В недавно выпущенном докладе Международного энергетического агентства «Перспективы развития мировой энергетики – 2025» отмечено, что за последние годы центры обработки данных (ЦОД), в том числе обеспечивающие функционирование нейросетей и искусственного интеллекта (AI), становятся крупными потребителями электроэнергии: к 2030 году объем потребляемой ими электроэнергии по сравнению с уровнем 2024 года удвоится, а к 2035 году – вырастет в три раза.
При этом масштабирование ЦОД географически происходит неравномерно: более 85% новых мощностей до 2030 года будут сосредоточены в США, Китае и странах ЕС, причем в США до 2030 года на ЦОД придется около 50% роста спроса на электроэнергию.
Интеграция новых больших нагрузок в передающие и распределительные сети повышает риски для надежности, отказоустойчивости и операционной рентабельности операторов, которые в этих новых условиях ищут пути решения возникающих проблем.
В двух статьях, размещенных в журнале IEEE Power & Energy (т. 23, № 5 за 2025 год) "Пристегнись, Техас. Крупное цунами в штате Одинокой Звезды" (авторы - Мандхир Сахни, Уильям Бохоркес, Джастин Нолан, Крис Бойер и Дивья Ведуллапалли) и «Нагрузки в Техасе меняются в сторону повышения стабильности электросети» (авторы - Хосе Конто, Юнжи Ченг, Джонатан Роуз и Джон Шмолл) описывается ситуация с резким ростом энергопотребления в штате Техас, обусловленная размещением центров обработки данных (ЦОД), майнинговых ферм по производству криптовалюты и производства «зеленого» водорода.
Энергосистема штата Техас
Энергоснабжение 27 млн потребителей штата управляется Техасским советом по надежности электроснабжения (ERCOT). По состоянию на сентябрь 2024 года в очереди ERCOT на подключение к сети с большой нагрузкой (LLI) находилось в общей сложности 56,4 ГВт запросов на разных этапах процесса подключения, каждый мощностью более 75 МВт (при том, что пиковая мощность в штате в настоящее время составляет 85 ГВт). Из этих новых мощностей 26 ГВт запрашивают дата-центры (AI и классические), около 16 ГВт – водородно-аммиачные проекты, и 11 ГВТ – криптомайнинг (рис. 1)
Преобладание ЦОД в потреблении объясняется масштабированием искусственного интеллекта, которому для ответа на запросы пользователей нужно в десять раз больше электроэнергии, чем обычным поисковым системам (2,9 Вт•ч у ChatGPT вместо 0,3 Вт•ч у Google). Ещё больше энергии требует создание с помощью AI оригинальной музыки, фотографий и видео.
Техас исторически является родиной "добычи" Bitcoin, в 2023 году в штате была сосредоточена половина общей операционной мощности крипто-майнинга США и Канады (около 2,7 ГВт).
Наконец, Техас является крупным водородным хабом: Министерство энергетики США (DOE) выделило $1,2 млрд на развитие водородного центра на побережье Мексиканского залива. К 2050 году в штате должно производиться 17 млн т водорода в год, что потребует примерно 90 ГВт мощности электролизеров.
Всех этих крупных потребителей электроэнергии привлекают её низкая стоимость (4-6 центов за кВт•ч), развитая энергетическая инфраструктура и быстрая процедура подключения.
Этот феномен спроса в одной из статей определен как «цунами электрических нагрузок большой мощности».
Проблемы роста
На фоне такого стремительного роста традиционные методы планирования и эксплуатации энергосистемы признаны недостаточными. ERCOT и участники рынка пытаются срочно адаптировать их к ситуации, в которой значительной частью энергопотребления становятся огромные, «негибкие» и технологически сложные нагрузки. Они создают для надежности и стабильности энергосистемы Техаса целый комплекс серьезных проблем:
- Постоянные (работающие 24/7) нагрузки, такие как дата-центры, увеличивают базовую нагрузку системы, создавая дефицит в периоды пикового спроса.
- Многие электронные нагрузки большой мощности (PEL), особенно дата-центры, не способны выдерживать даже кратковременные падения напряжения в сети. При срабатывании защиты тысячи таких нагрузок могут отключиться одновременно, вызывая каскадные отказы и резкие скачки частоты.
- Подключение больших нагрузок в регионах, уже ограниченных по пропускной способности, может снизить доступную мощность генерации, так как система должна быть готова к одновременному отключению и нагрузки, и линии электропередачи.
- PEL могут практически мгновенно менять свое потребление (например, реагируя на ценовые сигналы), что затрудняет балансировку частоты.
