Эти расчеты мы приводили в первой части исследования. Но вот совсем «безумный» пример. По данным аналитиков Morgan Stanley, только энергопотребности майнеров криптовалют в 2018 году могут превысить потребление электричества такой страны как Аргентина.

Сегодня сложно спрогнозировать развитие целого ряда отраслей мировой экономики. Так, в отношении производства и сбыта электромобилей существуют самые разные экспертные мнения. Если темпы роста этого сегмента рынка сохранятся на нынешнем уровне, то зарядка батарей новых транспортных средств будет «стоить» миру в киловатт часах «еще одной Аргентины» к 2025 году. Но если американская компания General Motors и несколько китайских производителей выполнят свое обещание по выводу на рынок бюджетных электрокаров, то скачок «на одну Аргентину» в энергопотреблении (а с майнерами — на две) произойдет уже в 2020-м.

В чем можно не сомневаться, так это в том, что люди не перестанут отказывать себе в комфорте. Климатические установки, широкополосный интернет и спутниковое телевидение давно уже перестали быть прерогативой крупных мегаполисов. Наши сограждане, несмотря на все кризисы, санкции и трудности, также обустраивают свой быт в соответствии со стандартами XXI века.

Меняется не только быт, но и рабочая среда. В России, как и во всем мире, растет число людей, работающих удаленно из дома. Появляются новые фермерские хозяйства, малые и средние производственные предприятия, взваливающие на себя бремя импортозамещения. Их географическое расположение и режим работы совсем не похожи на те, что были характерны для конца прошлого века и даже для середины 2000-х.

Всё это влияет не только на объем энергопотребления, но и на его структуру. Растет требование к качеству услуг энергосбытовых организаций и сетей распределения. Словосочетание «общество потребления» очень часто в последние 10-15 лет произносилось в негативной коннотации. Мол, живущие в нем люди зациклены на шмотках, электронных устройствах и вкусной еде. При этом вряд ли кто-нибудь будет отрицать, что в обществе потребления клиент всегда прав и задачей поставщиков товаров и услуг является максимально качественное его обслуживание — там и тогда, когда это ему нужно.

С развитием индустрий, сельского хозяйства, медицины, образования и сферы услуг на новом технологическом уровне современное общество становится обществом энергопотребления. Электроснабжение не может более осуществляться «по старинке» — только там, куда его дотянул монополист-поставщик и только в тех объемах и по той цене, которые такой поставщик предлагает.

А это значит, что энергетика больше не может жить в парадигме начала-середины XX века. Эта отрасль теперь не просто провода и мощности. Это технология удовлетворения структурно сложного спроса. И по уровню этой сложности — не побоюсь этого слова, «капризности» потребителя — можно судить об уровне развития как индустрий, так и благоприятности среды обитания человека.

 

Пиковые нагрузки и управление потреблением

Каждый из нас почти наверняка сталкивался с отключениями электричества. В Москве, Санкт-Петербурге и нескольких других крупных мегаполисах они сегодня случаются нечасто, а вот в других регионах это, увы, обычное дело. Как правило, такие отключения происходят не из-за недостатка нехватки мощностей генерирующих станций. Пиковых нагрузок не выдерживают распределительные сети.

Иногда попросту не хватает, как сказали бы математики, ранга сети, то есть, попросту говоря, маршрутов подачи электроэнергии. Но чаще всего пиковые нагрузки возникают внезапно, и операторам приходится сначала отключать «второстепенные» объекты (жилой сектор, уличное освещение, малые предприятия), чтобы сохранить работоспособность распределительных подстанций и снабжение приоритетных потребителей (предприятия непрерывного цикла, больницы и т.д.), а уже затем искать «пути обхода» для восстановления снабжения отключенных зданий и улиц.

Когда к пиковым нагрузкам энергетики готовятся заранее, примерно зная «размер предстоящего бедствия», отключений удается избежать. Но неожиданные скачки потребления попросту не оставляют времени для надлежащего реагирования в ручном режиме.

Но блэкауты случаются не только в российской провинции. 10 января 2018 года на ежегодной выставке электронных товаров и электротехники (какова ирония!) CES-2018 в Лас-Вегасе внезапно отключилось электричество, и посетители были вынуждены направиться к выходу, освещая себе дорогу светодиодными фонариками модных гаджетов.

