Программное обеспечение: скрытый катализатор декарбонизации

Многие страны мира поставили перед собой амбициозные цели по достижению нулевого уровня выбросов в своих энергетических секторах, что привело к масштабным усилиям по внедрению возобновляемых источников энергии. Хотя ожидается, что эта тенденция сохранится, переход к чистой энергии в сочетании с электрификацией различных секторов создал сложные проблемы, связанные с управлением энергопотреблением и повышением операционной эффективности.

Системы управления энергопотреблением (СУЗ), позволяющие пользователям отслеживать и оптимизировать потребление энергии в зданиях и промышленных процессах, имеют решающее значение для управления спросом и предложением для широкого спектра активов на уровне жилых, коммерческих и промышленных объектов, включая солнечные фотоэлектрические системы (ФЭС), тепловые насосы и инфраструктуру зарядки электромобилей (ЭВ) в зданиях или на промышленных площадках. Поскольку эти системы помогают управлять нестабильностью энергоснабжения, они также могут поддерживать растущую долю нестабильных возобновляемых источников энергии в энергосистеме.

Согласно нашим прогнозам, мировой рынок систем управления энергопотреблением (EMS) для промышленного, коммерческого и жилого секторов (за исключением сетевых приложений) может достичь примерно 116 миллиардов долларов к 2030 году. Поскольку спрос на энергию во всем мире растет, а климатические цели продолжают меняться, рынок программного обеспечения для управления энергопотреблением также готов к значительному росту. В этой статье представлен обзор этой быстро меняющейся ситуации, а также показано, как рынок систем управления энергопотреблением может измениться в ближайшие годы.

Быстро меняющаяся энергетическая среда

Ожидается, что к 2040 году возобновляемые источники энергии будут составлять приблизительно 60 процентов мирового производства электроэнергии, при этом на ветровую и солнечную энергию придется примерно 20 и почти 30 процентов энергетического баланса соответственно. Такие регионы, как Европа, установили амбициозные промежуточные цели, стремясь к значительному сокращению выбросов к 2030 году. В Дании ветровая и солнечная энергия уже покрывают более двух третей производства электроэнергии. Кроме того, все большую популярность приобретают распределенные источники энергии, включая солнечные панели для жилых домов и проекты коллективной ветроэнергетики.

Поскольку промышленность, коммерческие и жилые здания, а также транспортный сектор стремятся к эффективным углеродно-нейтральным решениям, спрос на возобновляемые источники энергии выходит за рамки энергетического сектора. Для многих применений переход от ископаемого топлива к электроэнергии является предпочтительным подходом для выполнения нормативных требований и достижения целей устойчивого развития. В частности, декарбонизация теплоснабжения, которое в основном использует уголь, природный газ и нефть, требует увеличения электрификации.

В 2024 году электроэнергия удовлетворяла примерно 22 процента потребности в энергии в промышленности, зданиях и транспорте (график 2). К 2050 году ожидается, что эта доля вырастет примерно до 30 процентов благодаря внедрению таких технологий, как электромобили, тепловые насосы и электрифицированные промышленные процессы. В свою очередь, выбросы могут сократиться почти на 20 процентов в период с 2024 по 2030 год (с 58 миллиардов метрических тонн CO₂ до 47 миллиардов метрических тонн), в основном за счет электрификации.

Учитывая значительную потребность в энергии, промышленный сектор часто рассматривается скорее как основной фактор, обуславливающий необходимость декарбонизации, а не как важная часть решения проблемы. Однако этот сектор обладает потенциалом для балансировки и стабилизации энергосистем, обеспечивая гибкость, необходимую для учета растущей доли возобновляемой энергии. Уже существует ряд экономически целесообразных примеров, когда инвестиции в гибкость сочетаются с положительным экономическим обоснованием — например, производство тепла в периоды низких цен на электроэнергию и последующее его тепловое хранение.

Иными словами, хотя возобновляемая энергия может создавать сложности, связанные с управлением энергосетью, она также может повысить энергетическую устойчивость и демократизировать доступ к чистой энергии. Это, в свою очередь, требует надежных программных решений для координации энергетических потоков.

Архитектура EMS: обзор

Системы управления энергопотреблением (EMS) позволяют пользователям отслеживать, контролировать и оптимизировать использование энергии, включая интеграцию возобновляемых источников электроэнергии. Ключевые технологии в области электрификации включают инфраструктуру зарядки электромобилей, ветровую и солнечную энергетику, системы хранения электроэнергии на основе аккумуляторов (BESS) и производство электроэнергии (например, тепловые насосы и электрические котлы). Современная архитектура EMS в идеале должна позволять интеграцию различных производителей и потребителей энергии, а также приложений от разных участников.

