مرونة الطلب

وعلى كل شبكة كهرباء أن تطابق العرض والطلب في كل ثانية. وطوال قرن من الزمان، تم ذلك عن طريق تعديل الإمدادات: فمحطات الفحم والغاز والمياه تتبع ما يختار الناس أن يشغلوه. ولا يمكننا أن نعرف متى ينبغي لنا أن ننتج من الرياح والطاقة الشمسية، وبالتالي فإن الشبكة النظيفة تحتاج إلى النصف الآخر من المعادلة ليتحرك أيضا. إن مرونة الطلب تعني تغيير متى نستخدم الكهرباء، وأحياناً كمياتها، استجابة للأسعار أو الإشارات أو التحكم الآلي، دون التخلي عن الخدمات التي نرغب فيها: الماء الساخن، والبيت الدافئ، والسيارة المشحونة بالطاقة، والأطباق النظيفة.

وهو بديل الطاقة الوحيد في قائمتنا الذي لا ينتج أي طاقة على الإطلاق. ولهذا السبب بالتحديد فإن الأمر يشكل أهمية بالغة. إن نقل كيلووات الساعة من الذروة المسائية إلى فترة ما بعد الظهيرة المشمسة من الممكن أن يحل محل إنتاج محطة غاز وإنقاذ الطاقة الشمسية التي كانت لتذهب هباءً لولا ذلك، وذلك في مقابل تكلفة جهاز التحكم وتعريفة عادلة. وهو يعمل بالفعل على نطاق ملايين المنازل. وتكون حدوده هي الثقة والقياس وصبر الأشخاص الذين يُطلب منهم المشاركة، وليس الفيزياء.

ما هو

وتشمل مرونة الطلب كل ما يسمح لاستخدام الكهرباء بأن يتبع العرض بدلاً من العكس. ويقسم المهندسون هذا النوع إلى أربعة أنواع:

• Shift: نقل الاستخدام إلى ساعة أخرى دون تغيير المجموع. تسخين خزان ماء ساخن في منتصف النهار، شحن السيارة خلال الليل، وتشغيل غسالة الأطباق عندما تكون الرياح قوية.
• السقيفة: تقليل الاستخدام لفترة قصيرة وقبول خدمة أقل قليلا، مثل استخدام جهاز تنظيم الحرارة الذي يقلل درجة واحدة لمدة ساعة خلال فترة الذروة الشتوية.
• الشكل: تغيير النمط اليومي من خﻻل التعريفات التي تجعل بعض الساعات أرخص من غيرها، مثل اﻷسعار المحددة بحسب وقت اﻻستخدام أو نصف الساعة.
• Shimmy: تعديلات سريعة وصغيرة في غضون ثوان أو دقائق تساعد على الحفاظ على تردد الشبكة مستقرة، والتي يمكن أن تفعلها سخانات المياه والبطاريات وشاحنات السيارات دون أن يلاحظ أحد.

وعندما يتم تنسيق آلاف من هذه الأجهزة بواسطة البرمجيات وعرضها على الشبكة كمورد واحد، تسمى النتيجة ” شبكة طاقة متجددة ” (). محطة الطاقة الافتراضية: إنها تتصرف مثل محطة للطاقة في الذروة، باستثناء أنها تتكون من المنازل. Reviews of the field describe the full toolbox and how flexibility complements storage and stronger grids (Lund et al., 2015; Albadi and El-Saadany, 2008).

كيف يعمل

منحنى البط وفي يوم ربيع مشمس في منطقة تتوفر فيها طاقة شمسية كثيرة، فإن الطلب الذي يجب أن تلبيه المصانع الأخرى، والذي يطلق عليه اسم الحمولة الصافية، ينخفض في منتصف النهار ثم يرتفع ارتفاعاً حاداً في المساء مع غروب الشمس وعودة الناس إلى منازلهم. إذا تم رسمه على مدى يوم واحد، يبدو المنحنى مثل البط، وهو شكل اشتهر به مشغل شبكة كاليفورنيا (CAISO، 2016). وتعتبر ساعات الزيادة والذروة في المساء هي أغلى ساعات العمل؛ أما فترات الظهيرة فهي تعني إغلاق مزارع الطاقة الشمسية أو تقليصها بسبب نقص الطلب.

