Operation and integration of energy systems

Зміст лекції

1. Вступ
2. Локальні енергетичні системи
3. Хто є споживачами локальних енергетичних мереж?
4. Критична інфраструктура
5. Розподілена генерація
6. Дві бізнес-моделі зменшення витрат на енергоносії
7. Висновок
8. Активні посилання (НПА, стандарти, ресурси)
9. Глосарій
10. Запитання для самоперевірки

1. Вступ

Сьогодні ми поговоримо про експлуатацію та інтеграцію енергетичних систем на рівні населених пунктів і навіть окремих домогосподарств. Йтиметься про різні мережі — електричну, теплову, газову та водопровідну, — і про те, як вони взаємодіють між собою. Крім того, розглянемо поняття розподіленої генерації, енергоменеджменту, управління попитом, а також типи проєктів розподіленої генерації та їхні особливості.

Ми всі стали енергетиками

Колись суспільство чітко ділилося: були енергетики, які виробляють і передають енергію, і були споживачі, які просто користуються тим, що їм подають.
Але часи змінилися. Ми всі, фактично, стали енергетиками. І не лише тому, що через обстріли з’явилися графіки аварійних відключень, які кожен відчув у себе вдома чи на роботі.

Змінилася сама енергетика.

Винаходи, що змінили цивілізацію

Є речі, які докорінно змінюють життя цивілізації. Наприклад, мобільний телефон чи автоматична пральна машина. Вони повністю перевернули уявлення про комфорт, про організацію побуту.

Так само відбувається зараз в енергетиці.

Енергетична революція останніх років

Прогрес останніх років у цій сфері змінив правила гри:

• сонячні панелі стали масово доступними;
• системи накопичення енергії почали вироблятися в промислових масштабах.

Тепер кожен споживач — і промисловий, і побутовий — може бути не просто пасивним «отримувачем» електроенергії. Він має можливість обирати, як, коли і з яких джерел її споживати.

 

2. Локальні енергетичні системи

Експлуатація та інтеграція енергетичних систем

Коли ми говоримо «енергетичні системи», у великих енергетиків одразу виникають асоціації: енергосистема України, європейська енергосистема, об’єднання ENTSO-E. Це ті назви, які сьогодні всі чули й добре знають.

Але ж енергетичні системи — це не лише щось глобальне і далеке. Це ще й кожен окремий споживач, розкиданий по всій Україні. І от саме про це ми сьогодні й говоритимемо: про експлуатацію та інтеграцію тих енергетичних систем, які реально існують у кожному населеному пункті, в кожній територіальній громаді.

Ми подивимося на них з узагальнюючої точки зору. Адже іноді навіть у законодавстві виникає плутанина: в одному законі термін трактується так, а в іншому — вже інакше. Тобто, є певні неузгодженості у визначеннях, які створюють практичні проблеми і для енергетиків, і для споживачів.

Локальні енергетичні мікросистеми

Сьогодні ми не будемо говорити про велику електроенергетичну систему України. Замість цього зосередимо увагу на тому, що ближче до кожного з нас, — на сукупності енергетичних мікросистем, які функціонують на території конкретного населеного пункту.

Зазвичай у місті чи селищі паралельно працюють одразу кілька мереж, які забезпечують життєдіяльність споживачів:

• електрична мережа;
• теплова мережа;
• газова мережа;
• водопровідна мережа.

Зверніть увагу: вода формально не є енергоносієм. Але без водопостачання інші системи фактично не працюють. На 99% водопровідна мережа інтегрована з електричною, адже всі насоси й системи управління живляться від електроенергії. Тож ми розглядаємо її як невід’ємну частину локальної критичної інфраструктури.

Отже, маємо чотири базові мережі — три енергетичні й одну життєво необхідну. Але тут виникає важливий нюанс: з юридичної точки зору вони можуть мати різних власників. Десь усі мережі належать громаді, а десь — абсолютно різним компаніям чи навіть приватним особам.

Наприклад:

• газорозподільчі мережі зазвичай належать облгазам;
• частина електричних мереж — обленерго або районним електромережам, які є їхньою складовою.

Тобто, варіантів власності може бути кілька, і це створює як технічні, так і управлінські виклики для громади.

 

3. Хто є споживачами локальних енергетичних мереж?

У кожному населеному пункті до цих мереж підключені різні категорії споживачів. Це не лише «звичайні люди», а дуже різні групи, кожна з яких має свої особливості.

