Цифровізація економіки та стрімке впровадження ШІ докорінно змінюють енергетичний сектор. ШІ вже перестав бути футуристичною ідеєю і перетворився на реальність, яка проникла в усі сфери життя, зокрема в енергетику. Це породжує як нові можливості, так і серйозні виклики. З одного боку, сучасні алгоритми ШІ здатні оптимізувати процеси виробництва, розподілу та споживання енергії, підвищуючи гнучкість і ефективність енергосистем. З іншого боку, функціонування ШІ вимагає значних обчислювальних ресурсів і створює додаткове навантаження на енергетику у вигляді зростаючого енергоспоживання цифрової інфраструктури. Основне питання, яке постає перед науковою спільнотою та галуззю, полягає в тому, чи є ШІ більшим викликом чи можливістю для енергетики за сучасних умов. Ця стаття присвячена аналізу впливу цифрових технологій (передусім штучного інтелекту) на енергоспоживання та пов’язані з цим кліматичні виклики, а також розгляду шляхів, які дозволяють використати потенціал ШІ для сталого розвитку енергетики. Спершу розглянемо тенденції зростання попиту на електроенергію внаслідок цифровізації та оцінимо масштаби цієї проблеми. Далі проаналізуємо можливості, які надає ШІ для підвищення ефективності енергосистем, у тому числі глобальний досвід і конкретні приклади в Україні. Нарешті, окреслимо існуючі перешкоди на шляху впровадження ШІ в українській енергетиці та перспективи подолання цих бар’єрів з метою максимально реалізувати позитивний ефект цифрових інновацій, мінімізувавши їхні ризики для клімату.

Енергоспоживання цифрових технологій: виклики для енергетики та клімату

Активна цифровізація супроводжується вибуховим зростанням обсягів даних, які потрібно обробляти і зберігати. Це веде до розширення мережі дата-центрів – обчислювальних центрів, що забезпечують роботу інтернет-сервісів, хмарних технологій і ШІ. Дата-центри вже сьогодні споживають помітну частку світової електроенергії, і ця частка невпинно збільшується. За оцінками, у 2022 році на дата-центри (разом із інфраструктурою для криптовалют та ШІ) припадало близько 2% глобального електроспоживання (приблизно 460 ТВт·год) Особливо швидко зростає попит на електроенергію внаслідок впровадження генеративного ШІ (як-от великі мовні моделі). Для прикладу, один запит до чат-бота ChatGPT потребує майже вдесятеро більше електрики, ніж типовий пошуковий запит у Google. [1]

Навантаження на енергосистему від цифрових технологій стрімко зростає в провідних економіках. У Сполучених Штатах Америки дата-центри споживають близько 2,5% загального обсягу електроенергії країни (≈130 ТВт·год станом на 2022 рік) і, за прогнозами, до 2030 року ця частка може зрости до 7,5%. [2] Абсолютне споживання електроенергії дата-центрами США очікувано збільшиться утричі – з ~130 ТВт·год до ~390 ТВт·год щороку. Подібні тенденції спостерігаються в Європі. У Європейському Союзі (разом із Норвегією, Швейцарією та Великою Британією) сукупне споживання електроенергії дата-центрами зараз оцінюється приблизно в 62 ТВт·год на рік, що складає біля 2% від річного споживання електроенергії цього регіону. До кінця десятиліття ці показники можуть зрости до 150+ ТВт·год (≈5% від загального споживання). [3] Таблиця 1 узагальнює ці статистичні дані.

Значний обсяг енергоспоживання дата-центрами викликає кліматичні занепокоєння, адже історично більша частина електроенергії виробляється з викопних видів палива. Якщо цей додатковий попит не буде забезпечено за рахунок низьковуглецевих джерел, то викиди парникових газів від електроенергетики зростатимуть, підриваючи зусилля зі стримування глобального потепління.Тому у світі формується тренд на забезпечення роботи центрів обробки даних за рахунок відновлюваних джерел енергії. Протягом останніх років великі ІТ-корпорації (Google, Microsoft, Amazon та ін.) активно інвестували у відновлювану енергетику, наприклад, викуповуючи наперед виробництво електроенергії новозбудованих сонячних і вітрових електростанцій для потреб своїх дата-центрів. В Сполучених Штатах до 2022 р. спостерігалася тенденція живити обчислювальні центри «зеленою» електроенергією, однак зміни в державній політиці створили певну невизначеність щодо подальшого курсу декарбонізації. Натомість Європейський Союз лишається відданим Зеленому курсу: попри зростання попиту на електроенергію. Новий склад Єврокомісії не відмовляється від планів «зеленого переходу» і суворих цілей зі скорочення викидів. Для Європи питання забезпечення дата-центрів чистою енергією є критично важливим, адже європейська електроенергія вже зараз є дорогою, що впливає на конкурентоспроможність бізнесу.