Современные энергетические установки (например, промышленные объекты, офисные здания и жилые дома) обычно не просто потребляют или производят энергию, а функционируют как «просьюмеры» — то есть, объекты, которые одновременно потребляют и производят энергию. В качестве примера можно привести жилые дома: исторически дома потребляли электроэнергию и ископаемое топливо для работы газовых котлов и кондиционеров для отопления и охлаждения соответственно. В будущем современные энергетические установки смогут производить и потреблять электроэнергию напрямую. Например, на крыше дома могут быть установлены солнечные батареи, используемые для питания электромобилей и тепловых насосов для производства тепла. Ожидается, что экономический эффект для владельцев недвижимости — такой как стимулы к оптимизации собственного использования электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями, и гибкие тарифы на электроэнергию для минимизации затрат на энергию — будет способствовать этому переходу. Это выгодно не только для домовладельцев, но и может помочь стабилизировать энергосистему и сбалансировать спрос и предложение. Тем не менее, необходима смена парадигмы для снижения максимального пикового спроса и предложения и, следовательно, сокращения потребностей энергосистемы.

Система управления энергоснабжением (EMS) по сути служит «мозгом» энергетической ячейки, управляя энергопотребляющими и энергопроизводящими устройствами, а также интерфейсом сети. В свою очередь, сложность EMS возрастает в зависимости от сложности и масштаба соответствующей ячейки. Ядро EMS состоит из четырех ключевых модулей: системных контроллеров, хранилищ данных, аналитических механизмов и внешней связи. Системный контроллер управляет связью с потребителями-производителями энергии в ячейке. Все данные собираются и хранятся в хранилище данных, которое является основой для аналитического механизма. Наконец, модуль внешней связи отвечает за взаимодействие с распределительной системой, которая управляется поставщиком коммунальных услуг. В этом отношении базовые EMS обычно предлагаются поставщиками решений для управления зданиями и производственными процессами.

На основе базовой системы управления энергоснабжением (EMS) создаются приложения, обеспечивающие взаимодействие с пользователем. Это помогает сделать потребление энергии более прозрачным (например, с помощью приложений мониторинга), оптимизировать энергосбережение (например, путем выключения света, когда люди покидают здания), оптимизировать затраты на электроэнергию (с помощью гибких тарифов), управлять пиковыми нагрузками и максимизировать использование электроэнергии. Это также позволяет осуществлять арбитраж. Дополнительные варианты использования включают обеспечение соответствия стандартам профилактического или прогнозирующего технического обслуживания и управление обслуживанием оборудования. Специализированные игроки и стартапы также могут предлагать специализированные приложения (например, алгоритмы оптимизации на основе ИИ) для отдельных сценариев использования. Возможность интеграции решений сторонних разработчиков гарантирует, что EMS предоставляет конечным пользователям передовые технологии и повышает универсальность.

Связь и сбор данных являются необходимой частью управления основным оборудованием, а искусственный интеллект может использоваться для анализа и оптимизации систем. В случае новых объектов доступность данных часто обеспечивается на этапе проектирования, и системы управления энергоснабжением (EMS) устанавливаются изначально. Однако большая часть рынка EMS ориентирована на модернизацию существующих объектов, таких как переоборудование промышленных предприятий, поскольку все больше объектов разрабатывается и обновляется, а не строится заново. Хотя установка EMS на существующих объектах может потребовать значительных единовременных усилий по установке основной системы, включая хранилище данных и подключение к большинству активов в ячейке, эти усилия можно объединить с основными приложениями для реализации экономически выгодных сценариев использования.

Установка системы управления энергопотреблением (EMS) — сложный процесс, требующий централизованного программного обеспечения для управления энергопотреблением и подключения ко всем соответствующим устройствам. Во многих случаях программное обеспечение и алгоритмы необходимо адаптировать и настроить в соответствии со спецификой реальных устройств, которыми они управляют. Например, для оптимизации энергопотребления в производственных процессах могут потребоваться цифровые двойники. С учетом этих моментов, системы EMS могут быть адаптированы для оптимизации энергопотребления в конкретных условиях: в жилых домах, коммерческих зданиях и на промышленных объектах.

Служба скорой медицинской помощи на дому

Системы управления энергопотреблением в жилых домах (Residential EMS, REMS) помогают контролировать потребление энергии устройствами и системами домашней автоматизации, позволяя домовладельцам снижать затраты на электроэнергию за счет перераспределения нагрузки, сглаживания пиковых нагрузок и интеграции с возобновляемыми источниками энергии. Программные решения для REMS часто продаются не как отдельные решения, а в комплекте с оборудованием. Многие устройства, такие как фотоэлектрические инверторы, предоставляют функциональность управления энергопотреблением, и во многих случаях этого достаточно для домовладельцев. В то же время некоторые системы «умного дома» поставляются в комплекте с опциями управления энергопотреблением. Однако отсутствует стандартизированная связь и интеграция всех систем, что может создавать проблемы для домовладельцев, желающих полностью оптимизировать производство и потребление энергии.