1. Фізичні особи.
   Це домогосподарства, які отримують газ, тепло, електроенергію чи воду для повсякденних побутових потреб.
2. Бюджетні установи.
   Сюди належать лікарні, школи, дитсадки, органи місцевого самоврядування. Їхнє енергопостачання напряму пов’язане з якістю соціальних послуг у громаді.
3. Комунальні підприємства.
   Вони належать громаді. Частина з них може працювати з прибутком (наприклад, водоканали чи теплокомуненерго), а інші — бути дотаційними і підтримуватися з місцевого бюджету.
4. Приватний бізнес.
   Підприємства, торгові центри, виробництва — усі вони формують економіку громади і водночас є важливими споживачами енергоресурсів.

Кожна з цих категорій має свої вимоги і умови:

• вартість енергоносіїв, за якими вони купують;
• умови договорів постачання;
• рівень надійності, який вони очікують (наприклад, резервування чи гарантованість безперебійного живлення);
• обсяги споживання;
• параметри енергоносіїв на межі балансового розділення (тобто на «точці стику» з мережею).

Час безперебійної роботи і вразливість мереж

У кожної інженерної мережі — свої «ліміти витривалості».

• Вода. Якщо немає води два-три дні — це ще терпимо, хоча вже створює серйозні проблеми.
• Тепло. А от якщо взимку зупинилася теплова мережа — наслідки критичні: замерзають будівлі, руйнуються системи, збитки величезні.
• Світло. Без електрики населений пункт може протриматися годину-дві. Далі — відсутність зв’язку, колапс транспорту, параліч роботи лікарень і підприємств.

Тобто кожна мережа має різну «чутливість» і вартість відключення. Саме тому так важливо дивитися на них не окремо, а як на єдину систему, де все має бути збалансоване.

 

4. Критична інфраструктура

Що таке критична інфраструктура?

Об’єкти критичної інфраструктури — це ті підприємства чи системи, збій у яких одразу створює серйозну загрозу для безпеки, економіки чи життєдіяльності населення.

• Якщо брати офіційне визначення, критична інфраструктура — це сукупність об’єктів, важливих для економіки та національної безпеки.
• Порушення їх роботи шкодить життєво важливим національним інтересам.

На рівні громади ми говоримо про життєво необхідні функції та послуги, які забезпечують органи влади, підприємства і організації будь-якої форми власності. Їхня зупинка відразу відчувається людьми.

Підходи у світі

У законодавстві існують два підходи:

• Американський.
  До критичної інфраструктури відносять великі підприємства — локомотиви економіки: нафтохімію, суднобудування, космічну галузь.
• Європейський.
  Наголос робиться на мінімальному наборі послуг, без яких неможливе нормальне життя населення. Це:
  • органи державної влади,
  • поліція,
  • зв’язок,
  • лікарні,
  • водопостачання та каналізація,
  • теплопостачання в опалювальний сезон,
  • електропостачання,
  • постачання продуктів харчування.
• Часто сюди додають транспортні лінії, мости.

Європейські дослідження показують: якщо цей мінімальний набір працює — держава виконує свої функції, і населення може жити у відносно нормальних умовах.
Якщо ж випадають одна-дві складові, відразу виникають серйозні проблеми у сфері життєзабезпечення людей.

Життєво важливі послуги в українському законодавстві

В українському законодавстві всі ці послуги відносять до життєво важливих. І збій будь-якої з них у межах населеного пункту — це вже маленька катастрофа для громади.

Ми говоримо про чотири базові мережі — електричну, теплову, газову та водопровідну. Вони разом забезпечують критичні потреби людей. Але важливий нюанс: цей набір не є обов’язковим і універсальним.

• Є населені пункти без газової мережі.
• Десь може не бути централізованої теплової системи.
• В окремих селах відсутнє централізоване водопостачання.

У кожному випадку ситуація абсолютно унікальна.

Принцип взаємозаміщення

Коли однієї з мереж немає, її функції частково перебирає на себе інша.

• Немає централізованого тепла — люди ставлять електрообігрівачі чи твердопаливні котли.
• Немає водопроводу — функцію бере на себе газ і електрика для індивідуальних насосів чи свердловин.

Тобто система завжди намагається компенсувати втрату за рахунок інших ресурсів.

