Перспективы цифровизации зарядных станций и внедрения умных технологий

Введение

В последние годы увеличивается число электромобилей, что требует создания разветвленной сети зарядных станций для их обслуживания, важным шагом в улучшении работы зарядных станций является внедрение цифровых технологий. Переход к интеллектуальным системам управления зарядной инфраструктурой способствует повышению ее эффективности, снижению эксплуатационных затрат, улучшению сбора данных в реальном времени, во многих странах разрабатываются планы цифровизации энергетических сетей, зарядных станций, что подтверждает актуальность этого направления.

Новизна работы заключается в анализе использования современных технологий, применяемых для цифровизации зарядных станций, оценке их воздействия на развитие инфраструктуры электромобилей, устойчивое потребление энергии, рассматриваются как существующие, так и перспективные решения для повышения операционной эффективности зарядных станций, выявляются проблемы, возможности, связанные с внедрением новых технологий.

Цель работы заключается в проведении анализа факторов, способствующих развитию цифровых технологий в этой области, оценка их воздействия на эксплуатационные характеристики и безопасность зарядных станций. Задачи включают изучение текущих технологий, разработку инновационных решений для управления зарядными станциями, анализ экономических, технических, экологических аспектов внедрения цифровых решений в инфраструктуру зарядки.

Практическая значимость заключается в предоставлении рекомендаций для разработчиков зарядных станций, государственных органов, научных организаций, заинтересованных во внедрении умных технологий для создания эффективных, устойчивых энергетических систем.

Материалы и методы

Развитие электротранспорта, интеграция его в инфраструктуру умных городов, обеспечение устойчивого энергетического развития являются важными научными задачами. Статьи, взятые за основу анализа представленной темы, охватывают различные аспекты рассматриваемого вопроса, выделяя несколько направлений.

Так, одним из вопросов является исследование технологий, которые способствуют продвижению электротранспорта, Калинин Е. Н. и Смирнов К. Л. [1, с. 97-102] рассматривают концепцию MAAS, акцентируя внимание на цифровизации и интеграции разных типов транспорта, включая электрический, авторы утверждают, что внедрение MAAS способствует оптимизации работы транспортных систем, обеспечивая взаимодействие между видами транспорта, зарядными станциями для электромобилей. Данилов с соавторами [3, с. 77-90] подчеркивают значимость электротранспорта как экологичного, энергоэффективного решения, акцентируя внимание на необходимости создания инфраструктуры для зарядки и обслуживания электромобилей. Валеева Ю. С., Калинина М. В., Ахметова И. Г. [5, с. 1078-1081; 7, с. 155-172] исследуют роль электротранспорта в улучшении территориальной инфраструктуры, указывая на то, что наличие доступных зарядных станций способствует росту популярности электромобилей на региональном уровне.

Другим направлением является развитие инфраструктуры для электротранспорта, включая создание зарядных станций. Сафин А. Р. с соавтарами в своей статье [6, с. 100-114] рассматривают технологии мобильных зарядных станций для электромобилей, что помогает решить проблему нехватки зарядных устройств в удаленных и слабо обслуживаемых районах. Майорова Е. С., Беляев Э. И. [8, с. 188-191] применяют имитационное моделирование для прогнозирования потребности в зарядных станциях, что позволяет точно планировать развитие инфраструктуры в зависимости от особенностей региона.

Туровец Ю. с соавторами [2, с. 35-51] анализируют зеленую цифровую трансформацию в энергетике, изучая переход к устойчивым источникам энергии и внедрение цифровых технологий в энергоснабжение. В статье Жарникова А. Н. [4, с. 12] рассмотрены мировые тенденции в области электротехнической продукции, что позволяет оценить текущую ситуацию на международных рынках, спрогнозировать влияние этих изменений на развитие электротранспорта, сопутствующих технологий.

В статье Mastoi M. S. et al. [9, с. 11504-11529] рассматриваются вопросы, связанные с развитием инфраструктуры зарядных станций. Проанализированы существующие политики, предложены меры для их совершенствования, сделан прогноз относительно будущих изменений. В работе акцентируется внимание на внедрении технологий интернета вещей, искусственного интеллекта для оптимизации работы зарядных станций, управления нагрузкой на систему. В работе Paiva S. et al. [10, с. 2143] рассматривается применение умных технологий в городской мобильности, включая развитие зарядных станций для электромобилей. Ожидается, что интеллектуальные системы окажут влияние на процессы зарядки, улучшат взаимодействие с другими элементами городской инфраструктуры.

