Nachfrageflexibilität

Jedes Stromnetz muss jede Sekunde Angebot und Nachfrage aufeinander abstimmen. Ein Jahrhundert lang wurde dies durch Anpassung der Versorgung erreicht: Kohle-, Gas- und Wasserkraftwerke folgten dem, was die Menschen eingeschaltet haben. Wind und Solar können nicht vorhergesagt werden, wann sie produzieren sollen. Ein sauberes Netz braucht also auch die andere Hälfte der Gleichung. Nachfrageflexibilität bedeutet, dass wir ändern können, wann und manchmal auch wie viel Strom wir nutzen, als Reaktion auf Preise, Signale oder automatische Steuerung, ohne die Dienstleistung aufzugeben, die wir wollen: heißes Wasser, ein warmes Zuhause, ein geladenes Auto, sauberes Geschirr.

Es ist die einzige Energiealternative auf unserer Liste, die überhaupt keine Energie produziert. Genau deshalb ist es wichtig. **Eine Kilowattstunde, die von der Abendspitze auf einen sonnigen Nachmittag verlegt wird, kann die Leistung einer Gaskraftwerks ersetzen und Solarstrom retten, der sonst weggeworfen würde. Zum Preis eines Reglers und zu einem fairen Tarif. Es funktioniert bereits im Maßstab von Millionen von Häusern. Die Grenzen sind Vertrauen, Messung und die Geduld der Menschen, die gebeten werden, teilzunehmen, nicht Physik. **

Was es ist

Nachfrageflexibilität umfasst alles, was den Stromverbrauch dem Angebot folgen lässt und nicht umgekehrt. Ingenieure gruppieren es in vier Arten:

• Shift: Verschiebt die Nutzung auf eine andere Stunde, ohne den Gesamtwert zu ändern. Erhitzen Sie einen Warmwasserspeicher mittags, laden Sie ein Auto über Nacht auf, lassen Sie den Geschirrspüler laufen, wenn der Wind stark ist.
• Schuppen: Reduzieren Sie die Nutzung für eine kurze Zeit und akzeptieren Sie ein wenig weniger Service, zum Beispiel einen Thermostat um ein Grad niedriger für eine Stunde während einer Winterspitze.
• Form: Ändern Sie das Alltagsmuster durch Tarife, die einige Stunden günstiger machen als andere, wie z.B. Nutzungszeiten oder Halbstundentarife.
• Shimmy: schnelle, kleine Anpassungen innerhalb von Sekunden oder Minuten, die helfen, die Netzfrequenz stabil zu halten, was Warmwasserbereiter, Batterien und Autoladegeräte tun können, ohne dass irgendjemand es bemerkt.

Wenn Tausende solcher Geräte durch Software koordiniert und dem Netz als eine Ressource angeboten werden, spricht man von einem virtuellen Kraftwerk: Es verhält sich wie ein Spitzenkraftwerk, nur dass es aus Häusern besteht. Überprüfungen des Feldes beschreiben die gesamte Werkzeugkiste und wie Flexibilität Speicher und stärkere Netze ergänzt (Lund et al., 2015; Albadi and El-Saadany, 2008).

Wie es funktioniert

Die Entenkurve. An einem sonnigen Frühlingstag in einer Region mit viel Sonnenlicht sinkt der Bedarf, den andere Anlagen erfüllen müssen, die so genannte Nettolast, mitten am Tag und steigt dann abends steil an, wenn die Sonne untergeht und die Menschen nach Hause kommen. Auf einen Tag verteilt sieht die Kurve wie eine Ente aus, eine Form, die durch den kalifornischen Netzbetreiber (2016). Die steile Abendrampe und die Spitzenzeit sind die teuersten Stunden, um zu bedienen; der Mittag bedeutet, dass Solarparks aufgrund mangelnder Nachfrage abgeschaltet oder eingeschränkt werden.

Die einfache Arithmetik. Drei Zahlen beschreiben, was Flexibilität tut, und der Erklärer oben berechnet sie für ein illustratives Raster in Stadtgröße.

• Spitzenlast, die größte Lücke zwischen Bedarf und Wind plus Solar. Sie legt fest, wie viele Gasanlagen, Batterien oder Importe bereitgehalten werden müssen. Die Bewegung der Last aus dem Abend senkt sie.
• Curtailment, die saubere Energie, die produziert aber nicht genutzt wird. Die Last in die sonnigen Stunden zu bewegen, nutzt es.
• Kohlenstoffintensität, die durchschnittlichen Emissionen pro verbrauchter kWh. Wird die Lücke mit Gas bei etwa 450 g CO2 pro kWh gefüllt, spart jede aus der Lücke in den Überschuss verlagerte kWh etwa 450 g.

