Flexibilitat de la demanda
La central elèctrica més barata pot ser la que mai no construïm. Escalfant l'aigua al migdia en comptes de les sis, o carregant un cotxe quan bufa el vent, no produeix energia nova, però pot reduir els pics, el carboni i les factures. Aquí teniu com funciona, què ha aconseguit i on encara està lluny.
NASA
Cada xarxa elèctrica ha de fer coincidir l’oferta i la demanda cada segon. Durant un segle això es va fer ajustant l’oferta: les plantes de carbó, gas i hidroelèctriques van seguir el que la gent decidís encendre. No es pot dir quan produiran el vent i l’energia solar, així que una xarxa neta necessita que també es mogui l’altra meitat de l’equació. La flexibilitat de la demanda vol dir canviar quan utilitzem l’electricitat, i a vegades quant, en resposta als preus, senyals o control automàtic, sense renunciar al servei que volem: aigua calenta, una casa càlida, un cotxe carregat, plats nets.
És l’única alternativa energètica de la nostra llista que no produeix cap energia. Això és exactament el que importa. **Un kilowatt-hora desplaçat de la nit cap a una tarda assolellada pot substituir la producció d’una planta de gas i rescatar l’energia solar que, en cas contrari, es llançaria, pel preu d’un controlador i un preu just. Ja funciona a l’escala de milions de cases. Els seus límits són la confiança, la mesura i la paciència de les persones que s’han demanat per participar-hi, no la física.
Què és
La flexibilitat de la demanda cobreix tot allò que permet que l’ús de l’electricitat segueixi l’oferta en lloc del contrari. Els enginyers l’agrupen en quatre tipus:
- Majúscules: mou l’ ús a una altra hora sense canviar el total. Escalfeu un dipòsit d’aigua calenta al migdia, carregueu un cotxe durant la nit, feu funcionar el rentavaixelles quan hi ha vent fort.
- Shed: redueix l’ús per un temps curt i accepta una mica menys de servei, per exemple un termòstat un grau més baix durant una hora durant un pic hivernal.
- Forma: canviar el patró diari a través de tarifes que fan algunes hores més barates que altres, com ara el temps d’ús o els preus per mitja hora.
- Shimmy: petits i ràpids ajustaments en segons o minuts que ajuden a mantenir estable la freqüència de la xarxa, cosa que els escalfadors d’aigua, les bateries i els carregadors de cotxe poden fer sense que ningú s’adoni.
Quan milers d’aquests dispositius són coordinats per programari i oferts a la xarxa com un recurs, el resultat s’anomena una central elèctrica virtual: es comporta com una central elèctrica en el pic, excepte que està feta de cases. Les revisions del camp descriuen la caixa d’eines completa i com la flexibilitat complementa l’emmagatzematge i les xarxes més fortes (Lund et al., 2015; Albadi i El-Saadany, 2008).
Com funciona
La corba de l’ànec. En un dia assolellat de primavera en una regió amb molta energia solar, la demanda que han de satisfer les altres plantes, anomenada càrrega neta, disminueix al migdia i després puja bruscament a la tarda quan el sol es pon i la gent torna a casa. Traçada durant un dia, la corba sembla un ànec, una forma que va fer famosa l’operador de la xarxa de Califòrnia (CAISO, 2016). La rampa empinada de la tarda i el pic són les hores més cares per servir; el ventre del migdia significa que les granges solars estan apagades, o reduïdes, per falta de demanda.
L’aritmètica simple. Tres números descriuen el que fa la flexibilitat, i l’explicador de dalt els calcula per a una graella il·lustrativa de mida de ciutat.
- Càrrega neta màxima, la major diferència entre la demanda i l’eòlica més solar. Estableix quantes plantes de gas, bateries o importacions s’han de mantenir a punt. Movent la càrrega fora de la nit l’abaixa.
- Curtailment, l’energia neta produïda però no utilitzada. El moviment de càrrega a les hores assolellades l’utilitza.
