Спрос на электромобили будет увеличиваться в среднем на 38% ежегодно, согласно прогнозу по развитию рынка электромобилей в России. Соответствующие данные предоставили аналитики из консалтинговой компании Strategy Partners.
26–27 марта 2024 года в конференц-зале ЦВК «Экспоцентр» (Москва) прошла ежегодная научно-практическая конференция «Российский рынок систем электрохимического накопления электрической энергии и батарейных систем электротранспорта. Проблемы и перспективы». Эксперт «РТСофт-СГ» выступил с докладом о комплексном подходе к проектированию развития инфраструктуры заряда электротранспорта.
Введение
Ожидается, что к 2050 году в городах будет проживать как минимум 75 % всего населения, хотя в настоящее время эта доля составляет около половины населения Земли, а в 1910 г. в городах проживало только 10% от всего населения планеты [1]. Такое изменение, по мнению ведущих мировых исследовательских институтов [2], может привести к глобальным проблемам перенаселённости городов, изменению климата, природным бедствиям и т. д. Населённость городов становится плотнее, а соответственно встаёт вопрос о более эффективном (рациональном) использовании природных ресурсов (воды, газа, тепловой и электрической энергии), предоставления и потребления жизненно неоходимых услуг. Другая задача, которую необходимо решать, – это обеспечение устойчивого развития инфраструктуры городов [3], адекватной происходящим изменениям. Третья задача – это создание городов, способных легко адаптироваться к изменяющимся условиям. В этом смысле широко известная концепция «Умных городов» (Smart City) – это ответ на перечисленные выше вызовы и в общем случае включает три составляющие: эффективность (Efficiency), устойчивость (Sustainable Cities) и адаптивность (Resilient Cities). Оптимальные решения по повышению эффективности, устойчивости и адаптивности городов, основанные на новых экономических моделях и новых технологиях, могут закладываться на этапе строительства новых городов или районов, а также применяться в уже существующих городах. В настоящей статье приведён обзор основных текущих программ создания «Smart City» и краткое описание основных используемых технологий.Обзор текущих проектов «Smart City»
Чтобы определить модель идеально «города будущего», в настоящее время по всему миру реализуется огромное количество экспериментальных проектов по созданию Smart City. В основе каждого из них лежат различные концепции, которые сильно зависят от страны, окружающей среды и проблем, стоящих перед каждым конкретным городом, например проблем нехватки энергетических ресурсов или тяжелой ситуации с дорожным движением. Главная задача при выборе, какую концепцию, в каком городе реализовывать, – это изучение образа жизни горожан, которые в итоге и будут определять модель «Smart City».
«Smart City» в Европе
Для борьбы с пробками, загрязнением воздуха, высокими ценами на энергоресурсы, для улучшения мобильности, заботы об окружающей среде и повышения энергетической эффективности европейских городов в 2011 г. было специально создано Европейское инновационное партнёрство «Smart Cities & Communities» [4]. Основная задача данного партнёрства – объединить усилия городских администраций, промышленности и жителей для улучшения городской жизни за счёт применения инновационных решений, более точного планирования, более комплексного подхода, применения интеллектуальных информационно-коммуникационных технологий (ИКТ), в первую очередь в секторах «энергетика» и «транспорт». Основные области, в которых работает партнёрство «Smart Cities & Communities» приведены на рис. 1 в виде следующих компонентов: городская мобильность (Urban Mobility), технологии развития концепции «открытых данных» (Open Data), бизнес-модели (Business Models), финансы и закупки (Finance & Procurement), законодательное регулирование (Policy & Regulation), расчёт и анализ показателей производительности, интеграция электрических (Integrated Energy Networks), транспортных и коммуникационных сетей, повышение энергетической эффективности (Energy Efficiency), удельное снижение потребления углеводородов (Low Carbon Solutions). В настоящее время партнёрство «Smart Cities & Communities» курирует 26 проектов. Города сгруппированы в проекты, исходя из общих характеристик, полученных при анализе характера потребления и производства энергии, установленных целевых показателей сокращения выбросов углеродов и снижения потребления ресурсов. Краткая информация о некоторых реализуемых в настоящее время проектах «Smart City» приведена в таблице [5].Еще одна европейская программа – «Sustainable Cities» [6] также направлена на создание «Smart City» и охватывает следующие направления:
– «Мониторинг и оценка» – проект разработки стратегий устойчивого развития городов, оказания реального влияния на законодательство и распределение бюджетных средств для достижения плановых показателей, а также внедрения инструментов мониторинга ключевых показателей, отражающих устойчивость развития городов и степени достижения поставленных целей;
- «Климат и энергетика» – проект сокращения выбросов парниковых газов, экономии энергии и увеличения доли использования возобновляемых источников энергии;– «Управление и участие» – проект развития взаимодействия муниципальных органов власти с научно-исследовательскими центрами и населением;
– «Адаптация и устойчивость» – проект адаптации городской жизни к изменениям климата;
– «Интегрированное управление» – проект интеграции всех данных, мнений, опыта, стратегий разви- тия всех секторов экономики и промышленности в единую систему управления;
– «Биоразнообразие и экосистемные услуги»;
– «Городское планирование» – проект, объединяющий мобильность, землепользование, энергетику и др. с целью планирования устойчивого развития городской инфраструктуры;
– «Транспорт и мобильность» – проект развития мобильности, широкого распространения безмоторных транспортных средств, улучшения работы общественного транспорта, изучения возможности использования нетрадиционных видов личного транспорта;
– «Бесперебойное снабжение» – проект развития рационального и эффективного использования ресурсов и внедрения системы поощрения бесперебойного потребления и производства;
– «Экологически-ориентированная экономика»;
– «Здоровье»;
- «Социальная интеграция» – проект преодоления социальной и экономической изоляции, характерной для отдельных районов многих европейских городов.
«Smart City» в Японии
В Японии «Smart City» рассматривается прежде всего как новый стиль жизни города, его устойчивого развития, поощрение производства, не причиняющего вред окружающей среде [7]. За основной показатель эффективности «Smart City» при этом принято значение показателя QoL (Quality of Life) – «качество жизни». Ключевым событием, толкнувшим Японию на создание «Smart City», послужила трагедия – Великое Восточно-Японское Землетрясение, случившееся 11 марта 2011 г., и последующая за ним авария на АЭС.
Урбанизация Японии – огромная проблема для всей страны на данный момент. Сельскохозяйственные земли передаются под городскую застройку также быстро, как быстро развивается сама нация. Создание социальной инфраструктуры, обеспечение ресурсами (вода, тепловая и электрическая энергия), строительство зданий, создание транспортной инфраструктуры, коммуникаций, доступных административных сервисов – необходимые факторы существования жителей и развития бизнеса. Всё это должно создаваться в очень короткие сроки, использоваться в течение длительного периода и иметь задел для дальнейшего развития.
В тоже время имеющаяся инфраструктура в таких быстроразвивающихся странах, как Япония, стареет слишком быстро, перестаёт отвечать требованиям современного образа жизни и становится непригодной для использования, требует полной замены.
Краткая информация о реализованных проектах «Smart City»
Ещё одно важное условие, влияющее на значение показателя QoL, – сокращение выбросов CO2, и одна из основных причин создания «Smart City» именно в этом – в стремлении максимально перевести генера- цию энергии на возобновляемые источники (солнечная и ветровая генерация). Однако при использовании возобновляемых источников энергии передача и распределение электроэнергии может значительно эффективнее осуществляться по интеллектуальным сетям («Smart Grid»). Именно интеллектуальные сети могут обеспечить стабильное, гибкое и надёжное электроснабжение.
Рис. 2. Интеграция систем CEMS и HEMS на примере решений Panasonic
Для того чтобы добиться более эффективного использования энергии, не стоит фокусироваться только на энергетических системах, а требуется комплексный подход, включая пересмотр функционирования большинства общегородских систем, например процессов использования тепловой энергии, системы организации транспорта и др.