حسابات بسيطة وتصف ثلاثة أرقام ما تفعله المرونة، ويقوم المُشرح أعلاه بحسابها على شبكة توضيحية بحجم المدينة.

• Peak net load, the largest gap between demand and wind plus solar. وهو يحدد عدد محطات الغاز أو البطاريات أو الواردات التي يجب أن تكون جاهزة. إنّ نقل الحمل خارج المساء يخفضه
• Curtailment, the clean energy produced but not used. إن نقل البضائع في ساعات الشمس يستعملها
• (ب) كثافة الكربون، متوسط الانبعاثات لكل كيلووات ساعة مستهلكة. If the gap is filled by gas at about 450 g of CO2 per kWh, every kWh moved from the gap into the surplus saves about 450 g.

في اليوم التوضيحي، فإن تحويل أربعة حمولات تستخدم معاً 300 ميغاواط/ساعة يومياً، أي نحو سبع طلب المدينة، يقلل من الذروة المسائية التي يجب أن يغطيها الغاز من حوالي 112 ميغاواط إلى 61 ميغاواط، ويخفض الطاقة الشمسية وطاقة الرياح المحدودة من حوالي 580 إلى 380 ميغاواط/ساعة، ويخفض كثافة الكربون من حوالي 130 إلى 90 غرام لكل كيلوواط/ساعة. الطاقة المستخدمة هي نفسها تماما. والأشكال توضيحية، ولكن الآلية هي التي يعتمد عليها مشغلو الشبكة.

لماذا بعض الحمولات مثالية الحمل المرن الجيد يخزن الطاقة أو يكون له هامش في جدوله الزمني:

• سخانات مياه البطاريات الحرارية: خزان سعة 200 لتر يحمل حوالي 9 كيلووات/ساعة عند تسخينه إلى درجة حرارة 40 درجة مئوية. تسخينه في منتصف النهار بدلا من الفجر لا يغير شيئا للاستحمام.
• السيارات الكهربائية وتبقى المركبات في مواقفها لمعظم اليوم، ولا تحتاج الرحلة اليومية العادية التي تتراوح بين 30 و50 كيلومتراً إلا إلى نحو 5 إلى 10 كيلووات/ساعة. إن السيارة التي تظل متصلة بالشبكة لمدة عشر ساعات بحاجة إلى شحنها لواحد أو اثنين من هذه الأجهزة، ويمكنها أن تختار أيها.
• مضخات حرارية في منزل معزول جيدا يمكن أن تسخين المسبق للمنزل بعد الظهر والساحل من خلال الذروة مساء مع كتلة المبنى الخاص بك كمخزن.
• غسالات صحون وغسالة ملابس ومجففات نحتاج إلى وقت الانتهاء، وليس وقت البدء.

التحكم، وليس قوة الإرادة. إن مطالبة الناس بمراقبة الشبكة لا يدوم طويلاً. وتجمع قصص النجاح التي تم قياسها بين ثمن أو مكافأة واضحين مع الأتمتة: منظم حرارة ذكي، أو شاحن، أو جهاز تحكم في سخان المياه يتبع الإشارة، مع التجاوز بسهولة. في خدمة مرونة الطلب البريطانية، ما يزيد على 99% من المشاركين في شتاء 2023/24 لا يزالون يستجيبون باليد (الهدف الوطني للسكان، 2024) وهو ما يمثل انخراطاً مدنياً مثيراً للإعجاب، كما أنه السبب في أهمية الأتمتة: فاليد تعاني من التعب، ولكن المراقبين لا يعانيون منه.

الحدود: النظرية والعملية

ما هي حدود الفيزياء. والمرونة محدودة بالتخزين في الخدمة: كم عدد الساعات التي يظل فيها الخزان ساخناً، وكم الوقت الذي يبقى فيه المنزل دافئاً، وكم تحتاجه السيارة بحلول الصباح. ويمكن أن تنقل الطاقة بساعات، وأحيانا بيوم واحد، ولكن ليس من الصيف إلى الشتاء. كما أنه لا يمكن أن يعوض عن أسبوع من الطقس الهادئ والغائم: فهذا يحتاج إلى تخزين أو توليد ثابت أو واردات.