Коммерческая служба скорой медицинской помощи

Системы управления энергопотреблением в коммерческих зданиях (CEMS) помогают оптимизировать потребление энергии в коммерческих зданиях, обеспечивая эффективное освещение, отопление, охлаждение и работу оборудования. Централизуя данные об энергопотреблении, CEMS позволяют операторам зданий отслеживать и контролировать потребление энергии, способствуя достижению целей устойчивого развития и снижению затрат. Системы EMS также могут быть интегрированы в системы управления активами, что позволяет осуществлять удаленную оптимизацию.

Промышленные EMS

Системы управления энергопотреблением в промышленности (IEMS) предоставляют данные об энергопотреблении в режиме реального времени, позволяя компаниям выявлять неэффективность, сокращать отходы и снижать эксплуатационные расходы. Они также способствуют интеграции возобновляемых источников энергии и систем хранения энергии, которые имеют важное значение для отраслей, стремящихся к устойчивому развитию и сокращению выбросов углерода.

Системы управления энергопотреблением на производстве (IEMS) можно разделить на две группы: пассивные и активные. Пассивные EMS собирают данные со всех активов внутри производственной ячейки, обеспечивают прозрачность и предоставляют рекомендации операторам, но при этом не способны активно управлять производством или другими устройствами. В отличие от них, активные IEMS полагаются на подробные модели (цифровые двойники), которые включают все ключевые факторы, определяющие потребность в энергии для конкретного производства. Эти факторы часто учитывают данные о погоде, производительность и ассортимент продукции, а также подробную модель оборудования со всеми физическими границами и характеристиками — например, котлы имеют минимальную нагрузку, а компрессоры и теплообменники — кривые производительности, зависящие от объема. Только после того, как все основные факторы будут определены и учтены в моделировании, активные IEMS могут управлять производством и оптимизировать его.

Рынок EMS

Системы управления производством электроники (EMS) включают в себя программные решения (около 35 процентов общего рынка EMS в 2030 году), плату за услуги и аппаратные компоненты, такие как контроллеры, датчики и шлюзы. К 2030 году на долю систем управления производством электроники (IEMS) может приходиться приблизительно 70 процентов от общей глобальной стоимости, что составит 85 миллиардов долларов из 116 миллиардов долларов. Прогнозируется, что эта стоимость будет расти более чем на 20 процентов в год с 2024 по 2030 год, поскольку отрасли отдают приоритет эффективности и соблюдению более строгих экологических стандартов.

Аппаратное обеспечение и услуги составят наибольшую долю в общей стоимости IEMS. В то же время ожидается, что доля программного обеспечения в общей стоимости EMS вырастет с 27 процентов в 2024 году до 35 процентов в 2030 году, поскольку это приведет к снижению потребности в аппаратном обеспечении и услугах. Ожидается, что основным драйвером общего спроса на IEMS станут приложения, созданные на базе существующих объектов (brownfield applications). Однако в рамках новых приложений EMS центры обработки данных будут играть более важную роль и заводы по производству полупроводников. Оба проекта демонстрируют признаки активного развития и крупных капиталовложений.

В частности, компании с высоким энергопотреблением могут начать использовать активные системы управления энергопотреблением (EMS) для управления производственными процессами и оптимизации общих затрат на энергию на основе инновационных цифровых решений. Многие из этих игроков уже внедрили пассивные системы управления энергопотреблением, но пока не используют весь потенциал оптимизации энергопотребления.

Увеличение доли возобновляемых источников энергии в производстве энергии может способствовать внедрению систем управления энергоснабжением (EMS), поскольку это может привести к повышению волатильности цен на энергоносители. Однако внедрение EMS может обеспечить коммерчески жизнеспособные варианты использования возобновляемых источников энергии и максимизировать гибкость энергопотребления. Например, когда цены на электроэнергию низкие, EMS может отдавать приоритет более энергоемким видам деятельности, таким как зарядка электромобилей и производство и хранение промышленного тепла.

В будущем критически важными могут стать два разных типа систем управления энергопотреблением (EMS). Для небольших приложений (например, бытовых) системы должны быть «подключены и работают», поскольку желательны минимальные усилия по установке и максимальная совместимость с различными устройствами. До настоящего времени не был разработан ведущий стандартный протокол связи «подключи и работай». Для сложных приложений (таких как высокоэнергетические производственные процессы) системам потребуются алгоритмы для оптимизации всего бизнес-процесса в рамках всей экосистемы. Для этого существующие алгоритмы необходимо будет дополнительно оптимизировать с использованием последних технологических разработок.

Переход к декарбонизированным энергетическим системам и электрифицированным секторам ускоряет спрос на сложные программные решения, и системы управления энергопотреблением будут играть решающую роль в обеспечении этого перехода. Поскольку к 2030 году объем рынка достигнет примерно 41 миллиарда долларов, индустрия программного обеспечения готова стать неотъемлемой частью глобальной программы декарбонизации, способствуя повышению эффективности, инновациям и устойчивому развитию во всех секторах.

Источник: https://www.mckinsey.com/industries/industrials/our-insights/software-the-hidden-catalyst-for-decarbonization