Организаторы выставки и поставщик электроэнергии NV Energy довольно долго «путались в показаниях» о том, что же произошло, и в конце концов списали инцидент на погодные условия — мол, сильные дожди повредили одну из подстанций, что и привело к временным перебоям в электроснабжении. Заметим, что дело было в Вегасе, который 24 часа в сутки сверкает миллионами огней и где постоянно проходят различные выставки, концерты, торжества и проч. — и это не считая индустрии развлечений.

Погода конечно же могла приготовить неприятный сюрприз. В США погодные условия являются одним из главных факторов уязвимости распределительных сетей. Это хорошо известно, и уж Вегас-то, казалось бы, мог подготовиться к неожиданностям! Но локальный пик нагрузки оказался настолько внезапным, что энергетики не смогли оперативно отреагировать на него. Восстановить работу выставки высоких технологий удалось только через два часа.

Соотношение пиковой и средней нагрузки на сеть штатов Новой Англии (северо-восток США) с 1993 по 2012 год. В течение всего этого периода времени росли как среднее потребление электроэнергии, так и его пиковые значения. Данные Управления энергетической информации (EIA) министерства энергетики США.

 

В Нью-Йорке и Лос-Анджелесе отключения электроэнергии также случаются регулярно. И это несмотря на то, что к пиковым нагрузкам (летом — в городе ангелов, зимой — в Большом Яблоке) готовятся заранее.

На первый взгляд кажется, что проблема может быть решена простым наращиванием вспомогательных и резервных подстанций, а также линий электропередач. Но проблема куда сложнее. И с каждым годом она усугубляется.

Управление энергетической информации (EIA) министерства энергетики США изучило статистику загрузки энергосетей различных регионов страны и пришло к выводу, что начиная с 1990-х годов в наиболее развитых штатах и округах отношение значения пиковой нагрузки к средней постоянно растет. Наиболее показательны данные по Новой Англии (северо-восток США). Если в 1993 году пиковая нагрузка была выше средней на 52%, то 2012-м — уже на 78%.

Но это только часть проблемы. С каждым годом пики становятся все менее предсказуемыми. Если раньше пик потребления приходился на определенные часы (утренние и вечерние), и кривая нагрузки нарастала и спадала относительно плавно, то теперь скачок может произойти в «неурочное время» и быть очень резким. Анализируя ситуацию, EIA пришло к выводу, что причиной изменения структуры спроса на электричество стала не только возросшая оснащенность домов климатическими установками, но и изменение «паттернов поведения потребителей». Индустрии стали менее серийными и более клиенто-ориентированными, в связи с чем в прошлое уходит равномерное потребление электроэнергии, характерное для заводов и фабрик XX века.

Кроме того, как в офисах, так и на промышленных предприятиях используются значительные вычислительные мощности, а также современные средства производства — автоматы (роботы), 3D-принтеры и проч. А поскольку на смену непрерывным конвейерам пришли автоматизированные системы, работающие в режиме «старт-стоп», это порождает значительные скачки нагрузки на сеть. Потребитель также «ответственен» за относительное снижение среднего потребления электроэнергии по сравнению с пиковым — за счет внедрения энергосберегающих технологий. Пока в помещении горят только светодиодные лампочки и, возможно, работает кофейный автомат, нагрузка на сеть низка, но стоит включить 3D-принтер, и на сеть ложится почти ударная нагрузка.

EIA пришло еще к одному удивительному выводу. Оказывается, потребление электричества отдельными организациями не явлется полностью независимым и статистически непредсказуемым. Для пиковых нагрузок нового типа характерна корреляция пикового потребления. В статистической физике это явление достаточно хорошо изучено и называется корреляцией флуктуаций. Однако доподлинно природу корреляций в пиковых нагрузках, по всей видимости, еще только предстоит изучить.

Любопытный вывод делает американское управление энергетической информации:

«Рост отношения значений пиковой и средней нагрузок негативно сказывается на прибыльности операторов сети и генерирующих компаний, что свидетельствует о необходимости повышения платы за мощности».

Иными словами, потребителю предлагается заплатить за изменившуюся структуру энергопотребления. Пусть, мол, платит за дополнительные мощности, которые требуются в пиковые часы, но простаивают в остальное время.

Такой экстенсивный путь управления спросом (потреблением) вряд ли будет способствовать новому индустриальному скачку. Производителю товаров и услуг и так приходится платить больше за реально потребленные киловатт часы (поскольку и вычислительные мощности, и новейшие средства производства прожорливее традиционных), а теперь ему еще предлагается дополнительно заплатить за мощность.