ما يحد منه الناس والأسواق:

• المشاركة والإرهاق. وتعمل المناسبات الطوعية بشكل جيد عدة مرات في الشتاء. الطلبات اليومية بدون أتمتة تفقد الناس.
• مشكلة خط الأساس. لدفع شخص ما لاستخدام أقل، يجب أن تقدر ما كان سيستخدمه لولا ذلك. ويمكن التلاعب بخطوط الأساس، ومن الصعب التحقق منها بالنسبة لأسرة معيشية واحدة.
• الارتفاع و الذروات الجديدة الحمل الذي يخرج من ساعة ما يهبط في ساعة أخرى وإذا بدأت آلاف أجهزة الشحن في نفس اللحظة التي تبدأ فيها فترة منخفضة التكلفة، فإنها يمكن أن تخلق ذروة جديدة على الكابلات المحلية. المخططات الجيدة تتعاقب وتعشوائيه
• الإنصاف. ويمكن للأسر التي تمتلك سيارات ومضخات حرارية وعُدّاد ذكية أن تكسب من المرونة؛ أما الأسر التي لا تملكها فلا يمكنها ذلك. ويجب ألا تعاقب التعريفات الأشخاص الذين لا يستطيعون الانتقال، مثل أولئك الذين يرعون شخصا في المنزل.
• الخصوصية وأمن الفضاء الحاسوبي. نظام يمكنه أن يغير مليون جهاز هو هدف. والمعايير والتشفير والاحتياطيات المحلية أمور أساسية.
• القياس والتسوية. وبدون عدادات نصف الساعة وقواعد السوق التي تدفع مقابل المرونة، لا يمكن مكافأة حتى الأسر المعيشية المستعدة.

المشاريع الفعلية، المقيسة

البرنامج	ما تم قياسه	المصدر
خدمة مرونة الطلب في بريطانيا العظمى، شتاء 2022/23	Over 1.6 million households and businesses through 31 providers took part in 22 events and cut consumption by about 3,300 MWh. Average payment: £3,000 per MWh in test events, £4,559 per MWh in the two live events of January 2023. Response in live events was 20% higher than in tests	استعراض الشتاء لعام 2023
خدمة مرونة الطلب في بريطانيا العظمى، شتاء 2023/24	2.6 million meters (99% domestic) through 48 providers; 14 tests and 2 live events; over 3.7 GWh delivered with a peak of more than 400 MW; total spend £11.9 million; in competitive tests the average accepted bid fell to £1,111 per MWh, with bids as low as £150	تقرير نهاية السنة لعام 2024
الاستجابة للطلب في الولايات المتحدة ومحطات الطاقة الافتراضية	ويُقدر أن هناك ما بين 30 و60 جيغاواط من القدرة الافتراضية لمحطات توليد الطاقة تعمل بالفعل في الولايات المتحدة، ومعظمها في إطار برامج الاستجابة للطلب التي تُستخدم عدة مرات في السنة	وزارة الطاقة الأمريكية، مسارات الإطلاق التجاري: محطات الطاقة الافتراضية، 2023
إمكانات الولايات المتحدة بحلول عام 2030	:: نحو 200 جيغاواط من مرونة الحمل الفعالة من حيث التكلفة، و20 في المائة من الذروة، وأكثر من ثلاثة أضعاف 60 جيغاواط من الاستجابة للطلب المتاحة آنذاك، بقيمة تزيد على 15 مليار دولار سنوياً من التكاليف التي يتم تفاديها	براتل، 2019
هدف الولايات المتحدة	80 إلى 160 جيغاواط من محطات الطاقة الافتراضية بحلول عام 2030، أي ما بين 10 و20 في المائة من الطلب عند الذروة، مما يوفر نحو 10 بلايين دولار سنوياً من تكاليف الشبكة	وزارة الطاقة الأمريكية، 2023

خدمة بريطانيا هي السجل العام الأكثر وضوحا على نطاق واسع حتى الآن. في شتاءين انتقل من تدبير طارئ إلى أداة روتينية: نما عدد مقدمي الخدمات بنسبة 58٪، وبلغت التسجيلات 2.6 مليون متر، وعندما كان على مقدمي الخدمات التنافس في الاختبارات، انخفض متوسط السعر المقبول إلى حوالي 1100 جنيه إسترليني لكل ميغاواط ساعة، مقابل 3000 جنيه إسترليني في اختبارات الشتاء الأول. كما يبين الحجم: 400 ميغاواط في الذروة تعادل تقريبا حجم وحدة كبيرة تعمل بالغاز، وتقوم بتوليدها ملايين المنازل، ومعظمها يعمل باليد.