Особливо показовою є ситуація в Ірландії: у 2023 році ірландські дата-центри спожили близько 21% всієї електроенергії країни – більше, ніж сукупне споживання електроенергії міськими домогосподарствами (18%). [4] Це більш ніж чотирикратне зростання порівняно з 2015 роком, коли частка дата-центрів становила 5%. Такий різкий стрибок викликав занепокоєння щодо надійності енергосистеми: оператор мереж Ірландії тимчасово припинив видачу нових приєднань для дата-центрів у Дубліні до 2028 р. через загрозу дефіциту потужності. [5] Випадок Ірландії демонструє, якбум ШІ та цифрових сервісів може швидко поглинати значну частку енергоресурсів країни, ускладнюючи досягнення кліматичних цілей.

Для України питання впливу цифрових технологій на енергетику також стає актуальним, хоча поки що країна має менший масштаб ІТ-інфраструктури. Офіційні дані про обсяги електроспоживання українськими дата-центрами та системами ШІ наразі відсутні. Проте вже сьогодні зрозуміло, що енергетика України відчуває значний тиск з інших причин – зокрема через воєнні дії, які спричиняють нестабільність енергопостачання та руйнування інфраструктури. Додатковим викликом є зношеність електромереж: за різними оцінками, до 80% мережевого обладнання та ліній електропередач потребують модернізації або заміни. Такий стан справ означає високі втрати електроенергії і підвищену аварійність. Отже, вітчизняна енергосистема сьогодні має обмежений запас міцності для покриття нового навантаження, яке може виникнути зі зростанням обчислювальних потужностей. Це ставить перед Україною подвійний виклик: з одного боку, необхідно інвестувати в оновлення та розширення енергетичної інфраструктури, а з іншого – врахувати світові тренди цифровізації, щоб не відстати у технологічному розвитку. У наступних розділах розглянемо, які можливості надає штучний інтелект для вирішення енергетичних та кліматичних проблем, та як їх можна використати на користь української енергетики.

Можливості штучного інтелекту для енергетичного сектору

Попри значні енергетичні витрати, цифрові технології (і ШІ зокрема) здатні стати частиною вирішення кліматичних проблем, надаючи інструменти для підвищення ефективності і гнучкості енергосистем. Сьогодні ШІ дедалі ширше впроваджується в енергетиці по всьому світу – від генерації до розподілу і споживання. Нижче розглянуто основні напрямки, в яких штучний інтелект вже демонструє свою результативність у енергетичній галузі.

1. Прогнозування попиту та генерації (прогностична аналітика). Алгоритми машинного навчання можуть аналізувати великі обсяги даних для високоточних прогнозів виробництва і споживання електроенергії. Це надзвичайно важливо для балансування енергосистеми, особливо з огляду на змінність попиту та зростання частки нестабільної генерації. Сучасні моделі ШІ дозволяють суттєво підвищити точність прогнозів. Приміром, методи на основі Support Vector Machine (підтримуючих векторів) демонструють до 98% точності при прогнозуванні електроспоживання. Подібні рішення вже впроваджуються енергетичними компаніями: наприклад, у США за участі корпорації NVIDIA створено систему на базі ШІ для моніторингу та керування електромережами в режимі реального часу. Висока точність прогнозів попиту дає змогу оптимально планувати роботу електростанцій і мереж, знижуючи ризики дефіциту або надлишку енергії.