В России платежи за мощность являются важной составной частью рынка электроэнергии. Оптовые покупатели осуществляют такие платежи в явном виде, конечные потребители — опосредованно. С 2012 года на правительственном уровне всерьез обсуждался вопрос о введении для промышленных потребителей платежей за так называемый сетевой резерв. Определялся этот резерв по-разному — и как разница между заявленной пиковой нагрузкой и реально потребленной электроэнергией, и как объективно необходимый резерв мощности для обеспечения определенных групп потребителей.

В 2016 году было принято решение (видимо, пока временное) не вводить плату за резерв, поскольку это пагубно сказалось бы на развитии обрабатывающих производств. Хотя, повторюсь, потребитель все равно платит за избыточные мощности генерирующих компаний. Но по мере того, как в нашей стране будут все больше проявляться тенденции, характерные для наиболее развитых энергетических рынков — то есть будет расти разрыв между пиковой нагрузкой и средней — вопрос почти наверняка снова будет поставлен.

На первый взгляд, получается замкнутый круг. Для развития новых индустрий и высокотехнологичного сельского хозяйства, а также повышения качества жизни нужна генерация, обеспечивающая снабжение потребителей с «рваным» графиком нагрузок. Такое снабжение требует бóльших мощностей и бóльших простоев, а стало быть стоит денег. Соответствующие расходы рано или поздно будут переложены на потребителя, который таким образом будет лишен необходимых средств для инвестиций в новые технологии.

Тупик? Отнюдь нет.

Во-первых, во всех приведенных выше рассуждениях из активного участия в формировании рынка электроэнергии исключался потребитель. Он может только включать и выключать свое оборудование (телевизор или роботизированный цех — не так важно), но никак не может информировать поставщика о своих потребностях и выбирать различные тарифные планы, как это происходит, например, с интернетом или сотовой связью.

Во-вторых, управление потреблением происходит по экстенсивной схеме и в ручном режиме, что явно не дает никакого эффекта, а затраты при этом растут. Между тем, существуют программные алгоритмы, широко использующиеся в других отраслях (от майнинга криптовалют до управления производством), которые помогут снять если не все, то многие проблемы, связанные с новой структурой потребления электроэнергии.

 

Хранение и блокчейн

Некоторое время назад господствовала точка зрения, что единственным способом борьбы с пиковыми нагрузками является хранение электроэнергии в промышленных масштабах. Идея лежала на поверхности: электростанция в часы (возможно, месяцы) низкого потребления заряжает мощные батареи, которые начинают отдавать в сеть энергию во время пикового спроса на электричество.

Аккумуляторов, чьей емкости хватило бы для надежного и продолжительного (хотя бы 8-10 часов) хранения энергии, вырабатываемой даже весьма средненькой электростанцией, пока не существует. Наибольшие надежды подают так называемые проточные батареи, в которых химические реакции при зарядке и разрядке происходят в двух резервуарах с жидкими электролитами, отделенные от катода и анода полупроницаемой мембраной.

На сегодняшний день самый передовой прототип проточного аккумулятора, созданный в Национальном университете Сингапура, обладает емкостью 0.5 кВт ч на каждый литр электролита. Поскольку конструкция проточной батареи позволяет ее масштабировать практически без ограничений, кажется, что решение задачи хранения электроэнергии уже близко. Проблема, однако, состоит в том, что даже рекордной сингапурской емкости явно недостаточно для промышленного энергохранения. Москва потребляет в год более 50 млрд. кВт ч. Или 5.7 млн. кВт ч в час (в среднем, даже не в пике). Иными словами, потребуется более миллиона литров электролита (или тысяча кубических метров), чтобы в течение часа снабжать десятую часть столицы электроэнергией.

Место для размещения этой уймы жидкости, пожалуй, найдется, но сколько будет стоить такое мегалитическое сооружение? Не получится ли так, что вместо платы за избыточные мощности потребителю придется платить за содержание и амортизацию гигантского парка аккумуляторов? А ведь аккумуляторы — это далеко не все, что требуется для хранения электричества. Нужны выпрямители для зарядки батарей и инверторы для подачи переменного тока в сеть. Помимо дороговизны оборудования, это еще и огромные потери энергии.

Тем не менее, энтузиасты хранения электричества уверены в том, что через 5-7 лет оно будет воплощено в жизнь. Правда, так они думали и пять лет назад, и десять…

Основная проблема тут, на мой взгляд, методологическая. Примерно в 2006-07 гг. исследования в области индустриального хранения электроэнергии полностью монополизировали апологеты «зеленой энергетики». Для них задача ставилась так: каким образом заменить газовые, угольные и мазутные мощности, которые задействуются для коммутации с ветровыми и солнечными генераторами, когда они не функционируют в темное время суток и/или из-за отсутствия ветра. А это уже совсем другая задача.