ما هي تكلفتها

والمرونة لا تشتري بالكيلوواط - ساعة مثل إنتاج محطة الطاقة. ويتم شراؤها بالكيلوواط من ذروة الطاقة التي تزيلها، سنويا، لأن ذلك هو ما تحل محله: محطات وبطاريات مصممة للوقوف جاهزة لبضع عشرات من الساعات.

خيار تغطية الذروة	مقياس التكلفة	المصدر
محطة جديدة لبلوغ الذروة في الغاز	$0.110 to $0.228 لكل كيلووات/ساعة منتجة، لا تعمل إلا في أوقات الذروة	لازارد LCOE+، 2024
ذروة الغاز، البطارية على نطاق المرافق العامة ونظام توليد الطاقة الكهربائية المنزلية، 400 ميغاواط من الموثوقية لمرفق نموذجي في الولايات المتحدة	The VPP’s net cost to the utility is about 40% of the gas peaker’s and 60% of the battery’s. Counting emissions and resilience, annual net cost is about $43 million for gas, $29 million for batteries and $2 million for the VPP	براتل، الموثوقية الحقيقية، 2023
تخفيض الطلب على اﻷسر المعيشية في حاﻻت الطوارئ، بريطانيا العظمى	£1,111 to £4,559 per MWh delivered, for a few hours a winter	المنظمة الوطنية للرصد والتقييم، 2023 و 2024
الطاقة الشمسية على سطح المبنى، معيار جيلنا	$0.19 per kWh central; commercial rooftop $0.09 إلى 0.20 دولار	نموذجنا الجدار المروحي؛ لازارد، 2026

ويخلص هذا الجدول إلى درسين. First, per kWh, peak-time reductions look expensive, but a peaking plant is also expensive per kWh because it runs so rarely; per kW of reliability, flexible homes are the cheapest option in the studies above, and Brattle estimates a 60 GW US deployment could meet future reliability needs for $15 to $35 billion less over ten years than the alternatives. ثانيا، إن المرونة لا تنافس معيارنا المرجعي للطاقة الشمسية على الأسطح، بل تكمله. وتنتج الطاقة الشمسية أكبر قدر من الطاقة في منتصف النهار؛ وتؤدي المرونة إلى نقل الاستخدام إلى تلك الساعات، مما يرفع قيمة كل لوحة ويحد من الحاجة إلى البطاريات.

حيث يمكنها الفوز، وحيث لا تستطيع

ويمكن أن يفوز:

• Grids with a lot of solar, where midday prices fall towards zero and evening peaks are expensive.
• Homes with electric heating, hot-water tanks, heat pumps or electric cars, the loads that store energy by nature.
• Local networks near their limits, where managing when cars charge can postpone new cables and transformers; the US DOE notes Californian studies finding that smoother charging could cut distribution investment by 2035 from up to $50 billion to $15 to $20 billion.
• الأعمال التجارية التي تستخدم العمليات الحرارية: مخازن التبريد، ضخ المياه، تدفئة وتبريد المباني الكبيرة.

لا يمكن أن يفوز:

• فترات طويلة من الهدوء والظلام ولا يمكن أن تغطي ساعات العمل المتنقلة أسبوعا من الشتاء لا تهب فيه رياح.
• الحمولات التي يجب أن تجري الآن: المستشفيات، الإضاءة، الطهي، معظم الصناعات في جداول زمنية ضيقة.
• بدون قياس وقواعد عادلة. وحيثما تقرأ العدادات مرة واحدة في الشهر وتكون التعريفات ثابتة، لا يوجد ما يستجيب له ولا سبيل إلى دفعها.

ما هو مؤكد وممكن ومقبول

أثبتت: ستستجيب ملايين الأسر المعيشية للأحداث التي تقع في أوقات الذروة عندما تُكافأ (بريطانيا العظمى، 2022 إلى 2024)؛ ويمكن التحكم عن بعد في سخانات المياه ومنظمات الحرارة وأجهزة الشحن والبطاريات على نطاق واسع؛ وتوفر محطات الطاقة الافتراضية بالفعل عشرات الغيغاواط في الولايات المتحدة؛ ويؤدي تحويل الحمل إلى ساعات فائضة إلى الحد من الانخفاض والانبعاثات عندما تكون المحطة الهامشية أحفورية.

