Efterspørgselsfleksibilitet

Hvert eneste elnet skal matche udbud og efterspørgsel hvert sekund. I et århundrede blev det gjort ved at justere forsyningen: kul-, gas- og vandkraftværker fulgte hvad folk valgte at tænde for. Vind og sol kan ikke fortælles, hvornår de skal producere, så et rent netværk har brug for den anden halvdel af ligningen til også at bevæge sig. Efterspørgselsfleksibilitet betyder, at vi kan ændre hvornår vi bruger elektricitet, og nogle gange hvor meget, som svar på priser, signaler eller automatisk styring uden at give afkald på den service, vi ønsker: varmt vand, et varmt hjem, en opladet bil, ren opvask.

Det er det eneste energialternativ på vores liste, der ikke producerer nogen energi overhovedet. Det er netop derfor, det betyder noget. **En kilowatttime flyttet fra aftenspidsbelastningen til en solrig eftermiddag kan erstatte et gasanlægs output og redde solenergi, der ellers ville blive smidt væk. Til prisen for en controller og en fair takst. Det virker allerede i omfanget af millioner af hjem. Dens grænser er tillid, måling og tålmodighed hos de mennesker, der bliver bedt om at deltage, ikke fysik. **

Hvad det er

Efterspørgselsfleksibilitet dækker alt, der lader elforbruget følge udbuddet og ikke omvendt. Ingeniører gruppere det i fire slags:

• Shift: flytter brug til en anden time uden at ændre totalen. Opvarm en varmtvandsbeholder ved middagstid, oplad en bil natten over, kør opvaskemaskinen i stærk vind.
• Skuffe: reducere brugen i en kort periode og acceptere lidt mindre service, for eksempel en termostat en grad lavere i en time under en vinter top.
• Shape: ændre hverdagens mønster gennem takster, der gør nogle timer billigere end andre, såsom time-of-use eller halvtimespriser.
• Shimmy: hurtige, små justeringer inden for sekunder eller minutter, der hjælper med at holde nettets frekvens stabil, hvilket vandvarmere, batterier og bilopladere kan gøre uden nogen bemærker det.

Når tusindvis af sådanne enheder koordineres af software og tilbydes nettet som én ressource, kaldes resultatet et virtuelt kraftværk: det opfører sig som et kraftværk ved spidsbelastning, bortset fra at det er lavet af boliger. Anmeldelser af feltet beskriver hele værktøjskassen og hvordan fleksibilitet supplerer oplagring og stærkere net (Lund et al., 2015; Albadi and El-Saadany, 2008).


Sådan virker det

Åndekurven. På en solrig forårsdag i et område med meget sol, synker det krav, som andre anlæg skal opfylde, kaldet nettobelastning, midt på dagen og stiger derefter stejlt om aftenen, når solen går ned og folk kommer hjem. Aftegnet over en dag ligner kurven en and, en form der er blevet berømt af California grid operator (CAISO, 2016). Den stejle aftenrampe og spidsbelastningen er de dyreste timer at betjene; middagen betyder, at solfarme slukkes eller begrænses på grund af manglende efterspørgsel.

Den simple aritmetik. Tre tal beskriver, hvad fleksibilitet gør, og ovenstående forklarer beregningen af dem for et illustrerende gitter på størrelse med en by.

• Peak net load, det største hul mellem efterspørgslen og vinden plus solen. Den fastsætter, hvor mange gasanlæg, batterier eller importer der skal være klar. Flytning af belastning ud af aftenen sænker det.
• Curtailment, den rene energi produceret men ikke brugt. Flytning af belastning ind i de solrige timer bruger det.
• Kulstofintensitet, de gennemsnitlige emissioner pr. forbrugt kWh. 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.

