В статье обсуждаются преимущества интеллектуальной электросети для снижения пиковой нагрузки, повышения эффективности энергопотребления и улучшения экологической обстановки.
Однако правильно спроектированная интеллектуальная электросеть не сможет эффективно улучшить экологическую обстановку без еще одного ключевого участника — разумного и ответственного потребителя. Статья представляет собой перевод [1]. Схожая статья была опубликована в журнале Electronic Products (November 15, 2011).
Современные потребители энергии и энергосбытовые компании согласны с тем, что интеллектуальные счетчики обеспечивают такие преимущества как тарификация с учетом времени суток, точные измерения и устранение необходимости ежемесячных считываний показаний прибора человеком. Но обеспечивают ли интеллектуальные счетчики ощутимую пользу с точки зрения улучшения экологии? С этим согласны не все. В данной статье обсуждается, как интеллектуальные счетчики помогают энергосбытовым компаниям контролировать энергопотребление. Полученные в ходе контроля данные позволяют этим компаниям совместно с потребителями энергии снизить энергопотребление и интегрировать в систему энергоснабжения различные типы возобновляемых источников энергии. В результате выигрывает экология.
«Я не понимаю, в чем состоит польза для экологии от использования интеллектуальных электросетей», — заметил мой двоюродный брат Крис после того, как я рассказал ему об исследованиях моей компании в области «умных электросетей. — Я думаю, что это всего лишь уловка энергосбытовых компаний с целью повышения тарифов». Если бы это был не мой двоюродный брат, а кто-нибудь еще, я бы прервал его и попытался рассказать об интеллектуальном управлении энергией и ресурсами, но мой двоюродный брат работал в энергосбытовой компании в северной Калифорнии в течение 15 лет. Он был очень хорошо осведомлен, поэтому я слушал дальше: «Электричество подобно воде. Оно течет от источника ко всем потребителям. Интеллектуальные счетчики не экономят, а просто подсчитывают энергию, когда ее расходуют». Все это является правдой.
Я был убежден в том, что интеллектуальные счетчики — это хорошая вещь, которая приносит пользу как с точки зрения энергосбережения, так и экологии, а также обеспечивает лучшее техническое решение старой проблемы. Но, по сути, я не очень представлял себе, как именно интеллектуальные электросети могут снизить энергопотребление. И я решил тщательнее рассмотреть этот вопрос.
Оказывается, интеллектуальные счетчики потенциально могут принести огромную пользу окружающей среде. Две критически важные функции — уменьшение пиковой нагрузки и распределенная генерация — стали реальными благодаря коммуникационным возможностям корректно спроектированной интеллектуальной электросети и заинтересованным потребителям. Эти функции помогают снизить энергопотребление, особенно в критичные периоды времени. Они также помогают эффективно интегрировать в электросеть различные типы возобновляемых источников энергии, таких как солнечные панели и ветроэнергоустановки. К тому же, первые проекты по внедрению интеллектуальных счетчиков в электросети оказались успешными. Эти успехи привели к значительным инвестициям в производство интеллектуальных счетчиков, как средств снижения энергопотребления и внедрения возобновляемых источников энергии. Один вопрос, однако, остался открытым: правильно спроектированная интеллектуальная электросеть не сможет эффективно улучшить экологическую обстановку без еще одного ключевого участника — разумного и ответственного потребителя.
Для некоторых интеллектуальная электросеть просто означает новые приборы учета расхода электричества, газа и воды, используемые в собственном хозяйстве. Для других интеллектуальная электросеть представляет собой нежелательный источник радиочастотных помех, который подключен к счетчику вне здания. Для третьих интеллектуальная электросеть — это новый тип сети, которая соединяет все устройства, потребляющие электричество.
Многие люди полагают, что если бы Томасу Эдисону нужно было сейчас вернуться на Землю, то он легко узнал бы старую электросеть. Работая при сравнительно небольших колебаниях тарифов за последние 75 лет, энергосбытовые компании не имели достаточно стимулов для модернизации существующей инфраструктуры. Кроме того, потребители привыкли к такой системе, когда они бесконтрольно тратят энергию, а затем оплачивают ее в конце месяца или по истечении более длительного срока.