Комплексность подхода к созданию «Smart City» требует также внедрения инновационных информационно-технологических систем, способных работать с огромными массивами данных.
Создание «Smart City» – это не только измене ние облика городских территорий, это стремление внедрить инновации в образ жизни самих горожан. Многие из этих инноваций были немыслимы ещё 10 лет назад. Например, широкое использование электромобилей с возможностью их повсеместной зарядки, а в случае чрезвычайных ситуаций использование заряда аккумулятора электромобилей для обеспечения временного электроснабжения. Этот пример также наглядно демонстрирует тот факт, что создание интеллектуальных сетей «Smart Grid» и проблему создания «Smart City» следует рассматривать как взаимосвязанные задачи.
Поэтому не случайно Министерство экономического развития Японии совместно с Министерством торговли и промышленности выбрали четыре города для разработки и тестирования систем и технологий «Smart Grid» и «Smart City»:
– Йокогама (the City of Yokohama) – «The Yokohama Smart City Project»;
– Тойота-сити (Toyota City) – «Toyota City Low-carbon Society Verification Project (Smart Melit»);
– Наукоград Кайхана в Префектуре Киото (Keihanna Science City) – «Keihanna Eco City the Next-Generation Energy and Social Systems»;
– Китакюсю (the City of Kitakyushu) – «Kitakyushu Smart Community Project».
Поставленная задача – предложить оптимальную модель развития интеллектуальных сетей («Smart Grid») и «умных городов» («Smart City»), в том числе разработать бизнес-модели и определить механизмы стимулирования внедрения инновационных технологий. В связи с тем, что Япония – один из лидеров на рынке интеллектуальных решений для энергетики и энергосберегающих технологий, среди задач данных проектов есть и разработка международных стандартов «Smart City», в том числе стандартов передачи информации.
Для начала работ по проектам в первую очередь требовалось добиться визуализации точного потребления энергоресурсов, вплоть до контроля потребления каждым домашним устройством. Далее необходимо было отрегулировать взаимосвязанные процессы потребления и процессы поставки энергоресурсов. Следующий этап состоял в монтаже домовых зарядных устройств для электромобилей и проектировании оптимальных систем аккумулирования энергии.
Все системы и технологии были объединены на уровне общей системы энергоменеджмента (CEMS – Community Energy Management System). Внедрение этой системы способствовало широкому использованию возобновляемых источников энергии и других элементов «Smart City» без каких-то серьёзных усилий со стороны администраций. CEMS интегрирована с домашними системами энергоменеджмента (HEMS – Home Energy Management System). Пример интеграции систем CEMS и HEMS приведён на рис. 2.
HEMS может включать два варианта реализации подсистем управления спросом: DSM или ADR. Подсистема управления спросом DSM (Demandside Management), которая позволяет достичь оптимального использования фотоэлектроэнергии (PV– Photovoltaic Power) и уменьшения объёмов покупаемой электроэнергии. Подсистема DSM управляет накопителями электроэнергии и системами солнечной генерации в автоматизированном режиме и позволяет контролировать потребление электроэнергии всеми системами и приборами (рис. 3).
Рис. 3. Пользовательский интерфейс системы HEMS Panasoniс
Подсистема автоматического управления спросом ADR (Automatic Control Demand Response) автоматически управляет домашним электроснабжением. ADR осуществляет автоматическое управление накопителями электроэнергии на основании прогнозных объёмов выработки электроэнергии, которые, в свою очередь, строятся на основании прогноза погоды и прогноза потребления (построенных на исторических данных за заданный период). Также имеются решения для управления комбинированным использованием дизельных генераторов и накопителей электроэнергии, заряжаемых от возобновляемых источников энергии.
