Які ключові переваги розумних електричних систем?

Покращена надійність електромережі завдяки самовідновлювальним можливостям

Ризик відмови інфраструктури — у чому причина?

Застаріла високовольтна енергетична інфраструктура, що забезпечує передачу енергії на території всієї країни, стикається з експоненційним зростанням частоти відмов. Понад 70 % ліній електропередачі у Сполучених Штатах мають вік понад 25 років. Відключення електроенергії, спричинені погодними умовами, зросли на 200 % з 2000 року (Доповідь Міністерства енергетики США щодо модернізації енергосистеми, 2023 р.). Зношена інфраструктура — зокрема трансформатори, кабелі та комутаційне обладнання — під час пікового навантаження може призводити до каскадних відмов. Це коштує енергопостачальникам у середньому 740 000 доларів США за кожну годину відключення (Інститут Понемона, 2023 р.). Цей постійно зростаючий ризик підкреслює необхідність модернізації енергосистеми.

Автоматичне виявлення та ізоляція аварій у розумних електричних мережах

Технології IoT та ШІ використовуються для активного сканування розумних електричних систем з метою виявлення несправностей. У разі виникнення аномалії ізольовані вимикачі автоматично відключають уражену ділянку мережі. Це означає, що електроенергію можна перенаправити через альтернативні шляхи повністю автономно. Така функція самовідновлення скорочує тривалість ремонтних робіт та перерв у постачанні електроенергії на 90 % порівняно з традиційними системами, які залежать від ручного ремонту та діагностики.

Показник реагування Традиційна електромережа Розумна електромережа
Час виявлення несправності 30+ хвилин <1 секунда
Швидкість ізоляції Ручна, години 2–5 секунд
Кількість уражених споживачів 1000+ <50

Висновки з пілотного проекту само-відновлювальної електромережі в Чаттанугі

Само-відновлювальна розподільна система Chattanooga EPB, одна з перших у США, продемонструвала, як надійність може позитивно трансформуватися. Після завершення повномасштабного розгортання системи комунальне підприємство змогло досягти
+ 40 % скорочення загальної кількості хвилин перерв у постачанні електроенергії,
+ 60 % зменшення середньої кількості споживачів, уражених під час кожної події,

Автоматична реконфігурація з урахуванням наявності екстремальних погодних умов у реальному часі під час буревісної реконфігурації електромережі, щоб продемонструвати архітектуру самовідновлення, простоту енергосистеми та її стійкість до кліматичних змін. 20 років тому навантаження на мережу перевищувало норму лише в 45 % випадків (NREL, 2023).

Безперервна інтеграція джерел відновлюваної енергії

Усунення проблеми переривчастості за допомогою динамічного балансування навантаження

Погода визначає обсяг виробництва електроенергії з сонячних та вітрових джерел, що означає змінну генерацію з таких джерел. Один із способів зменшення цієї змінності — використання розумних електричних систем, які забезпечують динамічне балансування навантаження або перерозподіл електроенергії в мережі в реальному часі на основі даних з датчиків та прогнозних алгоритмів. Наприклад, некритичні промислові навантаження можна переносити на ті часові вікна, коли виробництво енергії є максимальним, що зменшує відхилення відновлюваної енергії до 19 % (IRENA, 2021). Цей метод сприяє стабілізації мережі за напругою та частотою без потреби у будівництві дорогого нового обладнання.

Зв’язок від постачальника електроенергії до споживача та координація розподіленої генерації

Традиційна електрична мережа не забезпечує достатньої видимості та контролю для управління тисячами різноманітних і децентралізованих активів — будь то акумуляторні системи зберігання енергії, сонячні електростанції на дахах чи спільнотні мікромережі. Інтелектуальні електричні мережі вирішують цю проблему шляхом впровадження двосторонніх каналів зв’язку, що дозволяє постачальникам електроенергії управляти та контролювати розподілені активи майже в реальному часі. Наприклад, надлишкова електроенергія, отримана від домашніх сонячних фотovoltaїчних систем, може використовуватися для заряджання акумуляторів EV у години пікового навантаження. Такий рівень контролю перетворює пасивного споживача на активного «про-споживача» (prosumer), що сприяє створенню саморегулюючих енергосистем і зменшує загальний рівень впровадження технологій розумних мереж на 8–12%.