In the illustrative day, shifting four loads that together use 300 MWh a day, about one seventh of the town’s demand, cuts the evening peak that gas must cover from about 112 MW to 61 MW, reduces curtailed solar and wind from about 580 to 380 MWh, and lowers carbon intensity from about 130 to 90 g per kWh. Den anvendte energi er nøjagtig den samme. Formerne er illustrative, men det er mekanismen, som netoperatørerne er afhængige af.


Hvorfor nogle belastninger er ideelle. En god fleksibel belastning lagrer energi eller har slæk i sin tidsplan:


• Vandvarmere er termiske batterier: En 200 liters tank opvarmet til 40 °C indeholder ca. 9 kWh. Opvarmning ved middagstid i stedet for ved daggry ændrer ikke noget for brusebadet.
• Electric cars stand parked for most of the day, and a typical daily drive of 30 to 50 km needs only about 5 to 10 kWh. En bil, der er tilsluttet i ti timer, skal oplade for en eller to af dem, og den kan vælge hvilken.
• Varmepumper til brugsvand i et velisoleret hjem kan forvarme huset om eftermiddagen og køre gennem aftenens spidsbelastning med bygningens egen masse som oplagring.
• Opvaskemaskiner, vaskemaskiner og tørretumblere Jeg har brug for en sluttid, ikke en starttid.

Kontrol, ikke viljestyrke. At bede folk om at se nettet varer ikke ved. De målte succeshistorier kombinerer en klar pris eller belønning med automatisering: En smart termostat, en oplader eller en vandvarmer-controller, der følger signalet, med nem tilsidesættelse. I Storbritanniens Demand Flexibility Service svarede over 99% af deltagerne i vinteren 2023/24 stadig manuelt (NESO, 2024), hvilket er imponerende samfundsengagement og også grunden til, at automatisering betyder noget: Hænder trætter, controllere gør det ikke.

Grænserne: teoretiske og praktiske

Hvad fysikken sætter grænser for. Fleksibiliteten er begrænset af opbevaringen i tjenesten: hvor mange timer en tank holder sig varm, hvor længe et hus holder sig varmt, hvor meget en bil skal bruge om morgenen. Det kan skifte energi i timer, lejlighedsvis med en dag, men ikke fra sommer til vinter. Det kan heller ikke kompensere for en uge med roligt, overskyet vejr. Det kræver oplagring, fast produktion eller import.

Hvad mennesker og markeder begrænser:

• Deltagelse og træthed. Frivillige arrangementer fungerer godt et par gange om vinteren. Daglige forespørgsler uden automatisering mister folk.
• Basislinjeproblemet. For at betale nogen for at bruge mindre, skal du estimere, hvad de ellers ville have brugt. Baselines kan være forkert, og de er svære at verificere for en husstand.
• Rebound og nye toppe. Belastning skiftet ud af en time lander i en anden. Hvis tusindvis af opladere starter i samme øjeblik, som en billig periode begynder, kan de skabe et nyt højdepunkt på lokale kabler. Gode ordninger forskud og randomiser.
• Retfærdighed. Husholdninger med biler, varmepumper og intelligente målere kan tjene på fleksibilitet; dem uden kan ikke. Priserne må ikke straffe folk, der ikke kan skifte arbejdsplads, f.eks. dem, der passer en person i hjemmet.
• Privatliv og cybersikkerhed. Et system, der kan skifte en million enheder er et mål. Standarder, kryptering og lokale sikkerhedsforanstaltninger er afgørende.
• Målering og afregning. Uden halvtimesmålere og markedsregler, der betaler for fleksibilitet, kan selv villige husholdninger ikke belønnes.