An dem anschaulichen Tag verringert die Verlagerung von vier Lasten, die zusammen 300 MWh pro Tag verbrauchen, etwa ein Siebtel des Bedarfs der Stadt, den Abendspitzenwert, den Gas abdecken muss, von etwa 112 MW auf 61 MW, reduziert eingeschränkte Solar- und Windenergie von etwa 580 auf 380 MWh und senkt die Kohlenstoffintensität von etwa 130 auf 90 g pro kWh. Die Energienutzung ist dabei exakt gleich. Die Formen sind illustrativ, aber der Mechanismus ist es, auf den sich Netzbetreiber verlassen.

Warum einige Lasten ideal sind. Eine gute flexible Last speichert Energie oder hat Spielraum in ihrem Zeitplan:

• Warmwasserbereiter sind thermische Batterien: Ein 200 Liter großer Tank, der bei 40 °C erhitzt wird, enthält etwa 9 kWh. Wenn man es mittags statt bei Sonnenaufgang erhitzt, ändert sich nichts an der Dusche.
• Elektroautos Ein Elektroauto steht den größten Teil des Tages geparkt, und eine typische tägliche Fahrt von 30 bis 50 km benötigt nur etwa 5 bis 10 kWh. Ein Auto, das zehn Stunden lang angeschlossen ist, muss für einen oder zwei von ihnen aufgeladen werden, und es kann wählen, welche.
• Wärmepumpen für den Außenbereich Ein Solaranlage in einem gut isolierten Haus kann das Haus am Nachmittag vorheizen und mit der Gebäudeeigenmasse als Speicher die Abendspitze durchfahren.
• Geschirrspüler, Waschmaschinen und Trockner Ich brauche eine Endzeit, keine Startzeit.

Kontrolle, nicht Willenskraft. Leute zu bitten, das Gitter zu beobachten, hält nicht lange an. Die gemessenen Erfolgsgeschichten verbinden einen klaren Preis oder eine Belohnung mit Automatisierung: ein intelligenter Thermostat, ein Ladegerät oder ein Warmwasserbereiter-Regler, der dem Signal folgt und einfach überschrieben werden kann. Im britischen Demand Flexibility Service haben im Winter 2023/24 noch über 99% der Teilnehmer manuell beantwortet (NESO, 2024), was ein beeindruckendes bürgerschaftliches Engagement ist und auch der Grund, warum Automatisierung wichtig ist: Hände ermüden, Controller nicht.

Die Grenzen: theoretisch und praktisch

Was die Physik begrenzt. Die Flexibilität wird durch die Speicherung im Service begrenzt: Wie viele Stunden ein Tank heiß bleibt, wie lange ein Haus warm bleibt, wie viel ein Auto am Morgen braucht. Es kann Energie um Stunden verschieben, gelegentlich um einen Tag, aber nicht von Sommer zu Winter. Auch eine Woche ruhiges, bewölktes Wetter kann sie nicht ausgleichen: Dafür braucht es Lagerhaltung, feste Erzeugung oder Importe.

Was Menschen und Märkte einschränken:

• Teilnahme und Müdigkeit. Freiwillige Veranstaltungen funktionieren gut, ein paar Mal im Winter. Tägliche Anfragen ohne Automatisierung verlieren Menschen.
• Das Basisproblem. Um jemanden dafür zu bezahlen, dass er weniger verbraucht, müssen Sie abschätzen, was er sonst verbraucht hätte. Baselines können gespielt werden, und sie sind schwer für einen Haushalt zu überprüfen.
• Rebound und neue Spitzen. Die Last, die aus einer Stunde verschoben wurde, landet in einer anderen. Wenn Tausende von Ladegeräten gleichzeitig mit einer günstigen Zeit starten, können sie einen neuen Spitzenwert auf lokalen Kabeln erzeugen. Gute Schemata verlagern und randomisieren.
• Fairness. Haushalte mit Autos, Wärmepumpen und intelligenten Zählern können von Flexibilität profitieren; diejenigen ohne können es nicht. Die Tarife dürfen nicht Menschen bestrafen, die nicht wechseln können, wie zum Beispiel diejenigen, die jemanden zu Hause pflegen.
• Datenschutz und Cybersicherheit. Ein System, das eine Million Geräte umschalten kann, ist ein Ziel. Standards, Verschlüsselung und lokale Fallbacks sind unerlässlich.
• Metering und Abrechnung. Ohne halbstündliche Zähler und Marktregeln, die Flexibilität belohnen, können auch bereitwillige Haushalte nicht belohnt werden.

