Цифровизация — это процесс, который уже затронул многие отрасли промышленности и общества и, как ожидается, еще увеличит скорость и влияние преобразований. В настоящее время в энергетике уже реализовано множество цифровых приложений, однако в ближайшие десятилетия ожидаются более радикальные изменения.
Большое значение имеет хорошее понимание того, какие цифровые приложения возможны и каковы связанные с ними преимущества, а также риски с разных точек зрения затронутых заинтересованных сторон. С одной стороны, это основа для широкой общественной и политической дискуссии об общих целях и ориентирах цифровизации. С другой стороны, это важная информация для компаний, необходимая для разработки и устойчивого внедрения информационных технологий.
Что такое цифровизация и цифровая энергетика
Цифровизация — это не новое явление, оно началось несколько десятилетий назад.
Во-первых, коммерческие компьютеры, а также эксперименты с искусственным интеллектом относятся к 1950-м годам. Из-за экспоненциальной скорости развития отдельных цифровых технологий («закон Мура») и эффекта взаимного ускорения использование цифровых приложений все больше ускоряется и, как ожидается, будет продолжать ускоряться в течение десятилетий.
Многие сферы промышленности и общества уже коренным образом изменились благодаря цифровизации. Наиболее яркими примерами являются цифровая фотография и онлайн-торговля. Сегодня каждый день совершается 36 миллионов покупок на Amazon и делается 3,3 миллиарда цифровых фотографий.
Энергетический сектор (в частности, сектор электроэнергетики) претерпел значительные изменения с 2000 года. Некоторые изменения были вызваны, активированы или сопровождались информационными технологиями. Однако принципы цепочки создания стоимости принципиально не изменились.
В ближайшие десятилетия информационные технологии могут привести к значительным изменениям в энергетическом секторе, даже затрагивая саму цепочку создания стоимости.
Хорошее знание ожидаемых цифровых приложений и того, как преимущества и потенциальные недостатки влияют на различные заинтересованные стороны, является важной основой для широкой общественной и политической дискуссии для определения целей и рекомендаций по цифровой трансформации. Кроме того, эти знания актуальны для разработки новых бизнес-моделей.
Таким образом, преимущества, а также потенциальные риски и узкие места с точки зрения различных заинтересованных сторон необходимо проанализировать на раннем этапе, чтобы разработать варианты устранения недостатков и обеспечить возможность использования всех преимуществ.
Термины «цифровизация» и «цифровая энергетика» очень широко используется в различных определениях. В книге Валмюллера «Цифровая трансформация практических знаний» цифровизация описывается как процесс сбора, редактирования, использования и сохранения аналоговой информации на цифровых устройствах хранения данных, а цифровая трансформация рассматривается как применение цифровых технологий.
Международное энергетическое агентство (МЭА) утверждает, что цифровизация описывает растущее применение информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) и что ее можно рассматривать как конвергенцию цифрового и физического миров.
В публикации «Цифровой энергетический сектор» Немецкой ассоциации энергетики и водного хозяйства цифровизация в энергетике определяется как сеть приложений, процессов и устройств, основанных на интернет-технологиях.
Общим аспектом этих определений является то, что цифровизация описывает преобразование, вызванное, облегченное или ускоренное цифровыми приложениями.
Цифровые приложения могут быть основаны на аппаратном и программном обеспечении, но в большинстве случаев представляют собой комбинацию того и другого, так называемые киберфизические системы, в которых используются информационные и коммуникационные технологии ИКТ.
Исходя из этого определения, уже применение первых компьютеров, использующих ИКТ, было частью цифровизации, что согласуется с первоначальным утверждением авторов о том, что цифровизация не является новым явлением.
Часто термин «цифровой» смешивают с ставшим в последнее время очень популярным термином «умный». На самом деле используемый термин «умный» не имеет общепринятого определения. Термин «умный» описывает свойства быть цифровым (в отличие от аналогового), быть подключенным через коммуникационные технологии и иметь возможность обрабатывать информацию (локально или в облаке).
Категоризация приложений в цифровой энергетике
Цифровые приложения в энергетике многочисленны и чрезвычайно разнообразны по своей области применения, предполагаемой выгоде и функциональности. Впоследствии существует множество способов классификации этих цифровых приложений.
Все цифровые приложения можно сгрупирвоать в три категории, в зависимости от области, в которой они оказывают наибольшее влияние:
- Системный баланс — эти приложения помогают выровнять производство энергии, спрос и пропускную способность сети;
- Оптимизация процессов — эти приложения улучшают внутренние процессы и повышают эффективность и результативность;
- Ориентация на клиента — эти приложения предлагают пользователю дополнительные преимущества и увеличивают доходы.