Virkelige projekter, målt

Programmet	Hvad blev målt	Kilde
Storbritanniens efterspørgselsfleksibilitetstjeneste, vinter 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	NESO vintergennemgang, 2023
Storbritanniens efterspørgselsfleksibilitetstjeneste, vinter 2023/24	2,6 millioner målere (99 % indenlandsk) gennem 48 udbydere; 14 tests og 2 live-begivenheder; over 3,7 GWh leveret med en spids på mere end 400 MW; samlede udgifter £11,9 mio.; i konkurrencedygtige test faldt det gennemsnitlige accepterede bud til £1.111 pr. MWh, med bud så lave som £150	NESO årsrapport, 2024
US efterspørgselsrespons og virtuelle kraftværker	Der er allerede anslået 30 til 60 GW virtuel kraftværkskapacitet i drift i USA, hovedsageligt i programmer for efterspørgselsrespons, der anvendes et par gange om året	US DOE, Pathways til kommerciel opsendelse: Virtuelle kraftværker, 2023
USA potentiale i 2030	Omkring 200 GW omkostningseffektiv belastningsfleksibilitet, 20 % af spidsbelastningen, mere end tre gange de 60 GW efterspørgselsrespons, der var tilgængelige dengang, til en værdi af over $15 mia. om året i undgåede omkostninger	Brattle, 2019
USA-mål	80 til 160 GW virtuelle kraftværker i 2030, 10 til 20 % af spidsbelastningen, hvilket sparer omkring 10 mia. USD om året i netværksomkostninger	US DOE, 2023

Storbritanniens tjeneste er den klareste offentlige rekord i stor skala indtil videre. På to vintre gik det fra at være en nødforanstaltning til et rutineværktøj: Antallet af udbydere voksede med 58%, tilmeldingerne nåede op på 2,6 millioner målere, og da udbyderne skulle konkurrere i test faldt den gennemsnitlige accepterede pris til omkring £1.100 pr. MWh mod £3.000 i den første vinters tests. Det viser også størrelsen: 400 MW på toppen er omtrent på størrelse med en stor gasfyret enhed, der leveres af millioner af hjem, hvoraf de fleste fungerer manuelt.

Hvad det koster

Fleksibilitet købes ikke med kilowatt-timer som et kraftværks produktion. Det købes efter den kilowatt af spidsbelastning, det fjerner, pr. år, fordi det er det, det erstatter: anlæg og batterier bygget til at stå klar i et par dusin timer.

Mulighed for at dække en spids	Omkostningsmåling	Kilde
Gas-peak anlæg, nyt	$0.110 to $0,228 pr. produceret kWh, der kun kører i spidsbelastningsperioder	Lazard LCOE+, 2024
Gaspeak, batteri i forsyningsskala og VPP til private husstande, 400 MW pålidelighed for et modelleret amerikansk forsyningsselskab	Nettoomkostningerne for VPP til elselskabet er ca. 40% af gas-peak’en og 60% af batterierne, mens de årlige nettoomkostninger er ca. $43 million for gas, $29 millioner til batterier og $2 millioner til VPP	Brattle, Real pålidelighed, 2023
Nødhjælp til husholdningernes efterspørgsel, Storbritannien	£1,111 to £4,559 per MWh delivered, for a few hours a winter	NESO, 2023 og 2024
Solenergi på taget af en bygning, vores generations benchmark	$0.19 per kWh central; commercial rooftop $0,09 til 0,20 USD	Vores Fan Wall model; Lazard, 2026

Der er to ting, vi kan lære af denne tabel. For det første, per kWh, ser peak-time reduktioner dyre ud, men et peak-anlæg er også dyrt pr. kWh, fordi det kører så sjældent; Per kW pålidelighed er fleksible hjem den billigste mulighed i ovenstående undersøgelser, og Brattle anslår, at en 60 GW amerikansk implementering kunne opfylde fremtidige pålidelighedsbehov for $15 to $35 milliarder mindre over ti år end alternativerne. For det andet konkurrerer fleksibilitet ikke med vores benchmark for solcelleanlæg på tag, den supplerer det. Solenergi producerer mest ved middagstid; fleksibilitet flytter brugen til disse timer, hvilket øger værdien af hvert panel og reducerer behovet for batterier.