Reale Projekte, gemessen

Programm	Was wurde gemessen	Quelle
Großbritannien Demand Flexibility Service, Winter 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 Winterbericht, 2023
Großbritannien Demand Flexibility Service, Winter 2023/24	2,6 Millionen Zähler (99 % inländisch) über 48 Anbieter; 14 Tests und 2 Live-Veranstaltungen; mehr als 3,7 GWh geliefert mit einem Spitzenwert von mehr als 400 MW; Gesamtausgaben von 11,9 Mio. GBP; bei wettbewerbsorientierten Tests sank das durchschnittlich akzeptierte Angebot auf 1.111 GBP pro MWh, wobei die Gebote so niedrig wie 150 GBP lagen	NESO Jahresbericht 2024
US-Lastmanagement und virtuelle Kraftwerke	In den USA sind bereits schätzungsweise 30 bis 60 GW virtueller Kraftwerkskapazität in Betrieb, meist im Rahmen von mehrmals jährlich durchgeführten Demand-Sensitivity-Programmen.	US DOE, Wege zum kommerziellen Start: Virtuelle Kraftwerke, 2023
Potenzial der USA bis 2030	Etwa 200 GW kostengünstige Lastflexibilität, 20 % der Spitzenlast, mehr als das Dreifache der damals verfügbaren 60 GW Demand Response, im Wert von über 15 Milliarden US-Dollar an vermiedenen Kosten pro Jahr	Brattle, 2019
US-Ziel	80 bis 160 GW virtueller Kraftwerke bis 2030, 10 bis 20 % der Spitzennachfrage, Einsparungen in Höhe von 10 Milliarden US-Dollar pro Jahr an Netzkosten	US DOE, 2023

Großbritanniens Dienst ist die klarste groß angelegte öffentliche Aufzeichnung bisher. In zwei Wintern wurde es von einer Notfallmaßnahme zu einem Routine-Tool: Die Anzahl der Anbieter stieg um 58%, die Anmeldungen erreichten 2,6 Millionen Zähler und nachdem die Anbieter in Tests miteinander konkurrieren mussten, sank der durchschnittlich akzeptierte Preis auf etwa £1.100 pro MWh, gegenüber £3.000 in den Tests des ersten Winters. Es zeigt auch die Größenordnung: 400 MW an der Spitze sind ungefähr so groß wie eine große gasbeheizte Einheit, die von Millionen von Haushalten geliefert wird, von denen die meisten manuell betrieben werden.

Was es kostet

Flexibilität kauft man nicht mit der Kilowattstunde wie die Leistung eines Kraftwerks. Sie wird nach dem Kilowatt Spitzenleistung pro Jahr gekauft, denn das ist es, was sie ersetzt: Anlagen und Batterien, die für ein paar Dutzend Stunden bereit stehen.

Option, um einen Peak zu decken	Kostenmaß	Quelle
Gaspeak-Anlage, neu	$0.110 to $0,228 pro erzeugter kWh, nur bei Spitzenbetrieb	Lazard LCOE+, 2024
Gaspeak, Batterie für Versorgungsunternehmen und VPP für Privathaushalte, 400 MW Zuverlässigkeit für ein modelliertes US-Versorgungsunternehmen	Die Nettokosten des VPP für den Versorger betragen etwa 40% der Gaspeak-Kosten und 60% der Batteriekosten. $43 million for gas, $29 Millionen für Batterien und 2 Millionen Dollar für das VPP	Brattle, Reale Zuverlässigkeit, 2023
Notfall-Nachfragesenkung der privaten Haushalte, Großbritannien	1.111 bis 4.559 £ pro gelieferter MWh, für ein paar Stunden im Winter	NESO, 2023 und 2024
Dachsolaranlage auf einem Gebäude, unser Generationsbenchmark	$0.19 per kWh central; commercial rooftop $0.09 to $0.20	Unser Fan Wall model; Lazard, 2026

Aus dieser Tabelle ergeben sich zwei Lehren. Erstens scheinen Reduzierungen in Spitzenzeiten pro kWh teuer zu sein, aber eine Peak-Anlage ist auch pro kWh teuer, weil sie so selten läuft; Pro kW Zuverlässigkeit sind flexible Häuser die günstigste Option in den oben genannten Studien, und Brattle schätzt, dass ein US-Einsatz von 60 GW den zukünftigen Zuverlässigkeitsbedarf für $15 to $35 Milliarden weniger über zehn Jahre als die Alternativen decken könnte. Zweitens konkurriert Flexibilität nicht mit unserem Dach-Solar-Benchmark, sondern ergänzt ihn. Die Solarenergie produziert am meisten mittags; Flexibilität verlagert die Nutzung in diese Stunden, was den Wert jeder einzelnen Sonnenkollektoren erhöht und den Bedarf an Batterien reduziert.