Те ж саме на рівні домогосподарств

Для окремої родини чи будинку все працює за тим самим принципом. Якщо відсутня одна з послуг, доводиться заміщати її іншими видами енергії чи ресурсів.

Це і є практичний прояв інтеграції енергетичних систем на місцевому рівні: усі мережі взаємопов’язані, і збій в одній неминуче відгукується на інших.

 

5. Розподілена генерація

Розподілена генерація: визначення та підходи

Сьогодні надзвичайно багато говорять про розподілену генерацію. І тут ми бачимо цілий спектр думок — від крайності до крайності. Хтось переконаний: розподілена генерація може врятувати всю країну. Мовляв, якби ми одразу її збудували, то ворогу було б невигідно «працювати» по кожній котельні, бо влучити у всі об’єкти одночасно просто нереально.

Що ж говорить українське законодавство?
У нас є чітке визначення: розподілена генерація — це електростанція потужністю до 20 МВт, приєднана до місцевих розподільчих мереж.

У світовій практиці визначень декілька. Найчастіше маємо на увазі відносно невелику електростанцію, яка працює саме на локальних споживачів у межах певної території. Це може бути:

• сонячна станція,
• міні-ГЕС,
• когенераційна установка.

Локальні енергетичні хаби

Сьогодні одним з найбільш перспективних напрямів вважається створення локальних енергетичних хабів.
Що це таке? Це невеликі системи на місцевій території, де одночасно поєднуються 2–3 види енергоносіїв — електроенергія, біопаливо, природний газ тощо. Вони проєктуються з урахуванням місцевого споживання електрики й тепла. Такий підхід дає:

• більшу економічність,
• зниження витрат кінцевих споживачів,
• підвищення енергетичної незалежності громади чи бізнесу.

Український і європейський підходи

У більшості європейських країн у визначенні розподіленої генерації наголошується: це локальна генерація, яка має конкретного місцевого споживача і працює через розподільчі мережі саме для його потреб.

У чому різниця з нашим визначенням?

• Якщо ми кажемо: «електростанція приєднана до мережі», — то вона працює на ринок. Її покупець невідомий, клієнт — абстрактний.
• А от коли ми знаємо, що клієнт тут же, на цій території, і коли власником розподіленої генерації є громада або бізнес, який збудував станцію для себе, то мотивація зовсім інша.

Такий власник виходить із потреб власної діяльності:

• не будує зайвого,
• не будує меншого,
• думає не тільки про окупність, але й про надійність.

Ми добре знаємо: для себе завжди будують краще. І саме це формує нові тренди у розвитку енергетики.

Види електростанцій розподіленої генерації

Які ж види електростанцій розподіленої генерації реально можна поставити саме у вашій громаді, на конкретній території?

Очевидно, що масштаб обмежений. Ми не можемо поставити десятки вітряків. Але 2–3 невеликі вітрові установки потужністю до 1 МВт — це цілком можливо.

Що ще?

• Класична теплова електростанція невеликої потужності.
• Когенераційна установка, яка одночасно виробляє і тепло, і електроенергію.
• Міні-ГЕС, яка може стати надійним джерелом електроенергії для громади, якщо є відповідний рельєф та водні ресурси.
• І, звичайно, сонячні панелі — на дахах будинків, підприємств чи у вигляді наземних станцій.

Поєднання джерел

Найкраще, коли на одній території поєднані кілька різних джерел енергії. Тоді система працює гнучкіше: десь сонце, десь вітер, десь когенерація. І якщо все це грамотно скоординовано зі споживанням, то громада отримує значно більшу економічність і надійність.

Але важливо розуміти: технічно неможливо досягти ідеального, 100% балансування. Завжди будуть відхилення, які треба компенсувати або з ринку, або за рахунок інших резервних потужностей.

Власники і приклади проєктів розподіленої генерації

Треба пам’ятати, що у кожного виду генерації може бути зовсім інший власник. І цей власник має свої бізнес-інтереси, свої технічні та фінансові можливості, а іноді навіть працює у трохи іншому правовому полі. Тому й погляд на прибутковість чи готовність інвестувати в розвиток у всіх різний.