Эти три категории позволяют практически однозначно распределять приложения по разным кластерам. Тем не менее, существуют некоторые приложения, которые можно отнести более чем к одной категории.
В основном это относится к приложениям «оптимизации процессов», таким как «цифровой двойник», который, в зависимости от области его применения, также может помочь улучшить баланс всей системы.
Системный баланс
Цифровизация в основном основана на технологии, которая собирает, передает и анализирует данные, которые затем можно использовать.
Энергетическая система уже очень сложна. Однако с ростом числа децентрализованных генераторов энергозависимой электроэнергии сложность резко возрастает.
Чтобы справиться с этой сложностью и высокой долей неустойчивого производства энергии, необходимо либо принять высокую неэффективность сети и генерирующих мощностей в качестве буферов безопасности, либо использовать информацию о фактическом и прогнозируемом спросе, генерации и мощности сети для активного контроля баланса системы.
Именно здесь цифровизация может принести огромные преимущества. Применяя цифровые датчики, цифровые блоки управления (приводы) и сетевые соединения с генераторами электроэнергии, потребителями и энергосистемами, а также используя доступность информации и возможности дистанционного управления, систему можно контролировать и поддерживать в равновесии (т. е. активно управлять спросом и генерации, в том числе с учетом ограничений пропускной способности сети) более эффективным способом.
Например, для электрических сетей датчики температуры являются одним из важных аспектов мониторинга состояния в режиме реального времени, а дистанционно управляемые трансформаторы и распределительные устройства позволяют контролировать нагрузку, напряжение и частоту даже на низковольтных уровнях распределительной сети. Это часто называют «умной сетью».
Помимо оптимизации механизмов балансировки между генерацией, спросом и состоянием сети, также можно оптимизировать отдельные этапы цепочки создания стоимости на основе цифровых приложений.
Например, рабочая точка электростанций может быть оптимизирована на основе алгоритмов, управляемых данными, с учетом, например, цен на электроэнергию и топливо.
Надежность сети может быть повышена за счет более высокой плотности точек данных о состоянии (например, цифровых датчиков температуры), а цикл заряда-разряда аккумуляторов может быть оптимизирован, например, для максимального увеличения общего срока службы аккумуляторов.
При правильном стимулировании оптимизация отдельных этапов цепочки создания стоимости в целом поддерживает стабильность системы.
Если в прошлом генерация следовала за спросом, то цифровизация позволит спросу следовать за генерацией (в определенной степени) за счет предоставления необходимой информации и инфраструктуры управления.
Эти приложения обобщаются как управление на стороне спроса.
В то время как гибкость промышленного спроса на электроэнергию (например, процессы нагрева и охлаждения) уже частично используется сегодня, потенциал бытового спроса (например, ночное накопительное отопление, тепловые насосы, посудомоечные машины, роботы-уборщики) зависит от одного из основных шагов цифровизации - внедрения умных счетчиков.
Помимо развертывания «умных счетчиков» в качестве центрального устройства связи, бытовые приборы, которые используются для обеспечения гибкости спроса, должны быть подключены к сети и иметь дистанционное управление.
Большая гибкость спроса может быть достигнута за счет аккумуляторов или объединения секторов, например, с электронной мобильностью или газовым сектором с помощью технологий преобразования энергии в газ.
Необходимое оборудование для использования этих гибких возможностей может быть интегрировано и использовано в энергетическом секторе на основе инфраструктуры сбора, передачи и анализа цифровых данных, а также систем дистанционного управления.
Однако одним из важнейших аспектов является определение универсальных стандартов связи устройств для обеспечения функциональной совместимости между потребителями, производителями и устройствами связи.
Благодаря гибкости спроса доля возобновляемой энергии в общем потреблении может быть увеличена при сохранении стабильности сети.
Логично, что гибкость генерирующих единиц, особенно возобновляемых источников энергии, также может быть повышена за счет цифровизации, однако это скорее вопрос регулирования возобновляемых источников энергии.
Гибкие возможности могут быть либо частью «умной сети», если они контролируются оператором сети, либо частью «умного рынка», если они «контролируются» посредством ценового сигнала.
Этими ценовыми сигналами могут быть переменные тарифы для бытовых потребителей или прямое участие в рынке промышленных потребителей, обеспечиваемое «умными счетчиками» и ранее описанной информационно-коммуникационной инфраструктурой.