Рис. 4. Эффект от разумного управления системами солнечной генерации и накопителями электроэнергии (Panasonic)
Достигаемый эффект от «умного» управления системами солнечной генерации и накопителями электроэнергии приведён на рис. 4. На рисунке приведены график потребления электроэнергии (синяя линия) и график генерации электроэнергии солнечными фотоэлементами (красная линия). Слева показан случай обычного использования солнечной генерации и накопителей электроэнергии, позволяющий снизить приобретаемую из внешней сети электроэнергию в дневные часы (за счёт генерируемой электроэнергии) и в вечерние часы (за счёт используемой накопленной электроэнергии). Справа показан случай, когда избыток выработанной солнечной электроэнергии отдаётся в сеть. При этом видно, что и отдача в сеть, и потребление накопленной электроэнергии происходит в пиковые часы.
Рис. 5. Пример архитектуры улучшенной системы управления зарядом электромобилей (Hitachi)
Рис. 6. Пример использования SCADA–системы для управления зарядом /разрядом аккумуляторных батарей
Рис. 7. Архитектура системы BEMS Fuji Electric
Ещё одна система, с которой интегрируется CEMS, это система «Автомобиль к дому» (V2H – Vehicle to Home). Система V2H разработана таким образом, чтобы заряжать аккумулятор электромобилей от домашних систем солнечной генерации, а при необходимости включать электроснабжение дома от аккумулятора электромобиля. V2H имеет встроенную систему управления зарядной станцией (EV-EMS – Electric Vehicles Energy Management System), интегрированную с системами управления спросом (DR – Demand Response) и CEMS. Система V2H разработана для комбинированного использования: в качестве зарядной станции для электромобиля и использования аккумулятора элек- тромобиля в качестве накопителя электроэнергии. Система V2H – это совместная разработка Nissan Motor, Hitachi, Orix и др. Архитектура системы приведена на рис. 5. Экологический эффект внедрения системы V2H в г. Йокогама со- стоял в сокращении выбросов CO2 на 25–30 %.
В рамках указанного проекта была также разработана SCADA-система для управления зарядом/ разрядом аккумуляторов электромобилей, посредством которой все электромобили рассматриваются как один виртуальный накопитель электроэнергии. Архитектура системы приведена на рис. 6.
В том же проекте для управления офисными зданиями и коммерческими центрами была создана отдельная система энергоменеджмента зданий (BEMS – Building Energy Management System). Система BEMS, установленная в Музее природоведения и истории человечества (г. Китакюсю), позволила музею добиться экономии в 10–15 % за счёт оптимального комбинированного использования собственной электроэнергии (дизельенераторов и солнечной энергии) и внешнего электроснабжения, сохраняя при этом жёсткие требования к поддержанию заданной температуры и степени освещённости. Архитектура системы приведена на рис. 7. Музей природоведения и истории человечества в г. Китакюсю по праву считается реализованным в жизни проектом «Умный музей» (Smart Museum).
Для промышленных предприятий был создан отдельный продукт – система энергоменеджмента предприятии (FEMS – Factory Energy Management Systems), также интегрированная с CEMS. Система FEMS позволяет управлять энергопотреблением вплоть до моделирования оптимальных производственных планов в зависимости от прогнозных значений потребления и выработки электроэнергии в масштабе всего города. В отличие от систем CEMS, HEMS и BEMS, система FEMS имеет встроенный модуль управления освещением. На заводе «Тойота» в г. Китакюси совокупный экономический эффект использования светодиодной системы освещения и интеллектуальной системы управления освещением достигает 60 %.
Это далеко не все решения, которые были созданы и внедрены в рамках четырёх пилотных проектов «Smart City» в Японии. Заметим, что отдельно для каждого потребителя и каждого района разрабатыва- лись собственные решения с учётом климатических, географических, политических и демографических особенностей.
Считается, что создание «Smart City» на пилотных площадках в Японии оправдало ожидания. Только в г. Кайхана уровень потребления электроэнергии снизился на 64 % (рис. 8), а выбросы CO2 – на 58 % (рис. 9). Разработанные в рамках четырёх пилотных проектов решения таких компаний, как Accenture, ORIX, Sharp, Sony, Toshiba, Nissan, NEC, Panasonic, Hita- chi, Mitsubishi и др., являются готовыми решения для создания «Smart City» и активно поставляются далеко за пределы Японии.