Hvor det kan vinde, og hvor det ikke kan

Det kan vinde:

• Net med meget solenergi, hvor middagspriser falder mod nul og aftenspidserne er dyre.
• Bolig med elvarme, varmtvandsbeholdere, varmepumper eller elbiler, de belastninger, der lagrer energi af natur.
• Lokale netværk tæt på deres grænser, hvor styring af, hvornår biler oplader kan udsætte nye kabler og transformere; US DOE bemærker californiske undersøgelser, der viser, at jævnere opladning kunne skære distributionsinvesteringerne i 2035 fra op til $50 billion to $15 til 20 milliarder dollars.
• Virksomheder med termiske processer: kølerum, vandpumpning, opvarmning og afkøling af store bygninger.

Det kan ikke vinde:

• Lange rolige, mørke perioder. Skiftetider kan ikke dække en vindstille uge om vinteren.
• Laster, der skal køre nu: hospitaler, belysning, madlavning, de fleste industri på stramme tidsplaner.
• Uden måling og fair regler. Hvor målerne aflæses en gang om måneden, og taksterne er flade, er der intet at reagere på og ingen måde at blive betalt.


Hvad er bevist, plausibelt og spekulativt

Bevist: millioner af husstande vil reagere på spidsbelastningsbegivenheder, når de belønnes (Storbritannien, 2022 til 2024); vandvarmere, termostater, opladere og batterier kan fjernstyres i stor skala; virtuelle kraftværker leverer allerede snesevis af gigawatt i USA; skiftende belastning i overskudstimer reducerer nedskæringer og emissioner, når det marginale anlæg er fossilt.

Plausibelt: at automatiseret hjemmefleksibilitet kan være lige så pålidelig som et kraftværk for ressourcetilstrækkelighed (Brattles modellering, endnu ikke et årti med driftsdata); at fleksibilitet kan levere 10 til 20% af spidsbelastningen i 2030 i USA; at de fleste husstande med varmepumper og elbiler vil acceptere automatisk styring, hvis det er nemt at tilsidesætte og besparelserne er synlige.

Spekulativ: Året rundt, daglig fleksibilitet fra de fleste hjem uden træthed; fair resultater for husholdninger uden fleksible enheder; storstilet fleksibilitet uden nye sikkerhedsrisici.

Åbne forskningsspørgsmål

• Hvordan skal en baseline estimeres retfærdigt og billigt for en husstand, og hvor stor en fejl er acceptabel?
• Hvor mange events pr. år vil folk acceptere, og hvordan ændrer automatisering det?
• Hvordan forebygger vi Synkroniseret rebound toppe når mange enheder reagerer på den samme pris?
• Hvad er den virkelige Høj termisk fleksibilitet Hvor meget energi bruger almindelige boliger med varmepumper, og hvordan ændrer det sig med isolering og udetemperatur?
• Hvilke takstdesigns deler fordelene retfærdigt med folk, der ikke kan skifte?
• Hvordan kan fleksibilitet være verificeret på lokale net, ikke kun på det nationale elnet?

Hvad en fungerende prototype ville kræve

For fleksibilitet, en arbejdsmodel er ikke en tegning af en app. Det er et målt skift af reel belastning på virkelige enheder: kWh flyttet, kW af spidsbelastning, med en sammenligningsgruppe over en hel sæson. Udstyret er billigt, men det koster at være streng.

Fase	Arbejde	Beslutningen det muliggør	Omkostninger	Tid
0. Design	Choose the load (for example hot-water tanks), the signal (price, carbon intensity or grid event), metering, consent and a statistical plan with a control group	Er effekten stor nok til at måle med de ledige boliger?	$5k to $15k	1 til 2 måneder
1. Bench og hjemme test	Controllere på 5 til 10 reelle enheder, måling hver halve time, komfortlogning	Skifter enheden pålideligt, og tilsidesætter folk den?	$10k to $30k	3 måneder
2. Arbejdsmodel	50 til 200 boliger med en matchet kontrolgruppe i én vinter eller sommer, uafhængig analyse af kWh skiftet og kW skåret	Målt fleksibilitet pr. hjem, deltagelse og tilfredshed	$50k to $200k	6 til 9 måneder
3. Markedspilotprojekt	Tilmeld de samlede boliger til et leverandør- eller netoperatørprogram, og få betaling for leveret fleksibilitet	Omsætning pr. husstand, omkostninger pr. kW-år, i overensstemmelse med markedsreglerne	$150k to $500k	12 måneder