2. Управління «розумними» мережами (Smart Grid). Концепція Smart Grid передбачає оснащення електричних мереж інтелектуальними системами контролю та керування, які постійно збирають дані про стан мережі, навантаження, параметри якості електроенергії тощо. Штучний інтелект у таких системах використовується для аналізу потоків енергії та швидкого реагування на зміни. Завдяки цьому стає можливим динамічно оптимізувати розподіл електроенергії, попереджувати перевантаження і мінімізувати втрати. Наприклад, ШІ дозволяє згладжувати пікові навантаження шляхом розумного керування навантаженням (demand response) – автоматично знижувати споживання на менш критичних об’єктах у години піку. Такі технології вже застосовуються у провідних країнах. Зокрема, згадана вище система на базі NVIDIA в США здійснює моніторинг стану обладнання мереж та керування комутацією без втручання людини, що підвищує надійність електропостачання. Розумні мережі із ШІ здатні швидко ізолювати аварійні ділянки, перенаправити потоки енергії і таким чином запобігти масштабним відключенням.

3. Інтеграція відновлюваних джерел енергії. Поширення сонячних та вітрових електростанцій породжує нові виклики, адже їх генерація нестабільна і залежить від погодних умов. ШІ допомагає пом’якшити проблему непостійності ВДЕ. По-перше, алгоритми машинного навчання покращують прогнозування виробітку на основі метеоданих – це дозволяє енергетикам краще планувати резерви та маневрові потужності. По-друге, ШІ може автономно керувати мікромережами та розподіленими накопичувачами енергії, оптимізуючи споживання локально і забезпечуючи максимальне використання доступної відновлюваної енергії. Вже зараз у світі впроваджуються рішення, коли прогностичні моделі ШІ спільно з системами зберігання енергії згладжують коливання сонячної/вітрової генерації, підвищуючи її частку в енергобалансі. Таким чином, штучний інтелект стає важливим інструментом для декарбонізації енергетики, дозволяючи безпечно інтегрувати більше «зеленої» енергії.

Крім цих ключових напрямів, ШІ має й інші застосування в енергетиці: оптимізація режимів роботи обладнання, підвищення енергоефективності споживання, управління попитом з боку споживачів (smart home, smart building), торгові алгоритми на енергоринках тощо.

Приклади використання ШІ в енергетиці України

Український енергетичний сектор лише починає впроваджувати інструменти ШІ, але вже є перші успіхи, переважно у сфері відновлюваної енергетики. Найбільш динамічно розвиваються приватні компанії, що працюють із сонячною енергетикою – вони швидко переймають новітні цифрові рішення. Показовим є досвід групи компаній KNESS (м. Вінниця), одного з лідерів у сфері сонячної енергетики України. [6] Вже кілька років KNESS власними силами розробляє та впроваджує програмні продукти з елементами ШІ для підвищення ефективності роботи сонячних електростанцій. Зокрема, створено систему PV.Forecast – сервіс прогнозування генерації на основі нейромереж. Вона аналізує великі масиви історичних та актуальних погодних даних по місцезнаходженню СЕС і видає прогноз виробітку електроенергії з дуже високою точністю. За словами розробників, точність прогнозу досягає такої малої похибки, що перевершує аналогічні рішення від деяких закордонних компаній. Це має вагомий прикладний ефект: точний прогноз генерації нової СЕС дозволяє правильно оцінити її економічну доцільність, розрахувати окупність та залучити інвестиції. KNESS успішно використовує PV.Forecast для власних станцій і пропонує як продукт іншим.

Ще одним продуктом KNESS є система PV.Predictive Maintenance – рішення на основі ШІ для предиктивної діагностикиобладнання СЕС. Ця система інтегрована в програмний комплекс SCADA і відстежує параметри роботи сонячних станцій у режимі реального часу. На основі комбінації історичних даних про відмови та зовнішніх факторів (наприклад, прогнозу погіршення погодних умов) модель ШІ прогнозує виникнення несправностей інверторів, модулів чи інших компонентів. В разі виявлення аномалій система автоматично сповіщає персонал про необхідність виїзду на об’єкт до того, як сталася серйозна аварія. Такий підхід значно скорочує час простою електростанції та запобігає втратам генерації. Фактично, ШІ дозволяє перейти від реагування на аварії до їхнього на випередження (proactive maintenance).

Окрім суто технічних застосувань, KNESS впровадив і внутрішні корпоративні сервіси на основі ШІ. Наприклад, KNESSBOT – це інтегрований чат-бот для автоматизації бізнес-процесів і підтримки співробітників. Він працює на базі великих мовних моделей (GPT-4) та інших AI-сервісів і допомагає персоналу з рутинними завданнями: пошук інформації в документації, переклад текстів, заповнення звітів, генерування чернеток документів.