- Intensitat de carboni, la mitjana d’emissions per kWh consumit. Si el buit s’omple amb gas a uns 450 g de CO2 per kWh, cada kWh que es mou des del buit cap al superàvit estalvia uns 450 g.
En el dia il·lustratiu, canviar quatre càrregues que juntes utilitzen 300 MWh al dia, aproximadament una setena part de la demanda de la ciutat, redueix el pic vespre que el gas ha de cobrir d’uns 112 MW a 61 MW, redueix l’energia solar i eòlica restringida d’uns 580 a 380 MWh, i disminueix la intensitat de carboni d’uns 130 a 90 g per kWh. L’energia utilitzada és exactament la mateixa. Les formes són il·lustratives, però el mecanisme és el que els operadors de la xarxa confien.
Per què algunes càrregues són ideals. Una bona càrrega flexible emmagatzema energia o té un descans en la seva programació:
- Escalfadors d’aigua Són bateries tèrmiques: un dipòsit de 200 litres escalfat a 40 °C conté uns 9 kWh. Escalfant-la al migdia en comptes de l’alba no canvia res per a la dutxa.
- Cotxe elèctric El cotxe està aparcat la major part del dia, i un recorregut diari típic de 30 a 50 km només necessita uns 5 a 10 kWh. Un cotxe connectat durant deu hores necessita carregar-se per a un o dos d’ells, i pot triar quin.
- Bombes de calor en una casa ben aïllada pot preescalfar la casa a la tarda i passar el pic de la nit amb la massa pròpia de l’edifici com a emmagatzematge.
- Rentadores, assecadores i rentaplats Necessito una hora de finalització, no d’inici.
Control, no força de voluntat. Demanar a la gent que miri la graella no dura. Les històries d’èxit mesurades combinen un preu o recompensa clars amb l’automatització: un termòstat intel·ligent, un carregador o un controlador de calentador d’aigua que segueix el senyal, amb una fàcil substitució. En el Servei de Flexibilitat de la Demanda de Gran Bretanya, més del 99% dels participants a l’hivern de 2023/24 encara van respondre a mà (NESO, 2024), que és una implicació cívica impressionant i també la raó per la qual l’automatització importa: les mans es cansen, els controladors no.
Els límits: teòrics i pràctics
Els límits de la física. La flexibilitat està limitada per l’emmagatzematge en el servei: quantes hores es manté calent un tanc, quant de temps es manté calenta una casa, quant necessita un cotxe al matí. Pot canviar l’energia per hores, ocasionalment per un dia, però no d’estiu a hivern. Tampoc no pot compensar una setmana de temps tranquil i ennuvolat: això requereix emmagatzematge, generació ferma o importacions.
Què limiten la gent i els mercats:
- Participació i cansament. Els esdeveniments voluntaris funcionen bé un parell de vegades a l’hivern. Les sol·licituds diàries sense automatització perden gent.
- El problema de la línia base. Per pagar a algú per usar menys, heu d’estimar el que hauria usat de manera diferent. Les línies de base poden ser jugades, i són difícils de verificar per a una llar.
- Rebot i nous pics. La càrrega es desplaça d’una hora a l’altra. Si milers de carregadors comencen al mateix moment que comença un període barat, poden crear un nou pic en els cables locals. Els bons esquemes es desplacen i aleatoritzen.
- Justícia. Les llars amb cotxes, bombes de calor i comptadors intel·ligents poden guanyar diners gràcies a la flexibilitat; les que no en tenen no ho poden fer. Els preus no han de castigar les persones que no poden canviar, com ara aquells que cuiden a algú a casa.
- Privacitat i seguretat cibernètica. Un sistema que pot canviar un milió de dispositius és un objectiu. Els estàndards, el xifratge i les reserves locals són essencials.
- Mesura i liquidació. Sense comptadors de mitja hora i regles de mercat que paguin per la flexibilitat, fins i tot les llars disposades no poden ser recompensades.
