Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 193

К оглавлению

Опубликовано04 октября 2013

Двадцать лет назад альтернативная энергетика была голубой мечтой — о чистом воздухе и бесконечных ресурсах. Сегодня — и совершенно незаметно для нас, живущих в России, где, не считая гидроэлектростанций, доля возобновляемых источников энергии составляет меньше одного процента в общей выработке, — мечта превратилась в реальность и... головную боль! Нет, ветряки не стали вдруг генерировать углекислоту, и для солнечных батарей по-прежнему предостаточно места. Но всплыли другие проблемы — в основном, скажем так, переходного возраста. В следующие десять–двадцать лет миру предстоит не только значительно ослабить зависимость от ископаемого топлива, но, что важнее, мягко, без последствий, заместить его энергией (прежде всего) солнца и ветра.

В последние несколько лет, сразу и как-то вдруг, стало понятно, что никто не задумывался всерьёз над тем, сколь тяжёлым окажется первое столкновение новой «чистой» и классической «грязной» (основанной главным образом на сжигании — угля ли, газа, производных нефти) энергетики. Проблемы, порождённые этим столкновением, уже не бумажные, не теоретические, а самые что ни на есть жизненные. К примеру, около месяца назад немецкий энергогигант RWE AG (номер первый по объёмам генерации в Германии, играющий и заметную роль в Европе) предупредил, что намерен сократить свои генерирующие мощности (газовые и в меньшей степени угольные) на 6% — в ответ на сокращение спроса на электроэнергию и сильное её удешевление (цены на электричество в Германии упали до минимального уровня с 2004 года).

Причиной же обоих факторов стала отчасти больная экономика, но в большей степени конкуренция со стороны компаний, эксплуатирующих ветряные и солнечные инсталляции. В RWE говорят так: многие обычные электростанции в Европе теперь убыточны — и виновата в этом прежде всего солнечная энергия! Схожие трудности испытывает и главный конкурент RWE, гигант E.ON.

Кто-то скажет: замечательно! И европейские законодатели с этим в общем согласны и продолжают субсидировать «чистую» генерацию и подталкивать к закрытию наиболее вредных для окружающей среды обычных электростанций. Однако в той же Германии, которая по объёмам альтернативной выработки идёт чуть ли не впереди планеты всей (20% её электропотребления сегодня удовлетворяется ветром, солнцем и им подобными) уже наметилась обратная тенденция: субсидии альтернативщикам планируется урезать. Почему? Правительство Меркель волнует не столько судьба «бедствующих» энергогигантов, сколько ситуация с энергобезопасностью страны. Но чем же плохи солнечные батареи и ветряки? Ведь солнце едва ли погаснет, а ветры — перестанут дуть. Нет, не погаснет и не утихнут, но у «чистой» энергии есть специфические особенности, к которым нужно приноровиться. А до тех пор, уменьшая классическую генерирующую базу, Германия (да и любой другой регион) лишает себя резервных мощностей, которые можно будет задействовать в случае возникновения непредвиденных ситуаций. И это только часть проблемы.

Чтобы представить сложность задачи, стоящей перед энергетиками, вообразите сеть из сотен узлов: одни потребляют электричество, другие его выдают. Каждый узел хоть и связан только с ближайшими соседями, естественно, в некоторой степени зависит и от функционирования даже самых отдалённых узлов сети: ведь если где-то рвётся линия, выходит из строя генератор, то нагрузка на другие линии и узлы моментально меняется — и где-то может банально не хватить толщины проводов, где-то окажутся недостаточно мощны трансформаторы на районных подстанциях, где-то электростанции не смогут покрыть локальных потребностей. Задача эта настолько сложная и многоуровневая, что энергетики низводят её до пресловутого «сферического тела в вакууме»: узлы представляют точками, линии — графами, у каждого элемента свой набор параметров — и получается матрица чисел, обсчитываемая на компьютере. (Интересно? Электротехнические факультеты ждут вас!)

Но появление значительного объёма альтернативных генерирующих мощностей усложняет задачу ещё на порядок. И в США, и в Европесейчас запущены большие государственные программы изучения тех эффектов, которые возникнут в энергосетях при расширении доли альтернативной генерации хотя бы до одной трети. Конечная цель — гарантировать, во-первых, что потребители не останутся без электроэнергии, а во-вторых — что обычные электростанции смогут работать и будут заинтересованы в этом. Таким образом, задача разбивается на две — и обе в значительной степени ложатся на плечи компьютерных систем и айтишников.

Что касается первой, то она возникает оттого, что альтернативные генераторы производят электроэнергию в зависимости не от текущих потребностей (как угольные или газовые станции), а от капризов погоды и времени суток. Кроме того, даже места установки «чистых» электростанций сложно увязать с нуждами потребителей (понятно: ветру и солнцу нет дела до того, как много электричества нужно жителям данного района). Всё это требует передачи электроэнергии сравнительно дальше и, соответственно, пересчёта/перестройки существующих линий электропередач. Но это требует и более точного контроля состояния электросетей в каждый отдельный момент.

Представьте, во что превратится вышеупомянутая матрица, если в сети появится значительное количество альтернативных источников электроэнергии. Каждый дом сможет переходить от потребления к генерации, отдавая избытки электричества в сеть. И если раньше генерация шла только в отдельных узлах (собственно на электростанциях), то здесь всплески мощностей будут непредсказуемы ни во времени, ни географически! Так что мало спроектировать электросеть, которая выдержит такие нагрузки, нужно ещё научиться перетоками энергии управлять, а это требует очень быстрой реакции.

Сегодня, как говорят специалисты, контроль электрических сетей реализован на технике и технологиях с невысокой частотой дискретизации. Как диспетчеры, управляющие перетоками энергии в сетях, контролируют их состояние? С помощью так называемых SCADA-систем — попросту множества датчиков, разбросанных по линиям и подстанциям, информация с которых передаётся на общий пульт мониторинга, где наглядно визуализируется компьютерами. Однако (сильно упрощая) существующие SCADA-системы не способны работать с событиями короче нескольких секунд. Чтобы наделить сеть такой способностью, её необходимо насытить сенсорами и техникой, работающими очень быстро и без участия человека, — в общем, сделать «умной» (есть такой расхожий термин: smart grid). Здесь электроэнергетика пересекается с областью задач big data.