Уязвимости в энергосистеме являются одной из наиболее распространенных угроз национальной безопасности. Техническое сообщество призвало повысить отказоустойчивость сети, используя распределенную энергию и микросети для стабилизации. Производство электроэнергии из нескольких источников усложняет запуск каскадных отключений электроэнергии, а после нападения или стихийного бедствия микросети могут обеспечить локальную энергетическую безопасность.
В новой статье, опубликованной в Renewable and Sustainable Energy Reviews, междисциплинарная группа экспертов в области инженерии и энергетической политики из Мичиганского технологического университета говорит, что первым шагом является оснащение военной инфраструктуры микросетевыми системами, работающими от солнечной фотоэлектрической (PV) энергии. Их результаты показали, что военным требуется 17 гигаватт фотоэлектрических систем для укрепления внутренних баз - системы технически осуществимы, соответствуют навыкам нынешних подрядчиков и экономически выгодны..
Кроме того, ведущий автор статьи Эмили Прехода, которая заканчивает работу над докторской диссертацией по энергетической политике в Технологическом институте Мичигана, говорит, что повышение энергетической независимости баз поддерживает местные сообщества.
«Я происхожу из семьи, ориентированной на военных, поэтому для меня вооруженные силы важны для того, чтобы навести мосты между техническими возможностями и политиками, чтобы просочиться в другую критически важную инфраструктуру и службы», - говорит Прехода. «Это такая огромная проблема не только для военных, но и для других организаций, и она затрагивает все стороны, технические, экономические и социальные - и возвращает нас к идее безопасности».
Независимая Энергия
У вооруженных сил США уже есть план по возобновляемым источникам энергии: 25 процентов производства энергии из возобновляемых источников к 2025 году, но только 27 из более чем 400 внутренних военных объектов либо уже используют укрепленные фотоэлектрические микросети, либо планируют сделать это, что делает большинство уязвимыми для долгосрочных перебоев в подаче электроэнергии. Соавтор Джошуа Пирс говорит, что это отличное начало, но нужно больше, поскольку большинство военных резервных систем полагаются на генераторы, которые также уязвимы к перебоям в подаче топлива.
«Вооруженные силы США сейчас чрезвычайно зависят от электричества; это не люди, сражающиеся штыками», - говорит Пирс, профессор электротехники и вычислительной техники, а также материаловедения и инженерии. «Если мы вложим деньги в микросети на фотоэлектрических батареях, это объективно сделает нас более безопасными, и мы получим отдачу от наших инвестиций, поскольку после первоначальных инвестиций в фотоэлектрические системы военные будут пользоваться бесплатной солнечной электроэнергией в течение следующих 25 лет».
Основные исторические угрозы для электросети исходят от стихийных бедствий, таких как торнадо, ураганы и зимние штормы, которые ежегодно обходятся в сумму от 18 до 33 миллиардов долларов в виде перебоев в подаче электроэнергии и ущерба инфраструктуре США. Угрозы, которые не дают спать экспертам по сетевой безопасности по ночам, представляют собой преднамеренные атаки на сеть. Это могут быть либо физические атаки - как снайперская атака на подстанцию в Силиконовой долине в 2013 году, которая обошлась в 100 миллионов долларов и длилась 27 дней, - либо компьютерные взломы, вызывающие каскадные сбои, как в случае отключения электроэнергии на Украине в 2016 году. В 2012 году Министерство обороны США сообщил о 200 кибер-инцидентах в критически важных инфраструктурных системах, почти половина из которых была нацелена на электросеть.
Во время любого мероприятия производство и распределение энергии расцепляются, как потерянный вагон в поезде, который мчится. Микросети обеспечивают гибкость и позволяют сохранять генерацию даже в случае сбоя распределения, поддерживая производительность критически важной инфраструктуры и снижая вероятность каскадных сбоев. Солнечная энергия из-за ее снижающихся затрат и географически распределенного доступа к долгосрочному солнечному «топливу» наиболее подходит для питания микросетей.
Микросети на фотоэлектрических батареях
Чтобы количественно оценить техническое воздействие распределенных энергетических систем, команда изучила внутренние военные базы и их текущие электрические нагрузки. Затем они рассмотрели, где существующие и планируемые военные микросети с фотоэлектрическими батареями соответствуют прошлым отказам сети, а также потенциалу каждого штата для солнечной энергии..
Команда обнаружила, что для обеспечения всей критически важной инфраструктуры в США 100-процентной солнечной энергией потребуется 2140 гигаватт, а гибридная микросетевая система с хранилищем обеспечивает защиту от сбоев в сети. Только военным потребуется 17 гигаватт. Для сравнения: на сегодняшний день в США установлено 22,7 гигаватт солнечной энергии.
Затем команда рассмотрела техническую и экономическую целесообразность найма 20 ведущих подрядчиков, уже работающих с Министерством обороны США, для установки большего количества микросетей, и провела подробное исследование трех компаний: Lockheed Martin, Bechtel и General Electric., чтобы оценить уровень имеющихся технических навыков и ресурсов.
Учитывая результаты, задача обеспечить отказоустойчивость сети за счет развертывания микросетей вполне осуществима, поскольку ресурсы для установки этих систем уже существуют внутри страны.
Политика в области возобновляемых источников энергии
Прехода также работала со своим научным руководителем Челси Шелли, адъюнкт-профессором социологии в Мичиганском технологическом институте, над оценкой потребностей политики. Несмотря на существенный риск для национальной безопасности, политика, направленная на устранение сбоев в электросетях, была минимальной. Шелли объясняет, что поддержка PV имеет смысл с точки зрения национальной безопасности.
«Есть определенное политическое признание того, что энергия может быть приоритетом безопасности», - говорит Шелли, добавляя, что, хотя у США нет национальной политики в области возобновляемых источников энергии, она есть у вооруженных сил, и у нее есть потенциал для реализации через существующие подрядчики. «Если мы признаем, что такая мощность уже существует, тогда мы можем начать думать о фотоэлектрической энергии как о мере безопасности, интегрируя микросети, а затем создавая локальную устойчивость на основе военных технологий».
В документе группа исследовала, как защита первоочередных военных микросетей может просачиваться на различные уровни критической инфраструктуры. Технологии, разработанные и внедренные на военных базах, могут привести к созданию аналогичных микросетей для других государственных учреждений, критической инфраструктуры, такой как больницы, промышленные и коммерческие системы, а также домов и кварталов.
«Для меня, начиная с вооруженных сил, важно с точки зрения национальной безопасности и уязвимостей сети», - говорит Прехода. «Но это также дает толчок развитию технологий».
Первым шагом является осознание того, что требуется для оснащения внутренних военных баз - и, в конечном итоге, военных объектов за границей - для борьбы с отказом энергосистемы в результате стихийных бедствий и террористических атак.