Projectes reals, mesurats
| Programa | Què s’ ha mesurat | Font |
|---|---|---|
| Servei de flexibilitat de la demanda de Gran Bretanya, hivern 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 | Revisió d’hivern de la NESO, 2023 |
| Servei de flexibilitat de la demanda de Gran Bretanya, hivern 2023/24 | 2,6 milions de metres (99% domèstics) a través de 48 proveïdors; 14 proves i 2 esdeveniments en directe; més de 3,7 GWh lliurats amb un pic de més de 400 MW; despesa total £ 11,9 milions; en proves competitives l’oferta mitjana acceptada va caure a £ 1.111 per MWh, amb ofertes tan baixes com £ 150 | Informe de final d’any de la NESO, 2024 |
| Resposta a la demanda dels EUA i centrals elèctriques virtuals | S’estima que entre 30 i 60 GW de capacitat de centrals elèctriques virtuals ja operen als EUA, principalment en programes de resposta a la demanda utilitzats unes quantes vegades l’any. | US DOE, Pathways to Commercial Liftoff: Virtual Power Plants, 2023 |
| Potencial dels EUA per al 2030 | About 200 GW of cost-effective load flexibility, 20% of peak, more than three times the 60 GW of demand response then available, worth over $15 billion a year in avoided costs | Brattle, 2019 |
| US target | 80 to 160 GW of virtual power plants by 2030, 10 to 20% of peak demand, saving on the order of $10 billion a year in grid costs | US DOE, 2023 |
El servei de Gran Bretanya és el registre públic més clar a gran escala fins ara. En dos hiverns va passar d’una mesura d’emergència a una eina de rutina: el nombre de proveïdors va créixer un 58%, les inscripcions van arribar als 2,6 milions de metres, i una vegada que els proveïdors havien de competir en proves el preu mitjà acceptat va caure a prop de £ 1.100 per MWh, contra £ 3.000 en les proves del primer hivern. També mostra l’escala: 400 MW en el pic és aproximadament la mida d’una gran unitat de gas, lliurada per milions de cases, la majoria d’elles actuant a mà.
Quant costa
La flexibilitat no es compra per kilowatt-hora com la producció d’una central elèctrica. Es compra per quilovats de pic que elimina, per any, perquè això és el que substitueix: plantes i bateries construïdes per estar preparades durant unes poques dotzenes d’hores.
| Opció per a cobrir un pic | Mesura de cost | Font |
|---|---|---|
| Planta de pico de gas, nova | $0.110 to $0.228 per kWh produït, funcionant només en pics | Lazard LCOE+, 2024 |
| Pic de gas, bateria a escala d’utilitat i VPP residencial, 400 MW de fiabilitat per a una utilitat modelada dels EUA | El cost net del VPP per a la companyia és d’un 40% del pic de gas i un 60% de les bateries. Comptant les emissions i la resiliència, el cost net anual és d’uns $43 million for gas, $29 milions per a les bateries i $2 milions pel VPP | Brattle, Real Reliability, 2023 |
| Reducció de la demanda d’emergència, Gran Bretanya | 1.111 a 4.559 lliures per MWh entregat, durant unes hores a l’hivern | NESO, 2023 i 2024 |
| Solars al terrat d’un edifici, la nostra generació de referència | $0.19 per kWh central; commercial rooftop $0.09 to $0.20 | El nostre model de paret de ventilador; Lazard, 2026 |
D’aquesta taula en surten dues lliçons. En primer lloc, per kWh, les reduccions en hora punta semblen cares, però una planta de pico també és cara per kWh perquè funciona tan rarament; per kW de fiabilitat, les cases flexibles són l’opció més barata en els estudis anteriors, i Brattle estima que un despliegue de 60 GW als EUA podria satisfer les necessitats futures de fiabilitat per $15 to $35 mil milions menys durant deu anys que les alternatives. Segon, la flexibilitat no competeix amb el nostre punt de referència solar del terrat, sinó que el completa. El solar produeix més al migdia; la flexibilitat mou l’ús a aquestes hores, el que eleva el valor de cada panell i redueix la necessitat de bateries.