Подивімося на конкретні приклади:

1. Енергонезалежність громад через ВДЕ.
   Класика жанру: громада встановлює сонячну чи вітрову станцію, щоб зменшити залежність від зовнішніх постачальників.
2. Аварійна розподілена генерація (когенерація).
   Це невелика ТЕЦ або когенераційна установка, яка може включитися в разі аварії чи перебоїв у постачанні.
3. Енергокооперативи.
   Коли люди або підприємства об’єднуються і разом будують генерацію для спільних потреб.
4. Електростанція інвестора, що працює в ринок.
   Тут мотивація інша: інвестор будує, продає електроенергію в ринок, а громада отримує побічні вигоди, наприклад — податки чи робочі місця.
5. Велике підприємство з когенерацією.
   Завод чи фабрика зводить власну котельню з когенерацією. Але при цьому додає можливість віддавати тепло і електрику й у навколишні будівлі.
6. Побутова сонячна станція до 35 кВт.
   Домогосподарство встановлює СЕС для власних потреб, іноді ще й віддає надлишок у мережу.

Важливість і особливості

Кожен із цих варіантів має різну цінність для енергосистеми. Для стабільної роботи всі вони важливі по-своєму: десь дають резерв, десь підвищують гнучкість, десь додають безпеки.

Але не треба забувати: у кожного типу є і свої проблеми. Наприклад, для когенерації це — доступність палива; для СЕС — обмеження по приєднанню; для великих підприємств — питання тарифів і продажу надлишків. Усі ці фактори впливають на стійкість роботи місцевих розподільчих мереж.

Розвиток розподіленої генерації

Колись, у радянські часи, енергетика будувалася за простим принципом: «у держави є необмежені потужності, і для кожного споживача знайдеться стільки енергії, скільки йому потрібно». Для цього зводилися величезні, надскладні електростанції, а система була максимально централізованою й глобальною.

Але сьогодні все змінилося. Тепер споживач, який хоче мати власну генерацію, має дуже широкий вибір обладнання. Це може бути тепловий насос, газопоршнева когенераційна установка, сонячна електростанція— або ж комбінація цих технологій. Початкові потужності таких комплексів починаються від 50 кВт, і завдяки сучасним системам керування вони працюють у цілком надійних автоматичних режимах.

Що це дає?

• Комунальні підприємства, малий бізнес, а іноді навіть і домогосподарства можуть забезпечити себе дешевими енергоносіями для власних потреб.
• Вони можуть вийти на ринок електроенергії як активні споживачі і навіть отримувати додатковий дохід.
• А ще вони отримують власну «зелену» енергію без потреби купувати гарантії походження.

Ключове питання

Коли громада чи окремий споживач планує створювати власні мережі або локальні джерела енергії, треба чесно відповісти собі: чого ми хочемо?

1. Якщо мета — постійна і гарантована наявність електроенергії та тепла без обмежень, тоді потрібно:
   • будувати великі обсяги власної генерації;
   • встановлювати накопичувачі на 5–8 годин роботи;
   • виходити на ринок електроенергії для продажу надлишків;
   • створювати локальну мікромережу, яка може працювати в режимі «енергоострова»;
   • організувати єдиний центр енергоменеджменту і диспетчерського управління.
2. Якщо ж головна мета — зменшення вартості енергоносіїв і самого володіння енергетичним обладнанням, тоді підхід інший:
   • будівництво генерації для кожного бюджетного споживача лише в межах окупності;
   • встановлення накопичувачів на 1–2 години роботи — також тільки у межах окупності;
   • підтримка громадою встановлення сонячних панелей і невеликих акумуляторів у домогосподарствах.

Громада і населення

Якщо громада хоче допомогти всім своїм жителям, найпростіше подбати, щоб кожен отримав мінімальний комплект: кілька сонячних панелей, інвертор, лічильник і невеликий накопичувач.

Але тут є проблема: інтегрувати населення в єдину модель громадської енергетики надзвичайно складно. У кожного свої механізми фінансування, свої дотації, і скласти їх в одну систему непросто.

І останнє

Якщо ми вже визначилися, чи будуємо енергоострів, чи просто хочемо зменшити витрати, потрібно розрізняти два поняття, які часто плутають: енергозбереження і енергоменеджмент. Вони не однакові, і про це ми зараз поговоримо окремо.

 

6. Дві бізнес-моделі зменшення витрат на енергоносії

Давайте подивимось на проблему з точки зору громади. Вона, як власник, утримує комунальні та бюджетні підприємства. Її головна мета — зменшити витрати на оплату енергоносіїв, але при цьому забезпечити людей комунальними послугами у повному обсязі та належної якості.