Наведеними прикладами перелік застосувань ШІ в українській енергетиці не обмежується. Деякі великі енергокомпанії, наприклад, ДТЕК, також розвивають можливості штучного інтелекту.

Для того, щоб розкрити повний потенціал ШІ, необхідне подолання низки системних перешкод, про які йтиметься далі.

Проблеми та бар’єри впровадження ШІ в енергетиці України

Попри перспективність технологій ШІ, їх широке запровадження в українській енергетиці стримується одразу кількома чинниками. Більшість із них пов’язані із загальним станом галузі та економіки. Нижче окреслено ключові вузькі місця і виклики, що стоять на заваді цифровій трансформації енергетики України:

• Застаріла інфраструктура. Українська енергосистема історично недоінвестована у модернізацію. Значна частина електростанцій, мережевого обладнання та ліній електропередач була збудована кілька десятиліть тому. Як зазначалося, близько 80% електромереж вичерпали свій ресурс і потребують заміни чи реконструкції. У таких умовах інтеграція додаткових цифрових рішень (сенсорів, контролерів, дата-центрів для обробки даних) ускладнена: стара інфраструктура може не підтримувати потрібні інтерфейси, а її пропускна здатність обмежена. Перед впровадженням ШІ часто необхідно здійснити базову модернізацію «цифрового фундаменту» енергосистеми – впровадити системи АСКОЕ, SCADA, забезпечити збір достовірних даних в реальному часі. Без оновлення мереж і підстанцій корисність ШІ-рішень буде нижчою, адже вони отримуватимуть неповні або ненадійні дані про систему.


• Кадровий дефіцит цифрових навичок. Для розгортання і обслуговування систем штучного інтелекту потрібні фахівці на перетині ІТ та енергетики: інженери з даних, програмісти, фахівці з кібербезпеки, які розуміють специфіку енергогалузі. В українських енергокомпаніях поки що бракує таких кадрів. Конкуренція з боку ІТ-сектора та іноземних компаній призводить до відтоку талантів: кваліфіковані айтівці не завжди зацікавлені працювати в традиційних енергокомпаніях через нижчий рівень оплати. Отже, виникає проблема “skills gap” – розриву між потребою у цифрових компетенціях і наявним кадровим потенціалом. Подолати це можна через спеціалізоване навчання персоналу, співпрацю енергокомпаній з університетами, створення умов для залучення молодих фахівців у галузь. Деякі кроки вже робляться: так, технічні університети починають відкривати програми з цифрових технологій в енергетиці, впроваджуються навчальні лабораторії з VR/AR для підготовки електромонтерів. Але ці зусилля треба масштабувати, щоб сформувати критичну масу компетентних спеціалістів.


• Обмежене фінансування та економічні стимули. Впровадження ШІ-рішень потребує інвестицій – як капітальних (на обладнання, ПЗ, ІТ-інфраструктуру), так і операційних (на підтримку, оновлення, оплату ІТ-персоналу). Для українських енергокомпаній, особливо державних або регульованих (обленерго, генерація), залучити значні кошти на цифровізацію складно. Тарифи на електроенергію довгий час були занижені, а кошти інвестпрограм спрямовувалися переважно на критичні ремонти. У період війни фінансовий стан галузі ще більше ускладнився. Тому проекти зі штучного інтелекту часто не в пріоритеті або відкладаються “до кращих часів”. Відсутні й достатні стимули: ефект від впровадження ШІ (наприклад, зниження втрат) може економічно не оцінюватися регулятором належним чином, тож компанії не впевнені в окупності інвестицій. Для змін потрібна підтримка на державному рівні – цільові фонди на інновації в енергетиці, міжнародна допомога, визнання обґрунтованих витрат на цифровізацію в тарифах тощо.