On pot guanyar, i on no pot
Pot guanyar:
- Gràfiques amb molta energia solar, on els preus del migdia cauen cap a zero i els pics de la tarda són cars.
- Llars amb calefacció elèctrica, dipòsits d’aigua calenta, bombes de calor o cotxes elèctrics, les càrregues que emmagatzemen energia per naturalesa.
- Xarxes locals prop dels seus límits, on gestionar quan els cotxes es carreguen pot posposar nous cables i transformadors; el DOE dels EUA observa estudis californians que troben que una càrrega més suau podria reduir la inversió en distribució per al 2035 de fins a $50 billion to $15 a 20 mil milions de dòlars.
- Negocis amb processos tèrmics: magatzems frigorífics, bombeig d’aigua, calefacció i refrigeració de grans edificis.
No pot guanyar:
- Períodes llargs de calma i foscor. Les hores canviants no poden cobrir una setmana sense vent a l’hivern.
- Càrregues que s’ han d’ executar araHospitals, il·luminació, cuina, la majoria de la indústria amb horaris ajustat.
- Sense mesurament i sense regles justes. On els comptadors es llegixen una vegada al mes i les tarifes són planes, no hi ha res a respondre i no hi ha manera de ser pagat.
El que és provat, plausible i especulatiu
Provat: milions de llars respondran als esdeveniments en hora punta quan siguin recompensats (Gran Bretanya, 2022 a 2024); els escalfadors d’aigua, els termòstats, els carregadors i les bateries es poden controlar remotament a escala; les centrals elèctriques virtuals ja proporcionen desenes de gigawatts als EUA; el canvi de càrrega a hores excedentàries redueix la reducció i les emissions quan la planta marginal és fòssil.
Plausible: que la flexibilitat automatitzada de les llars pot ser tan fiable com una central elèctrica per a l’adequació dels recursos (modelització de Brattle, encara no una dècada de dades operatives); que la flexibilitat pot proporcionar entre el 10 i el 20% de la demanda màxima d’aquí al 2030 als EUA; que la majoria de famílies amb bombes de calor i cotxes elèctrics acceptaran el control automàtic si la substitució és fàcil i els estalvis són visibles.
Especulatiu: durant tot l’any, flexibilitat diària des de la majoria de les cases sense cansament; resultats justos per a llars sense dispositius flexibles; flexibilitat a gran escala sense nous riscos de seguretat.
Preguntes obertes de recerca
- Com hauria de ser un línia base es pot estimar justament i barat per a una llar, i quina quantitat d’error és acceptable?
- Quants esdeveniments per any La gent ho acceptarà, i com canvia això amb l’automatització?
- Com podem evitar pic de rebot sincronitzat quan molts dispositius responen al mateix preu?
- Què és real flexibilitat tèrmica de les cases ordinàries amb bombes de calor, i com canvia amb l’aïllament i la temperatura exterior?
- Quins dispositius de tarifa comparteixen els beneficis justament amb la gent que no pot canviar?
- Com pot ser la flexibilitat verificat en xarxes locals, no només a la xarxa nacional?
El que necessitaria un prototip de treball
Per flexibilitat, un model de treball no és un dibuix d’una aplicació. És un canvi mesurat de càrrega real en dispositius reals: kWh desplaçats, kW de tall màxim, amb un grup de comparació, durant una temporada completa. L’equip és barat, el rigor és el que costa.