«Smart City» в Великобритании
В Великобритании вопрос создания «Smart City» находится в ведении Департамента бизнес-инноваций и опыта (Department of Business Innovation & Skills) [8].
Рис. 8. Статистические показатели снижения потребления электроэнергии г. Кайхана (Киото) – данные Omron
Существует пять ключевых аспектов для создания «Smart City» в Великобритании:
– необходимость создания современной цифровой инфраструктуры, позволяющей всем жителям получать быстрый, полный и безопасный доступ ко всей информации, которая им необходима;
– необходимость создания ориентированной на жителей системы предоставления услуг;
– необходимость внедрения интеллектуальных систем и технологий «Internet of Things» для возможности оперативного использования информации, предоставления/получения услуг, а также для анализа данных (например, анализа, как транспортная система справляется с потоком в часы пик) и выработки стратегий развития всей городской инфраструктуры на основании результатов анализа;
– необходимость перенимать опыт и экспериментировать, применяя новые подходы и бизнес-модели;
– необходимость предоставить жителям возможность сравнивать достижения различных учреждений, населённых пунктов.
Авторы проекта представили своё видение принципиальных отличий «Smart City» от обычного города, как приведено на рис. 10. и рис. 11. По их мнению, создание «Smart City» улучшает взаимодействие всех участников (государственный сектор, частный сектор, поставщики услуг, жители и органы власти), поскольку делает процесс взаимодействия двусторонним.
Рис. 9. Статистические показателя снижения выбросов СО2 г. Кайхана (Кеото) – данные Omron
Рис. 10. Традиционная модель
Рис. 11. Модель «Smart City»
В Великобритании программа создания «Smart City» включает пять проектов:
– проект «Интеллектуальная транспортная система» – мониторинг и управление дорожным движением, управление перегрузками, устранение аварийных ситуаций, система информирования горожан, «умные парковки», система управления светофорами;
– проект «Независимая (частично или полностью) система жизнеобеспечения» – телемедицина (оказание медицинских услуг по телефону), продукты и системы для удалённой диагностики, цифровые услуги;
– проект «Управление водой» – модернизация систем водоснабжения, мониторинг потребления, очистка сточных вод, системы защиты окружающей среды, управление половодьем;
– проект «Интеллектуальные сети» – управление электропотреблением, электротранспорт, программа обеспечения энергоэффективности, подключение возобновляемых источников электроэнергии;
– проект «Утилизация отходов» – моделирование утилизации отходов для генерации энергии.
Анализ существующих в настоящее время проектов создания «Smart City» показывает, что практически в каждой стране, в каждом городе подходы к внедрению концепции «Smart City» хотя в чем-то универсальны, но имеют весьма существенные различия. Выбор конкретной версии концепции «Smart City» во многом зависит от тех проблем, которые необходимо срочно решать именно в данном регионе и при сложившихся приоритетах, будь то повышение эффективности использования природных ресурсов, модернизация транспортной системы, совершенствование процедур предоставления и получения жизненно-необходимых для населения услуг и т. д.
Создание «Smart City» – это всегда глобальный проект, который требует решения широкого комплекса взаимосвязанных социально-экономических, экологических, инфраструктурных и технических задач.
Технологии «Smart City» – это технологии, основанные прежде всего на применении распределённых интеллектуальных систем. В частности эффективной интеграции отдельных интеллектуальных объектов - «умного дома», «умного завода», «умного музея» и т. д. При этом интеграция основывается в первую очередь на использовании технологии «Интернета вещей» (In- ternet of Things), с помощью которой все интеллектуальные составляющие «Smart City» эффективно взаимодействуют друг с другом.
Одно из ключевых направлений развития «Smart City» – направление интеллектуальной энергетики («Smart Energy») как основы для создания эффективной, устойчивой и адаптивной городской инфраструктуры.
