Як Україні збудувати найстійкішу енергосистему Європи

Найбільшим викликом для Об’єднаної енергосистеми (ОЕС) України наступного десятиліття може стати не дефіцитгенерації, а дефіцит керованості в умовах стрімкого зростання розподілених енергоресурсів (DER).

Післявоєнна відбудова дає Україні унікальний шанс. Уперше за багато десятиліть ми можемо не лише відновлювати втрачене, а й визначати архітектуру майбутньої енергосистеми.

Сьогодні головна дискусія точиться навколо кількості необхідних мегаватів і мільярдів доларів інвестицій. Але не менш важливим є інше питання: чи буде створено систему, здатну ефективно координувати мільйони розподілених енергетичних ресурсів?

Саме відповідь на це запитання визначатиме конкурентоспроможність, стійкість і безпеку української енергетики в наступні десятиліття.

Наслідки цього виклику вже стають помітними.

Україна переживає справжній вибух використання розподілених енергоресурсів. На дахах будинків з'являються сонячні електростанції, підприємства і населення встановлюють накопичувачі енергії, громади та бізнес будують локальні джерела живлення, а електромобілі поступово перетворюються з транспортних засобів на елементи енергосистеми (V2G).

Ще десять років тому диспетчер бачив кілька десятків великих електростанцій. Через кілька років йому доведеться взаємодіяти із сотнями тисяч енергетичних ресурсів різного типу, і проблема полягає не в тому, що централізоване керування більше не потрібне. Проблема в тому, що тільки централізованого керування вже недостатньо.

Наведу такий приклад. У 2022–2023 роках після перших руйнувань було напрацьовано і затверджено Радою національної безпеки та оборони України заходи з одночасного впровадження розподіленої генерації (DER) і розумних мереж (smart grid). Коли проаналізували ефективність використання введеної в роботу розподіленої генерації за один холодний день лютого цього року при температурі повітря в середньому по країні -15°С і відключеннях споживачів по 12–16 годин, з’ясувалося, що середній коефіцієнт використання встановленої потужності DER становив того дня лише 28%! Одна із головних причин — відставання із впровадженням смартмереж і телемеханіки на підстанціях, до яких DER під'єднані. І очевидно, що зі зростанням обсягів DER ця проблема поглиблюватиметься. Ще більша проблема виникає з ефективністю використання сонячних і вітрових електростанцій, непередбачуваність роботи яких завдає дедалі більше економічних збитків, а стрімке нарощування «домашніх» та офісних накопичувачів виводить із ладу внутрішні та розподільчі мережі.

Можна зробити висновок, що для України проблема відбудови енергетики полягає не лише в дефіциті генерації, а й у дефіциті керованості мережі. Кожна гривня, вкладена в цифровізацію й автоматизацію мереж, може дати більший ефект використання існуючої розподіленої генерації, ніж гривня, вкладена в будівництво додаткової генерації.

Простий приклад: якби коефіцієнт використання розподіленої генерації був на рівні 60%, це фактично дорівнювало б 250–300 млн євро економії в будівництві кожного гігавата потужності. Якщо додати інші складові кумулятивного ефекту від модернізації мереж, які, наприклад, називає CIGRE в своїх дослідженнях, вона стає не тільки технічно, а економічно безальтернативною. Наведу кілька показників: зниження втрат у мережах до 20% при одночасному збільшенні їхньої пропускної здатності на 25–40% без масового будівництва. Скорочення тривалості аварій до 40% і головний ефект — 100% інтеграція DER!

Україна вже інвестує мільярди у розподілені енергетичні ресурси. Головне питання наступного етапу — чи зможе енергосистема ефективно ними скористатися.

Україна перебуває перед стратегічною розвилкою. Відбудова і реконструкція енергосистеми не мають бути поверненням у 2021 рік — вони мають стати стрибком у 2031-й.

Переконаний, що ми маємо шанс використати післявоєнну відбудову не для відновлення старої енергетики, а для створення найбільш стійкої й адаптивної в Європі масштабної децентралізованої енергосистеми, яка стане потужною інфраструктурою, здатною забезпечувати нову економіку держави.

Об’єднана енергосистема, яку Україна успадкувала від СРСР, створювалася для великої централізованої генерації та пасивних споживачів. Її логіка полягала в надійній передачі та розподілі електроенергії від кількох великих електростанцій до мільйонів споживачів.

А тепер уявімо Україну 2031 року:

• сотні тисяч дахових СЕС;
• десятки тисяч комерційних накопичувачів;
• тисячі промислових мікромереж;
• сотні тисяч електромобілів із V2G;
• тисячі когенераційних установок;
• агрегатори гнучкості;
• енергетичні громади;
• локальні енергохаби.

У такій системі диспетчер фізично не може управляти кожним ресурсом окремо, тому що це вже інший клас системи.

ОЕС України вже зараз, а тим більше 2031 року потребуватиме:

• системного оператора з удосконаленою системою управління (Converged) SCADA;
• загальносистемного балансування на кількох рівнях;
• управління перетоками;
• резервів частоти;
• координації з ENTSO-E;
• загальносистемної кібербезпеки;
• централізованого аварійного управління.

Тобто Оператор системи передачі (ОСП) нікуди не зникає. Але змінюється те, чим саме він керує.

Енергетика проходить той самий шлях, який тридцять років тому пройшов Інтернет: від централізованої системи до мережі, де локальні рішення поєднуються глобальною багаторівневою координацією.

Війна змінила саме поняття надійності енергосистеми. Після 2022 року для України з'явився ще один критерій, якого практично не було в енергетичному плануванні до війни, — це живучість системи (resilience).