| Fase | Treball | Decisió que habilita | Cost aproximat | Hora |
|---|---|---|---|---|
| 0. Design | Escolliu la càrrega (per exemple, dipòsits d’ aigua calenta), el senyal (preu, intensitat de carboni o esdeveniment de xarxa), mesurament, consentiment i un pla estadístic amb un grup de control | És l’efecte prou gran per mesurar amb les cases disponibles? | $5k to $15k | 1 a 2 mesos |
| 1. Prova de banc i a casa | Controladors en 5 a 10 dispositius reals, mesurament cada mitja hora, registre de confort | El dispositiu canvia de manera fiable, i la gent el sobreescriu? | $10k to $30k | 3 mesos |
| 2. Working model | 50 a 200 cases amb un grup de control coincident per a un hivern o estiu, anàlisi independent de kWh desplaçat i kW tallat | Mesura de la flexibilitat per habitatge, participació i satisfacció | $50k to $200k | 6 a 9 mesos |
| 3. Pilot de mercat | Inscriviu les llars agregades amb un programa de proveïdor o operador de xarxa i pagueu per la flexibilitat proporcionada | Ingressos per habitatge, cost per kW-any, d’acord amb les regles del mercat | $150k to $500k | 12 mesos |
Qui necessitem
- Enginyers de sistemes d’energia que saben com es despatxa, mesura i resol la flexibilitat.
- Científics de dades i estadístics per a línies de base, grups de control i verificació.
- Científics del comportament per dissenyar ofertes que la gent entengui i segueixi utilitzant.
- Enginyers encastat i de seguretat per a controladors que siguin segurs, privats i treballin fora de línia.
- Especialistes en calefacció, aigua calenta i càrrega de vehicles elèctrics.
- Experts en regulació i tarifes que poden obrir mercats a petites càrregues flexibles.
- Organitzadors de la comunitat i consells locals que puguin reclutar famílies de manera justa, incloent-hi les de baix nivell econòmic.
Tens una idea millor?
Alguns membres de la Fundació poden tenir contactes que podrien escoltar un pitch per a una idea d’energia forta. Per ser llançada, una idea necessita un treballant, model de la vida real, amb els seus resultats mesurats en un instrument, no reclamat. Per a la flexibilitat, això significa dispositius reals en cases o edificis reals, amb kWh mesurats desplaçats i kW de tall màxim, en comparació amb les cases que no van fer res. Les idees en paper també són benvingudes: si la física i els números són sòlids, les podem publicar aquí al lloc web. Però recaptar capital sense un model de treball és molt difícil, i res aquí no és una promesa de finançament, rendibilitat o introduccions.
Envieu la vostra idea o els resultats de les proves a través del formulari de contribució: el problema que resol, la càrrega i el senyal, el canvi mesurat o estimat, un cost aproximat per kW o per casa, i la prova més barata que podria demostrar-ho erròniament. Per a altres direccions, vegeu les alternatives d’energia comparades.
Fonts
- The Brattle Group (juny de 2019). El potencial nacional per a la flexibilitat de càrrega: valor i potencial de mercat fins al 2030.
- Hledik, R. i Peters, K., The Brattle Group (maig de 2023). Real Reliability: The Value of Virtual Power, preparat per a Google.
- US Department of Energy (September 2023). Camins cap a l’enlairament comercial: plantes elèctriques virtuals.
- National Energy System Operator (anteriorment ESO) (agost de 2023). Revisió d’hivern del Servei de Flexibilitat de la Demanda 2022/23.
- Operador del sistema d’energia nacional (2024). Informe de final d’any del Servei de Flexibilitat de la Demanda hivern 2023/24; resum del servei.
- «Califòrnia ISO (2016)». Què ens diu la corba de l’ànec sobre com gestionar una xarxa verda.
- Lund, P.D., Lindgren, J., Mikkola, J. i Salpakari, J. (2015). Revisió de les mesures de flexibilitat del sistema energètic per permetre alts nivells d’electricitat renovable variable. Renewable and Sustainable Energy Reviews 45, 785-807.
- Albadi, M.H. i El-Saadany, E.F. (2008). A summary of demand response in electricity markets (en anglès). Electric Power Systems Research 78, 1989-1996.
- Lazard (juny de 2024). Cost d’energia nivellat+, versió 17: gas màxim $110 to $228 per MWh. L’edició de juny de 2026 dóna la gamma solar comercial del terrat utilitzada com a punt de referència.
- Fundació Local Solar System. The Fan Wall: open wind research, per a la referència solar de terrat de 0,19 dòlars per kWh.