- Отсутствие точных моделей поведения новых типов нагрузок затрудняет проведение исследований стабильности сети.
- Необходимость масштабных инвестиций в модернизацию и расширение сетей передачи приводит к росту тарифов для всех потребителей.
В публикации приведен фактический кейс потери нагрузки, произошедшей 7 декабря 2022 года. На линиях 138 кВ в сельской части системы ERCOT из-за отказа автоматического выключателя произошло несколько связанных между собой неисправностей, включая одно трехфазное замыкание, что привело к снижению нагрузки на 1600 МВт. В результате аварии несколько ЦОД, нефте- и газоперекачивающих станций и других промышленных объектов не смогли работать в течение длительного периода времени. Кроме того, была потеряна часть выработки электроэнергии, в том числе два тепловых генератора общей мощностью 112 МВт.
Как бороться с "цунами"
Авторы статей предлагают многоуровневый подход к решению возникших проблем.
Нормативное регулирование и процедуры
Предлагается разработать и внедрить стандарты для крупных нагрузок, аналогичных стандартам для возобновляемой генерации, в частности, стандарта на устойчивость к провалам напряжения (Low-Voltage Ride-Through).
Также предлагается формализовать процесс подключения крупных нагрузок (LLI Process) через созданную Целевую группу по крупным гибким нагрузкам (LFLTF) и стимулировать регистрацию крупных нагрузок в качестве управляемого ресурса.
Для каждой новой нагрузки более 75 МВт, которую предлагается подключить к системе ERCOT в течение 24 месяцев, проводится исследование: анализ установившегося состояния, защиты системы и динамической стабильности. В результате для подключения может быть утверждена меньшая нагрузка – до запуска в эксплуатацию модернизированных ЛЭП. При выявлении нестабильности компания, передающая энергию (TSP), должна определить меры по её снижению, а предлагаемая нагрузка включается в следующую ежеквартальную оценку стабильности (QSA).
Для планирования сетей PEL в ERCOT составлено руководство по проведению исследований при больших нагрузках, включающее, среди прочих, следующие пункты:
- ERCOT может ограничить размер соединения для большой нагрузки, если это необходимо для сохранения надежности до завершения модернизации.
- Наиболее критичные аварийные ситуации следует отрабатывать с помощью близлежащих PEL, смоделированных с высоким порогом срабатывания, например, с напряжением 75%, если порог срабатывания еще не был включен в модели.
- При необходимости следует провести дополнительные исследования (короткое замыкание, субсинхронные колебания, включая феррорезонанс, и т.д.).
- ERCOT обнаружила, что информация, предоставляемая клиентами, является неполной, что вынуждает к консервативным предположениям в исследованиях.
Технологические решения
В энергоснабжении крупногабаритных PEL необходимо избежать прерывания процесса их работы, возникающего при отключении питания и последующем перезапуске, который занимает несколько минут. При мощности в несколько сотен мегаватт для этого можно использовать такие варианты, как ИБП – инверторную систему с резервным питанием от батареи, накопители энергии (крупногабаритные сетевые аккумуляторы) и динамические элементы управления питанием. Третий вариант авторы считают наиболее привлекательным, поскольку он делает PELs более дружественным к сети за счет изменения мощности нагрузки пропорционально напряжению, что упрощает восстановление напряжения. Также для сглаживания графиков нагрузки и снижения потребности в новых мощностях предлагается использовать гибкие нагрузки (например, водородные производства).
По утверждению авторов, бесперебойная работа ЦОД возможна только при напряжении питания не ниже 70%. В статье приводится модель нагрузки ЦОД, разработанная Исследовательским институтом электроэнергетики (EPRI) с консервативным допущением падения напряжения до 75%.
Выводы
Авторы статей уверены, что энергосистеме Техаса необходимо пройти сложную трансформацию, которая позволит надежно интегрировать огромные объемы новых нагрузок, сохранив при этом статус одного из ведущих энергетических рынков.
Ключевой вывод таков: «Цунами нагрузок» — это не временное явление, а новая норма, требующая смены парадигмы в планировании и эксплуатации энергосистемы. Нагрузки будущего должны быть не просто потребителями, а активными, интегрированными участниками энергетической системы.
Помимо описания проблем и путей их решения, авторы отмечают, что гибкие нагрузки могут стать инструментом для повышения надежности сети, а переход на чистую энергию получает новый импульс. Успех будет зависеть от тесного сотрудничества между оператором сети, регуляторами, владельцами нагрузок и научным сообществом.
Подробнее читайте исходные статьи в журнале IEEE Power & Energy (т. 23, № 5 за 2025 год)
Подготовлено АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ и Минобрнауки России