معقول: أن المرونة المنزلية الآلية يمكن أن تكون موثوقة مثل محطة توليد الطاقة من أجل كفاية الموارد (نمذجة براتل، ليس بعد عقد من البيانات التشغيلية)؛ وأن المرونة يمكن أن توفر 10 إلى 20 في المائة من الطلب الذروة بحلول عام 2030 في الولايات المتحدة الأمريكية؛ وأن معظم الأسر المعيشية التي لديها مضخات حرارية وسيارات كهربائية ستقبل التحكم الآلي إذا كان التجاوز سهل والمدخرات واضحة.

المضاربة: مرونة يومية على مدار السنة من معظم المنازل دون إرهاق؛ نتائج عادلة للأسر المعيشية التي لا تملك أجهزة مرنة؛ مرونة واسعة النطاق بدون مخاطر أمنية جديدة.

أسئلة البحث المفتوحة

• كيف ينبغي خط الأساس :: ما هي القيمة التي يمكن تقديرها بصورة عادلة وغير مكلفة بالنسبة للأسرة المعيشية، وما هو مقدار الخطأ المقبول؟
• كم عددهم؟ عدد الأحداث في السنة هل سيقبل الناس ذلك، وكيف يمكن للأتمتة أن تغير هذا؟
• كيف نمنع ذروات ارتداد متزامنة عندما تستجيب أجهزة كثيرة لنفس السعر؟
• ما هو السبب الحقيقي؟ المرونة الحرارية )ب( ما هو متوسط كفاءة المنازل العادية المزودة بمضخات حرارية، وكيف يتغير ذلك مع العزل ودرجة الحرارة الخارجية؟
• التي تصميم التعريفات :: تقاسم المنافع بصورة عادلة مع الأشخاص الذين لا يستطيعون الانتقال؟
• كيف يمكن تحقيق المرونة متحقق منها على الشبكات المحلية، وليس فقط على الشبكة الوطنية؟

ما يحتاجه النموذج الأولي العامل

ولأغراض المرونة، لا يكون النموذج العامل رسما لبرنامج تطبيقي. إنه قياس التحول في الحمولة الحقيقية على الأجهزة الحقيقية: الكيلووات/ساعة المنقولة، الكيلووات من الحد الأقصى، مع مجموعة للمقارنة، على مدار موسم كامل. والمعدات رخيصة؛ أما التكلفة فتتمثل في الصرامة.

المرحلة	العمل	القرار الذي يمكِّنه	التكلفة الإجمالية	الوقت
0. Design	اختيار الحمل (خزانات المياه الساخنة مثلاً)، والإشارة (السعر، أو كثافة الكربون أو حدث الشبكة)، والقياس، والموافقة، وخطة إحصائية مع مجموعة مراقبة	هل الأثر كبير بما فيه الكفاية لقياسه بالبيوت المتاحة؟	$5k to $15 ك	1 to 2 months
1- الاختبارات المنضدية والمنزلية	أجهزة تحكم في 5 إلى 10 أجهزة حقيقية، وقياس كل نصف ساعة، وتسجيل الراحة	هل يقوم الجهاز بالتحويل بشكل موثوق به، وهل يستطيع الناس التغلب عليه؟	$10k to $30 ألف	3 أشهر
2- نموذج العمل	50 إلى 200 منزل مع مجموعة مراقبة متطابقة لفصل شتاء أو صيف واحد، وتحليل مستقل للكيلوواط/ساعة المنقولة والكيلووات المقطوعة	قياس المرونة لكل أسرة معيشية، والمشاركة والرضا	$50k to $200 ألف	من 6 إلى 9 أشهر
3- السوق التجريبية	:: تسجيل المنازل المجمعة في برنامج لمورد أو مشغل شبكة والحصول على أجر مقابل المرونة المقدمة	الدخل لكل أسرة معيشية، التكلفة للكيلووات/سنة، متفق مع قواعد السوق	$150k to $500 ألف	12 شهرا