Wo es gewinnen kann und wo nicht

Es kann gewinnen:

• Netze mit viel Solar, wo die Preise am Mittag gegen Null sinken und abendliche Spitzen teur sind.
• Wohnungen mit elektrischer Heizung, Warmwasserspeichern, Wärmepumpen oder Elektroautos, die Lasten, die Energie von Natur aus speichern.
• Lokale Netzwerke an ihren Grenzen, wo die Verwaltung des Ladezeitpunkts von Autos neue Kabel und Transformatoren verschieben kann; das US-DOE weist darauf hin, dass kalifornische Studien ergeben haben, dass ein reibungsloser Ladevorgang die Investitionen in die Verteilung bis 2035 von bis zu $50 billion to $15 bis 20 Milliarden Dollar.
• Unternehmen mit thermischen Prozessen: Kühlhäuser, Wasserpumpen, Heizung und Kühlung von Großgebäuden.

Es kann nicht gewinnen:

• Lange ruhige, dunkle Perioden. Die Verschiebung der Stunden kann im Winter keine windstille Woche abdecken.
• Lasten, die jetzt laufen müssen: Krankenhäuser, Beleuchtung, Kochen, die meisten Industrieanlagen mit engen Zeitplänen.
• Ohne Messung und faire Regeln. Wo die Zähler einmal im Monat abgelesen werden und die Tarife flach sind, gibt es nichts zu beantworten und keine Möglichkeit, bezahlt zu werden.

Was ist bewiesen, plausibel und spekulativ

Nachgewiesen: Millionen von Haushalten werden auf Spitzenzeiten reagieren, wenn sie belohnt werden (Großbritannien, 2022 bis 2024); Warmwasserbereiter, Thermostate, Ladegeräte und Batterien können im großen Maßstab ferngesteuert werden; virtuelle Kraftwerke liefern bereits Dutzende von Gigawatt in den USA; die Verlagerung der Last in Überschussstunden reduziert Einschnitte und Emissionen, wenn die marginale Anlage fossil ist.

Plausible: dass automatisierte Flexibilität zu Hause so zuverlässig sein kann wie ein Kraftwerk für die Ressourcenadäquanz (Brattles Modellierung, noch kein Jahrzehnt an Betriebsdaten); dass Flexibilität 10 bis 20% der Spitzennachfrage bis 2030 in den USA liefern kann; dass die meisten Haushalte mit Wärmepumpen und Elektroautos automatische Steuerung akzeptieren werden, wenn die Überschaltung einfach ist und die Einsparungen sichtbar sind.

Spekulativ: Ganzjährige, tägliche Flexibilität aus den meisten Häusern ohne Ermüdung; faire Ergebnisse für Haushalte ohne flexible Geräte; groß angelegte Flexibilität ohne neue Sicherheitsrisiken.

Offene Forschungsfragen

• Wie soll eine Baseline für einen Haushalt fair und kostengünstig geschätzt werden, und wie viel Fehler ist akzeptabel?
• Wie viele Events pro Jahr werden die Leute akzeptieren, und wie ändert sich das durch Automatisierung?
• Wie verhindern wir synchronisierte Rebound-Peaks, wenn viele Geräte auf denselben Preis reagieren?
• Was ist das wahre Thermische Flexibilität Wie hoch ist die Energieeffizienz von normalen Häusern mit Wärmepumpen und wie ändert sich dies bei Dämmung und Außentemperatur?
• Which Tarifentwürfe Teilen Sie die Vorteile fair mit Menschen, die nicht wechseln können?
• Wie kann Flexibilität verified Auf lokalen Netzen, nicht nur auf dem nationalen Netz?

Was ein funktionierender Prototyp benötigt

Aus Gründen der Flexibilität ist ein Arbeitsmodell keine Zeichnung einer App. Es ist eine gemessene Verschiebung der realen Last auf echten Geräten: kWh bewegt, kW Spitzenschnitt, mit einer Vergleichsgruppe, über eine ganze Saison. Die Ausrüstung ist billig, die Strenge kostet.