У радянській і пострадянській логіці головним показником була надійність. У новій реальності виникає додаткове запитання: що відбувається після втрати частини системи? Саме тут не модними словами, а елементами обороноздатності критичної інфраструктури стають:

• мікромережі (microgrid);
• розподілений інтелект (distributed intelligence);
• локальне балансування (local balancing);
• здатність до острівного режиму (islanding capability);
• інтелектуальне, автоматизоване управління тисячами децентралізованих об'єктів (DER orchestration);
• швидке автоматичне відновлення(FLISR);
• кібербезпека.

Тому архітектура майбутньої ОЕС України має залишатися єдиною синхронною системою під координацією Оператора системи передачі, але керування всередині неї повинно стати багаторівневим, розподіленим і цифровим. Рішення мають прийматися максимально близько до точки виникнення події, а центральний рівень має координувати систему, а не намагатися безпосередньо керувати кожним ресурсом.

Саме в цьому полягає ключова відмінність між «відбудувати те, що було» і «побудувати енергосистему наступного покоління». Дискусія не повинна штучно зводиться до вибору між двома крайнощами:

• жорстко централізована система радянського типу;
• набір автономних островів без єдиного управління.

Що фактично змінюється?

У класичній моделі ОСП виконував майже все балансування через відносно невелику кількість великих електростанцій. У новій архітектурі виникає кілька нових рівнів керування. І кожен рівень отримує власну зону відповідальності.

Нова роль Оператора системи розподілу

Історично українські оператори систем розподілу (ОСР) були переважно власниками та експлуатантами мережевих активів: ліній, трансформаторів, підстанцій. Фактично вони управляли інфраструктурою. Але при великій кількості розподілених енергоресурсів цього вже недостатньо. Саме тут відбудеться найбільша трансформація — еволюція ОСР від кабельно-трансформаторного господарства до активного системного оператора.

Мікромережі в нормальному режимі залишаються частиною ОЕС. Ніякої фрагментації, а навпаки, скоординована інтеграція.

Майбутня ОЕС України не повинна перетворюватися на набір ізольованих мікромереж, але й не може залишатися системою, де всі рішення приймаються виключно центральним диспетчером. Вона має еволюціонувати до багаторівневої архітектури, де ОСП забезпечує системну координацію, ОСР керують активними розподільчими мережами, а мікромережі та DER-платформи здійснюють локальне балансування і керування ресурсами в режимі реального часу.

Логіка нової архітектури енергосистеми

ОЕС України 2031 року — це буде єдина енергетична система, в якій електричні мережі та цифрові технології працюватимуть як єдине ціле, і саме це дає нам можливість зрозуміти сучасну архітектуру.

Якщо спростити, то модель 2031 року виглядає (див. рис.) швидше так:

Рівень 1. Оператор системи передачі залишається системним інтегратором.

Рівень 2. Оператори системи розподілу стають активними операторами мережі (smart grid).

Рівень 3. Мікромережі як новий функціональний елемент (microgrid).

Рівень 4. Агрегатори як новий ринковий інститут.

Рівень 5. Просьюмер, або активний споживач, стає повноправним учасником системи.

Рівень 6. Нова телекомунікаційна основа і кібербезпека.

ОЕС-2031 — це вже не лише енергетична система. Це енергетично-інформаційна система з багатоканальною як дротовою, так і бездротовою, ізольованою захищеною комунікаційною інфраструктурою, яка стає настільки ж важливою, як ЛЕП і підстанції.

Рівень 7. Нова логіка керування.

Саме в цьому головна відмінність від архітектури 2021 року. Було: централізоване прийняття більшості рішень. Стає: ієрархічне розподілене прийняття рішень. Наприклад:

• інвертор регулює реактивну потужність локально;
• BESS стабілізує локальний вузол;
• мікромережа виконує власне балансування;
• ОСР усуває локальні перевантаження;
• ОСП підтримує системну частоту.

Кожен рівень вирішує своє завдання. Майбутня система не централізує всіх рішень, а розподіляє їх за рівнями.

Якщо стисло описати концепцію, то це може виглядати так.

ОЕС України 2031 року — це єдина інтегрована кіберфізична енергетична система, побудована на smart grid-платформі, де ОСП забезпечує системну координацію та надійність, ОСР керують активними розподільчими мережами, мікромережі здійснюють локальне балансування, агрегатори інтегрують розподілені ресурси, а просьюмери стають повноправними учасниками енергетичного ринку.

***

Україна отримала унікальний шанс переосмислити власну енергетику. Ми можемо відновити систему минулого. Або побудувати систему майбутнього. Питання вже не в тому, скільки мегаватів буде введено в експлуатацію. Питання в тому, чи буде створено систему, здатну координувати мільйони розподілених енергетичних ресурсів і стати фундаментом нової цифрової економіки.

Якщо говорити відверто, то питання відбудови і трансформації Об’єднаної енергосистеми, як тут подано, виходить далеко за межі техніки та ресурсів. Воно вже про інституційну спроможність держави. Державний рівень, а це вище керівництво — президент, Верховна Рада, уряд, і в них уже немає ні часу, ні вибору, робити чи не робити цю програму. Відбудова української енергетики — це не просто інфраструктурний проєкт. Це проєкт створення нової архітектури економіки майбутньої передової європейської держави.

Якщо все буде зроблено, як того потребує час, то через десять років українці навряд чи замислюватимуться, як працює енергосистема. Так само, як сьогодні ми не думаємо про те, як працює Інтернет. Але саме рішення, що ухвалюються сьогодні, визначать, чи стане українська енергетика фундаментом нової економіки або ж залишиться модернізованою версією системи минулого з усіма проблемами і недоліками.

Майбутнє української енергетики визначатиметься не кількістю нових електростанцій, а здатністю системи управляти складністю.