من نحتاجه

• مهندسو نظم الطاقة الذين يعرفون كيف يتم إرسال المرونة وقياسها وتسويته.
• علماء البيانات والإحصائيون (ب) لخطوط الأساس، ومجموعات المراقبة والتحقق.
• علماء السلوك لتصميم العروض التي يفهمها الناس ويواصلون استخدامها.
• مهندسو نظم متكاملة وأمن للمراقبين الذين هم آمنون، وخصوصية والعمل خارج الشبكة.
• أخصائيو التدفئة والمياه الساخنة وشحن المركبات الكهربائية.
• خبراء في مجالي التنظيم والتعريفات :: الذين يمكنهم فتح الأسواق أمام الحمولات الصغيرة والمرنة.
• منظمو المجتمع المحلي والمجالس المحلية :: يمكنهم توظيف الأسر المعيشية بصورة عادلة، بما في ذلك الأسر ذات الدخل المنخفض.

هل لديك فكرة أفضل؟

وقد يكون لبعض أعضاء المؤسسة اتصالات يمكنهم أن يستمعوا إلى دعوة لفكرة قوية في مجال الطاقة. To be pitched, an idea needs a working, real-life model, with its results measured on an instrument, not claimed. وبالنسبة للمرونة، يعني ذلك أجهزة حقيقية في منازل أو مبان حقيقية، مع تحويل الكيلووات/ساعة المقاسة وقطع الكيلووات من الذروة، مقارنة بالمنازل التي لم تفعل شيئا. والأفكار الورقية موضع ترحيب أيضاً: فإذا كانت الفيزياء والأرقام متينة، يمكننا نشرها هنا على الموقع الشبكي. ولكن جمع رأس المال بدون نموذج عامل أمر صعب للغاية، ولا يوجد هنا وعد بالتمويل أو العائدات أو العرض.

أرسل فكرتك أو نتائج تجربتك من خلال نموذج المساهمة: المشكلة التي تحلها، الحمولة والإشارة، التحول المقاس أو المقدر، التكلفة التقريبية لكل كيلووات أو لكل منزل، وأرخص اختبار يمكن أن يثبت خطأها. للاطلاع على اتجاهات أخرى، انظر الطاقة البديلة بالمقارنة.

المصادر

1. مجموعة براتل (يونيو 2019). الإمكانات الوطنية لمرونة الحمولة: القيمة والإمكانيات السوقية حتى عام 2030.
2. Hledik, R. and Peters, K., The Brattle Group (أيار/مايو 2023). Real Reliability: The Value of Virtual Power، تم إعداده من أجل Google.
3. وزارة الطاقة الأمريكية (سبتمبر 2023). Pathways to Commercial Liftoff: Virtual Power Plants (باللغة الإنجليزية).
4. مشغل نظام الطاقة الوطني (ESO سابقا) (آب/أغسطس 2023). استعراض شتاء دائرة مرونة الطلب 2022/23.
5. مشغل نظام الطاقة الوطني (2024). Demand Flexibility Service winter 2023/24 end of year report; service overview.
6. منظمة الجودة الدولية (2016). ماذا يخبرنا منحنى البط عن إدارة شبكة خضراء.
7. لوند، ب. د.، وليندغرين، ج.، وميكوﻻ، ج.، وسالباكيري، ج. (2015). استعراض تدابير المرونة في نظم الطاقة للتمكين من تحقيق مستويات عالية من الكهرباء المتجددة المتغيرة. استعراضات الطاقة المتجددة والمستدامة 45، 785-807.
8. ﻫ. والساداني، إ. (2008). موجز عن الاستجابة للطلب في أسواق الكهرباء. بحوث نظم الطاقة الكهربائية، المجلد 78، 1989-1996.
9. لازارد (يونيو 2024). تكلفة الطاقة المتوازنة +، الصيغة 17: الذروة في الغاز $110 to $228 لكل ميغاواط/ساعة. وتتضمن طبعة حزيران/يونيه 2026 النطاق التجاري للطاقة الشمسية على الأسطح المستخدمة كنقطة مرجعية.
10. Local Solar System المؤسسة. The Fan Wall: open wind research، لقياس الطاقة الشمسية على الأسطح بـ 0.19 دولار لكل كيلووات ساعة.