• Регуляторні бар’єри та питання безпеки. Енергетика належить до стратегічних секторів, тому впровадження будь-яких новітніх технологій тут підлягає додатковим вимогам. Наприклад, використання хмарних сервісів або стороннього програмного забезпечення може обмежуватися через міркування кібербезпекита збереження критичних даних. Є побоювання, що підключення обладнання до інтернету чи передача даних в зовнішні дата-центри створить ризики витоку інформації або кібератак. Таким чином, нормативно-правова база має адаптуватися, щоб одночасно дозволити гнучке впровадження ШІ і гарантувати безпеку енергосистеми. Поки що законодавство України в цій сфері лише формується. Необхідні оновлені стандарти і протоколи для «розумних мереж», вимоги до програм з елементами ШІ, сертифікація обладнання тощо. Наявність чітких правил гри полегшить компаніям ухвалення рішення про цифровізацію, зменшить регуляторні ризики.

Отже, Україні ще належить створити відповідні організаційні та технічні умови для масштабного впровадження штучного інтелекту в енергетиці. Однак розуміння проблем – це перший крок до їх вирішення. У фінальній частині статті розглянемо, які перспективи відкриваються перед українською енергетикою за умови подолання перелічених бар’єрів, та які заходи варто реалізувати найближчим часом.

Перспективи та рекомендації

Попри існуючі труднощі, інтеграція штучного інтелекту в енергетику є неминучим етапом розвитку галузі. Успішний досвід інших країн показує, що переваги значно переважають початкові витрати – за правильного підходу. Для України впровадження ШІ може стати потужним драйвером модернізації енергосистеми та досягнення кліматичних цілей. Ось кілька ключових перспективних напрямків, реалізація яких видається найбільш доцільною:

• Підвищення ефективності та стійкості енергосистеми. Масове впровадження ШІ-рішень дозволить оптимізувати режими роботи всієї енергосистеми – від генерації до споживання. За рахунок прогнозування попиту та пропозиції в реальному часі можна мінімізувати непотрібні резерви, зменшити перетоки енергії на великі відстані (краще балансування локально) і тим самим знизити втрати в мережах. ШІ допоможе своєчасно виявляти проблемні місця в обладнанні та мережах (через предиктивну діагностику) і упереджувати аварії, що підвищить надійність енергопостачання. Зрештою, більш “розумна” система буде менш вразливою до пікових навантажень і збоїв – тобто більш стійкою (resilient). Це особливо актуально для України з урахуванням пошкоджень інфраструктури: розумні алгоритми можуть швидше відновлювати живлення шляхом перебудови схем мереж під час аварій.


• Iнтеграція відновлюваних джерел енергії (ВДЕ). Для виконання міжнародних зобов’язань з декарбонізації Україні потрібно нарощувати частку сонячної та вітрової енергетики в балансі. Штучний інтелект стане необхідним інструментом для керування енергосистемою з високою долею інтермітуючих ВДЕ. За допомогою прогнозування генерації ВДЕ та інтелектуального керування мікромережами і накопичувачами енергії на основі ШІ, можна буде більш плавно інтегрувати нові сонячні і вітрові станції. Автоматизовані системи з ШІ зможуть розподіляти навантаження так, щоб максимально споживати доступну «зелену» енергію у моменти генерації і мінімально покладатися на резервні викопні джерела. Це дозволить поступово збільшувати частку ВДЕ без ризику дестабілізації роботи енергомереж.


• Зниження експлуатаційних витрат та аварійності. Використання предиктивної аналітики на основі ШІ дасть змогу енергокомпаніям своєчасно виявляти ознаки зносу чи неполадок обладнання і проводити ремонт превентивно. Це скоротить кількість аварійних відключень і дорогих аварійних ремонтів. Крім того, автоматизація рутинних операцій (наприклад, збору показників, перемикання обладнання, ведення звітності) через розумні алгоритми зменшить витрати праці та людський фактор. Перспективним є поєднання ШІ з дронами та робототехнікою для інспекції ліній електропередач, станцій тощо – що підвищить швидкість і безпечність оглядів, дозволяючи раніше виявляти проблеми. В комплексі все це дасть економію коштів на обслуговуванні та підвищить безперервність електропостачання для споживачів.