Таким образом, в статьях подчеркивается необходимость создания комплексной инфраструктуры, разработки решений для взаимодействия различных элементов транспортной системы. Тем не менее, несмотря на имеющиеся научные труды, несколько проблем остаются нерешенными, так во многих статьях не уделено должного внимания социальным, экономическим аспектам внедрения электротранспорта, что актуально для развивающихся стран и малых населенных пунктов, где создание такой инфраструктуры сталкивается с трудностями. Вопросы взаимодействия электротранспорта с другими видами транспорта, такими как общественный и грузовой, зачастую рассматриваются поверхностно, также недостаточно материалов, касающихся оптимизации работы зарядных станций, включая их расположение и учет пиковых нагрузок в электросетях.

В рамках выполнения научной работы использован подход, включающий обзор существующих технологий, анализ мировых тенденций на рынке электромобилей, сравнительное исследование применения различных решений, таких как Интернет вещей, искусственный интеллект, облачные вычисления.

Результаты

Цифровизация зарядных станций включает внедрение технологий, направленных на повышение эффективности работы инфраструктуры, её интеграцию с энергосистемой, что способствует распространению электромобилей, повышению качества инфраструктуры, а также созданию условий для экологической безопасности, экономического роста. Основные направления развития цифровизации отражены на рисунке 1.

Рис. 1. Основные направления развития цифровизации [1, с. 97-102; 3, с. 77-90; 5, с. 1078-1081] 

Как видно из рисунка 1, важным элементом цифровизации является внедрение интеллектуальных систем управления, которые способны оптимизировать работу зарядных станций на разных уровнях: от отдельных устройств до целых сетей, интегрированных с национальной энергосистемой. К задачам, решаемыми интеллектуальными системами относят:

• Автоматизацию процессов зарядки. В данном случае системы способны регулировать процесс зарядки в зависимости от уровня заряда электромобиля, предпочтений пользователя, состояния электросети.
• Мониторинг. Системы обеспечивают отслеживание состояния зарядных станций, что позволяют выявлять неисправности, прогнозировать необходимость технического обслуживания, благодаря чему повышается доступность инфраструктуры.
• Прогнозирование потребностей в энергии. Интеграция с системами управления энергоснабжением позволяет эффективно распределять ресурсы с учётом времени суток, погодных условий, пиковых нагрузок.

Умные технологии, обеспечивают внедрение современных технологических решений для улучшения транспортных систем. Одним из направлений является развитие инфраструктуры для электромобилей, включая сети зарядных станций, которые становятся неотъемлемой частью городской среды. Эти станции оснащаются системами управления, позволяющими оптимизировать распределение энергии, учитывать спрос и обеспечивать удобный доступ для пользователей [10, с. 2143]. Для Казахстана внедрение таких систем имеет важное значение, поскольку страна нуждается в модернизации энергетической инфраструктуры, а также в интеграции возобновляемых источников энергии для эффективного распределения энергоресурсов. Одной из задач цифровизации является обеспечение совместимости зарядных устройств различных операторов, для этого необходимо внедрить открытые протоколы связи, такие как OCPP, которые обеспечивают бесперебойную работу зарядных станций и систем управления энергоснабжением.

К преимуществам внедрения данных протоколов относят следующие: протоколы позволяют зарядным станциям разных производителей работать в единой сети, что увеличивает доступность инфраструктуры; обеспечивают передачу информации о состоянии зарядных станций, что способствует более эффективному управлению сетью [2, с. 35-51; 4, с. 12; 7, с. 155-172].

Интеграция зарядных станций с умными энергосетями способствует созданию гибкой, адаптивной энергетической инфраструктуры, способной эффективно распределять энергию с учётом текущих потребностей. Умные сети управляют потоками энергии в реальном времени, что позволяет использовать возобновляемые источники и снижать нагрузку на сеть в периоды пикового потребления, к преимуществам интеграции относят:

• Динамическое управление зарядкой, когда зарядные станции способны регулировать процесс зарядки в зависимости от нагрузки на сеть, времени суток, цен на электроэнергию.
• Использование электромобилей как мобильных аккумуляторов, в рамках концепции Vehicle-to-Grid электромобили отдают энергию в сеть, что позволяют сбалансировать потребление.
• Умные зарядные станции способны работать с солнечными панелями, ветровыми установками, что позволяет минимизировать использование углеродных источников энергии.

Также стоит отметить и важность разработки мобильных приложений в использовании электромобилей, с целью повышения удобства использования зарядных станций. В данном случае приложения позволяют контролировать процесс зарядки, искать доступные зарядные станции, управлять платежами [1, с. 97-102; 3, с. 77-90; 5, с. 1078-1081]. Основные функции, представлены для наглядности на рисунке 2.

