"Наша цель — оптимизировать работу систем накопления энергии. Это сложная задача, поскольку необходимо учитывать нагрузку, назначение здания и его электропотребление. Например, коммерческому зданию потребуется система хранения, сильно отличающаяся от применяемой в жилом доме", — считает постдокторант Таллиннского технического университета Роя Ахмадиахангар.

В Эстонии строится все больше домов с околонулевым потреблением энергии, которые способны также сами ее производить, прежде всего при помощи солнечных батарей. С 2020 года строить здания с высоким энергопотреблением нельзя вовсе. Из-за очень неравномерного производства солнечной энергии многие поставщики сетевых услуг как в Европе, так и в США больше не желают покупать электричество, произведенное подобными зданиями.

Именно по этой причине рабочая группа Ахмадиахангар предлагает новый способ уменьшения счетов за электричество. Идея заключается в увеличении потребления энергии собственного производства и регулирования алгоритмов ее аккумуляции. 

Всегда смотри вперед, но не забывай поглядывать назад

"Существует проблема ограничений в электросетях. В какой-то момент поставщики электричества не смогут справиться с нестабильным производством электроэнергии от солнечных панелей без укрепления сети, в таком случае это отрицательно сказалось бы на бесперебойности поставок", — заявляет Роя Ахмадиахангар. Солнечные панели вырабатывают электричество нестабильно, даже облако, заслонившее солнце, может сократить количество производимой электроэнергии более чем вполовину.

По мере увеличения доли возобновляемой энергии, все больше и больше поставщиков могут отказаться покупать солнечную энергию у мелких производителей. Необходимо проявлять большую осторожность при проектировании энергетических систем для новых домов. "Если есть риск, что вы ничего не сможете продать, значит вы должны максимально использовать то, что у вас есть, и тщательно выбирать емкость аккумуляторных батарей", — отмечает Ахмадиахангар.

С одной стороны, в жилых и коммерческих зданиях потребление электричества разнится. С другой стороны, невозможно предсказать погоду дальше, чем на несколько дней. В случае, если потребитель хочет оптимизировать энергопотребление здания, интеллектуальная управляющая система должна учитывать и то, и другое. Именно это и делает алгоритм, предложенный Ахмадиахангар. Он учитывает как привычки жителей, так и параметры солнечных панелей.

Это означает, что перед тем, как система начнет ночную подзарядку аккумуляторов, она проверит, какой обещает быть мощность солнечной панели на следующий день. "Если у нас очень солнечный день, и из алгоритма или пользовательского ввода известно, что жильцы в отпуске, а дома никого нет, теряется смысл заряжать аккумулятор ночью", — объясняет Ахмадиахангар, приводя наглядный пример. В такой ситуации аккумулятор можно полностью зарядить в течение суток, так как пользоваться им никто не собирается.

"С другой стороны, в выходные все жильцы могут быть дома, и может наступить пасмурный день. Тогда батарея должна быть полностью заряжена за ночь", — сравнивает постдокторант. Несмотря на то, что оба приведенных примера скорее относятся к крайностям, они наиболее точно описывают работу алгоритма, настраивающего всю систему наиболее экономичным образом на последующие сутки, производя вычисления на каждый час предстоящей работы. 

"Наш алгоритм работает так, что профиль энергопотребления дома передается на него в виде входных данных", — говорит Ахмадиахангар. Это означает, что алгоритм основывается на особенностях использования электроэнергии пользователями. "По сути, туда можно вводить любые модели потребления и сохранения энергии, и все работает, потому что мы используем аналитический метод", — продолжает Ахмадиахангар.

Предложенное решение включает в себя два алгоритма. "Благодаря первому вы сможете сначала определиться с вместимостью батареи, а затем при помощи второго углубиться в детали", — подчеркивает научный сотрудник. По ее словам, любое аккумулирующее устройство вызывает определенную головную боль, ведь необходимо выбирать, в каких ситуациях оно должно быть заполнено, а в каких его необходимо разрядить. Энергия, используемая для зарядки, может поступать как от солнечных панелей дома, так и от сети. Главная цель заключается в сокращении доли электричества, потребляемого из сети. 

Подходящей бизнес-модели еще нет

Роя Ахмадиахангар и ее коллеги запустили свой алгоритм в трех домах на территории Эстонии и проверили его надежность при помощи нескольких баз данных. По заявлениям ученых, он отлично работает.

Однако доказанная в ходе тестов надежность не означает, что данное решение может появиться на рынке в ближайшее время. По словам Ахмадиахангар, сначала должна быть разработана технология, которая позволила бы алгоритму управлять батареей.

По словам соавтора исследования и старшего научного сотрудника Таллиннского технического университета Олександра Хусева, ученые из сферы силовой электроники уже работают над решением. "Алгоритм — это просто инструмент, который можно использовать для управления движением энергии", — поясняет он.

По словам Хусева, внедрение данного решения в настоящее время упирается в высокую цену на силовую электронику и аккумуляторы, поэтому неясно, с какой бизнес-моделью выводить проект на рынок. "Мы должны получить некоторую поддержку или разработать концепцию на уровне государства, чтобы помочь внедрить такие системы",  — подчеркивает он. 

По словам ученого, озабоченность вызывает и то, что продолжительность жизненного цикла аккумуляторных батарей в настоящее время ограничена: "Например, это может быть от шести до десяти лет. В нашем первоначальном предположении было от 12 до 15 лет. Мы прогнозируем, что умный алгоритм может сократить срок окупаемости аккумуляторов, но это все еще невозможно реализовать в бизнес-модели".

Пользователи также могут более эффективно покрывать расходы на силовую электронику и устройства хранения, разумно управляя своей энергией. Однако стоит отметить, что в настоящее время бизнес-модели, при которой владелец энергонакопителя мог бы получать значительную прибыль, не существует. 

Перспективы

"В свете "зеленого перехода" аккумуляторные устройства имеют большой потенциал," — говорит еще один соавтор статьи, Андрей Блинов. Он добавляет, что в будущем можно будет включать подобные энергохранилища в виртуальные электростанции, чтобы компенсировать большие колебания в производстве и потреблении электроэнергии. "Для предотвращения проблем, связанных с ростом доли возобновляемых источников энергии, важно предпринять ряд мер для поддержки решений, подобных нашим", — говорит Блинов.

Арго Росин, профессор Таллиннского технического университета, добавляет, что выход нового решения на рынок зависит от цен на электроэнергию и на ее хранение. "Если взять текущие цены на электроэнергию, то мы можем сказать, что бизнес-модель, необходимая для распространения нашего решения, вскоре может стать осуществимой", — считает Росин.

По словам Росина, здания с околонулевым энергопотреблением могут функционировать как подключенные к электросети, так и в роли "энергетических островов", отключенных от сети. В случае подключения к сети дом ведет себя, исходя из прогнозов солнечной погоды, цен на электроэнергию и других факторов.

В случае внепланового отключения электроэнергии, например во время грозы, алгоритм сможет работать не на основании цен на электричество, а руководствуясь показателями производительности, уровнем заряда аккумулятора или потребительском поведении пользователей. По словам профессора, сочетание новой системы и пространства для хранения энергии в конечном итоге означает, что конечный потребитель получает более надежное энергоснабжение.

Исследователи из Института электроэнергетики и мехатроники Таллиннского технического университета пишут о своем решении в журнале Energy.