Аналогічно думає і побутовий споживач. Різниця лише в тому, що він діє у трохи іншому правовому полі.

Модель 1. Енергозбереження

Це про зменшення обсягу енергоносіїв, які споживаються.
Приклади:

• утеплення будинків, нова теплоізоляція;
• сучасні системи вентиляції з рекуперацією тепла;
• економічні лампи освітлення;
• часткова відмова від комфорту (менша температура в приміщенні взимку тощо);
• енергоефективні побутові прилади;
• власна генерація з ВДЕ (сонячні панелі, малі СЕС).

Модель 2. Енергоменеджмент

Це про зменшення вартості оплати за енергоносії, але без обмеження споживання.
Як це працює:

• перенесення енергоспоживання на дешевші нічні години;
• повна передоплата за пільговими тарифами;
• накопичення тепла й електроенергії у власних акумуляторах чи теплових баках;
• власна генерація з ВДЕ, але з правильним керуванням і продажем надлишків.

На рівні громади комунальний менеджмент у більшості випадків не інтегрований і не зведений у єдину систему. Що це означає на практиці?

Кілька підприємств — школи, лікарні, адміністративні будівлі, водоканал — кожне саме собі веде облік і контролює споживання. Але ніхто не складає єдиний енергетичний баланс. Громада не знає точно:

• скільки всі підприємства разом споживають енергоносіїв;
• скільки загалом витрачається з бюджету на електроенергію та тепло для бюджетних установ.

А це ключова цифра. Якщо громада справді хоче управляти своїми витратами, треба подивитися, яку частку бюджету становлять енергоносії.

Якщо це 20% і більше, то це вже критичний сигнал: без енергозбереження й системного енергоменеджменту громада ризикує «з’їдати» п’яту частину своїх коштів лише на оплату комунальних ресурсів.

У Європі це звична практика: кожна громада має свій центр. Вони дивляться на енергопостачання як на єдиний район, куди заходить електроенергія з трансформаторної підстанції. Їм не важливо, хто саме споживає — населення, лікарня чи завод. Головне — єдиний баланс і можливість управляти.

Кожен, хто хоче інтегрувати свої мережі й управляти ними, може це зробити. Так, це потребує часу й коштів. Але є велика кількість програм, що допомагають.

Приклади донорських програм

• В Україні 5 років працювала програма ООН, яка постачала «розумні» білінгові системи для ЖКГ і бюджетних підприємств. Багато громад отримали їх безкоштовно.
• Є програми, які надають сонячні панелі для лікарень і шкіл, допомагають інтегрувати їх у роботу.

Тобто, інструментів достатньо — потрібно лише правильно організувати роботу громади.

 

7. Висновок

Кожна громада чи домогосподарство має дати собі відповідь:

• Чого ми хочемо? Максимальної автономії (енергоострів) чи мінімізації витрат?
• Які ресурси маємо: кошти, обладнання, доступ до донорських програм?
• Чи готові ми інтегрувати енергетичні системи в єдиний центр енергоменеджменту?

У Європі це вже норма — у кожній громаді є центр енергоменеджменту. В Україні такий підхід лише починає впроваджуватися, але для нас це один із ключів до енергетичної безпеки та розвитку.

 

🔗 Активні посилання

• Закон України «Про критичну інфраструктуру» (Відомості Верховної Ради (ВВР), 2023, № 5, ст.13) https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/1882-20#Text
• Закон України «Про енергетичну ефективність» (Відомості Верховної Ради України (ВВР), 2022, № 2, ст.8) https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/1818-20#Text
• Закон України «Про ринок електричної енергії» (Відомості Верховної Ради (ВВР), 2017, № 27-28, ст.312) https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/2019-19#Text
• DIRECTIVE (EU) 2023/1791 OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 13 September 2023 on energy efficiency and amending Regulation (EU) 2023/955 (recast) https://eur-lex.europa.eu/eli/dir/2023/1791/oj/eng
• Regulation (EU) 2019/941 of the European Parliament and of the Council of 5 June 2019 on risk-preparedness in the electricity sector and repealing Directive 2005/89/EC  https://eur-lex.europa.eu/eli/reg/2019/941/oj/eng
• ENTSO-E – Європейська мережа системних операторів передачі електроенергії – офіційний сайт:  https://www.entsoe.eu/
• CIGRÉ (Conseil International des Grands Réseaux Électriques) – офіційний сайт: https://www.cigre.org/