Управление спросом на энергию.Опыт США.

Введение
Энергетика оказывает существенное влияние на промышленность, в особенности в наше время.
Для любого производственного предприятия, как, впрочем, и всей городской инфраструктуры,
важен стабильный и бесперебойный режим работы. А это уже зависит от эффективной
деятельности энергопроизводящих компаний. За этим тщательным образом следят энергетики.
Причем данная профессия стала даже престижной, однако на специалиста еще возложена
большая ответственность. Но что такое энергетик? Хороший вопрос, который требует
продуманного ответа.
3
Глава 1 Актуальность формирования практики управления спросом на энергию
1.1.Теоретические аспекты управления спросом
Даже до появления механизмов явного управления спросом. Значительный потенциал
управления спросом сосредоточен у потребителей розничного рынка – средних и малых
потребителей, а также в бытовом секторе. Однако ресурс управления спросом отдельного
розничного потребителя слишком мал, чтобы удовлетворять требованиям, предъявляемым на
оптовом рынке, а издержки на взаимодействие с системным оператором и/или оператором
оптового рынка слишком высоки. Механизмы трансляции экономического эффекта от снижения
нагрузки на оптовом рынке розничному потребителю также отсутствуют. Поэтому использование
этого потенциала требует специальных нормативных, организационных и технических решений. В
мировой практике решением, обеспечивающим участие в управлении спросом розничных
потребителей, стало создание специализированных организаций – агрегаторов нагрузки.
Агрегаторы нагрузки – это участники оптового рынка электроэнергии, которые управляют
изменением нагрузки группы потребителей, чтобы продавать совокупность регулировочных
способностей Этих потребителей как единый объект в качестве товара/услуги на оптовом рынке
и/или на рынке системных услуг.
Агрегаторы нагрузки могут быть независимыми компаниями или поставщиками электроэнергии
(сбытовыми компаниями). Агрегатор занимается поиском потребителей, потенциально способных
без ущерба для технологического цикла изменять потребление, проводит оценку имеющихся у
потребителей возможностей разгрузки, разрабатывает оптимальные алгоритмы участия в
программах управления спросом, оснащает потребителей необходимыми средствами
автоматизации, приборами и устройствами. Агрегатор нагрузки заключает с потребителями
розничного рынка договоры оказания услуг по изменению нагрузки их оборудования на заданную
величину, определенное договором количество раз по выдаваемому заранее уведомлению.
Агрегатор осуществляет прием сигналов на изменение потребления (в виде графиков нагрузки,
диспетчерских команд и т.д.) от инфраструктурных организаций в соответствии со всеми
предъявляемыми на оптовом рынке требованиями, распределяет необходимый объем разгрузки
между потребителями и информирует их в удобном формате – электронное письмо, sms,
телефонный звонок или дистанционный сигнал непосредственно в систему управления
оборудованием.
1.2.Мировые тренды
Одним из фундаментальных ограничений традиционных рынков электроэнергии является
неэластичность спроса – потребление электроэнергии практически не зависит от цен на рынке. В
этих условиях активной стороной, определяющей конечную стоимость продукции, являются
производители электроэнергии. При этом потребители, в том числе имеющие собственные
генерирующие объекты, обладают значительным потенциалом изменения потребления в ответ на
изменение условий на рынке, использование которого могло бы влиять на цены на
электроэнергию, повысить конкуренцию на рынке, снизить необходимость строительства
избыточных генерирующих и сетевых мощностей.
4
Развитие телекоммуникаций, широкое распространение систем автоматизации и автоматики, а
также эволюция развитых рынков электроэнергии привели к появлению концепции управления
спросом (demand response), предполагающей повышение эластичности спроса путем
целенаправленного воздействия на оборудование потребителей при возникновении
соответствующих экономических или технологических условий. Основные цели управления
спросом на электроэнергию – уменьшение пиковой нагрузки в энергосистеме, необходимое как
для снижения цен на рынке электроэнергии, так и для предотвращения избыточного
капиталоемкого строительства электростанций и электрических сетей, оптимизация управления
энергосистемой и интеграция возобновляемых источников энергии.
В управлении спросом могут принимать участие различные виды оборудования промышленных,
сельскохозяйственных, коммерческих и бытовых потребителей. Основные возможности участия в
управлении спросом для потребителей связаны со смещением графика потребления на периоды
более низких цен, остановом или снижением интенсивности производственного процесса,
полным или частичным отключением систем освещения, вентиляции и кондиционирования, а
также использованием собственных источников, включая запуск резервных источников питания
или отключение от сети на изолированную работу с покрытием собственного потребления от
резервного источника питания.
В общем случае потребители, участвующие в программах управления спросом, не снижают
интегральные значения потребления, смещая его с пиковых периодов на внепиковые.