Рис. 2. Функции мобильных приложений в области использования зарядных станций [1, с. 97-102; 3, с. 77-90; 5, с. 1078-1081]

Использование аналитики данных в инфраструктуре зарядных станций открывает новые возможности для прогнозирования и оптимизации работы зарядных сетей. Сбор информации о потребительском поведении, нагрузках на сети, техническом состоянии оборудования позволяет принимать более обоснованные решения и планировать развитие инфраструктуры. Основными преимуществами использования аналитики являются:

1. Прогнозирование спроса, в данном случае анализ данных о пиковых нагрузках и использовании зарядных станций позволяет предсказать возможные пики потребления, подготовить сеть к повышенному спросу.
2. Оптимизация энергопотребления, где с помощью аналитики возможно эффективно распределять энергию, учитывая потребности разных районов.
3. Повышение операционной эффективности, в данном случае анализ трендов, диагностика состояния оборудования помогают повысить надёжность, оперативность обслуживания [2, с. 35-51; 6, с. 100-114].

Таким образом, внедрение данных технологий позволяет повысить эффективность зарядных станций, улучшить их работу, упростить управление энергетическими ресурсами.

Обсуждения

Цифровизация зарядных станций сталкивается с рядом препятствий, требующих комплексного подхода, для преодоления которых требуется сотрудничество государственного сектора, частных организаций.

Одним из факторов, ограничивающих масштабирование цифровизации зарядных станций, является недостаток инвестиций в развитие инфраструктуры, высокие затраты на внедрение современных технологий. В удаленных регионах, где отсутствуют базовые зарядные устройства, эта проблема приобретает актуальность, для решения которой требуется создание условий для привлечения частных инвестиций, внедрение мер поддержки через субсидии, налоговые льготы для организаций, занимающихся расширением зарядной сети.

Отсутствие четких стандартов, законодательных актов, регулирующих установку зарядных станций, развитие умных энергосетей препятствует цифровой трансформации. Казахстану необходимо выработать подход к созданию нормативной базы, которая обеспечит стандартизацию зарядных устройств, установит правила безопасности данных, защиту прав пользователей, обеспечит киберзащиту в области электромобильности.

Для внедрения цифровых решений в зарядных станциях необходимо наличие специалистов в области информационных технологий, энергетики, экологии. Проблема подготовки кадров становится актуальной, поскольку от квалификации специалистов зависит способность отрасли реагировать на новые технологические вызовы. Разработка образовательных программ, курсов повышения квалификации, направленных на цифровые технологии для зарядных станций, поможет решить кадровый дефицит [9, с. 11504-11529].

Внедрение умных технологий в инфраструктуру зарядных станций способствует увеличению количества электромобилей на территории Республики Казахстан. Интеллектуальные системы управления станциями позволяют снизить расходы, связанные с их использованием, повысить надежность, оптимизировать взаимодействие с энергетическими системами. Эффективная работа инфраструктуры создает предпосылки для последующего увеличения спроса на электромобили, что в свою очередь ускоряет процесс перехода к внедрению экологически чистого транспорта.

Интеграция зарядных станций с возобновляемыми источниками энергии, такими как солнечные и ветровые электростанции, имеет особое значение для Казахстана [5, с. 1078-1081; 8, с. 188-191]. Ниже в таблице будут описаны перспективы развития зарядных станций, а также внедрения умных технологий.

Таблица

Перспективы развития зарядных станций, внедрения умных технологий (составлено автором)

Таким образом, цифровизация зарядных станций, а также внедрение умных технологий открывают новые возможности для повышения эффективности инфраструктуры электромобилей на территории Республики Казахстан. В свою очередь внедрение электротранспорта способно оказать значительное влияние на социальные, экономические аспекты жизни общества. В социальной сфере увеличение количества данного вида транспорта будет способствовать снижению загрязнения воздуха, что позволит улучшить уровень здоровья населения, особенно в крупных городах. Кроме того, это создаст новые рабочие места в компаниях, обслуживающих зарядные станции. С экономической точки зрения рост электротранспорта будет способствовать снижению зависимость от ископаемого топлива, развитию «зелёной» энергетики. Однако взаимодействие с другими видами транспорта требует внедрения электротранспорта в общую сеть, например, через мультимодальные узлы и совместимость зарядных станций с логистикой.

Заключение

Подводя итог можно сказать, что современные технологии, способны повысить функциональные возможности зарядных станций, улучшая их производительность, обеспечивая внедрение в экосистемы умных городов. Управление нагрузкой, прогнозирования потребности в энергии, ценообразования позволят снизить расходы, связанные с процессом эксплуатации, улучшить обслуживание пользователей, что позволит продвигать экологически безопасные решения.

Анализ данных продемонстрировал, что цифровизация зарядных станций окажет влияние не только на работу отдельных объектов, но и откроет новые возможности для формирования эффективных энергетических сетей. Интеграция умных технологий связана с решением множества технических, экономических, нормативных вопросов, что требует разработки соответствующих стандартов. Ожидается, что в будущем эти нововведения повлияют на улучшение качества обслуживания, снижение эксплуатационных расходов, повышение энергоэффективности в переходе к устойчивым, экологичным транспортным решениям.