Интеллектуальная электросеть — это, действительно, новая сеть. И поскольку это новая сеть, она накладывается поверх существующей инфраструктуры силовой сети. Электроэнергия контролируется в точках генерации, распределения и потребления. Результаты измерений затем передаются в пределах сети. Это позволяет энергосбытовым компаниям и потребителям принимать быстрые и взвешенные решения о состоянии электросети. Точно таким же образом, как смартфоны обеспечивают быстрый доступ к информации, интеллектуальная электросеть позволяет нам и энергосбытовым компаниям получить быстрый доступ к данным, связанным с энергоснабжением. Представьте себе, что можно было бы измерить энергопотребление каждой крупной единицы оборудования, результаты измерений передать в компьютер, а энергосбытовая компания могла бы их обработать и предъявить потребителю! Такой уровень информативности действительно открывает возможность определения источников непроизводительной траты энергии и стимулирует к ее экономии.
Интеллектуальные счетчики электроэнергии отслеживают (т.е. измеряют) энергопотребление в бытовых и производственных условиях и передают полученные данные энергосбытовым компаниям, как правило, с 15-минутным интервалом. Эта задача, называемая учетом электроэнергии, выполняется самим счетчиком. Учет электроэнергии должен быть весьма точным и надежным, чтобы коммунальные службы имели корректные данные об энергопотреблении, а потребители не получали завышенных счетов на оплату. Полупроводниковые приборы обеспечивают наиболее современные способы измерения электроэнергии. Одним из таких устройств является система на кристалле 71M6541D компании Maxim, которая позволяет точно измерять электроэнергию в типовом бытовом счетчике.
Процесс передачи данных об энергопотреблении в энергосбытовую компанию также выполняется полупроводниковыми приборами. Эти устройства используют в качестве канала связи либо сеть электропитания, либо беспроводную сеть. Технология связи по линиям электропередачи имеет преимущество в низком уровне радиочастотного излучения и эффективна для счетчиков, к которым затруднено проникновение РЧ-излучения (например, к расположенным в подвальном помещении). Микросхемы MAX2991 и MAX2992 от компании Maxim представляют собой законченный чипсет для построения надежной связи по линиям электропередачи между счетчиком и энергосбытовой компанией.
Интеллектуальная электросеть выходит за пределы счетчиков и проникает на предприятия и в дома. Центры обработки данных, фабрики и бытовая техника — все становится «умным», когда их оборудуют измерительными, а иногда и коммуникационными устройствами. Измерение величины потребляемой энергии и передача полученных данных в энергосбытовую компанию или домашнюю сеть называется измерением, или учетом электроэнергии.
Генерация электроэнергии с помощью возобновляемых источников также основана на учете электроэнергии. Примером может служить измерение электроэнергии, генерируемой солнечными батареями, установленными на крыше здания. Эффективное измерение электроэнергии также должно быть точным и надежным. Система на кристалле 78M6612 от компании Maxim обеспечивает высокоточные измерения электроэнергии для разнообразных приложений.
С точки зрения энергосбытовой компании интеллектуальные счетчики (как часть интеллектуальной электросети) обеспечивают возможность снижения пиковой нагрузки. Управление энергопотреблением во время максимального спроса на электроэнергию представляет собой реальную проблему для коммунальных служб.
На рисунке 1 показаны данные об энергопотреблении в теплый солнечный день в центральных штатах США. Представьте себе жаркий солнечный рабочий день. До 7 ч утра энергопотребление находится на весьма низком уровне. После утреннего подъема вы включаете телевизор, кофе-машину и освещение. Электросеть начинает испытывать возросшую нагрузку, поскольку все делают одно и то же. Вскоре вы включите компьютер на своем рабочем месте, и в офисе заработают кондиционеры. На промышленном предприятии начнут работать электромоторы. Оборудование, работающее в течение дня, требует постоянного охлаждения, поскольку генерирует дополнительное тепло. После рабочего дня, когда люди приходят домой и включают кондиционеры и бытовую технику, энергопотребление все еще высоко. Потребление электроэнергии обычно достигает максимума вечером и падает, когда температура воздуха снижается, и активность людей уменьшается.