Соответственно, участие потребителя в управлении спросом не должно приводить к снижению
отпуска товарной продукции, уменьшению количества или снижению качества оказанных услуг и
т.п. Потенциал снижения пиковой нагрузки в энергосистеме за счет использования программ
управления спросом составляет, по различным оценкам, 10-15% от величины пиковой нагрузки [2,
3].
1.3.Опыт управления спросом в США и Европе
Баланс производства и потребления в энергосистемах многих стран обеспечивается не только
загрузкой генерирующих мощностей, но и снижением потребителями своей нагрузки тогда, когда
это экономически выгодно. Во всём мире объём этого «рынка мощности потребителей» в 2016
году составят, по оценкам экспертов, 39 ГВт, из которых 28 ГВт – на территории Северной
Америки. В России также запускается механизм управления спросом потребителей, но в связи с
особенностями развития ЕЭС, на такие объёмы, как в США, он в ближайшие годы не выйдет.
Экономическое управление спросом потребителей (англ. – demand response, DR) начало
применяться в США в 70-е годы в рамках «Программы по рационализации спроса», направленной
на сбережение электроэнергии и более эффективную загрузку мощностей. Регуляторы придумали
правила, стимулирующие предприятия сокращать своё потребление в пиковые периоды спроса –
либо совсем останавливая производство в эти часы, либо перенося основную нагрузку на другое,
менее пиковое время.
В отличие от аварийного управления, при котором потребители вынужденно отключаются в
случае необходимости восстановить баланс в энергосистеме, demand response подразумевает, что
потребитель добровольно снижает своё энергопотребление в те моменты, когда сигналы с рынка
говорят о выгодности такого ограничения.
5
Механизм demand response активно развивался с 70-х годов во всём мире, но в первую очередь –
в США. По данным аналитической компании Navigant Research, в 2015 году рынок DR составил $2
млрд, а к 2023 году он вырастет до $12,8 млрд. Из общемировых DR-мощностей в 39 ГВт (прогноз
Navigant Research на 2016 год), 28 ГВт (72%) работают на территории Северной Америки. Дело в
том, что в США из-за особенностей формирования системы электроэнергетики (независимых
энергосистем, включающих один или несколько штатов с децентрализованным управлением)
остро стояла проблема сбалансированности спроса и предложения, так как дефицит резерва
ограничивал возможность манёвра. Энергосистемы в штатах начали укрупняться и объединяться
только в последние десятилетия.
Глава 2.Demand Response – новый механизм рационализации спроса
2.1. Баланс между производством электроэнергии и потребление в США
В качестве примера участия в управлении спросом коммерческих потребителей можно привести
компанию Walmart. Walmart — один из лидирующих участников на рынках управления спросом в
США, в том числе за счет значительной оснащенности магазинов системами интеллектуального
учета[14]. При получении сигнала о необходимости разгрузки система управления потреблением
(англ.)(energy management system, EMS) реагирует на него в соответствии с заданным алгоритмом
снижения нагрузки, воздействуя на системы вентиляции и кондиционирования, освещение и
холодильное оборудование[15][16]. Вместе с дочерней компанией Sam’s Club Walmart участвует в
17 программах управления спросом, организованных муниципалитетами, инфраструктурными
организациями и системными операторами, включая ISO New England, California ISO и PJM. В этих
программах задействовано примерно 1300 магазинов, расположенных в 23 штатах[17].
С точки зрения поддержания баланса между производством и потреблением электроэнергии
снижение нагрузки полностью эквивалентно увеличению генерации[18]. При последовательном
соблюдении этого принципа не существует препятствий для участия ресурсов потребителей в
работе на рынках электроэнергии, мощности или системных услуг. На практике на большинстве
рынков в различных странах существуют различные административные, регулятивные,
технические и технологические барьеры для участия потребителей в управлении спросом. Тем не
менее, существуют рынки с широким участием ресурсов потребителей.
2.2. Измерение и верификация в США. Измерение объема разгрузки потребителей
Определение объема разгрузки потребителей, участвующих в управлении спросом – одна из
важнейших составляющих формирования программ управления спросом. Следует отметить, что,
несмотря на наличие большого количества материалов, посвященных отдельным аспектам и
методам определения объема разгрузки потребителей, обобщающих работ на эту тему
относительно немного. Настоящий раздел разработан, в основном, на базе [16] как одной из таких
обобщающих работ. При разработке конкретных методик оценки объема разгрузки потребителей
целесообразно провести тщательный анализ используемых в мировой практике подходов и
воспользоваться наиболее успешными наработками. Создание механизмов участия потребителей
в оптовом рынке в качестве ресурса управления спросом опирается на базовый принцип,
заключающийся в том, что изменение нагрузки должно рассматриваться как эквивалент
изменению генерации.