Hvem vi har brug for

• Power-systems ingeniører, der ved hvordan fleksibilitet bliver afsendt, målt og afregnet.
• Dataforskere og statistikere for baselines, kontrolgrupper og verifikation.
• Adfærdsvidenskabelige forskere til at designe tilbud, som folk forstår og fortsætte med at bruge.
• Indlejrede og sikkerhedsteknikere for controllere, der er sikre, private og arbejder offline.
• Specialist i opvarmning, varmt brugsvand og opladning af elbiler.
• Eksperter i regulering og takster der kan åbne markeder for små fleksible belastninger.
• Lokale arrangører og lokale råd der kan rekruttere husholdninger på en retfærdig måde, herunder dem med lave indkomster.

Har du en bedre idé?

Nogle af fondens medlemmer har måske kontakter, der kunne høre et pitch for en stærk energiidé. For at blive pitchet, skal en idé have et Arbejder, virkelige liv model, med resultater målt på et instrument, ikke hævdet. For fleksibilitet betyder det rigtige enheder i rigtige hjem eller bygninger, med målt kWh skiftet og kW af spidsbelastning skåret sammenlignet med hjem, der ikke gjorde noget. Papiridéer er også velkomne: Hvis fysikken og tallene er solide, kan vi offentliggøre dem her på hjemmesiden. Men at rejse kapital uden en fungerende model er meget vanskeligt, og intet her er et løfte om finansiering, afkast eller introduktioner.

Send din idé eller dine testresultater via bidragsformular: det problem, den løser, belastningen og signalet, den målte eller estimerede forskydningsværdi, en grov pris pr. kW eller pr. husstand og den billigste test, der kan bevise, at den tager fejl. For andre retninger, se energi alternativer sammenlignet.

Kilder

1. The Brattle Group (juni 2019). Det nationale potentiale for belastningsfleksibilitet: Værdi og markedspotentiale frem til 2030.
2. Hledik, R. and Peters, K., The Brattle Group (May 2023). Real Reliability: The Value of Virtual Power, udarbejdet for Google.
3. US Department of Energy (September 2023). Pathways to Commercial Liftoff: Virtual Power Plants.
4. National Energy System Operator (tidligere ESO) (august 2023). Vintergennemgang af efterspørgselsfleksibilitetstjenesten 2022/23.
5. National Energy System Operator (2024). Demand Flexibility Service vinter 2023/24 slutrapport; serviceoversigt.
6. Californien ISO (2016). Hvad andekurven fortæller os om at styre et grønt netværk.
7. Lund, P.D., Lindgren, J., Mikkola, J. og Salpakari, J. (2015). Gennemgang af fleksibilitetsforanstaltninger i energisystemet for at muliggøre høje niveauer af variabel vedvarende elektricitet. Fornybar og bæredygtig energi anmeldelser 45, 785-807.
8. Albadi, M.H. og El-Saadany, E.F. (2008). En oversigt over efterspørgselsreaktion på elmarkederne. Tidsskrift for Elektroteknik 78, 1989-1996.
9. Lazard (June 2024). Nivellerede energiomkostninger+, version 17: gaspeak på $110 to $228 pr. MWh. Juni 2026-udgaven giver det kommercielle tagsolsortiment, der bruges som vores benchmark.
10. Local Solar System Foundation. The Fan Wall: open wind research, for solcelleanlæg på taget benchmark på $ 0,19 pr. kWh.