Как энергосбытовые компании справляются с такими колебаниями энергопотребления? Следует помнить об одной важной вещи — коммунальные предприятия имеют очень мало возможностей для того, чтобы обеспечить запас энергии. Не существует крупных аккумуляторов, способных сохранять то количество энергии, которое требуется для снабжения города или крупного района. Энергосбытовые компании должны иметь достаточно мощностей для производства энергии, чтобы быстро обеспечивать пиковое потребление и гарантировать достаточный запас, избегая отключения энергоснабжения для отдельных потребителей.
Рис. 1. Реальные данные по энергопотреблению в ряде центральных штатов США 14 июля 2011 г. График предоставлен Советом по электроэнергетической безопасности штата Техас (см. www.ercot.com/gridinfo/). В зимнее время энергопотребление ниже, поскольку во многих отопительных приборах используется природный газ
|
Обычная энергосбытовая компания обеспечивает свою базовую энергетическую нагрузку совместно с гидроэлектрическими и тепловыми станциями. Оба типа станций представляют собой надежные источники электроэнергии, но гидроэлектростанции слишком медленно реагируют на изменение потребления в режиме реального времени. Топливные и газовые турбины способны реагировать на это быстрее, и в случае резких изменений энергопотребления могут увеличить генерирование электроэнергии в течение дня. Солнечные панели также обеспечивают дополнительную поставку энергии в дневное время в солнечные дни. Именно таким способом энергосбытовые компании контролируют и поставляют электроэнергию на протяжении десятков лет. Теперь рассмотрим интеллектуальную электросеть.
Представим себе такой же жаркий день и полностью реализованную сеть точных интеллектуальных счетчиков, обеспеченных надежной связью. При росте потребления утром интеллектуальные счетчики передают данные в режиме реального времени в энергосбытовую компанию с 15-минутными интервалами. Любая точка повышенного энергопотребления быстро идентифицируется.
Вооруженные данными об энергопотреблении, энергосбытовые компании вводят тарификацию в зависимости от времени суток. В соответствии с этим подходом тарифы за электроэнергию для пользователей устанавливаются на самый высокий уровень в период пикового спроса. С целью уменьшения сумм счетов на оплату, потребители, коммерческие предприятия и центры обработки данных могут передать энергосбытовой компании или сторонней организации функцию контроля своей энергосистемы. При возрастании температуры энергосбытовые компании могут удаленно регулировать термостаты кондиционеров. Это позволит сэкономить электроэнергию лишь при небольшом повышении температуры в доме и офисе. При этом конечный пользователь будет испытывать минимально возможные сбои в энергоснабжении.
В середине дня энергосбытовые компании получат немедленную отдачу от работы возобновляемых источников энергии, генерируемой с помощью силы ветра и солнца. Представляющие собой точки распределенной генерации, эти источники производят значительную часть энергии для электросети и могут быть расположены в ближайшей точке от места ее потребления. Используя децентрализованную распределенную генерацию, энергосбытовые компании задействуют меньшее число дополнительных генераторов, работающих на менее экологичном топливе, чем возобновляемые источники энергии. Улучшенный механизм управления и получения данных позволяет энергосбытовым компаниям работать с меньшим запасом относительно действующей нагрузки. В будущем при увеличении нагрузки в качестве источников возврата электроэнергии энергосбытовым компаниям можно будет использовать электромобили, подключенные к станциям зарядки. К концу дня такие интеллектуальные электросети снижают пиковую нагрузку во время максимального потребления энергии. Это позволит сэкономить энергию и сократить мощности, необходимые для производства энергии.