6
Соответственно представляется естественным требовать, чтобы изменения нагрузки измерялись с
той же точностью, которая требуется при измерении количества произведенной генератором
электроэнергии. При этом количество электроэнергии, выработанной электростанцией, может
быть определено путем непосредственного измерения. В отличие от генерации изменение
нагрузки потребителем не может быть измерено непосредственно и подлежит расчету. Вместо
этого измерение эффективности ресурса управления спросом предполагает сравнение
наблюдаемой нагрузки теоретической нагрузкой, которая имела бы место в отсутствие
управления спросом. Оценку нагрузки в условиях, которые мы не можем непосредственно
наблюдать, обязательно содержит какую-то ошибку.
Несмотря на то, что теоретическая нагрузка не является наблюдаемой, эти ошибки можно
оценивать и контролировать. При адекватном дизайне программы управления спросом и
процедур измерения и верификации (measurement & verification, M&V) управление спросом
предоставляет надежный, измеримый и верифицируемый ресурс на розничном и оптовом
рынках. Трудность, с которой сталкиваются разработчики и администраторы программ
управления спросом, заключается в том, что рассмотрение нагрузки как ресурса создает основную
проблему оценки: как точно измерить то, что невозможно наблюдать непосредственно. Не
существует однозначного, неопровержимого способа измерить какой нагрузка была бы.
2.3. Классификация типов программ управления спросом (американская модель)
2.3.1.Классификация NERC
В литературе наиболее широко используется классификация типов программ управления
спросом, предложенная NERC (North American Electric Reliability Corporation, Североамериканская
корпорация по надёжности электроэнергетики) и ее модифицированные версии (рис. 5).
Источник: Demand Response Availability Data System (DADS):Phase I & II Final Report. Report.
Princeton: NERC, 2011. В редакции The Demand Response Paradox. The Importance of Markets and
Policy to Demand Response White Paper; CGI, 2016
Управление спросом и энергоэффективность часто рассматриваются как компоненты более
широкого понятия Demand-Side Management. Устоявшегося перевода термина Demand-Side
Management на русский язык не существует. ЕБРР предлагает следующие варианты [17]:
• рационализация спроса;
• регулирование спроса;
• управление спросом.
Далее в настоящем документе термин Demand-Side Management будет передаваться в переводе
«рационализация спроса»4. Рационализация спроса – это глобальный термин, охватывающий
разнообразную деятельность, такую как управление нагрузками, энергоэффективность,
энергосбережение и т.п. В целом в настоящее время наблюдается тенденция использования
термина «рационализация спроса» в качестве зонтичного термина без строго определенного
содержания, объединяющего разнообразную деятельность, направленную на оптимизацию
7
потребления. Целям настоящего документа соответствует определение из раздела «Термины и
определения» и аналогичные, например:
Под рационализацией спроса понимаются программы, воздействующие на нагрузку потребителя
в целях обеспечения соответствия текущим или прогнозным возможностям энергосистемы.
Рационализация спроса состоит из двух главных компонентов – управления спросом и
энергоэффективности [18].
2.3.2.Классификация по видам потребителей и ресурсов
При оценке охвата потребителей программами управления спроса, определении доли различных
сегментов потребителей используются классификации, подразделяющие потребителей на
промышленных, коммерческих, сельскохозяйственных и бытовых, например [20]:
• Бытовые потребители,
• Малые коммерческие и промышленные (Commercial & Industrial, C&I),
• Средние коммерческие и промышленные,
• Крупные коммерческие и промышленные,
• Сельскохозяйственные.
Очевидно, что границы между малыми, средними и крупными потребителями проводятся
произвольно в зависимости от конкретных целей и условий.
2.3.3. По способу предоставления ресурса
PJM выделяет три способа управления нагрузкой:
Непосредственное управление нагрузкой (Direct Load Control, DLC) –
дистанционное управление оборудованием потребителя (в типичном случае– кондиционерами,
водонагревателями и т.п.) непосредственно из операционного центра администратора
программы управления спросом (агрегатора). Потребители во многих случаях могут быть не
оснащены интервальными приборами учета (поскольку объем снижения потребления при таком
управлении известен, фиксируется только факт разгрузки),
Заключение
В заключении можно отметить, что все потребители оптового рынка электроэнергии получают
положительный эффект за счет снижения цены на электроэнергию в периоды разгрузки
участников программы ценозависимого потребления. В долгосрочной перспективе стоимость
электроэнергии может быть снижена также за счет уменьшения инвестиций в генерирующие и
сетевые объекты.
8
Потребители электроэнергии, участвующие в программах управления спросом, получают
следующие эффекты:
•потребители, не оптимизирующие в настоящее время оплату мощности, получают доход от
участия в программах управления спросом,
•потребители, участвующие в оптимизации платежа за мощность путем смещения потребления из
часов пик региона, при переходе в программы управления спросом получают сопоставимый
экономический эффект при меньшем количестве разгрузок,
•потребители, рассматривающие целесообразность отказа от централизованного
электроснабжения за счет строительства собственной генерации, получают альтернативу в виде
участия в управлении спросом, позволяющую получить сопоставимый экономический эффект при
сохранении преимуществ централизованного электроснабжения.