Для реалізації зазначених переваг необхідно вже сьогодні закладати основу. Насамперед, потрібна стратегія цифрової трансформаціїенергетики України на державному рівні, яка б визначила пріоритетні проекти та джерела їх фінансування. Паралельно слід оновлювати нормативну базу під стандарти «розумних мереж» і вимоги кібербезпеки. Важливим кроком є розвиток освітніх програм: підготовка фахівців з енерго-IT профілю (інженери електроенергетики з навичками програмування і роботи з даними, та айтівці, що розуміють специфіку енергосистем). Доцільно запровадити пілотні проекти на базі великих державних компаній (наприклад, «Укренерго» чи ДТЕК) спільно з університетами та стартапами – це створить полігони для відпрацювання ШІ-рішень та продемонструє їх ефективність.

Висновки

Вплив цифрових технологій, і особливо штучного інтелекту, на енергетику є двоаспектним. З одного боку, ШІ підсилює навантаженняна енергосистему через зростання електроспоживання дата-центрами та обчислювальною інфраструктурою, що ставить нові виклики перед забезпеченням електроенергією і досягненням кліматичних цілей. З іншого боку, ШІ надає інструменти для розв’язання цих викликів шляхом оптимізації та інтелектуального керування енергетичними процесами. Світові тенденції свідчать про швидке зростання енерговитрат цифрової сфери – з прогнозами триразового збільшення споживання електроенергії дата-центрами у провідних країнах до 2030 року. Це вимагає випереджувальних дій з боку енергетичного сектору: нарощування «зеленої» генерації, модернізації мереж та впровадження енергоефективних технологій. Штучний інтелект, будучи частиною цифрової революції, водночас виступає ключем до ефективнішої і гнучкішої енергосистеми. Його застосування дозволяє досягти кращого балансування енергії, інтегрувати більше відновлюваних джерел, знизити втрати та аварійність.

Для України, яка прагне відновити та оновити свою енергетику, важливо не залишатися осторонь цих процесів. Вже зараз в країні є приклади успішного використання ШІ (системи прогнозування та діагностики на ВДЕ, “розумні” пристрої для споживачів). Це закладає підґрунтя для ширшої цифровізації. Державна політика має підтримати ці інновації, усуваючи бар’єри і стимулюючи інвестиції. Важливо пам’ятати, що впровадження ШІ – не самоціль, а засіб досягнення більш сталого, надійного та екологічного енергетичного господарства. Збалансовуючи розвиток обчислювальних потужностей із розвитком чистої енергетики, Україна зможе використовувати цифрові технології на благо – мінімізуючи їхній “вуглецевий слід” і максимізуючи користь для економіки та суспільства. У перспективі штучний інтелект, інтегрований в енергетику, стане невід’ємною складовою Smart Grid України, що забезпечуватиме країні енергетичну безпеку та сприятиме виконанню кліматичних зобов’язань. Таким чином, виклики, які несе цифрова ера, можуть бути перетворені на можливості за умов правильного стратегічного підходу. Українська енергетика має всі шанси не лише наздогнати світові тренди, а й знайти власні ніші лідерства у застосуванні штучного інтелекту. Це стане запорукою її успішного відновлення та розвитку у післявоєнний період на шляху до вуглецево нейтрального майбутнього.

Література / References:

1. Anne-Laure Ligozat, Alex De Vries (2024). Interactions with AIs like ChatGPT could consume 10× more electricity than a Google search, according to IEA. – Polytechnique Insights, 13 Nov 2024. URL: polytechnique-insights.com.
2. Boston Consulting Group (2023). Data center electricity consumption was 2.5% of the U.S. total (~130 TWh) in 2022 and is expected to triple to 7.5% (~390 TWh) by 2030. URL:ssti.org. – SSTI, 2023.
3. Nina Chestney (2024). Europe’s data centre power consumption is expected to almost triple to >150 TWh by 2030 (from ~62 TWh, ~2% to ~5% of total consumption.) – Reuters, 23 Oct 2024. URL: reuters.com reuters.com .
4. Jillian Ambrose (2024). Ireland’s datacentres used 21% of the country’s electricity in 2023 (up from 5% in 2015), surpassing urban homes (18%). – The Guardian, 23 Jul 2024. URL: theguardian.com.
5. Ireland embraced data centers that the AI boom needs. Now they’re consuming too much of its energy. URL: Ireland data centers consuming too much of its energy - Washington Times
6. Official Website of KNESS Company. URL: https://kness.energy/kompanii/

Джерело розміщення: https://ir.kneu.edu.ua/items/5a041137-303d-405c-aacb-1d6a32a0d60a