Благодаря своей гибкости интеллектуальные электросети могут работать с более высокой мощностью вне периода пикового потребления энергии с тем, чтобы обеспечить заряд электромобилей, использованных ранее в качестве источников энергии, и позволить потребителям включать свои кондиционеры на более длительное время. Теоретически ближе к вечеру электроэнергия будет вырабатываться экологически более чистыми источниками, например, гидроэлектростанциями или другими типами возобновляемых источников энергии.
В конечном итоге потребители и энергосбытовые компании придут к заключению, что уменьшая пиковую нагрузку и используя распределенную генерацию от возобновляемых источников энергии, можно уменьшить нашу зависимость от экологически вредных источников.
Здесь некоторые могут возразить, что все это хорошо и даже очень хорошо, но давайте подождем, пока не увидим, что это нормально работает каждый день и в любом месте. Конечно, преимущества интеллектуальной электросети теоретически весьма велики при условии, что потребители и коммунальные службы работают совместно, чтобы сэкономить энергию, но подтверждены ли они в реальных условиях?
Впервые на практике интеллектуальные счетчики в крупных масштабах были внедрены в 2001–2006 гг. в Италии. Итальянская энергосбытовая компания Enel использовала их с целью снижения затрат. Сейчас около 85% итальянских потребителей имеют интеллектуальные счетчики. В реальности это означает применение около 40 млн счетчиков. В компании Enel ежегодную экономию от установки счетчиков оценивают в размере 750 млн долл. Тарификация в зависимости от времени суток и информированность потребителя являются наиболее важными механизмами экономии средств. Некоторые потребители отметили 50-% экономию своих счетов. Снизились также затраты на необходимость технического обслуживания электросчетчика и ручное снятие его показаний.
Под давлением общественного мнения положительные изменения произошли и в поведении потребителей. В 2009 г. энергосбытовая компания Connexus Energy из Миннесоты получила распоряжение от властей о ежегодном снижении энергозатрат на 1,5%. Меры по снижению энергопотребления, такие как генерирование энергии с помощью возобновляемых источников и более эффективное распределение, лишь частично обеспечили бы требуемое снижение. Ситуация была совершенно ясной: компании Connexus Energy нужно было потребовать от своих потребителей снизить расход энергии. В результате компания установила партнерские отношения с консалтинговой фирмой для реализации новой программы обучения и тарификации. В адрес 40 тыс. индивидуальных потребителей был разослан отчет, в котором сначала сравнивалась величина потребляемой ими энергии с данными от ста их ближайших соседей, имеющих подобные дома, а затем — от 20% лучших домохозяйств, экономящих энергию. Чтобы обеспечить честное сравнение Connexus Energy создала также группу контроля 40 тыс. потребителей, которые не получали ежемесячной информации об используемой энергии. В течение всего 2009 г. общественное мнение было настроено в пользу экономии электроэнергии. В результате потребители снизили энергопотребление на 2% и сэкономили от 20 до 30 долл. за год каждый. Совокупная экономия составила более 1 млн. долл. Впоследствии 98,7% участников этой программы предпочли продолжить свое в ней участие.
В настоящее время правительство США активно финансирует программы развития интеллектуальных электросетей в сумме 4,5 млрд долл. в рамках акта American Recovery and Reinvestment 2009 г. Целью этих программ является повышение энергоэффективности, снижение пикового потребления и интегрирование распределенных возобновляемых источников энергии. Новые программы финансирования работ по внедрению интеллектуальных счетчиков существуют сегодня по всему миру в разных странах.
Данные показывают, что интеллектуальная электросеть способна улучшить экологию благодаря снижению потребления энергии, интеграции в систему возобновляемых источников и сохранения энергии. Однако нельзя забывать, что эти преимущества не могут быть достигнуты без корректно спроектированной электросети, а также без просвещения и участия потребителей. Нет такого механизма, который может повысить уровень знаний и изменить привычки потребителей. Интеллектуальные счетчики, солнечные панели и электромобили — это всего лишь объекты торговли. Поэтому успешность интеллектуальной электросети зависит от нас — умных потребителей.
Для получения дополнительной информации обращайтесь к официальным дистрибьюторам компании Maxim в РФ (http://russia.maxim-ic.com/sales).