Гибкие возможности могут быть объединены в виртуальные электростанции, предлагая финансовые преимущества для участников и новые возможности для бизнеса для поставщика услуг.
В целом, инфраструктура сбора и передачи цифровых данных позволяет осуществлять торговлю и генерацию, потребление и управление сетью с более высокой скоростью, тем самым повышая стабильность системы.
Помимо преобразования текущего рынка электроэнергии в «умный рынок» цифровизация может также вызвать более разрушительные изменения, такие как настоящий одноранговый рынок, где децентрализованные производители (производители и потребители, например, домохозяйства с фотоэлектрическими установками) обмениваются энергии в основном региональной установки.
Для этого потребуется цифровая платформа, которая предлагает базовые рыночные функции, а также прямую связь и каналы транзакций между устройствами управления (например, системой «умный дом») участников. Используя «умные контракты», можно достичь высокого уровня автоматизации.
Используя расширенную аналитику на основе исторических и текущих данных, связанных с энергетикой, а также внешних данных, можно делать точные прогнозы выработки, спроса и состояния сети. Это снижает потери в сети и потребность в эксплуатационных резервах, позволяет избежать ненужного усиления сети и сокращает количество случаев, когда необходимо сократить возобновляемую генерацию.
Более высокое количество и качество информации о состоянии энергосистемы также позволяет быстрее обнаруживать ошибки, а в некоторых случаях даже дистанционно устранять их.
Кроме того, решения о строительстве дополнительных генерирующих единиц или внедрении мер по обеспечению энергосистемы могут приниматься на более полной фактической основе.
Оптимизация процессов
Помимо поддержки балансировки энергетической системы, цифровые приложения предлагают большой потенциал для оптимизации внутренних процессов.
Некоторые приницпы оптимизации процессов специфичны для энергетического сектора, в то время как другие можно наблюдать в разных секторах.
Аналитика данных и машинное обучение могут улучшить понимание корреляций и способность определять первопричину аномалий и тем самым помочь определить стратегии профилактического обслуживания.
Несмотря на то, что профилактическое обслуживание позволяет избежать затрат и простоев любого оборудования, оно, в частности, актуально для активов с высокими требованиями к доступности и труднодоступных активов, таких как морские ветряные турбины.
Если данные собираются и тщательно анализируются, можно создать цифровой двойник единиц оборудования, целых активов и даже целых систем.
Цифровые двойники помогают оптимизировать эксплуатацию и техническое обслуживание в соответствии с общими целями. Этими целями могут быть, например: повышение эффективности первичной энергии электростанции, отсрочка инвестиций в сеть, снижение потребления энергии или увеличение ожидаемого срока службы.
Кроме того, цифровизация может помочь улучшить подготовку и документирование строительных и ремонтных работ за счет предоставления предварительной информации о потенциальных проблемах, соответствующих инструкций (на основе виртуальной и дополненной реальности), а также списков материалов и инструментов.
Система управления цифровыми документами может повысить доступность документов и снизить административные расходы.
Многие повторяющиеся задачи можно автоматизировать на основе цифровых решений. В частности, административные задачи, а также некоторая нормативная отчетность могут быть автоматизированы. Автоматизация более сложных и менее стандартизированных задач может потребовать применения машинного обучения.
Соединение внутренних процессов и ИТ-систем с процессами и ИТ-системами клиентов, поставщиков и партнеров может принести пользу.
Преимущество автоматизированных процессов и подключенных ИТ-систем в основном заключается в повышении эффективности, но они также могут привести к более высокому качеству процессов.
Процессы, не связанные с энергией, такие как, например, цепочка поставок, человеческие ресурсы, рекрутинг, определение стратегии, контроль и учет, а также юриспруденция также могут значительно выиграть от цифровизации с точки зрения эффективности процессов или качества продукции.
Ориентация на клиента
Исторически электричество было в основном товаром. Потребители хотели, чтобы электричество было доступным и дешевым.
Опыт прозрачности и удобства в представлении данных в других секторах изменил ожидания клиентов. Тепер потребители становятся все более неудовлетворенными получением расчетных ежемесячных счетов за электроэнергию и корректирующих платежей после показаний физического счетчика, а не полной прозрачностью потребления и затрат.
Эти требования клиентов (дешевая, возобновляемая энергия с высокой прозрачностью и удобством) — то, где цифровые приложения могут создавать преимущества.