Оптимізована відповідь на попит для зменшення навантаження на систему в години пікового споживання

Річні витрати на надмірне будівництво потужностей для задоволення пікового навантаження у США становлять 27 млрд дол. США

Щоб задовольнити рідкісні короткотривалі пікові потреби (наприклад, літні спалахи спеки), постачальники електроенергії змушені забезпечувати генераційну та передавальну потужність у надлишку порівняно з тією, що фактично потрібна. Це призводить до оцінкових щорічних витрат у розмірі 27 млрд дол. США для економіки США (Міністерство енергетики США, 2023 р.), що збільшує вартість електроенергії для споживачів і перенаправляє кошти від інших критично важливих та стратегічно значущих інвестицій. Використання технологій «розумної електромережі» може допомогти зменшити це навантаження, забезпечуючи динамічну відповідь на попит, яка дозволяє ефективно керувати й контролювати споживання під час пікових навантажень без необхідності будувати нову інфраструктуру. Це призводить до покращення роботи системи та зниження експлуатаційних витрат.

Автори пояснюють, як працюють «розумні» електричні системи та як вони сприяють економії в експлуатації й поліпшенню екологічного стану.

Використовуючи розумні електричні системи, клієнти можуть отримувати сповіщення в реальному часі щодо цін, навантаження на мережу (коли попит перевищує пропозицію) та команд на рівні пристроїв. Сповіщення надаються через розумні лічильники або підключені побутові прилади й призводять до автоматичних, схвалених користувачем коригувань (наприклад, зміни заданого значення термостата або відкладення запуску насоса басейну). У пілотних проектах це призвело до зниження пікового споживання на 15–20 % від залишкової залежності від пікових електростанцій, що працюють на викопному паливі. Це також дозволяє краще інтегрувати відновлювані джерела енергії, зміщуючи еластичний попит у відповідність із доступністю чистої енергії.

Розумні електричні системи мають додаткову перевагу у вигляді екологічних економій, що, у свою чергу, призводять до економії в експлуатації. Автоматизація сприяє зменшенню обсягів моніторингу електромережі, який є трудомістким і коштує 15–30 % витрат, а також запобігає передчасному виходу з ладу трансформаторів (прогнозуюче технічне обслуговування), що усуває ризик аварійного відключення, продовжує термін служби активів і дозволяє уникнути витрат на аварійний ремонт. Усі ці ефективні заходи сприяють зменшенню необхідного надлишкового піку потужності, який, за даними Департаменту енергетики США, створює щорічне навантаження в розмірі 27 млрд доларів. Крім того, оптимізована балансування навантаження сприяє зменшенню обсягів спалювання викопного палива для забезпечення енергією системи в періоди пікового навантаження. Інтелектуальні енергетичні системи можуть знизити викиди CO₂ електромережі на 8–12 %, а також забезпечити енергозбереження за рахунок зменшення втрат у лініях електропередачі та використання відновлюваних джерел енергії в періоди їх доступності. Розумні електричні системи є економічною й екологічною необхідністю для міст, що прагнуть до сталого розвитку.

Часті запитання

Що таке самовідновлювальна електрична мережа?

Автоматизоване ізолювання та усунення несправностей: самовідновлювальні електричні мережі використовують поєднання штучного інтелекту та датчиків Інтернету речей (IoT) для перенаправлення електроенергії та виявлення несправностей. Самовідновлювальні електричні мережі значно зменшують тривалість відключень порівняно з традиційними електричними мережами.

Як технологія розумних електричних мереж підвищує надійність?

Надійність покращується завдяки технології розумних електричних мереж за рахунок моніторингу в реальному часі та управління несправностями. Автоматизовані технології підвищують надійність і скорочують тривалість відключень. Покращена надійність збільшує ефективність розподілених енергетичних ресурсів та динамічного балансування навантаження для централізації електричної мережі.

Які переваги інтеграції відновлюваних джерел енергії з розумними електричними мережами?

Динамічне балансування навантаження в поєднанні з розумними електромережами та відновлюваними джерелами енергії мінімізує втрати електроенергії й одночасно оптимізує використання ресурсів. Інтеграція відновлюваних джерел енергії та розумних електромереж є позитивним кроком, оскільки вона зменшує коливання виробництва енергії й ефективно керує розподілом енергії з мінімальними втратами під час передачі.

Що таке динамічна відповідь на попит?

Динамічна відповідь на попит регулює споживання електроенергії відповідно до сигналів у реальному часі від електромережі. Керування попитом за допомогою динамічної відповіді в періоди пікового навантаження підвищує стабільність мережі й зменшує необхідність додаткового будівництва для задоволення цього навантаження.