Переход к «зеленой» энергетике требует расширения использования возобновляемой энергетики и значительные финансовые вложения в новые технологии и инфраструктуру, включая создание более гибких электрических сетей, систем доставки и распределения газообразных и жидких видов топлива на основе ВИЭ, систем хранения энергии, распределения и контроля энергообеспечения зданий и сооружений.

Наиболее важной задачей является интегрирование ВИЭ в существующие энергетические сети.

Существующие проблемы:

1. ВИЭ имеют широкий диапазон мощностей;
2. вырабатываемая энергия зависит от времени суток и времени года;
3. расположение ВИЭ определяется существующим потенциалом (могут отсутствовать потребители вырабатываемой энергии);
4. характеристики вырабатываемой энергии могут отличаться от традиционных источников.

Решаемые задачи:

1. учет мощности существующих электросетей;
2. график нагрузки;
3. синхронизация частоты (отклонение частоты от стандарта);
4. нахождение оптимальных пропорций возобновляемой и традиционной энергии для обеспечения устойчивого функционирования сети (capacity credit).

Следует отметить, что возобновляемые источники энергии отличаются по возможности интеграции в общественные сети. Наилучшие условия для устойчивого функционирования в составе сети имеют электростанции, использующие концентрированное солнечное излучение, гидроэнергетику и биоэнергетику.

Интеграция ВИЭ в системы отопления и кондиционирования. Как видно из рис. 1 в системах отопления и кондиционирования воздуха могут применяться практически все виды ВИЭ, производящие тепловую и электрическую энергию. Оптимальный вариант – это сбор всех видов энергии на энергетическом узле поселения и распределение ее в систему энергообеспечения зданий и сооружений в соответствии с потребностями. Пользователь будет потреблять энергию от ВИЭ не с обезличиванием способа ее производства. Доведения характеристик энергии до требуемого уровня качества будет осуществляться на энергетическом узле.

Рис. 1. Интеграция ВИЭ в системы отопления и кондиционирования

Интеграция ВИЭ в системы газификации. Основной источник возобновляемого метана – биогазовые установки. Биогаз в основном используется в локальных газовых сетях. Для подключения к глобальным сетям необходимо обеспечить требуемую степень чистоты биогаза. Альтернатива газовых сетей – транспортировка биогаза в цистернах (рис. 2).

Рис. 2. Интеграция ВИЭ в системы газификации

Необходима оптимизация потребления биогаза: в системах отопления; выработки электроэнергии; заправки транспорта; сжижения и т. п., а также создание систем его хранения (рис. 3).

Рис. 3. Использования биогаза 

Умные сети (Smart Grid). Задачи подключения ВИЭ к энергетическим сетям могут быть оптимизированы на основе использования «умных сетей» (рис. 4). Особенностью решения задач оптимизации на основе умных сетей является использование элементов искусственного интеллекта, нейронных сетей, на основе которых осуществляется поиск наиболее оптимальных вариантов решения задач с использованием предыдущего опыта аналогичных задач, опыта ведущих экспертов в этой предметной области.

Рис. 4. Концептуальное построение «умных сетей» в области возобновляемой энергетики

Следует отметить, что принятие решений с использованием «умных сетей» может осуществляться в online режиме, с использованием всех современных оперативных видов связи (Интернет, мобильная и радиосвязь) (рис. 5).

Характеристики Smart Grid:

• способность к самовосстановлению после сбоев в подаче электроэнергии;
• возможность активного участия в работе сети потребителей;
• устойчивость сети к физическому и кибернетическому вмешательству злоумышленников;
• обеспечение требуемого качества передаваемой электроэнергии;
• обеспечение синхронной работы источников генерации, в том числе ВИЭ, и узлов хранения электроэнергии;
• появление новых высокотехнологичных продуктов и рынков;
• повышение эффективности работы энергосистемы в целом.

Рис. 5. Применение современных средств связи при реализации концепции «умные сети»

Реализация концепции Smart Grid на основе нового базиса позволит обеспечить следующие основные принципиальные технологические изменения в электроэнергетике по сравнению с традиционной энергосистемой:

1. переход от централизованных систем генерации и доставки энергии к распределенным, с возможностью обеспечения управления генерацией и топологией сети в любой точке, включая и потребителя;
2. переход от централизованного прогнозирования спроса к активному потребителю, который становится элементом и субъектом системы управления;
3. переход от жесткого диспетчерского регулирования (управления) к другому уровню координации работы всех субъектов сети;
4. переход на Smart-технологии контроля, учета и диагностики активов, позволяющие обеспечить процесс самовосстановления и самолечения активов, а также обеспечивать их эффективное функционирование и эксплуатацию;
5. создание высокопроизводительной информационно-вычислительной инфраструктуры как основного элемента энергетической системы;
6. создание предпосылок для широкого внедрения нового технологического оборудования, повышающего маневренность и управляемость, гибких связей, передач и вставок постоянного тока, накопителей энергии, сверхпроводимости и т. п.;
7. переход к распределенным интеллектуальным системам управления и аналитическим инструментам для поддержки выработки и реализации решений, работающих в режиме реального времени;
8. создание операционных приложений нового поколения, позволяющих реализовать новые алгоритмы и методы управления энергосистемой, включая и ее новые активные элементы.

В последние годы наряду с концепцией «Smart Greed» успешно используется и подсистема «умный дом» – Smart home (рис. 6).

Рис. 6. Взаимодействие систем Smart grid и Smart Home