Кроме того, в данном вопросе исследователи снова «пляшут» от генерирующей компании, а не от потребителя. Представим себе сингапурскую проточную батарею объемом 50 л (совсем небольшой объем) в частном доме. Эта батарея сможет выдать 25 кВт ч электричества, то есть более, чем достаточно для использования, скажем в пиковые часы, то есть тогда, когда (А) сеть наиболее нагружена и (Б) электроэнергия наиболее дорога (в регионах, где введены дифференцированные тарифы для разного времени суток).

Пойдем дальше. Если в промышленных масштабах производство энергии посредством солнечных батарей себя пока не оправдывает, то в домашнем хозяйстве или на небольшом производстве их применение может частично разгрузить сеть и экономить средства потребителя. Во всяком случае, в регионах, где достаточно солнечных дней. И ведь это не завиральные идеи повернутой на «зеленой энергетике» Европы. В частном секторе Крыма солнечные батареи стали появляться на крышах домов уже в 2014 году.

Использование солнечных батарей и аккумуляторов на месте потребления электроэнергии упрощается еще и тем, что для ее использования может вовсе не понадобиться инвертор. Лампочки, которые работают как от переменного, так и от постоянного тока, на рынке уже есть. И чем больше на них будет спрос, тем более массовым станет их производство. А стало быть, ниже цена.

Представим себе, что ни солнечные батареи, ни проточные аккумуляторы не используются вовсе. Возможность маневра для потребителя сохраняется и в этом случае. Если семья или предприятие может выработать такой профиль потребления электроэнергии, который позволит им снижать нагрузку на сеть в пиковые часы за соответствующую скидку от сбытовой компании, то очень многие бизнесы и домохозяйства пойдут по этому пути.

Для того, чтобы реализовать такую систему, необходимо, чтобы у потребителя была возможность выбора и чтобы потребитель, сеть и генерирующие компании обменивались данными, обрабатываемыми компьютерами по алгоритмам, способным выстраивать наиболее выгодные паттерны взаимодействия.

Такие алгоритмы существуют. По ним осуществляют коммутацию в телекоммуникациях и распределенную обработку данных в сети. По ним же майнят криптовалюты. Эти алгоритмы без существенных изменений масштабируются на любое количество узлов сети (в данном случае — участников энергетического рынка) и по известным правилам модифицируются для различной ранговости сети (скажем, может ли потребитель продавать избытки электроэнергии своему соседу или нет и т.п.).

Вице-президент корпорации IBM, руководитель направления энергетики, коммунальных услуг и экологии Стивен Каллахан в интервью агентству Reuters заявил:

«То, что интернет сделал для коммуникаций, блокчейн сделает для доверенных транзакций. И сфера энергетики и коммунальных услуг не станет исключением».

В среде энергетиков все проекты, связанные с обменом информацией между поставщиком электроэнергии и потребителем, цифрофизации отрасли и распределенной обработкой данных с целью оптимизации работы электросетей, обозначаются общим термином Smart Grid (умная сеть).

Во многих странах (США, Великобритании, Австралии, Японии, Сингапуре и др.) уже реализуются проекты «умных сетей», в которых предусматриваются не только интеллектуальные генерация и распределение электроэнергии, но и участие потребителей в производстве электроэнергии.

Так, сингапурский стартап Electrify позволяет пользователям выбирать наиболее выгодный профиль потребления и закупать энергию по лучшим ценам у продавца, гарантирующего лучшее предложение. При этом есть возможность оптимизировать потребление и затраты автоматически, при помощи программы, установленной на любой достаточно мощный гаджет. Компания Origin Energy запустила в Сиднее смарт-сеть, которая начисляет потребителям токены за экономию в часы пиковой нагрузки. Эти токены затем можно использовать для покупки киловатт часов.

Молодая техасская компания Grid+ в 2018 году запускает проект с применением блокчейн-технологий, позволяющий потребителям, владеющим солнечными батареями, покупать и продавать электроэнергию по оптовым ценам. В декабре 2017 года компания Southern California Edison и сбытовая организация CAISO завершили совместное двухлетнее испытание системы «умной сети», в которой потребители могут продавать энергию, накопленную в аккумуляторах своих электромобилей сетевому оператору в пиковые часы. Испытания проводились на базе ВВС США в Лос-Анджелесе при поддержке министерства обороны.