«Умные счетчики» являются одним из наиболее важных компонентов приложений «умный дом».
Системы «умный дом» предлагают возможность непрерывно измерять потребление энергии (и, следовательно, автоматически выставлять счета на основе фактического потребления), разбивать потребление на отдельные бытовые приборы и визуализировать эту информацию. Это создает прозрачность и впоследствии дает возможность определить потенциал энергосбережения.
«Умные» устройства могут быть интегрированы в систему «умный дом», а их работа может управляться дистанционно и оптимизироваться вручную или автоматически.
Эти устройства могут быть потребителями энергии (например, стиральные машины), генераторами энергии (например, фотоэлектрическими установками) или накопителями энергии (например, батареями или электронными автомобилями).
Оптимизация этих устройств может снизить энергопотребление или минимизировать стоимость потребляемой энергии, а также максимизировать доходы от производства электроэнергии.
В целом системы «умный дом» и его компоненты могут использовать нейронные сети для изучения привычек клиента и адаптации к ним, например, отопление адаптируется к привычке клиента работать и отдыхать.
Кроме того, можно использовать или создавать новые цифровые каналы взаимодействия с клиентами, такие как WhatsApp, Facebook, онлайн-чаты и онлайн-порталы самообслуживания. Это не только повышает удовлетворенность клиентов, поскольку соответствует их ожиданиям, но также может снизить затраты, особенно если часть взаимодействия осуществляется через ботов или порталы самообслуживания.
Логично, что в систему «умный дом» могут быть включены и неэнергетические услуги. Отслеживая обычные потребительские привычки пожилого человека, система вспомогательного проживания может подать сигнал тревоги, если обнаружит аномалии, которые могут указывать на потенциальную проблемную ситуацию пользователя.
Кроме того, данные датчиков температуры могут использоваться для обнаружения открытых окон и дверей и информирования владельца. В конечном счете, системы безопасности также могут быть интегрированы в системы «умного дома».
«Умный счетчик» также предлагает потенциал для другой услуги, не связанной с энергией. Поскольку шлюз «умного счетчика», включая все подключения к авторизованным получателям данных, должен соответствовать стандарту безопасности, то это безопасное соединение также можно использовать для передачи другой информации, такой как контракты, банковские выписки, и для замены подписи на бумажном носителе. Кроме того, можно использовать сами данные, собранные системами «умного дома».
С одной стороны, его можно использовать для предложения индивидуальных услуг и продуктов, связанных с энергетикой, и даже для прогнозирования реакции клиента на конкретные предложения или события.
С другой стороны, данные могут быть проданы с разрешения клиента компаниям, работающим с данными, например, маркетинговым фирмам. Однако еще не совсем ясно, в каких областях данные о потреблении энергии могут быть наиболее ценными.
Поскольку цифровизация предлагает потенциал для повышения прозрачности по всей цепочке создания стоимости, можно реализовать более дешевое и надежное доказательство происхождения, например, в виде блокчейна. Для электричества это может быть использовано для сертификатов производства возобновляемой энергии.
Вывод
В заключение можно констатировать, что цифровизация – это процесс, начавшийся десятилетия назад и постоянно ускоряющийся. Он уже радикально изменил несколько секторов промышленности.
В энергетике уже реализовано множество цифровых приложений, однако в ближайшие десятилетия можно ожидать более радикальных изменений.
Три области воздействия определены как категории цифровых приложений: «Баланс системы», «Оптимизация процессов» и «Ориентация на клиента», каждая из которых содержит множество отдельных цифровых приложений.
Приложения «Системный баланс» в основном состоят из приложений в областях «умная сеть» и «умный рынок», которые активно контролируют генерацию и потребление, чтобы сбалансировать их на основе инструментов мониторинга, управления и прогнозирования на основе данных.
Приложения «Оптимизации процессов» либо оптимизируют процессы на основе анализа данных, либо автоматизируют процессы на основе робототехники.
В приложениях, ориентированных на клиента, используются различные цифровые технологии, и в основном они направлены на предоставление выгоды клиенту, которая в некоторых случаях может быть монетизирована поставщиком услуг.
Примеры применения современных информационных технологий в электроэнергетике:
Интеллектуальная энергетическая сеть, Smart grid, умная сеть электроснабжения
Интеграция Интернета вещей (IoT) и умных электрических сетей (Smart Grid)
Цифровые технологии в фотоэлектрической энергетике
Умные зарядные устройства для электромобилей (Smart charging)