Phase	Arbeit	Entscheidung, die es ermöglicht	Grobe Kosten	Time
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	Ist der Effekt groß genug, um mit den verfügbaren Wohnungen zu messen?	$5k to $15k	1 bis 2 Monate
1. Bank- und Heimtest	Controller auf 5 bis 10 realen Geräten, halbstündliche Messung, Komfort-Protokollierung	Schaltet das Gerät zuverlässig und wird es von Menschen überschritten?	$10k to $30k	3 Monate
2. Arbeitsmodell	50 bis 200 Haushalte mit einer abgestimmten Kontrollgruppe für einen Winter oder Sommer, unabhängige Analyse der verschobenen kWh und des gekürzten kW	Flexibilität pro Haushalt, Teilnahme und Zufriedenheit gemessen	$50k to $200k	6 bis 9 Monate
3. Marktpilot	Registrieren Sie die aggregierten Häuser bei einem Lieferanten- oder Netzbetreiberprogramm und erhalten Sie eine Bezahlung für die bereitgestellte Flexibilität	Umsatz pro Haushalt, Kosten pro kW-Jahr, passt zu den Marktregeln	$150k to $500k	12 Monate

Wen wir brauchen

• Stromsystem-Ingenieure, die wissen, wie Flexibilität verteilt, gemessen und abgerechnet wird.
• Datenwissenschaftler und Statistiker für Baselines, Kontrollgruppen und Verifikation.
• Verhaltenswissenschaftler Angebote zu entwerfen, die Menschen verstehen und weiterhin nutzen.
• Embedded- und Sicherheitsingenieure Für Controller, die sicher, privat und offline arbeiten.
• Heizungs-, Warmwasser- und Elektrofahrzeug-Ladespezialisten.
• Regulatorische und tarifliche Experten Wer Märkte für kleine flexible Lasten öffnen kann.
• Gemeinschaftsorganisatoren und lokale Räte, die Haushalte fair rekrutieren können, auch solche mit geringem Einkommen.

Haben Sie eine bessere Idee?

Einige Mitglieder der Stiftung haben vielleicht Kontakte, die einen Pitch für eine starke Energieidee hören könnten. Um pitcht zu werden, braucht eine Idee einen Arbeits-, Real-Life-Modell, mit seinen Ergebnissen gemessen auf einem Instrument, nicht beansprucht. Für die Flexibilität bedeutet das echte Geräte in echten Häusern oder Gebäuden, mit verschobenen kWh-Metering und kW Spitzenschnitt im Vergleich zu Haushalten, die nichts getan haben. Papierideen sind ebenfalls willkommen: Wenn die Physik und die Zahlen stimmen, können wir sie hier auf der Website veröffentlichen. Aber Kapital zu beschaffen ohne ein funktionierendes Modell ist sehr schwierig, und nichts hier ist ein Versprechen von Finanzierung, Renditen oder Einführungen.

Senden Sie uns Ihre Idee oder Ihre Versuchsergebnisse über das Beitragsformular: das Problem, das es löst, die Last und das Signal, die gemessene oder geschätzte Verschiebung, einen ungefähren Kostenpunkt pro kW oder pro Haushalt und den günstigsten Test, der es falsch beweisen könnte. Für andere Richtungen siehe Energiealternativen im Vergleich.

Quellen

1. Die Brattle Group (Juni 2019) Die nationalen Potenziale für Lastflexibilität: Wert und Marktpotenzial bis 2030.
2. Hledik, R. and Peters, K., Die Brattle-Gruppe (Mai 2023). Real Reliability: The Value of Virtual Power, für Google erstellt.
3. US-Energieministerium (September 2023). Die Entwicklung von virtuellen Kraftwerken.
4. Nationaler Energienetzbetreiber (ehemals ESO) (August 2023). Demand Flexibility Service Winterbericht 2022/23.
5. Nationaler Energienetzbetreiber (2024). Demand Flexibility Service Winter 2023/24 Jahresbericht; Serviceübersicht.
6. Kalifornien ISO (2016). Was die Entenkurve uns über das Management eines grünen Netzes sagt.
7. Lindgren, J., Salpakari, J., Mikkola, J. und Lund, P.D. (2015). Überprüfung von Maßnahmen zur Flexibilisierung des Energiesystems, um einen hohen Anteil an variablem erneuerbarem Strom zu ermöglichen. Zeitschrift für Nachhaltige Energie 45, 785-807.
8. Albadi, M.H. und El-Saadany, E.F. (2008). Eine Zusammenfassung der Nachfragesteuerung in den Strommärkten. Elektrische Energiesysteme Forschung 78, 1989-1996.
9. Lazard (Juni 2024). Levelized Cost of Energy+, Version 17: Gaspeak $110 to $228 pro MWh. Die Ausgabe Juni 2026 enthält die kommerzielle Solar-Dachanlage, die als Benchmark verwendet wird.
10. Local Solar System Die Stiftung. The Fan Wall: Open Wind Research, für die Dach-Solar-Benchmark von 0,19 US-Dollar pro kWh.