В мире даже появился новый термин для активных пользователей умных сетей — «протребитель» (procumer) — то есть и производитель, и потребитель.

Разумеется, вклад «протребителей» в энергоснабжение даже небольшого города будет весьма скромен. Это, скорее, способ увлечь людей новой технологией и заставить их перестать относиться к электроснабжению как к улице с односторонним движением.

Разумеется, возникает вопрос, есть ли в России подобные наработки? И строится ли что-либо на их основе? Что ж, в данной технологии наша страна ничуть не отстает от лидеров и даже имеет все шансы к 2030 году стать лидером во внедрении умных электрических сетей.

 

Умные сети России

В России программа внедрения и эксплуатации сетей нового поколения осуществляется в рамках Национальной технологической инициативы (НТИ) EnergyNet. Проект осуществляется сразу в нескольких регионах. В Севастополе, Калининграде, Красноярске и Новгородской области уже запущены пилотные проекты. Планируется в самое ближайшее время начать внедрение умных сетей в Екатеринбурге, Москве, Санкт-Перетрбурге и Пскове.

Со стороны руководства страны проект курирует помощник президента РФ Андрей Рэмович Белоусов.

Один из руководителей проекта EnergyNet Павел Ливинский в октябре 2017 года заявил, что в России к 2030 году будет построена полностью цифровая электрическая сеть. Вот что он сказал об основных задачах НТИ на презентации подстанции нового типа в Красноярске:

«Цифровизация [сетей. — Д.Д.] для потребителя означает возможность управлять профилем своей нагрузки, своим потреблением, за счет чего позволяет снизить пиковое потребление и оптимизировать свои затраты на потребление электрической энергии. С точки зрения сетевой организации это возможность сделать сеть полностью наблюдаемой, видимой, удешевить систему и, главное, сделать ее такой, чтобы она в послеаварийном режиме могла самовосстанавливаться, без участия человеческого фактора».

И далее:

«Операционные затраты, как показывают зарубежные аналоги, снижаются на 40%, капитальные затраты… можно будет удешевить на 20%. То есть цифровую подстанцию построить будет дешевле, чем аналоговую».

В декабре 2017 года первый этап EnergyNet был запущен в Валдайском районе Новогородской области. На очереди — Боровичский район, а затем и весь регион. Далее — Екатеринбург, Москва, Питер и Псков. Как отметили в компании «Новгородэнерго», которая осуществляет работы по внедрению НТИ совместно с ПАО «Россети», в реализации элементов умной сети использовалось оборудование и программное обеспечение отечественного производства, что особенно важно в нынешних условиях.

Специалисты EnergyNet считают, что проект обязательно должен внедряться параллельно сразу в нескольких регионах, а не последовательно, начиная с одного пилота. Только при масштабной обкатке новых технологий и алгоритмов можно будет выбрать лучшие решения и обеспечить оптимальное функционирование сети.

Столица, конечно же, тоже участвует в НТИ (цифровым станет Истринский РЭС). Испытание умных сетей в самом энергонагруженном субъекте федерации имеет очень большое значение. И все-таки главное — это внедрение проекта в регионах. Реиндустриализация страны — это региональный, общероссийский процесс. Москва, при всей ее «цифровой продвинутости», слишком избалована новейшими технологиями, слишком постиндустриальна. Русский промышленник будущего, русский фермер будущего, да и простой владелец домохозяйства завтрашней России — вот кому предстоит обустраивать свою жизнь и свою страну. А для этого (ясно, что это не достаточное условие, но, несомненно, необходимое) ему надлежит стать ответственным энергопотребителем.

У EnergyNet есть еще один важный потенциал. Удачная реализация проекта в России позволит экспортировать в любые страны мира оборудование, программное обеспечение и готовые решения для сетевых операторов, городов и целых государств, что позволит нашей стране стать технологическим лидером развитого мира.

Разумеется, и у нас в стране, и за рубежом на пути построения электроэнергетики будущего будет немало препон — и объективного, и субъективного характера. Всегда будут скептики. Никуда не деться от конкуренции, административной инерции и узкоиндустриальной косности мышления. Но по-настоящему прорывные проекты всегда сталкивались с подобными препятствиями.

Умные сети — это еще и очень символичное начинание. Его успех будет означать, что цифровая мощь, которая наращивалась миром (и по больше части использовалась для развлечений), наконец превратится из пожирателя киловатт часов в инструмент их доставки в домохозяйства и индустрии, обеспечивая таким образом повышение качества не только виртуальной, но и реальной жизни людей.

Дмитрий Дробницкий